56 m 深TRD 工法攪拌墻在深厚承壓含水層中的成墻試驗(yàn)研究

王衛(wèi)東 ，翁其平 ，陳永才

（1.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院 地基基礎(chǔ)與地下工程設(shè)計(jì)研究中心，上海 200002；2.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200002）

1 引 言

等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)（TRD 工法）源于日本，21 世紀(jì)以來TRD 工法迅速在美國(guó)、西歐和東南亞世界各地得到廣泛應(yīng)用。近年來國(guó)內(nèi)引進(jìn)了等厚度水泥土攪拌墻施工技術(shù)及配套設(shè)備（TRD-Ⅲ型設(shè)備），并在已上海、南昌、天津、淮安、杭州、蘇州、武漢等地的10 余個(gè)基坑工程中成功應(yīng)用[1-3]。目前采用等厚度水泥土攪拌墻在基坑工程中主要作為隔水帷幕或內(nèi)插型鋼形成止水擋土結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，由于TRD 工法設(shè)備具有較強(qiáng)的切削能力及連續(xù)成墻等特點(diǎn)，其在滲透性強(qiáng)的土層或者隔水帷幕超深、深部地層為密實(shí)砂層、軟巖地層中形成的墻體隔水性能可靠，工效較高，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的應(yīng)用前景[4-5]。

深大基坑工程不斷涌現(xiàn)，對(duì)深基坑工程的深層地下水處理技術(shù)和隔水技術(shù)提出了新的要求。TRD工法技術(shù)為上海地區(qū)深基坑工程中深層地下水的控制提供了新的解決方案。本文以上海國(guó)際金融中心項(xiàng)目基坑工程為背景，為解決深層承壓水問題，在上海地區(qū)首次開展了56 m 深TRD 工法攪拌墻試成墻試驗(yàn)研究，為后續(xù)工程墻體施工提供依據(jù)。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

上海國(guó)際金融中心項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)竹園商貿(mào)地塊，張家浜河以北，楊高南路以西?；用娣e約為48 860 m2，開挖深度為26.5～27.9 m，基坑采用順逆結(jié)合設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)群井抽水試驗(yàn)，基坑的降水井深度不小于45 m，為控制抽降承壓水對(duì)周邊環(huán)境的影響，基坑外圍懸掛隔水帷幕底部埋深不小于56 m。本工程圍護(hù)體采用兩墻合一地下連續(xù)墻，懸掛隔水帷幕有超深地下連續(xù)墻和等厚度水泥土攪拌墻2 個(gè)可行的方案。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，采用短地下連續(xù)墻結(jié)合超深等厚度水泥土攪拌墻作為隔水帷幕比全部采用超深地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)大大節(jié)省工程造價(jià)，最后決定采用短地下連續(xù)墻結(jié)合超深等厚度水泥土攪拌墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；庸こ唐拭鎴D如圖1 所示。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料，淺部土層分布較穩(wěn)定，中下部土層除層⑦2層埋深局部稍有起伏外，一般分布較穩(wěn)定。在135.3 m 深度范圍內(nèi)地基土屬第四紀(jì)濱?！涌谙唷\海相、沼澤相及河口～湖澤相沉積物，主要由黏性土、粉性土及砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。淺層分布有較厚的層③淤泥質(zhì)黏土和層④淤泥質(zhì)黏土，2 層土都屬高壓縮性、高含水率、流變性的軟土，物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差。深層為層厚較大，物理力學(xué)性質(zhì)較好，滲透性較好的砂層。各層土計(jì)算參數(shù)見表1。

基坑工程涉及到的地下水有潛水、承壓水兩種類型。場(chǎng)地內(nèi)淺層地下水屬潛水，主要補(bǔ)給來源為大氣降水及地表徑流，地下水埋深約為1.2～1.9 m。場(chǎng)地內(nèi)承壓水主要為深部第⑦層和第⑨層中的承壓水。由于擬建場(chǎng)地第⑧層黏性土缺失，第⑦層與第⑨層承壓水相對(duì)連通，水量補(bǔ)給豐富。承壓水水位埋深的變化幅度一般在3.0～11.0 m。本場(chǎng)地地下水和土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有微腐蝕性。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖(單位:mm)Fig.1 Sectional view of the support system(unit:mm)

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Parameters of the soil

3 試驗(yàn)方案

目前TRD 設(shè)備的施工能力可滿足56 m 深度需要，但如此大的深度且在標(biāo)貫大于50 擊的第⑦2粉砂層中成墻，尚無有先例可循，需通過成墻試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證等厚度水泥土攪拌墻施工設(shè)備在該地層條件下的施工能力。通過成墻試驗(yàn)，可以確定超深等厚度水泥土攪拌墻成墻質(zhì)量、水泥攪拌均勻性、強(qiáng)度、隔水性能以及超深墻體施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。TRD 工法等厚度水泥土攪拌墻的施工參數(shù)和施工工序的確定也是試驗(yàn)的主要目的之一，試成墻最終目的是通過成墻試驗(yàn)確定一整套等厚度水泥土攪拌墻的施工參數(shù)并形成施工導(dǎo)則，以指導(dǎo)后期等厚度水泥土攪拌墻的施工。試驗(yàn)段長(zhǎng)度為8 000 mm，厚度為700 mm。

