MJS工法桩内插H型钢在超低净空下应用研究

▍摘 要

摘要：为解决低净空下围护桩施工以及深基坑开挖对邻近建(构)筑物安全保护问题，依托软土地区U型槽深基坑下穿现状桥梁的工程实例，在桥梁下方净空只有1．93 m、基坑边距离桥梁桩基仅2．7m的前提下，采用MJS工法桩内插H型钢加一道混凝土内支撑的支护形式，可实现在超低净空下施工，保证基坑对邻近桥梁安全。研究表明，该方案与SMW工法桩实施顺序相反，即先施工H型钢，后施工MJS工法桩，但导致MJS工法桩的喷射盲点，需局部采用高压旋喷桩补强。通过现场试验，MJS工法桩成桩直径约3．1~3．2 m，满足设计要求。MJS工法桩对H型钢包裹性较好，无明显裂缝，单轴抗压强度均大于1．5 MPa。H型钢需分割成1．5~2．5m长，现场拼接，通过剖口对焊和设置导向板等技术，可解决因焊缝过多导致型钢抗弯抗剪性能下降的问题。

关键词：MJS工法桩；H型钢；超低净空；施工顺序；多焊缝

▍1 引 言

随着地下空间开发进一步发展，经常面临在人行天桥、高架桥梁等低净空建(构)筑物下方施工深基坑，如何在低净空条件下施工围护桩，还要保证深基坑开挖对邻近建(构)筑物的安全性，是一道摆在工程师面前的难题。

针对低净空下开挖深基坑问题，需解决低净空下围护桩施工可行性和深基坑开挖对邻近建(构)筑物安全保护问题。其中对邻近建(构)筑物安全保护需考虑围护桩打桩挤土影响和深基坑开挖侧向变形问题。

目前，国内关于低净空条件下深基坑施工有一定报道但为数不多。如吴江滨等采用锚杆静压桩在低净空下对既有建筑进行地基加固，该设备在净空只有2．5m左右条件下实施。苏建峰采用高压旋喷桩在净高只有6．9m条件下进行深基坑支护。凌涛等对地下连续墙技术进行改进，实现在高架下净高只有7．6~10．8m条件下完成地连墙施工。张世宏采用MJS工法桩对上海轨道交通龙漕路基坑在净高只有4．8m情况下完成高架下穿。丁慧文采用MJS工法桩插型钢复合围护技术解决了地下空间高度仅6．3m内深基坑施工难题。

本工程为U型槽深基坑下穿鄞县大桥，净高只有1．93m，基坑边距离桥梁桩基仅2．7m。在如此超低净空条件下，近距离开挖深基坑尚无工程先例。依托该工程案例对MJS工法桩开展试桩试验并进行H型钢焊接质量试验验证，研究超低矮空间下实施深基坑支护的可行性。

▍2 问题提出

2．1工程概况

本工程位于宁波市鄞州区，属于典型的软土地区，拟建的U型槽基坑部分位于鄞县大桥下方施工，U型槽开挖深度为2．3~6．2m。其中桥下基坑开挖深度约6．1~6．2 m。U型槽基坑边距离桥梁桩基仅2．7m(如图1~2所示)。

基坑主要涉及土层以①0层素填土、①1层黏土、①2层淤泥、②1层淤泥质黏土、②2层淤泥质黏土、③2层粉质黏土、④1－1层粉质黏土为主。各土层厚度、主要土层力学参数详见表1所示。

2．2超低净空下施工技术方案

现状地面高程为2．5 m，桥梁底部最低标高为4．43m，净高仅为1．93m。目前国内常见围护结构有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、管桩、地下连续墙、钢管、H型钢、拉森钢板桩、单轴水泥搅拌桩、双轴水泥搅拌桩、三轴水泥搅拌桩、高压旋喷桩、TRD工法桩、MJS工法桩等。但以上大部分围护桩施工机械高度均超过20 m，有的甚至超过40 m。为了解决超低净空下围护桩施工问题，可实现低净空下施工的围护桩主要有低矮型高压旋喷桩、MJS工法桩、型钢或钢管拼接，如图4~5所示。

