1、宁波软土地区 MJS 工法桩施工对临近既有建筑物的影响分析 叶琪 王国权 杨兰强 金增选 宁波市市政工程前期办公室 宁波市城建设计研究院有限公司 浙江省工程勘察院 摘 要： 为解决围护桩施工时的挤土效应对临近既有建筑物变形的影响, 基于宁波地区首例 MJS 工法桩应用实例, 详细介绍了 MJS 工法桩的施工原理, 并提出了一套适合宁波软土地区的施工和设计参数。最后, 采用建筑物沉降位移、建筑物倾斜、地表沉降和深层土体位移等动态跟踪监测手段得到了 MJS 工法桩施工期间临近既有建筑物的沉降和倾斜变化规律、周边地表的沉降变化规律以及深层土体的变形规律, 并进行了 MJS 工法成桩质量情况分析。结果
2、表明:1) MJS 工法桩施工期间对周围环境影响很小, 基本上可以忽略不计;2) MJS 工法桩的水泥掺量大于 50%时, 其单轴抗压强度大于 1.49 MPa;3) 在淤泥质土中 MJS 工法的成桩质量会随着加固深度的增大而降低。关键词： MJS 工法桩; 单轴抗压强度; 软土地区; 临近既有建筑物; 作者简介：叶琪 (1975) , 男, 浙江宁波人, 1997 年毕业于华中科技大学, 交通土建专业, 本科, 高级工程师, 主要从事隧道工程的设计与管理工作。E-mail:。作者简介：杨兰强, E-mail:。收稿日期：2017-06-20Analysis of Influence of M
3、JS (Metro Jet System) Pile Construction on Adjacent Existing Buildings in Soft Soil Area in NingboYE Qi WANG Guoquan YANG Lanqiang JIN Zengxuan Ningbo Municipal Engineering Prophase Office; Ningbo Urban Construction Design Zhejiang Engineering Investigation Institute; Abstract： The principle of MJS
4、(metro jet system) is introduced in detail and a set of parameters of construction and design for MJS pile used in soft soil area in Ningbo is proposed so as to learn influence of squeezing effect of construction of retaining piles on deformation of adjacent existing buildings. The variation laws of
5、 settlement and inclination of adjacent buildings, settlement of surrounding ground surface and deformation of deep soil during MJS pile construction are obtained by dynamic tracking monitoring method; and analysis is made on quality of MJS pile. The results show that: 1) The construction of MJS pil
6、e affects the environment little. 2) The uniaxial compressive strength of MJS pile is larger than 1. 49 MPa when the cement content of MJS pile is larger than 50%. 3) The quality of the MJS pile decreases with the depth of clay increase.Keyword： MJS (metro jet system) pile; uniaxial compressive stre
