MJS高压旋喷桩在盾构隧道下穿工程中的应用和造价分析.pdf

39铁路工程技术与经济第3 8 卷第4期2023年7 月MJS 高压旋喷桩在盾构隧道下穿工程中的应用和造价分析王泽琛（中国铁路设计集团有限公司总包事业部，天津300308)摘要：本文以某高速铁路盾构隧道下穿既有公路桥为工程背景，阐述了MJS高压旋喷桩在下穿结构物加固中相比于传统桩基托换工程的优势，并对其施工原理及施工工艺进行了详细的说明。现行铁路定额中尚无MJS高压旋喷桩相关定额，本文通过对相关市政定额分析比较并结合项目实际，综合分析MJS高压旋喷桩造价水平，为同类项目的MJS高压旋喷桩的造价确定提供研究思路和参考。关键词：高速铁路；MJS高压旋喷桩；桩基托换；结构加固；造价分析中图分类号：U238；U 2 4文献标识码：A文章编号：10 0 7-9 8 9 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 8-0 6Application and Cost Analysis of MJS high PressureRotary Grouting Pile in Shield Tunnel Under-crossing ProjectWANG Zechen(China Railway Design Group Co.Ltd EPC Department,Tianjin 300308,China)Abstract:Taking the shield tunnel of a high-speed railway crossing the existing highway bridge as theengineering background,This paper described the advantages of MJS high pressure rotary grouting pilecompared with traditional Underpinning technology in the filed structural reinforcement of underpassstructures,and its construction principle and technology.There was no MJS pile quota in the railway quotasystem,through analysis and comparison of relevant municipal norms and in combination with the actualsituation of the project,the cost level of MJS high pressure rotary grouting pile in the railway field underthe design conditions is determined,so as to provide research ideas and reference for the MJS highpressure rotary grouting pile in similar projects.Key words:high speed railway;MJS high pressure rotary grouting pile;underpinning technology;structure reinforcement;cost analysis0引言近年来，我国高速铁路及城际铁路不断加速发展，高速铁路引人城区或城际铁路穿越城市时为减少对城市规划的影响，同时减少征地拆迁工作的难度及费用，往往采用盾构施工隧道将对原有地上结构物带来影响降至最低。施工铁路工程中常见盾构基金项目：中国铁设A类科研项目铁路工程总承包实施阶段工程经济投资管控关键技术研究（2 0 2 2 A02253001）作者简介：王泽琛，助理工程师，硕士研究生，现主要从事工程经济工作。E-mail:wangzechen 穿越既有结构物加固措施一般采用桩基托换、地表注浆等形式，该类处理方式往往对地质有特定要求，同时需要较大施工作业空间，对原有结构物有一定潜在破坏等问题。为了增加下穿过程中施工的可靠性，近年来MJS高压旋喷桩技术以其独特的低扰动特性而被逐步推广 1-2 。