2021年3月第3期（总270)
铁道工程学报
JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY
M ar 2021
悬浮床
NQ.3(Ser. 270)
文章编号：1006-2106(2021)03-0008-05
熊仲明^覃泽宏1蔡虹2汪肆卜2
(1•西安建筑科技大学，西安710000; 2.中铁四局集团有限公司，合肥230041)
摘要：研究目的：富水砂层地区某地铁区间盾构始发时破洞门遭遇困难。为解决该部位的盾构井加固难题，通
过有限元数值模拟研究后采用MJS工法桩加固，使盾构得以安全进行，且数值模拟的计算结果与现场实测数
据对比相一致。
研究结论：（1)采用适用的地内应力系数与水泥掺量比例，在深富水、厚砂砾层情况下，MJS工法桩成桩 质量好、压力可稳定控制、对土体扰动小；（2) MJS工法桩扩孔造成的土体侧向位移与地表沉降随着侧压力增 大而增大，随着水泥掺量的加大而减小;（3)对于苏北黄泛区富水砂层地区，在1.6倍地应力的压力控制下，
水泥掺量为40%时，扩孔成桩对周围土体的扰动最小，成桩效果最好；（4) MJS桩在淮安地区运用效果很好，
关键词：盾构井;MJS工法桩；始发端；加固
中图分类号:TU441+.4文献标识码：A
Application and Analysis of MJS Pile in Shield Starting of Water - rich Sandy Stratum
XIONG Zhongming1,QIN Zehong1 ,CAI Hong2,WANG Sibo2
(1. Xi'an University of Architecture and Technology, Xi^an, Shaanxi 710000, C hina；2. China Tiesiju Civil Engineering Group, H efei, Anhui 230041, China)
Abstract:Research purposes:It is difficult to break a tunnel door when shield tunneling starts at a subway section in water -rich sandy stratum. In order to solve the problem of shield shaft reinforcement in this area, MJS pile reinforcement method is adopted after finite element numerical simulation research, which makes shield tunnel work safely, and the calculation results of numerical simulation are consistent with the field measured data.
Research conclusions： (1)MJS piles are of good quality, stable pressure control and little disturbance to soil mass under the condition of deep water —rich and thick gravel layer by adopting the appropriate ratio of in -situ stress coefficient and cement content. (2 ) The lateral displacement of soil mass and ground settlement caused by MJS pile enlargement increase with the increase of side pressure and decrease with the increase of cement content. (3)For the water - rich sandy stratum in the Yellow River flooding area of North Jiangsu, under the control of 1.6times stress and 40%cement
content, the disturbance of expanded hole pile to surrounding soil body is the smallest and the effect of pile formation is the best. (4)MJS piles are very effective in Huai an area and can provide reference for shield construction in other water - rich sand layer areas.