7、ngth; soft soil area; adjacent existing buildings; Received： 2017-06-200 引言目前地下空间开发力度不断加大, 在地下空间开发过程中经常面临复杂的周边环境影响问题。宁波软土地区以淤泥质土为主, 土质较差, 土体成流塑状, 易受扰动。与基坑工程相邻的市政管线、古建筑以及危房等的保护是比较棘手的工程问题。对建 (构) 筑物周围的土体进行加固或者施工 1 道隔离桩是目前较常见、可行的解决方式1。李新星等2针对盾构近距离穿越桩基的施工影响问题, 采用在高架桩基两侧施工全方位高压喷射工法 (metro jet system, MJS)
8、 隔离桩进行防护, 取得了较好的效果;张登雨等3针对盾构侧穿临近古建筑的影响问题, 通过布置 1 道 MJS 工法隔离桩, 降低了盾构施工对古建筑变形的影响;吴昌将等4为了降低盾构施工对古建筑的影响, 在盾构区间与古建筑之间施工了 1 道MJS 工法隔离墙, 并采用数值模拟与现场监测相结合的方法得出了 MJS 工法隔离墙的抗变形效果, 但其未考虑 MJS 工法施工时的挤土效应问题;梁利等5在既有轻轨车站下部施工轻轨车站换乘通道的基坑支护设计中, 为了降低基坑开挖对既有车站的变形影响, 在既有车站周围进行了 MJS 工法桩地基加固, 取得了良好的效果;张志勇等6采用 MJS 工法桩对上海地铁工程
9、超深地基进行加固, 取得了良好的效果。大部分学者主要通过数值模拟和现场监测的方式讨论与研究 MJS 工法桩作为隔离桩在抗变形问题上的有效性, 但 MJS 工法桩施工时会对周围土体产生扰动, 尤其在淤泥质土中更为明显。周立波等7研究发现即使是非挤土的钻孔灌注桩在软土中施工也会引起临近电力顶管隧道变形, 变形量达 6.97 mm;李志高等8对水泥搅拌桩的挤土效应进行了专门的现场试验研究, 结果表明:对于透水性较差的土层, 水泥搅拌桩施工产生的注浆压力使土中产生的超静孔隙水压力积聚快、消散慢, 挤土效应较明显;王育兴等9针对打桩施工引起的挤土效应, 依据孔穴扩张理论, 建立了相应的解析方法;邓永锋1
10、0针对水泥搅拌桩施工扰动评价也提出了相应的定量解析方法。目前, 针对 MJS 工法桩施工期间的挤土效应问题仅有少量的文献做了报道, 例如:邓指军等11在地铁隧道施工时专门开展了 MJS 工法桩施工的现场试验, 采用跟踪监测手段初步总结了 MJS 工法桩的挤土特征;赵香山等12通过数值模拟手段讨论了软土中 MJS 工法桩施工时的环境效应。对于 MJS 工法在宁波软土地区的适用性以及 MJS 工法施工对周围环境的挤土效应和 MJS 工法挤土效应的定量描述等问题还需要进一步的研究与讨论。根据宁波地区首例 MJS 工法保护实例, 在 MJS 工法桩施工过程中进行动态跟踪监测, 并从成桩质量角度评估 M
11、JS工法在宁波地区的应用效果。1 问题提出1.1 工程背景拟建的过街地道位于宁波核心城区。拟建地道的位置及监测平面图如图 1 所示。场地东侧为新华联商厦, 西侧为东方商厦, 南侧为中山东路。中山东路路面以下为地铁 1 号线天一广场站。拟建过街地道的挖深为 10.0615.6 m, 采用咬合桩+多道支撑的支护形式。场地内的土层主要以淤泥质土为主, 土层的物理力学参数见表 1。图 1 拟建地道的位置及监测平面图 Fig.1 Plan of location and monitoring of underground passage to be built 下载原图DZCX、GX、FW 和 QX 分
12、别代表测斜监测点、地表沉降监测点、建筑物沉降监测点和建筑物倾斜监测点。表 1 土层的物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of soils 下载原表 1.2 临近既有建筑物现状拟建地道西侧紧邻东方商厦。东方商厦分 3 期建造完成, 其中临近地道的是1985 年建造的 1 期工程及 1994 年建造的 1 期扩建工程。东方商厦建造情况如图 2 所示。图 2 东方商厦建造情况 Fig.2 Construction circumstances of Dongfang Mansion 下载原图1985 年建造的 1 期工程为地上 9 层框架结构+预应
13、力空心板, 基础为 400 mm400 mm 的预制方桩, 工程桩桩长 27.4 m, 桩底位于 1黏土层。1994 年建造的 1 期扩建工程为地上 9 层框架结构+现浇板, 基础采用钻孔灌注桩, 桩径为800 mm, 桩的长度为 30 m, 桩底位于 1黏土层, 与 1 期工程之间设置了沉降缝。受南侧地铁车站施工的影响, 东方商厦 1 期工程以及 1 期扩建工程产生了明显的不均匀沉降。根据 2011 年 12 月至 2014 年 4 月的监测结果显示:1) 东方商厦的最大总沉降量为 90.58 mm, 位于建筑物的西南角;2) 建筑物整体发生了南北倾斜, 北侧沉降量小、南侧沉降量大, 南北向