本文以某在建高速铁路项目为例，研究MJS高压旋喷桩在盾构隧道下穿工程中的应用和造价分析。1常见隧道下穿处理方式按照桩基础与隧道位置不同，常见的处理方式402023年7 月第3 8 卷第4期铁路工程技术与经济有注浆加固及桩基托换，具体加固方式见表1。表1隧道下穿处理方式序号相对位置加固方式桩基位于盾构隧道两侧根据环境条件、桩基础尺寸及1并不入侵盾构隧道开挖承载力要求决定是否桩周边地及辐射范围。层注浆加固。根据环境条件、桩基础尺寸及桩基端部位于隧道拱2承载力要求采用周边注浆加固顶上。工法。根据地质条件，桩承载力，上部构造物承载力要求采用桩基托桩基部分进人盾构隧道3换，或采用注浆加固配合洞内开挖辐射范围内。加固的方式，阻止桩基沉降，防止地面变形。桩基侵人隧道开挖范若桩身干涉到隧道正常掘进施4围的。工的，必须采用桩基托换。1.1桩基托换类型及优缺点桩基托换的常见类型及优缺点见表2。表2桩基托换类型及优缺点类型优点缺点适用范围承载力小，上操作简单造价上部变形无法被动托换 3 部结构变形要相对较低。人为控制。求不严格。利用顶升装基坑占地大、置，使上部结承载力大，上施工监测要求主动托换 3 构变形得以控部结构变形要高工期长、造制，上部结构求严格。价高。沉降小。1.2注浆加固的类型及优缺点注浆加固的常见类型及优缺点见表3。表3注浆加固类型及优缺点类型优点缺点适用范围劈裂造成的剪切多用于软弱土劈裂注施工工艺简单；裂缝易对原有结层，如黏土层、砂浆法加固效果好。构造成破坏且耐土层。久性不够。对原有土体破坏多用于中砂以上渗透注浆往往压渗透注程度小，常用以的砂性土和有裂力较小注浆浆法5建筑结构物隙的岩石及结构困难。补强。表面。无需导孔，施工压密注效率高，采用速施工成本高；技多用于非饱和浆法间凝型浆液，凝结术要求高。土体。时间易于控制。2MJS高压旋喷桩应用2.1项目概况某高速铁路海底隧道工程盾构隧道下穿既有公路桥梁，相对位置关系平面图如图1所示。新建隧道临近匝道A3#、A 4#桥墩桩基，隧道与A3#桩基最小净距1.4m，隧道与A4#桩基最小净距1.3 0 m。区间隧道埋深约2 4m，隧道管片内径12.6 m，外径13.8m，管片厚0.6 m，左、右路线设计线间距4.6m。考虑到既有桥桩位于新建盾构隧道辐射范围内，为保证既有结构安全必须采取一定的控制措施，需对穿越段既有桩基周围以及盾构周围土体进行加固。传统铁路工艺工法中，对于桩基部分进人到盾构隧道开挖辐射范围内的情况，多采用注浆加固或桩基托换处理。注浆加固工艺简单，加固作业面小，但其耐久性、稳定性不满足本工程需求，桩基托换工艺可满足需求，但其施工工艺复杂，需要较大的临时作业面积，对地表既有结构物干涉较大，且本工程上部结构为公路桥梁，桩基托换工程一定程度增加交通疏解成本。MJS高压旋喷桩加固成为本工程解决上述矛盾的一种选择，其主要通过多孔管和前端造成装置，以高压射流切割破坏周围土体，实现将硬化材料浆液加压输送、喷射、切削地层、混合、排泥、集中泥浆统一完成，其通过主动排浆、控制地内压力，有效减少对既有结构物的扰动，是一种适用于狭小空间、大扭矩、全方位摆喷施工的加固方案。5.73匝道桥墩(A4期)盾构管片村狗外轮康左缘钱路中线随构饭片衬动外轮摩盾构管片村外轮廊匝道桥墩(A3#)图1相对位置平面图2.2MJS高压旋喷桩加固步骤MJS高压施喷柱加固分为以下四个步骤：(1)临时墩设置为保证MJS高压旋喷桩施工期间既有桥安全，应在既有A3#、A 4#墩周边布置临时墩，对桥梁上部结构进行支撑，当墩顶变形达到限值时，启动千斤顶对梁体进行顶托，临时墩支撑立面见图2。（2）桩基础周边加固设计采用直径2.4m的MJS高压旋喷桩尽量与桥梁桩基形成咬合，增加桥桩周边摩擦力。再通过在桥桩周边设置直径2.0 m的MJS高压旋喷桩将桥桩周边土体进一步加固。加固范围为桥桩周412023年7 月王泽琛：MJS高压旋喷桩在盾构隧道下穿工程中的应用和造价分析第3 8 卷第4期监时收文撑立面布盟题：10 010 x15本方#档10 x15米方售om3cm020C3O技土春台R/S#R.SuA3图2临时墩支撑立面边，隧道拱顶以上3 m至拱底以下6 m范围内，加固总长为2 3 m，桩顶深度2 2 m（3）盾构顶及周边地层加固对桥梁桩基5 m范围内盾构顶部及周边土体进行加固，防止盾构穿越桥梁过程中引起周边土体损失及软化。