Key words：shield w ell；MJS p ile；starting point；reinforcement *
*收稿日期:2020-09 -27
基金项目：国家自然科学基金项目（51278395 )；住建部科学技术基金项目（2016 - k5 - 044)；陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2018JZ5008)
u作者简介：熊仲明，1966年出生，男，教授。
第3期熊仲明覃泽宏蔡虹等：富水砂层盾构始发MJS工法桩的应用及分析9
随着城市轨道交通的快速发展，盾构法在城市地 铁建设中得以广泛应用。如何避免盾构始发端凿除洞 门时洞口外土体坍塌和地下水涌人，保证盾构始发及 接收安全，是盾构施工中必须要解决的问题。如何对 富水、厚砂砾层环境下的盾构井进行加固是盾构施工 中的难点。
江苏省淮安市首建地铁区间位于富水、厚砂砾层 区域，盾构底板深达30 m，在盾构始发前检测发现始
发端加固的三轴搅拌桩成桩质量差，水平探孔检测有 流水、流砂，不能满足盾构始发和到达的基本条件，研 究对比后决定采用M JS工法桩进行二次加固，使洞门 得以安全破除、盾构始发成功。M JS工法从日本引进，在我国上海等软土地区的盾构工程加固中已有较多运 用，但在富水厚砂层中应用较少[7]且缺乏理论支撑。徐宝康[1]论述了 M JS工法桩在地基压力管理、对上部 结构及周边环境的扰动控制上的优势；王中兵[2]提出 了M JS工法桩在中厚砂层超深止水帷幕施工中采用 全深度护孔套管的改进措施；周朋[3]总结了 M JS工法 应用在砂卵石地层盾构近距离下穿运营地铁隧道的优 势；叶琪等[4]结合宁波软土地区的工程实例，进行了 M JS工法桩对临近建筑物的影响分析与成桩质量分 析。本文分析了淮安M JS工法桩的成功原因，进行了 ABAQUS数值模拟并与现场检测数据进行了比较。结 果表明：MJS工法粧采用了合适的施工参数，在深富水、厚砂砾层情况下，成桩质量好、压力控制稳定、对土 体和周围建筑物扰动小、施工安全可靠，该工法桩值得 在淮安地区盾构施工中推广运用。
1工程概况
1.1概况
淮安首建地铁区间穿越淮安东高铁线路、站房与 京沪高速公路（图1)，此区域位于徐淮黄泛区，地下水 位高、砂层厚，承压水和潜水丰度高。根据地勘报告, 盾构路线恰好穿过富含承压水和粉砂的③，和③4地 层。各地层的物理力学特征如表1所示。
图1盾构始发布置图
表1土层物理力学性质参数
岩土
岩土名称天然含水率密度p/饱和度天然孔隙比压缩系数压缩模量直剪固快
编号(1)/%(g •cm"3)S/%e«0.1-0.2/M P a_1匕).1-o.2’MPa黏聚力C/k P a内摩擦角％/(°)②，砂质粉土26. 1 1.96960.7520. 1511.681129.8
②2黏土26.0 1.99980.7280.237.515417.5
©4粉质黏土21A 1.97980.7620.26 6.783116. 1砂质粉土26.2 1.97970.7260. 1610.79929.7砂质粉土25.3 1.98960.7190. 1313.22929.6
@4粉砂23.1 1.98910.6620. 1016.62531. 1
该工程采用土压平衡盾构法掘进，盾构井洞门需 要2次盾构机始发、2次接收，基本的施工条件是：洞 门土体稳定，始发接收、凿除洞门时无涌水涌砂，水位 降至基坑底面以下1.0 m。
1.2施工出现的问题与原因分析
原方案盾构工作井基坑采用1 〇〇〇mm厚地下连 续墙（长43 m，宽25.4 m)进行围护，在盾构井始发端 设三轴搅拌桩加固（加固长度10 600套打，桩间距搭接250 mm)；揽拌桩与围护结构间900 m m 间隙采用批〇〇@500三重管旋喷桩加固。三轴搅拌 桩与盾构井主体实施后发现以下问题：
第一，在基坑开挖过程中出现数次围护结构地连墙内壁漏水，后立即采用坑内井降水、快硬水泥封堵与 二次双液注浆进行了止漏封堵。
第二，地连墙施工中数次出现塌方现象，在洞口地 连墙抓槽过程中出现明显塌方，超方严重。
第三，在基坑主体完成、盾构机下井，洞口凿除前，水平探孔探测，发现盾构井始发端实际加固质量差，存 在流水、流砂现象。
分析原因主要有：地层含水率大、砂层厚，始发端 头掘进断面均为粉砂，含承压水，自稳能力差，易扰动，易坍塌，扰动后土体结构强度降低明显，地连墙与三轴 搅拌桩质量不易保证。故需采取针对性的加固处理
措施。
10铁道工程学报2021年3月