14、倾斜率为 3.213.54, 大于规范13要求的建筑地基变形允许倾斜率 (3) ;3) 西侧沉降大、东侧沉降小, 东西向倾斜率为 0.1490.89。由于倾斜率是通过监测点的沉降差与水平距离的比值反算出来的, 且所监测的建筑结构之间设有沉降缝, 因此实际建筑的倾斜率比计算值小。考虑到目前东方商厦的不均匀沉降较大, 且后期地道的施工容易造成东方商厦进一步变形, 在地道施工前对东方商厦进行了基础预加固处理, 即在 1 期工程的西侧、南侧和东侧以及 1 期扩建工程东南角处的基础外侧进行了补桩 (补桩采用 21 根800 mm 的钻孔灌注桩, 全套筒施工) , 并对建筑物进行了纠偏处理, 使得加固后的
15、南北倾斜率为 0.3591.991, 东西向倾斜率保持不变。2 临近既有建筑物保护及监测方案2.1 影响临近既有建筑物安全性的因素由于东方商厦已产生不均匀沉降, 为了保证东方商厦在临近地道施工期间的安全性, 需采取一系列有效的保护措施。影响东方商厦安全性的因素主要集中在地道施工期间。地道施工期间影响东方商厦安全性的因素主要体现在 2 个方面:1) 围护桩施工期间的挤土效应;2) 基坑开挖期间的变形影响。影响东方商厦安全性的因素如图 3 所示。图 3 影响东方商厦安全性的因素 Fig.3 Factors affect security of Dongfang Mansion 下载原图本文主要讨论
16、 MJS 工法桩施工对周围环境的影响问题, 而后续基坑开挖变形问题可通过整个围护体系以及 MJS 工法桩的隔离作用共同控制, 其属于另一个讨论问题, 本文的讨论不涉及基坑开挖期间的变形影响。2.2 MJS 工法桩施工参数为了最大可能地避免地道施工对西侧东方商厦的影响, 在地道与东方商厦之间布置 1 道隔离桩保护墙是一种较为普遍、可行的方法14-15, 其主要用于隔离打桩和挖土对西侧东方商厦的影响。隔离桩加固的方法有三轴水泥土搅拌桩法、双轴水泥土搅拌桩法、高压旋喷桩法和压密注浆法等。拟建地道与东方商厦的最小距离仅为 6.3 m, 所以无法采用常规的三轴水泥土搅拌桩和双轴水泥土搅拌桩。水泥土搅拌桩
17、、高压旋喷桩和压密注浆法的挤土效应非常严重, 在已发生不均匀沉降的建筑旁施工可能会造成不利影响 (例如图 4 所示的该项目附近工地高压旋喷桩施工导致围墙开裂的情况) , 如果不考虑围护桩施工的挤土影响, 很有可能对东方商厦造成严重的影响。图 4 高压旋喷桩施工导致围墙开裂 Fig.4Wall cracks induced by construction of high pressure jet grouting pile 下载原图MJS 工法桩与传统高压旋喷桩施工原理对比示意图如图 5 所示。由图 5 可知, 传统高压旋喷桩主要通过喷射高压 (一般大于 20 MPa) 水泥浆并联合空气压力切割
18、土体, 使得水泥与土体充分混合形成具有一定强度的水泥土加强体。传统高压旋喷桩施工一般为孔口自然返浆, 无法对排浆量及孔内压力进行控制。在深厚软土地基施工时, 如果排浆不畅, 会使得加固区域瞬间产生很大的超静孔隙水压力, 并引起周边土体产生侧向变形和隆起变形。所以, 在高压旋喷桩施工时, 其周围 20 m 范围内常常会出现明显的土体隆起或如图 4 所示的建 (构) 筑物结构开裂。图 5 MJS 工法桩与传统高压旋喷桩施工原理对比示意图 Fig.5 Sketch diagrams of comparison between MJS pile and high pressure jet grouti
19、ng pile in terms of working principle 下载原图MJS 工法桩是在传统高压旋喷桩施工工艺的基础上改进而成的, 不仅具备传统高压旋喷桩切割土体和加固土体的功能, 而且其采用独特的多孔管和前端装置 (Monitor) 实现了强制排浆, 将多余的泥浆通过排泥孔排出, 并通过前端地内压力监测装置对地内泥浆压力进行监测, 保持泥浆压力的稳定, 从而减少了对周围环境的影响。MJS 工法桩具有良好的施工性能, 不仅可以垂直施工, 还可以倾斜施工和水平施工, 具有可控角度摇摆喷浆的功能。该法与常规旋喷桩相比, 还具有处理深度大、桩径大、强度高以及对周围环境影响小的特点。另外