試成墻的深度不小于56 m，墻底進(jìn)入第⑦2粉砂層。等厚度水泥土攪拌墻采用3 工序成墻施工工藝，即先行挖掘、回撤挖掘、成墻攪拌，對(duì)地層先行挖掘松動(dòng)后，再行噴漿攪拌固化成墻。

等厚度水泥土攪拌墻試成墻完成后進(jìn)行漿液試塊強(qiáng)度試驗(yàn)、芯樣強(qiáng)度試驗(yàn)以及滲透性檢測(cè)。在等厚度水泥土攪拌墻試成墻過程中，布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和深層土體分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)。

4 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

4.1 等厚度水泥土攪拌墻試驗(yàn)

在本工程場(chǎng)地內(nèi)部進(jìn)行了等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗(yàn)。通過試驗(yàn)可確定以下參數(shù)。

（1）設(shè)備能力

等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗(yàn)要求深度為56 m，實(shí)際施工深度達(dá)56.73 m，進(jìn)入標(biāo)貫大于50擊的第⑦2粉砂層約15.33 m。此次試驗(yàn)證明 TRD工法施工設(shè)備在本工程深厚密實(shí)砂層地質(zhì)條件下進(jìn)行56 m 深度隔水帷幕施工的能力是可行的。

切割箱打入至設(shè)計(jì)深度后，在切割箱體內(nèi)安裝測(cè)斜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控切割箱面內(nèi)與面外的偏差情況，并及時(shí)通過駕駛員操控調(diào)整。試成墻施工墻體垂直度偏差控制在1/250 以內(nèi)。

（2）施工功效

等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗(yàn)的施工功效統(tǒng)計(jì)見表2。由表可知，采用3 工序成墻施工工藝，等厚度水泥土攪拌墻墻體的施工可達(dá)6～7 m/d。同時(shí)，在工期安排上亦應(yīng)考慮切割箱打入和拔出所占用的時(shí)間。

（3）施工參數(shù)

根據(jù)等厚度水泥土攪拌墻試成墻試驗(yàn)結(jié)果，采用以下施工參數(shù)，可以滿足本工程場(chǎng)地正式墻體施工需要。①挖掘液采用鈉基膨潤(rùn)土拌制，每立方被攪土體摻入約100 kg 的膨潤(rùn)土。② 固化液采用P.O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，摻量25%，水灰比為1.36～1.50。③先行挖掘挖掘液水灰比為10～20，挖掘液混合泥漿流動(dòng)度宜為200～240 mm。

表2 施工功效Table 2 Construction effect

4.2 等厚度水泥土攪拌墻漿液試塊強(qiáng)度

等厚度水泥土攪拌墻施工過程中，在長(zhǎng)度方向取2 個(gè)位置的漿液制作試塊，取樣點(diǎn)低于有效墻頂下2 m。

漿液試塊進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試塊抗壓試驗(yàn)的結(jié)果見表3。由表可知，試塊平均強(qiáng)度為1.03～1.40 MPa，均大于《上?；庸こ碳夹g(shù)規(guī)范》[6]關(guān)于水泥土攪拌樁強(qiáng)度0.8 MPa的要求，說明本次試驗(yàn)中所采用的水泥摻量滿足隔水要求。

表3 28 d 漿液試塊抗壓試驗(yàn)結(jié)果Table 3 28 d compressive strength of the soil-cement grout

4.3 等厚度水泥土攪拌墻鉆孔取芯強(qiáng)度

等厚度水泥土攪拌墻成墻完成后進(jìn)行了鉆孔取芯，并對(duì)芯樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)取出的芯樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透性試驗(yàn)，并選擇2 個(gè)取芯孔進(jìn)行了原位滲透性試驗(yàn)。取芯孔平面布置如圖2 所示。

圖2 取芯孔平面布置圖(單位:mm)Fig.2 Plan view of the drilling holes(unit:mm)

在試驗(yàn)墻體中心線上間隔800 mm 進(jìn)行一個(gè)鉆孔取芯，總共鉆取了9 個(gè)孔，鉆孔深度同墻體深度。

通過鉆孔取芯進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，表4為抗壓強(qiáng)度平均值的匯總。由于本工程等厚度水泥土攪拌墻主要是深部砂層中的懸掛隔水，由表4 可知，深部砂層中的強(qiáng)度為0.84～1.38 MPa，亦大于《上?；庸こ碳夹g(shù)規(guī)范》[6]關(guān)于水泥土攪拌樁強(qiáng)度0.8 MPa 的要求，滿足深厚砂層中承壓水的隔水要求。