2新加固方案的选定
已实施的三轴搅拌粧取芯试验表明成桩质量差，整体成粧率低，如图2所示。深地基30 ~ 40 m改良处理质量可靠[6]，满足本项目深 地基、小间隔段加固的要求；通过控制特有的排浆阀门 调节排浆量而控制土体内压力，对既有建筑物的影响 小；主动排泥方便，泥浆集中收集处理，减少了废浆对 周边土壤与水体的污染。
综上，考虑盾构机需在连镇铁路动态验收前穿越 连镇铁路淮安东站路基，盾构始发刻不容缓，最终决定 在三轴搅拌桩与地连墙的900 mm间隔区采用M JS工 法粧进行二次加固。
图2盾构端头三轴搅拌桩取芯情况
M JS工法桩相比三轴搅拌桩和高压旋喷粧，具有 如下显著优点：流量与喷嘴压力大，同轴高压空气稳 定、对地内压力精准可控，成桩直径大，可达2 ~2. 8 m；机械化程度高，对转速、提升速度等均可全程监控，对3 M J S工法桩施工参数制定
影响M JS工法桩施工质量的主要参数有7个[4]，其中浆压力、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。本项目由于施工现场 20 m范围内的土层主要以粉砂质土为主，经反复测
验地 内压力系数取1.4 ~2.0进行控制；采用P . 042.5级水 泥掺量为30%~ 50%，泥浆比重1. 51，注浆泵流量 120 IV m in，每米喷射时间25 m in，提升速度40 m m/m in。具体施工参数如表2所示。
表2施工参数
项目本项目参数文献[4]的数据文献[5]的数据文献[8]的数据水泥浆液压力/M Pa40彡38彡38彡38
水泥浆液流量/(L •m irT1)90 〜130160 〜18085 〜100彡85主空气压力/M Pa0.60.8 〜1.050.70.7
主空气流量/(Nm3•m in-1) 1.0 〜1.2 1.0 〜3.0 1.0 〜2.0 1.0 〜2.0提升速度/(m in •m_1)20 〜2537.9 〜75. 81517.3浆液类型纯水泥浆纯水泥浆纯水泥浆纯水泥浆
水灰比1:11:11:11:1地内压力系数 1.6 1.4 〜1.6--地内压控制范围/M Pa--0.22 〜0.380.22 〜0.38
4数值分析
HOST 格式M JS工法桩是导孔后、压力控制扩孔、自下至上成 桩的过程，采用ABAQUS数值分析，简化成轴对称模 型，砂质土层水平取50 m，竖向50 m,M JS桩直径2 m，深30 根据地质报告，砂质土层的压缩模量为16 MPa，由于地层较深故为紧砂，弹性模量£取80 MPa，泊松 比为0.35，渗透系数为8.48 m/d即9.8 x l(T5m/s，密 度为1.98 kg/m3，内聚力为5 kPa，摩擦角为35°。MJS 工法桩密度为2.2 kg/m3，
弹性模量£取未达到强度的粧材料，见表3，泊松比为0• 18。边界条件是左右两 侧为横向约束，底部为横纵两方向约束。按施工过程 分4个分析布：在初始分析步建立相互作用摩擦；第1步 进行地应力平衡；第2步对土体沿柱桩深施加侧压力荷 载扩孔，侧压力自下至上呈三角形分布，取1.4 ~2.0倍地内压力系数；第3步一次性填入桩身，随着水泥掺量的 不同而桩体弹性模量改变；第4步模拟桩体完成，解除 桩体侧压力。桩体与土体间侧面与底面设接触，切向 采用罚行为摩擦系数〇.7，法向为硬接触。
步步紧计算结果表明，在施加侧压力第2步完成时，桩顶 位移、桩侧土体的应力及位移变形达到最大值，成粧解 除侧压力第4步后，均出现微量回弹减小。桩底部的 应力、变形最大。粧周围的地表，距粧体越远，沉降越 小，水平距离4 m以外沉降趋近极小。地表在水平方 向2 m的位置，在侧压力为1.6倍地应力、第1步开始 变形为〇.02 mm，结束时变形增大为0.09 mm，第3步 结束时变形〇. 10 mm达到最大值，第4步撤除侧压力 后土体变形减小到〇.〇8 mm，变形微量反弹。全过程 地表沉降如图3所示。
桩侧土体在竖直方向，
随着桩体深度越大，变形越
第3期熊仲明覃泽宏蔡虹等：富水砂层盾构始发MJS 工法桩的应用及分析11
-
0.12
2.0 4.0 6.0 8.0距桩中心水平距离/m
图3地表沉降对比图
大。随着第2步进行，侧压力加大，随之变形加大，第
2步完成时变形达到最大值，成桩撤除侧压力第4步
后，桩侧土体出现回弹，变形减小，如图4所示。
图4各分析步地表沉降对比图
地内压力系数是重要参数，土体的侧压力按(Th =
(
X A 计算，其中为水的重度，（为地内压力系
非晶型磷酸盐结晶数[4]。M JS 加固区处于③4粉砂层，根据现场测试， 【取1.4 ~ 2.0。以紧贴桩身侧30 m 深度的侧土体为 计算路径，对比侧压力为不同地内压力系数下的土体 侧位移。随着深度增加，土体侧位移先有负向隆起后, 正向侧位移变形逐步加大;20 m 以内1.6倍地内压力 系数下负向变形小于2.0倍地内压力系数，20 m 以上 1_ 6倍地内压力系数下正向变形小于2.0倍地内压力 系数，故控制压力采用1.6倍地内压力系数时相对土 体的影响最小。不同地内压力系数下土体竖向位移对 比如图5所示。