采用直径2.0 m间距1.6 m的MJS高压旋喷桩对临近桩基侧盾构中心线以上土体加固,加固厚度为盾构上部3 m范围以内土层,以及盾构临近桥桩侧三角区域的地层一侧与桥桩加固结合，桩顶深度2 2 m，加固范围见图3。(4)洞内加固采用克泥效 7 （一种盾构外周充填材料，由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成。）填充盾体与土体之间的间隙，达到有效控制盾构推进时所引起的第三阶段沉降，辅助第四阶段沉降控制的目的。图3MJS高压旋喷桩地表加固平面图2.3MJS高压旋喷桩施工工序(1)施工准备根据施工图确定单桩位置，测量放线，延线开挖沟槽,沟槽宽度1m-2m左右,深度1m-3m,保证沟槽有一定的储浆功能。（2）预成孔施工根据地质情况，选择符合要求的引孔设备通过200mm直径的引孔钻杆进行引孔，引孔应确保垂直度在1/5 0 0 以内，引孔深度应大于设计深度1.0 m。(3)MJS主机安置主机应放置在坚实平整的地面，对于软弱地基区域需铺设钢板，通过悬臂梁操作阀，调节主机位置和方位，动力中心点对准孔内中心，调整伸缩支座通过水准点对主机调平，并用用木垫密实。(4)试喷将钻头放人主机动力头内，开启下部液压夹头，安装倒吸空气适配器及水龙头，调整旋转钻头喷嘴，安装完毕后，依次开启空气、12 0 泵进行试喷，确认钻头喷射是否正常，依次开启倒吸气、7 5 泵倒吸水，确认排泥口及倒吸适配器是否正常。(5）下放钻杆主机就位分段拼装钻杆，根据孔深计算钻杆下放数量，直至钻头喷嘴下放至桩底标高。(6)喷浆采用分段提升喷浆，以高压水射流预切割土体，以高压空气与硬化材料高度搅拌混合，形成桩体，直至喷射至设计桩顶标高，施工结束，清理场地，对MJS高压旋喷桩进行自然养护。3MJS高压旋喷桩工程造价分析3.1铁路定额现状现有铁路工程预算定额中，并无MJS高压旋喷桩相关定额，仅有房建预算定额（TZJ20102 0 17）FY-294预钻孔道高压旋喷（摆喷）水泥桩成孔及FY2 9 5 预钻孔道高压旋喷（摆喷）水泥桩（单 双）三）重管。实际使用时FY-294及FY-295配套使用。高压旋喷水泥桩（三重管）与MJS全方位高压旋喷桩施工工艺对比见表4。表4旋喷桩对比表特性高压旋喷水泥桩（三重管）MJS高压旋喷桩可进行3 6 0 度全方位加固，分别输送水、气、浆液介质以超高压喷射将土层组织结的三重注浆管，进行高压构破坏，土粒与浆液混合搅水流气流喷射冲切，再通工法拌凝固后在地层中形成固结过被动排浆，使浆体注入实体。通过主动排浆，控制到土体缝隙中，浆体与土地内压力，抑制地表的不均混合形成固结体成桩。匀沉降及隆起。422023年7 月第3 8 卷第4期铁路工程技术与经济特性高压旋喷水泥桩（三重管）MJS高压旋喷桩采用常规的动力头式液压采用MJS高压旋喷桩专用设备钻机配合旋喷注浆成桩机主机设备。组，分层喷射注浆。旋喷用水泥采用42.5 级普旋喷用水泥采用42.5 级通硅酸盐水泥，采用膨润土材料普通硅酸盐水泥，氯化钙确保引孔结束后孔内无沉作为早强剂，材料简单。渣，使用油脂材料实现密封和防水功能，材料较为复杂。从表4中可以看出MJS高压旋喷桩与高压旋喷水泥桩（三重管）在工法、设备及材料上都有显著差异，无法单纯替代使用，需要对其组价进一步分析。3.2其他定额情况目前上海市轨道交通工程预算定额（SHA3-312 0 16）、广东省城市轨道交通工程综合定额（2 0 18）中已编MJS高压旋喷桩。上海市轨道交通工程预算定额（SHA3-31-2016）采用设计加固桩截面面积乘以设计桩长得到的体积，以立方米为单位计算；广东省城市轨道交通工程综合定额（2 0 18）以桩直径2.0 m、旋喷角度160作为组价模型，以长度为单位计算。将上海市轨道交通工程定额转换为同等长度单位后，单位消耗量对比见表5。