表4 芯樣抗壓強(qiáng)度匯總表Table 4 Compressive strength of the soil-cement core samples

圖3為現(xiàn)場(chǎng)取芯的芯樣照片。芯樣自上而下均較為完整，連續(xù)性好，破碎較小，芯樣呈水泥土顏色，并且自上而下顏色較為均勻?？傮w而言，鉆孔取芯芯樣率均較高，完整性較好，水泥土攪拌墻均勻性較好。

圖3 芯樣Fig.3 Core specimens

4.4 等厚度水泥土攪拌墻滲透性

根據(jù)試驗(yàn)要求，在鉆孔取芯的芯樣中選取有代表性的鉆孔進(jìn)行室內(nèi)滲透性試驗(yàn)和原位滲透性試驗(yàn)。室內(nèi)滲透性試驗(yàn)采用變水頭滲透儀進(jìn)行測(cè)定，原位滲透性試驗(yàn)采用注水試驗(yàn)測(cè)定。表5為室內(nèi)和原位滲透試驗(yàn)的成果。由室內(nèi)滲透性試驗(yàn)結(jié)果可知，在深部的砂土層中滲透系數(shù)由原土層的10-3cm/s 提高到10-7cm/s。由原位滲透性試驗(yàn)結(jié)果可知，在淤泥質(zhì)土和黏性土層中滲透系數(shù)由原土層的10-5cm/s提高到10-6cm/s，在深部的砂土層中滲透系數(shù)由原土層的10-3cm/s 提高到10-5cm/s。由表5 可見，無論芯樣是室內(nèi)或是原位滲透性試驗(yàn)，滲透系數(shù)均滿足懸掛隔水帷幕要求。通過與勘察報(bào)告中原土層滲透系數(shù)對(duì)比，等厚度水泥土攪拌墻對(duì)各土層特別是砂層抗?jié)B性能提高較為明顯。

表5 滲透試驗(yàn)成果Table 5 Permeability experiment results conducted

4.5 環(huán)境影響分析

在等厚度水泥土攪拌墻試成墻過程中，布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和深層土體分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面布置(單位:mm)Fig.4 Sectional view of the monitoring points in the test(unit:mm)

（1）深層土體側(cè)向位移

試驗(yàn)過程中對(duì)深層土體側(cè)向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖5為距離試驗(yàn)墻體1.4、5.0、12.0 m和22.0 m 的各測(cè)斜點(diǎn)試驗(yàn)期間測(cè)得的土體測(cè)斜曲線。由圖可以看出，土體側(cè)向位移隨深度增大大致呈減小的趨勢(shì)。距離墻體1.4 m 處，最大側(cè)向位移位于頂口，最大側(cè)向位移位45 mm，深3 m 處，側(cè)向位移減小至11 mm。距離試驗(yàn)墻體5 m 處，最大變形為10 mm；在距離試驗(yàn)墻體12 m 處，最大變形約為3 mm；而在距離試驗(yàn)墻體22 m 處，側(cè)向位移幾乎為0。由圖可以看出，TRD 成墻施工時(shí)，土體側(cè)向位移影響范圍主要是在5 m 遠(yuǎn)的范圍之內(nèi)。

圖5 土體測(cè)斜曲線Fig.5 Lateral displacements in soil inclinometers

（2）地表沉降

在試驗(yàn)過程中對(duì)地表沉降也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖6為TRD 成墻結(jié)束時(shí)和成墻養(yǎng)護(hù)7 d 時(shí)的地表沉降曲線。從圖中可以看出，靠近墻體處地表有一定的沉降，隨距離增大，地表沉降逐漸減小。7 d 養(yǎng)護(hù)期間，靠近墻體區(qū)域地表沉降仍有一定程度發(fā)展。成墻結(jié)束時(shí)最大沉降約為8 mm，距離墻體5 m 以外，地表沉降小于5 mm，成墻的主要影響范圍約5 m。

圖6 地表沉降曲線Fig.6 Curves of the surface settlement

5 結(jié) 論

（1）等厚度水泥土攪拌墻在上海地區(qū)標(biāo)貫大于50 擊的砂層中的施工深度達(dá)56.73 m，成墻速度6～7 m/d，驗(yàn)證了TRD 設(shè)備在上海地區(qū)的施工能力，且所采取的參數(shù)亦滿足本工程場(chǎng)地的施工要求。

（2）試成墻鉆孔取芯芯樣率較高，完整性較好，水泥土攪拌墻均勻性較好。漿液試塊強(qiáng)度超過1.0 MPa；砂土層中鉆孔取芯強(qiáng)度達(dá)到0.84～1.38 MPa，從強(qiáng)度角度，等厚度水泥土攪拌墻滿足深層隔水要求。

（3）等厚度水泥土攪拌墻對(duì)各土層特別是砂層抗?jié)B性能提高 較為顯著，滲透系數(shù)由原土層的10-3cm/s 提高到10-7cm/s。從滲透性角度，等厚度水泥土攪拌墻滿足深層隔水要求。

（4）在TRD 試成墻過程中，周邊土體總體變形較小，對(duì)周邊環(huán)境影響較小。TRD 成墻對(duì)環(huán)境的影響主要集中在距離TRD 墻體平面為5 m 范圍內(nèi)。

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