水泥掺量的不同，桩体材料参数（表3)不同，影响 土体变形，土体的侧位移与地表沉降不同。对比计算 结果（图6、图7)可知，水泥掺量增大，桩体弹性模量 加大，以地表距桩水平5 m 的位置为例，在20%水泥
-0.05
5 10
15
距桩顶水平距离/m
图6不同水泥掺量下地表沉降对比图
5效果分析
为检验M JS 工法桩的成桩质量，对洞口加固区进
行钻孔取样。利用微机控制压力试验机测芯样的无侧 限抗压强度，试样的抗压强度在4.74 ~5. 13 MPa 之
2.3GPa-step2 ； 2.3GPa-step4 ； 4.6GPa-step4 ； 6.9GPa-step4
0 5 10
15 20 25 30
深度/m
图5不同地内压力系数下土体竖向位移对比图
掺量下地表沉降量第2步完成时为0. 04 mm ，第4步 完成加大到〇• 09 mm ，在40%水泥掺量下第4步完成 地表沉降量为〇.〇8 mm ，在60%水泥掺量下第4步完 成地表沉降量为〇.〇6 mm ，即随着水泥掺量增大，地表 沉降变小；同样，同一深度位置处，土体的侧位移随着 水泥掺量的增大而变小。综合考虑喷浆的和易性、减
少堵孔，采用40%水泥掺量相对变形小。
表3不同水泥掺量下MJS 工法桩材料力学参数水泥掺量
/%
密度/(kg • m"3)弹性模量 E/GPa 泊松比m 剪切模量 /GPa 20 2 200 2.30. 18 1.27830 2 200 3.450. 18 1.91740 2 200 4.60. 18 2.55650 2 200 5.80. 18 3.46860
2 200
6.9
0. 18
4. 145
0408
-0.-0.
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12
铁道工程学报
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■ 2.3GPa-step2 ； ► 2.3GPa-step4 ； * 4.6GPa-step4 ； ‘ 6.9GPa-step4
5
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30
深度/m
图7不同水泥掺量下土体侧向位移对比图
间，均大于设计值，达到预期的结果。
为比较M JS 工法桩施工期间和三轴搅拌桩施工 期间对周围环境的影响，监测三轴搅拌桩及M JS 工法 桩施工期间深层土体的侧向位移情况、沉降情况。
盾构井及其附近布置了 4个测斜监测点，根据监 测数据（图8、图9)比较得知：三轴搅拌桩施工期间 2019年3 ~4月，基坑深层水平位移变化大
，一
度超报
警值，向坑内移动，M JS 施工期间2019年5月26日~ 7月25日监测数据显示基坑深层水平位移变化小，始 终在正常范围内；地表沉降监测点有40个，监测数据 比较得知，三轴搅拌桩施工期间地表隆起较大，降升波
动大，M JS 施工期间显示地表隆起较小，沉降小，始终 在正常范围内，与数值模拟结果基本一致。
图8
深层位移变化曲线（打桩期间>
6结论
(1)目前，M JS 工法桩在上海、宁波等淤泥质软土
地区应用较多，在苏北黄泛区淮安富水深厚砂砾地质 层的应用尚属首例，实践证明，M JS 工法强制排泥，成 桩直径大，对加固区扰动微小，再结合对施工参数的精 准控制，保障了淮安地区首次盾构施工顺利安全始发 及接收，为淮安地区今后的地铁盾构施工提供了宝贵
注：
三轴；MJS ;---三轴影响线；----MJS 影响线
图9地表沉降-时间变化曲线
经验。
(2)
通过数值模拟和现场监测，对M JS 工法粧以
永磁接触器及传统旋喷桩进行分析，可知M JS 工法桩对环境影响 比传统旋喷桩小。传统旋喷桩是位移控制施工，
喷出
楽液挤压土体，对地基土体的影响大;M JS 工法粧施工 是压力控制过程，施工过程中控制压力，同时泥浆持续 排出，不会对周围土体造成不必要的挤压，土体侧应
力、位移、地表沉降均微小。
(3) 通过A B A Q U S 数值分析，M JS 工法桩扩孔造 成的土体侧向位移与地表沉降随着侧压力增大而增 大，随着水泥掺量的加大而减小。在苏北黄泛区富水 厚砂层地区时，在1.6倍地应力的压力控制下，水泥掺 量为40%时，扩孔成桩对周围土体的扰动最小，成粧 效果最好。实际施工效果与以上计算结果一致，证实 了数值模拟的结论正确。
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