mjs法地基处理技术综述与应用

MJS 法地基处理技术综述与应用 张子新 李佳宇 同济大学地下建筑与工程系 岩土及地下工程教育部重点试验室 摘 要： 20 世纪 90 年代, MJS 法起源于日本, 是一种新型的全方位高压喷射地基处理技术;自 2008 年引入中国以来, 已经在基坑开挖、建筑物保护和地基改良等方面取得了良好的应用效果。但由于技术复杂、成本较高, MJS 法还未在中国广泛普及开来。笔者对 MJS 法的技术进行较为全面的回顾与介绍, 包括技术背景、原理、特点、工艺、设备等, 并对 MJS 法在日本及中国的实践应用进行回顾, 特别是对中国所取得的巨大成就进行介绍。关键词： MJS 法; 地基处理; 高压喷射; 环境保护; 作者简介：张子新 (1966-) , 教授、博士生导师, 主要从事隧道及地下建筑工程研究, (E-mail) zxzhangtongji.edu.cn。收稿日期：2016-10-12基金：国家自然科学基金 (41372276) Review and applications of MJS techniques for ground improvementZhang Zixin Li Jiayu Department of Geotechnical Engineering;Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering, Ministry of Education, Tongji University; Abstract： MJS method, invented by Japanese in 1990 slast century, is a new all-round type reinforcing and consolidation method for ground improvement.Since 2008 when MJS method is introduced to China, MJS method has been widely used in the field of pit excavation, structure protection and ground improvement with good results.The main purpose of this article is to review and introduce MJS method fully relatively, including invention background, principle, characters, technics, equipment etc.In addition, applications of MJS method in Japan and China are reviewed, especially the great achievement in our country.By reading this article, readers will understand MJS method comprehensively.Keyword： MJS method; ground improvement; high pressure jetting; environment-protection; Received： 2016-10-12地下工程的发展, 也是人类对地基的认识与改造的过程。远古时期, 人类只能利用天然洞穴作为庇护所, 五六十万年前, 北京猿人就已经利用洞穴藏身及保存火种1;随着文明的发展, 人类渐渐学会了如何简单地对天然地基进行处理, 以达到特定的目的, 并兴建了很多大规模的地下工程, 如李斯动用几十万人力为秦始皇修建皇陵。但此时, 人类仍受限于极低水平的地基处理技术, 只能在天然地基较好的地方修建地下工程。到了现代社会, 在城市发展需求和科技进步的共同推动下, 地基处理技术获得了极大的发展, 借助这些技术, 人类可以在一定程度上摆脱天然地基的限制, 更为自由地开发和利用地下空间。当天然地基无法满足建构筑物对地基稳定、变形以及渗透方便的要求时, 就需要对天然地基进行处理, 以满足建构筑物对地基的要求2。根据建筑地基处理技术规范 (JGJ 792012) 的定义3, 地基处理就是提高地基强度, 改善其变形性质或渗透性质而采取的技术措施。在土质较为软弱的地区, 几乎所有地下工程都涉及到不同方式的地基处理, 其中, 复合地基处理越来越成为地基处理的主要形式4-5。柱状复合加固体是比较常见的一种复合地基形式, 传统的柱状加固体主要有碎石桩、挤密砂桩、深层搅拌桩、旋喷桩等。其中, 旋喷桩复合地基的应用相对比较广泛, 它适用于淤泥、淤泥质土、一般粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土天然地基的处理3。随着中国城市的不断发展, 部分大城市的地下空间趋于紧张, 越来越多的地下工程需要面对狭窄的施工场地、复杂且需要保护的周边环境以及无法回避的不良地质条件6-7。特别是在中国经济最发达、地下空间开发强度最大的珠江三角洲、长江三角洲和东南沿海地区, 软土地层分布十分广泛8, 在合理的成本控制范围内, 传统的复合地基已经无法应对部分复杂情况, 由此导致的工程事故也屡见不鲜。本文介绍的 MJS (Metro Jet System) 法地基处理技术, 是在传统的旋喷桩技术基础上完善、发展而来。相比于传统技术, MJS 法施工更灵活、加固体强度更高, 对周边环境的控制和保护效果更好。1 技术背景高压喷射注浆法 (CCP, Chemical Churning Pile) , 又称旋喷法, 20 世纪 70年代末引入中国, 并开始广泛应用10。