表5单位消耗量对比图广东省上海市城市轨轨道交定额编号道交通通工程工程综预算合定额定额MJS竖直实桩子目名称半径1.0 m扇形16 0 0 40 m0 50 m分类名称单位单价（元）人工人工费元2814.91398.03MJS桩专用钻头根198000.01MJS桩孔口密封器个3000.25MJS桩专用头部钻杆根2500000.02MJS桩专用中间钻杆根100000.09复合普通硅酸盐水泥365.4620.159.07P.0 42.5t膨润土kg0.77403.0141.87材盾构油脂kg10.50.34料高压管DN2550MPam12500.6高压管DN19250MPam4681.42高压橡胶管5 0m一2.09集流阀G-d2.8个42000.1水t4.58125.8323.31其他材料费元1162.62其他材料%69.78广东省上海市城市轨轨道交定额编号道交通通工程工程综预算合定额定额全方位测斜仪台班576.490.91履带式单斗液压挖掘台班1095.780.76机斗容量MJS设备MJS-60VH台班9047.171.511.23轮胎式起重机提升质台班10011.060.61量2 5(t)灰浆搅拌机拌筒容量机台班139.510.761.23400(L)具泥浆回浆泵台班一1.23泥浆泵流量(10 0/h）台班308.571.511.23电动空气压缩机排气台班1.23量(10/min)电动空气压缩机排气台班2361.51量(6/min)高压清水泵台班1.23表5 中可以看出上海市轨道交通定额中MJS高压旋喷桩材料消耗量小于广东省轨道交通定额，上海市轨道交通定额也未考虑施工过程中MJS专用钻头、钻杆、密封器的损耗，机具中未考虑相关检测器械的使用费用。3.3定额组成考虑广东省城市轨道交通工程综合定额（2 0 18）MJS高压旋喷桩定额人材机子目更加完善，且定额工序包含“准备钻机等机具，机架定位，孔口密封器安装，制备搅拌水泥浆，废浆收集，钻进监测，前进高压喷射成孔，回拉低压喷浆成桩，循环以上过程，分段钻进、成桩，封孔”与项目施工工艺基本匹配，又因项目地处华南地区，施工条件相接近，最终采用借鉴广东省轨道交通工程综合定额中MJS定额组成，部分材料单价、机械费用参考其定额单价计取。本条定额基于MJS竖直实桩，桩半径1.0 m，喷射角度16 0 为基准模型，工程MJS高压旋喷桩分别为半径1.0 m全桩旋喷、半径1.0 m半桩旋喷、半径1.2m全桩旋喷。根据广东省城市轨道交通工程综合定额说明，不同工况按以下公式计算调整系数：1)水泥和水的消耗量调整系数：R160(1)2）人工和机械调整系数：0.6+0.4 R160(2)考虑水泥掺量不同对于材料的影响，原定额按43m业2023年7 月王泽琛：MJS高压旋喷桩在盾构隧道下穿工程中的应用和造价分析第3 8 卷第4期照MJS高压旋喷桩行业规范考虑水泥掺人量为45%，本工程水泥掺人量为3 0%，水泥和水的消耗量按以下公式调整：3)水泥和水的消耗量调整系数(考虑水泥掺量）R2(3)X1600.45其中R-MJS高压旋喷桩半径（米/m）-MJS高压旋喷桩旋喷角度（度/）-MJS高压旋喷桩水泥掺量（百分比/%）。调整系数见表6 所示，调整后定额组成见表7所示。表6调整系数表水泥参量（3 0%）桩型工机系数系数（水、水泥）半径1.0 m=1801.050.75半径1.0 m=3601.51.5半径1.2 m=3601.8962.16表7MJS桩铁路定额组成工程类别高压旋喷桩（0 40 m）半径半径半径1.0m1.0 m1.2m工作内容MJS竖直实桩半桩全桩全桩180360360编号费用名称单位数量1I类工工日44.7863.9880.86400000636MJS桩专用钻头根0.01 0.01 0.01400000637MJS桩空口密封器个0.25 0.25 0.25400000638MJS桩专用头部钻杆根0.02 0.020.02400000639MJS桩专用中间钻杆根0.090.090.091010003普通水泥42.5 级kg15112.530 225435241210002膨润土kg403.01403.01403.012910073盾尾密封油脂kg0.340.340.34400000641高压管DN2550MPam1.421.421.42400000642高压管DN19250MPam0.60.60.6400000643集流阀 G-2.8个0.10.10.18999006水t94.37188.75271.798999002其他材料费元162.62162.62162.62履带式液压单斗挖掘9100003台班0.81.141.44机1.0 m3500000069MJS设备MJS-60VH台班1.592.272.869102203轮胎式起重机2 5 t台班1.111.592.019104002混凝土搅拌机400L台班0.81.14 1.44离心式泥浆泵10 89105353台班1.59 2.27 2.86m/h-21 m电动空气压缩机69101005台班1.592.272.86m/min4MJS高压旋喷桩与桩基托换对比本工程原设计方案中采用主动桩基托换，盾构隧道穿越A3#、A 4#桥墩使用托换结构对桥桩进行加固。