20、, MJS 工法具有专门的废浆排放管路, 对环境污染小。高压喷射端口和地内压力感应器分别如图 6 和图 7 所示。由高压喷射端口和地内压力感应器组成的前端装置上分布有压力传感器、排泥口和喷浆口等。钻杆端部的多孔管剖面图如图 8 所示。多孔管由排泥管、水泥浆管、排泥用水管、排泥用空气管、喷射主气管、排泥闸门控制油路管、削孔水管、钻杆对接螺栓孔、数据线通道和预留孔等组成。MJS 工法的关键技术主要为:1) 提供足够的水泥浆压力和空气压力切割土体;2) 准确评估施工区域不同深度处的地应力值;3) 及时进行强制排浆, 控制地应力, 避免产生过大的超静孔隙水压力。MJS 工法的主要技术参数见表 2。表
21、2 中的参数是通过现场试桩试验获取的, 并与文献3和文献7中提供的 MJS 工法主要技术参数进行了对比。图 6 高压喷射端口 Fig.6 Port of high pressure jet 下载原图图 7 地内压力感应器 Fig.7 Sensor of internal pressure 下载原图图 8 多孔管剖面图 Fig.8 Cross-section of perforated pipe 下载原图表 2 MJS 工法的主要技术参数 Table 2 Main technical parameters of MJS 下载原表 由表 2 可知, 影响 MJS 工法施工质量的主要参数有 7 个。
22、浆压力、空气压力和空气流量 3 个参数主要用来实现土体的切割和形成桩体;地内压力系数主要根据地区地应力测试进行控制。土层侧向压力式中:h i为各土层厚度, m; i为土体重度, k N/m;K 0为静止土压力系数, 一般取 1-sin。如果定义一个地内压力系数 i的概念, 则地内压力系数式中 w为水的重度, k N/m, 一般取 10 k N/m。则式 (1) 所描述的土层侧向压力可采用式 (3) 的形式表示:施工现场 20 m 范围内的土层主要以淤泥质土为主, 根据相关测试, 地内压力系数 i可取 1.41.6。MJS 工法隔离桩设计桩长为 21 m, 桩型为 180半圆, 桩径为 1 80
23、0 mm, 搭接长度为 600 mm, 采用 PO42.5 普通硅酸盐水泥, 水灰质量比为 11。2.3 监测方案的制定为研究 MJS 工法桩在施工期间对周围环境的影响, 尤其是对西侧东方商厦的变形影响, 在东方商厦及其附近布置了一些监测点。东方商厦与 MJS 工法桩之间共布置了 4 类监测点, 如图 1 所示, 即:1) 测斜监测点 (DZCX01、DZCX02、DZCX03 和 DZCX04) , 用于监测 MJS 工法桩施工期间深层土体的水平位移情况;2) 地表沉降监测点 (GX01、GX02、GX03、GX04、GX05、GX06、GX07、GX08 和GX09) , 用于监测打桩期间
24、临近东方商厦一侧的地表沉降情况, 地表沉降监测点的水平间距为 10 m;3) 建筑物沉降监测点 (FW07、FW08、FW09 和 FW10) , 用于监测打桩期间东方商厦 (桩基础建筑物) 的沉降情况;4) 建筑物倾斜监测点 (QX04 和 QX05) , 用于监测打桩期间东方商厦 (桩基础建筑物) 的倾斜情况。3 MJS 工法桩施工期间对周围环境的影响分析MJS 工法桩施工阶段为 2016 年 4 月 18 日至 2016 年 6 月 3 日, 在施工前期及施工期间开展了同步跟踪监测。3.1 东方商厦沉降情况MJS 工法桩施工期间东方商厦的沉降位移时程曲线如图 9 所示。由图 9 可知,
25、MJS 工法桩施工期间, 西侧东方商厦的沉降量普遍在 2 mm 以内, 最大隆起量为2.65 mm, 最大沉降量为 2.5 mm, 由此可见, 采用 MJS 工法桩施工对西侧东方商厦的沉降影响较小, 基本上可忽略不计。图 9 东方商厦的沉降位移时程曲线 Fig.9 Time-history displacement curves of Dongfang Mansion 下载原图3.2 东方商厦倾斜情况MJS 工法桩施工期间东方商厦南北向倾斜率增量时程曲线如图 10 所示。东方商厦通过结构加固后的南北向初始倾斜率为 0.3591.991。由图 10 可知, MJS 工法桩施工对东方商厦南北向倾斜