对邻近桥梁变形影响主要因素为：a)基坑开挖期间的变形影响；b)打桩挤土影响。

由于高压旋喷桩挤土影响较为明显，为了保护桥梁结构的安全，借鉴SMW工法的基本原理，由MJS设备施工形成止水帷幕，分节压入H型钢承受水土压力，两者共同形成复合围护结构，围护桩顶设置一道混凝土内支撑。

首先对鄞县大桥下方先适当放坡卸土，使桥梁下方净高约3．5 m。其次鄞县大桥下方采用桩径2．4m的(半圆)MJS工法桩，桩间距1．7m，桩长约18m。MJS工法桩内插H型钢，型钢采用HN700×300×13×24规格，型钢间距1．7 m，桩长18 m。受低净空影响，单根18 m长的H型钢分割成2根1．5m、6根2．5m，依次插入土层内并焊接成型。2．3 MJS工法桩内插H型钢施工顺序讨论SMW工法是先搅拌后插入型钢，但本工程需控制MJS工法桩施工对邻近桥梁的影响，采用跳孔法施工，相邻孔施工间隔不小于48h，大于混凝土初凝时间24h。此外受净高限制，H型钢无法直接压入，需分节成7段，分节压入、焊接。完成单根型钢压入需花费10~12h。如果先喷后插的话，H型钢难以插入。考虑到主要靠H型钢承受土压力，不考虑MJS工法桩抵抗部分土压力的有利因素，建议先插H型钢后施工MJS工法桩理论上也是可行的。根据现场试桩开挖结果，MJS工法桩与H型钢贴合性较好，无明显缝隙存在，MJS工法桩止水效果较好。

考虑到U型槽基坑邻近奉化江，奉化江水位较高，附近河坎回填土主要以塘渣等渗透性较好的材料为主，对U型槽基坑存在渗水隐患，故从安全性考虑，在基坑内侧MJS工法桩未喷射区域施工高压旋喷桩补强，具体如图6所示。

2．4型钢拼接技术讨论

类似于SMW工法，作用于MJS工法桩内插H型钢的弯矩全部由型钢承担，作用于MJS工法桩内插H型钢的剪力全部由型钢承担。

受超低净空条件限制，单根H型钢由2根1．5 m、5根3m组成，各节段型钢，通过焊接实现拼接。根据标准《型钢水泥土搅拌墙技术规程》(JGJ／T 199—2010)，4．3．3条建议“型钢分段焊接时，应采用坡口焊，单根型钢中焊接接头不宜超过2个。”

分析认为，一旦单根型钢焊接接头过多，受焊接施工水平影响，型钢质量易产生较大问题。而本工程单根型钢焊接接头达7处，基坑所受土压力主要由H型钢承担，焊接接头对H型钢质量有严重考验。

▍3  MJS工法桩试验研究

3．1 MJS工法桩试验方案

MJS工法桩不仅具备了传统高压旋喷桩切割土体、加固土体的功能，而且还通过地内压力的监测以及孔内强制排浆措施，控制地内压力，起到控制超静孔隙水压力的目的，进而控制对周边环境的影响。为确保U型槽基坑的顺利实施，在全面施工MJS工法桩之前，应开展MJS工法试桩试验，确定MJS工法的施工参数。

试验桩数由1根直径2．4m半圆摆喷和1根直径3m全圆MJS工法桩组成，桩长6 m，有效桩长内插3根700×300×13×20规格的H型钢，单根型钢被分割为2×1．5m＋6×2．5m共8节。具体如图7所示。

3．2 MJS工法桩成桩分析

MJS工法桩采用P．O 42．5普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1。表2为通过试桩确定的MJS工法桩主要技术参数。

图8为MJS工法桩开挖揭露出来的情况。由图可知，MJS工法桩桩头出露3 m左右，成桩直径约3．1~3．2m，满足设计要求。此外，MJS工法桩对H型钢包裹性较好，无明显裂缝。