高压喷射注浆方法可置换原状土中的部分颗粒, 其余颗粒在喷射流、离心力和重力等共同作用下, 会形成具有特殊结构的较高强度桩体, 桩体表面通常比较粗糙, 因此, 具有较大承载力;另一方面, 高压注浆对周围土体有一定的压密作用, 且桩体的存在可使得周围土体转变为有侧限受压状态, 从而提高土体承载力, 因此, 高压喷射注浆法复合地基具有较好的地基加固效果11。根据日本喷射注浆协会 (Japan Jet Grouting Association) 提供的资料, 高压喷射注浆法能够形成的桩体直径最大可达 1 500mm, 采用不同硬化材料时, 高压喷射注浆法的强度设计值如表 1 所示12。表 1 CCP 工法强度设计值 Table 1 Design strength of improved ground by CCP 下载原表 经过中国工程技术人员的不断应用及改进, 高压喷射注浆法已广泛用于建筑地基改良、地下工程止水、路堤加固、堤坝防渗、防治砂土液化等领域, 其形成的旋喷桩体直径可达 2 m, 桩身最大强度在粘性土中可达 35 MPa, 在粉土中可达 58 MPa, 在砂土中可达 820 MPa11。在软土地区, 高压喷射注浆法加固体强度通常可为 12 MPa12-14。尽管如此, 面对复杂的城市环境和技术难度越来越高的工程项目, 高压喷射注浆法已经暴露出了很多问题:1) 只能在竖直方向施工, 且深度有限。高压喷射注浆法只能在一定深度的竖直方向施作, 如果施工深度很大或在水平方向施工, 就必然要提高喷射压力, 由此产生的高压泥浆不能顺利的消散, 因而, 不能形成有效的加固桩体。2) 形成的桩体直径较小, 强度较低。这里讲的桩径较小和强度较低, 指的是在部分特殊施工需求条件下, 高压喷射注浆法已经不能满足要求。中国部分地区的施工设备、硬化材料和施工水平落后也进一步加剧了这个问题。3) 被动排泥, 无法控制孔内的混合液体压力, 施工易造成地表隆起。高压喷射注浆法孔内的泥浆, 有相当大一部分向上流出至地表, 这个比例可高达 80%16。这种流出是被动且不稳定的, 会造成地内压力的波动, 从而引起地表变形, 通常是引起地表隆起17。为克服上述问题, Nakashima 等18发明了一种改进的高压喷射注浆法 全方位高压喷射法 (Metro Jet System) , 也称为 MJS 法。MJS 法可以朝向任意方形施作加固桩体, 能够主动调控地内压力, 形成的加固桩体具有更大的直径和强度。2 MJS 法技术及施工工艺2.1 MJS 法原理MJS 法的原理与传统高压喷射注浆法类似, 都是采用高压流体切割地层, 同时, 喷射硬化材料, 最终形成具有一定强度的加固桩体。MJS 法的核心技术是主动排泥和孔内压力监测, 这依靠的是全新的前端施工装置, 如图 1 所示18, 该装置具有以下 3 个主要特点:1) 有 3 个独立的喷嘴, 喷嘴 13 分别用来向地层中喷射硬化控制剂、硬化材料、高压空气或水, 其中喷嘴 3 是包围着喷嘴 2 的。硬化控制剂用来调整硬化材料的初凝时间。2) 带有压力传感器, 可探测孔内压力并传回至控制中心。前端施工装置还带有一个弹性块, 孔内的高压空气可使得该弹性块膨胀, 密封其与孔壁的间隙, 因此, 通过调节喷嘴的喷射压力和流量, 可保持孔内压力为某个恒定值。3) 含有主动排泥口, 主动排泥口内部通过高速流体 (空气或水) 产生负压, 可以主动吸走多余的泥浆。主动排泥还能够帮助硬化材料向各个方向均匀扩散。根据不同的工况需要, 可将弹性块和主动排泥口的位置对调。图 1 前端施工装置 Fig.1 Injection rod (Monitor) 下载原图前端施工装置与多孔管相连, 多孔管内部的孔与前端施工装置相连, 向前端供给电力、喷射材料等。多孔管结构及每孔的作用如图 2 所示。图 2 多孔管 Fig.2 Connection rod 下载原图中国的工程技术人员对多孔管进行了本土化改进10, 除连接孔外, 有多达 11个孔用于供应空气、水、硬化材料以及排浆, 如图 3 所示。图 3 改进的多孔管 Fig.3 Section of modified connection rod 下载原图MJS 的施工原理图分别如图 4 (垂直施工) 和图 5 (水平施工) 所示。图 4 MJS 法施工原理图 (垂直) Fig.4 Schematic of MJS (vertical) 下载原图图 5 MJS 法施工原理图 (水平) Fig.5 Schematic of MJS (horizontal) 下载原图2.2 MJS 法特点由于 MJS 法采用了特殊的前端施工装置和多孔管, 使得该技术在很多方面超越了传统高压喷射注浆法, 主要体现如下:1) 可在任意方向进行地基处理, 除了传统的数竖直方向, 还可进行水平方向和倾斜方向的地基处理作业。主动排泥方式使得在富水条件下的水平地基处理施工变得安全可行10。2) 传统高压喷射注浆法仅通过气升作用自然排泥, 这通常会造成孔内压力偏大, 容易导致地表隆起, MJS 法可通过孔内压力监测和合主动排泥进行压力精确管理, 能够稳定的控制孔内压力, 能够大大减小施工对周围地层及环境的影响。3) 在处理深部地基时, 传统高压喷射注浆法会产生排泥困难, 造成喷嘴附近压力增大, 导致喷嘴工作效率降低, 硬化材料喷射效果不好。MJS 法的压力管理能够保证孔内压力稳定, 因此, MJS 法可超深地基 (40m 以上) 进行改良处理。4) MJS 法喷嘴压力和流量都很大, 再加上稳定的同轴高压空气的保护和对地内压力的精确管理, 使得 MJS 法成桩直径可达 22.8 m10;且加固桩体截面既可以为传统的圆形, 也可以为任意角度的扇形。5) 主动排泥能够方便泥浆的管理, 多余的泥浆可以进行集中收集、存储和处理, 减少了废浆对周围土壤及水体的污染。另外, MJS 法施工机械化程度高,