26、的影响非常小, 倾斜率最大增量仅为0.065。MJS 工法桩施工期间东方商厦东西向倾斜率增量时程曲线如图 11 所示。东方商厦通过结构加固后的东西向初始倾斜率为 0.1490.890。由图 11 可知, 采用 MJS 工法桩施工对东方商厦东西向倾斜的影响非常小, 倾斜率最大增量仅为0.128。由图 10 和图 11 可知, 采用 MJS 工法桩施工对东方商厦的倾斜几乎无影响。图 1 0 东方商厦南北向倾斜率增量时程曲线 Fig.10 Time-history increment curves of inclination towards north and south of Dongfang
27、Mansion 下载原图初始倾斜率:1) QX04:0.359, 向南倾斜;2) QX05:1.991, 向南倾斜。图 1 1 东方商厦东西向倾斜率增量时程曲线 Fig.11 Increment curve of inclination rate between east and west of Dongfang Mansion 下载原图初始倾斜率:1) QX04:0.149, 向东倾斜;2) QX05:0.890, 向西倾斜。3.3 周围地表沉降情况MJS 工法桩施工期间东方商厦一侧的地表沉降时程曲线如图 12 所示。由图 12可知, 地表最大隆起量为 11.58 mm, 最大沉降量为 11
28、.09 mm。大部分地表的沉降量控制在 5 mm 以内, 说明 MJS 工法桩施工对地表沉降的影响较小;局部地表沉降量出现大于 10mm 的现象, 经过分析认为是未控制好表层土的排泥量而导致的。MJS 工法是通过强制排泥保证地层不出现过大的超静孔隙水压力, 如果强制排泥速率控制不好, 排泥量跟不上, 会引起表层土出现较大的超静孔隙水压力, 进而出现较大的地表隆起变形;如果排泥抽得太快, 会产生超负孔隙水压力, 出现地表土体被“吸下去”的情况, 即出现过大的地表沉降现象。因此, 在施工前一定要准确地测试施工区域的地应力情况, 尤其是地表的地应力情况, 并合理控制排泥速率。图 1 2 东方商厦一侧
29、的地表沉降时程曲线 Fig.12Time-history ground surface settlement curves at side of Dongfang Mansion 下载原图3.4 深层土体水平位移情况MJS 工法桩施工期间东方商厦一侧深层土体的水平位移曲线如图 13 所示。由图13 可知, MJS 工法桩施工期间, 东方商厦附近的深层土体水平位移普遍在 5 mm以内, 最大水平位移仅为 14 mm, 且最大水平位移所处深度为 1.52 m, 随着土层深度增加水平位移逐渐降低。综合图 12 和图 13 的情况可知, MJS 工法桩在深层位置加固土体时对周围环境的影响较小;但当加固
30、浅层土体在 1.52 m 时影响较大, 应格外注意其施工影响, 稍有不慎就可能造成周围土体产生过大的变形, 进而威胁周围建 (构) 筑物的安全。图 1 3 东方商厦一侧深层土体的水平位移曲线 Fig.13Horizontal displacement curves of deep soil at side of Dongfang Mansion 下载原图4 MJS 工法成桩质量分析MJS 工法桩施工完毕并经过 28 d 养护后, 随机选取 9 个点进行通长钻孔取芯。图 14 示出 MJS 工法施工后的成桩情况。根据测量可知, 深度 3 m 范围内的桩头半径为 1.9 m, 大于设计桩径 1.8
31、 m, 满足要求。通过钻孔取芯取出的 MJS 工法施工芯样如图 15 所示。MJS 工法施工芯样呈柱状, 较完整、坚硬, 说明搅拌较均匀、固结较好。在阳光下晾晒后可以看到“白花花”的色泽, 说明水泥掺量合理。图 1 4 MJS 工法施工后的成桩情况 Fig.14 Pile quality of construction of MJS 下载原图图 1 5 MJS 工法施工芯样 Fig.15 Core samples of MJS pile 下载原图图 16 示出 MJS 工法施工试样的单轴抗压强度随地层深度的变化曲线。由图 16可知, 不同深度处 MJS 工法施工试样的单轴抗压强度均大于 1.49 MPa, 大于设计值 1.2 MPa。而宁波地区传统高压旋喷桩的单轴抗压强度为 0.81.0 MPa。另外, 试样的单轴抗压强度随深度增加呈逐渐递减的趋势, 在 45 m 深度处单轴抗压强度最大, 在 1920 m 深度处单轴抗压强度最小。根据地勘资料可知, 该场地 20 m 范围内以淤泥质土为主 (见表 1) , 在淤泥质土中 MJS 工法的成桩质量会随着加固深度的增大而降低。