3．3 MJS工法桩成桩质量分析

2019年2月17日至2月19日，开展MJS工法桩钻孔取芯工作，进行相关土工试验测试。

图7为MJS工法桩试桩平面及取芯平面示意。共选取5处位置进行钻孔取芯检测，其中QX2、QX5号点位于桩中心处，QX1、QX3、QX4号点位于桩边。

图9为MJS工法取芯现场照片。由图可知，MJS工法桩取芯深度为－1 m~－6 m。取出的芯样成分为水泥土。芯样均匀性良好、连续、完整，水泥掺量合理。

图10为MJS工法桩单轴抗压强度区间分布图。本次共采集5个孔位取芯试样用于单轴抗压强度测试，每个孔位选取5处进行测试，试验在YE1500液压式压力试验机上进行。为了便于分析MJS工法桩单轴抗压强度分布区间特点，对单轴抗压强度值进行归类，即划分为1．5~1．8 MPa、1．8~2．1 MPa、2．1~2．4MPa、＞2．4MPa，这4类。

由图可知，MJS工法桩单轴抗压强度均大于1．5MPa，其中大部分MJS工法桩单轴抗压强度在1．5~1．8MPa和2．1~2．4MPa之间。一般规范要求，SMW工法桩中三轴水泥搅拌桩单轴抗压强度不低于0．6 MPa。可见MJS工法桩单轴抗压强度高很多，表明MJS工法桩成桩质量较好。

▍4 H型钢拼接工艺

4．1 H型钢拼接方案

单根型钢被分割为2×1．5 m＋6×2．5 m共8节，需焊接7个接头，型钢焊接要求在打桩期间现场施工，以保证焊接质量及垂直度。

型钢由工厂加工，并对上下口切割好剖口倒角，型钢底部剖口35°，型钢顶部剖口25°，并标注上下对接顺序，焊接前先在型钢下口焊接导向板，再对型钢上下口对齐并测量好型钢垂直度后焊接；在基坑开挖范围内的H型钢接头配置搭接板，增加焊接部位的抗弯性能；焊接接头的电焊缝可通过超声波焊缝检测仪检测焊缝质量，对焊接质量不合格的需重新焊接。

型钢打入时为确保打入精度，除在打入型钢安放平面导正架进行控制打入平面位置精度外，还采用挂线锤或激光垂直仪来动态控制型钢打入及对接垂直精度。

图11为正在桥下施工的H型钢，采用低空桩架，将液压振拔榔头安装在桩架导向架上，利用振拔榔头上的液压夹具将1．5~2．5 m长型钢夹紧吊起后，在导正架引导下，开始打桩作业，确保垂直精度小于0．5％。

4．2 H型钢质量检测

表3为H型钢焊接接头试件检测结果。由表3可知，H型钢焊接接头抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冷弯试验均满足规范要求，说明H型钢焊接工艺能满足抗弯、抗剪的设计要求。

图12为桥梁下方U型槽基坑开挖至基坑底时MJS工法桩内插型钢加一道混凝土内支撑的现场施工照片。由图可间接验证了MJS工法桩内插H型钢的支护方案在超低净空下应用的可行性。

▍5 结语

某U型槽基坑下穿既有桥梁工程，桥梁下方净高只有1．93m，U型槽基坑边距离桥梁桩基仅2．7 m，需解决超低净空下围护桩施工和基坑开挖对邻近桥梁桩基变形影响问题。通过研究得到如下结论：

(1)采用MJS工法桩内插H型钢加一道混凝土支撑的支护方案可满足超低净空条件下施工，以及满足围护桩打桩期间和基坑开挖期间对邻近桥梁结构的安全要求。

(2)与SMW工法桩实施顺序相反，即先施工H型钢，后施工MJS工法桩，为解决MJS工法桩的喷射盲点，建议局部采用高压旋喷桩补强。

(3)通过MJS工法桩试桩试验、单轴抗压强度试验表明，MJS工法桩成桩直径约3．1~3．2 m，满足设计要求。MJS工法桩对H型钢包裹性较好，无明显裂缝，MJS工法桩单轴抗压强度均大于1．5 MPa，其中大部分在1．5~1．8 MPa和2．1~2．4 MPa之间。

(4)为满足超低净空下施工，H型钢需分割成1．5~2．5m长，现场拼接焊接较多，严重影响H型钢的抗弯抗剪性能。通过剖口对焊和设置导向板等技术，H型钢焊接均能满足规范要求。

来源：《土木基础》