托换桩基采用2 根直径2.0 m钻孔灌注桩，托换梁截面3.5 3.5 m，长度3 0 m。A 3#托换梁桩长分别为48.5 m和6 9.5 m，A 4#托换梁桩长分别为49.5和7 3.5 m。现设计方案采用直径2.4m及2.0m的MJS高压旋喷旋喷桩加固，其中直径2.4m的MJS高压旋喷桩长总计18 4m，单桩平均长度为23m，直径2.0 m的MJS高压旋喷桩长总计10 3 8m,单根平均桩长6 m。4.1造价对比桩基托换概算见表8 所示，MJS高压旋喷桩概算见表9 所示。托换梁中投资占比较大的为基坑防护,其需要防护桩、钢筋混凝土支护结构，止水惟幕等围护结构保护原有主体及周边设施安全，占总投资的6 7.8%。MJS高压旋喷桩投资中占比较大为桩主体结构，由于缺少托换结构，不能通过水平托换梁包住被托换桩构成新的受力体系，故需要对原有的桩周边及盾构顶及周边地层进行大规模加固，其成桩数远大于桩基托换成桩数，占总投资的8 8.5%，。4.2工期对比桩基托换前期准备场地准备、树木迁移工期9 0天，围护结构施工期7 4天，桥墩托换5 1天，场地平整恢复8 天，总计2 2 3 天。MJS高压旋喷桩前期场地准备6 天，临时墩布置10 天，MJS高压旋喷桩加固3 0 天，临时墩拆除及场地恢复6 天，总计5 2 天。MJS高压旋喷桩较传统的桩基托换预计节省17 1天，较大幅度缩减工期。4.3优缺点对比本工程方案桩基托换、MJS高压旋喷桩优缺点对比见表10。两种方案在总造价相差不大的情况下，MJS高压旋喷桩减少对既有环境影响的同时显著降低工期，同时桩基托换方案的实施需同步考虑交通疏解的成本以及对道路运行的影响，所以MJS高压旋喷桩加固在本项目中有着明显的优势。442023年7 月第3 8 卷第4期铁路工程技术与经济表8桩基托换概算内容单位数量指标/元费用/万元托换梁主体坛工方821.201919.20157.6植筋t1.8517318.203.20d2.0m钻孔桩m2414216.40101.62（含超声波检测）基坑开挖立方米3030.64211.8064.19基坑防护万元691.61其他设备万元2.56合计万元1020.78表9MJS高压旋喷桩概算内容单位数量指标/元费用/万元2.4m全桩旋喷m1848925.58164.23d2m半桩旋喷m1154960.5957.05d2m全桩旋喷m9237076.62653.17盾构周边加固m145.404167.8960.6临时支撑混凝土m116.801673.1819.54临时支撑钢材t42.151143.844.82其他设备万元29.2合计万元988.61表10优缺点对比特性桩基托换MJS高压旋喷桩该方案需开挖2 处尺寸为32.45.97.8m基坑占不占用非机动车道，施工占地地面大，占用非机动车道，引对原有交通通行几乎起道路改移，交通疏解难无影响。度大。桩基托换工期跨度较长，与工期短，避免工程上施工干扰该地的立交节点改造产生时的交又。间空间上的干扰。无需开挖基坑，仅需地面附着物挪移及高压管线拆迁开挖沟槽，对原有的迁改，费用高且工期长。附着物影响小。得益于内压力智能控托换区施工紧邻匝道桥梁，制，地基不均匀下沉安全性施工期正值当地多雨季，基和隆起有效抑制，对坑存在一定安全风险。施工周边环境影响小。造价造价相当。造价相当。5结语MJS高压旋喷桩为铁路工程提供了新的隧道下穿既有结构物加固思路。MJS高压旋喷桩成桩质量可靠，地表变形可控，环境污染小，不需要大规模基坑开挖，在一定程度上弥补了传统桩基托换及注浆加固存在的问题。本文通过对MJS高压旋喷桩在铁路应用中的造价分析及与桩基托换方案进行对比，为后续铁路定额补充及设计思路提供参考意见参考。参考文献：1梁利，李恩璞，王庆国，等.MJS工法在轻轨车站换乘通道中的工程实践 J.地下空间与工程学报，2 0 12,8（1）：13 5 13 9.2蒋恺，张陆新，姚基伟三轴搅拌桩和MJS工法桩对运营地铁隧道的保护研究 J.地基处理,2 0 2 2,4（0 2）：17 0-17 7.3刘春莹盾构隧道桩基托换施工技术在地铁施工的应用 J.工程机械与维修,2 0 2 2，（0 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