TRD工法水泥土連續(xù)墻在富水粉細(xì)砂層中的應(yīng)用

張鍇鋒,夏高翔

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 211112;2. 江蘇省地下空間探測(cè)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211112;3. 江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第一地質(zhì)大隊(duì), 江蘇 南京 210041)

近年來(lái),城市地下空間被不斷探索利用和開發(fā),基坑不斷向大、深方向發(fā)展[1].TRD工法(trench cutting remixing deep wall method)以其穩(wěn)定性高、精度高、施工能力強(qiáng)、連續(xù)墻厚度與密實(shí)度均勻、污染小、止水性能良好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高水位地區(qū)的深基坑工程[2].TRD工法能有效截?cái)嗷虿糠纸財(cái)喑袎核畬优c深基坑的水力聯(lián)系,控制因基坑降水而引起的地面過(guò)度沉降,確保深基坑和周邊環(huán)境的安全[3].

現(xiàn)有關(guān)于TRD工法的研究中,文獻(xiàn)[4]將TRD工法與SMW工法進(jìn)行對(duì)比,得出TRD工法的擋土效果和止水性均優(yōu)于其它圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)論;文獻(xiàn)[5-7]對(duì)TRD工法在多個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐中的成功應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹,并從基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載變形、施工技術(shù)和檢測(cè)方法等方面進(jìn)行水泥土等厚度墻的相關(guān)研究,為其在以后基坑工程中的應(yīng)用和推廣提供了借鑒;文獻(xiàn)[8]通過(guò)施工方案對(duì)比等方法確定了TRD等厚帷幕的施工參數(shù);文獻(xiàn)[3]以工程案例總結(jié)了TRD工法施工要點(diǎn),驗(yàn)證了TRD工法的可行性.

相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)TRD工法止水效果與擋土效果研究進(jìn)行了定性分析,但對(duì)未貫穿承壓水層這一工況條件下TRD隔水效果的研究成果較少,缺乏有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)[9-17].本文以南京黨史館綜合設(shè)施項(xiàng)目TRD工法水泥土墻為例,通過(guò)取芯強(qiáng)度檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)等方法對(duì)TRD水泥土墻的施工效果、隔水效果進(jìn)行研究.

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

擬建南京黨史館綜合設(shè)施項(xiàng)目位于南京市鼓樓區(qū)渡江路與樹人路交匯處,南京渡江勝利紀(jì)念館南側(cè),樹人學(xué)校北側(cè),西臨長(zhǎng)江(夾江),西南側(cè)為南京定淮門長(zhǎng)江隧道,東側(cè)為高層住宅.項(xiàng)目周邊建筑物多,且過(guò)江隧道極其重要,需保證地下水的穩(wěn)定,嚴(yán)防承壓水層可能出現(xiàn)的涌水而造成周邊建構(gòu)筑物沉降,還需嚴(yán)格控制地表沉降,施工難度較大.

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料可知,本基坑地層多為軟土,呈流塑狀態(tài),孔系比大,滲透性強(qiáng).其地層分布如表1所示,相關(guān)物理參數(shù)如表2所示.

表1 軟土分布特征情況表

表2 軟土物理性能一覽表

本基坑場(chǎng)地地貌單元為長(zhǎng)江漫灘.根據(jù)勘察揭示的地層結(jié)構(gòu),場(chǎng)地地下水按其賦存條件分為潛水和承壓水兩種類型.潛水含水層由①、②2、②3、②4層組成.其中②2、②3和②4層飽含地下水,但給水性較差、透水性弱,屬弱透水地層,相對(duì)隔水層為②4層；承壓水含水層由②5、②5a層構(gòu)成.②5層水平向滲透系數(shù)Kh遠(yuǎn)大于垂直向滲透系數(shù)Kv,給水性和透水性較好,屬弱透水層,②5a層給水性和透水性好,屬中等透水地層,在滲透水流作用下易產(chǎn)生流土、流砂.場(chǎng)地地下水與長(zhǎng)江有較強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系,動(dòng)儲(chǔ)量豐富,有較高的水頭壓力.

1.3 TRD工法水泥土墻結(jié)構(gòu)參數(shù)

本基坑方案為了避免地下水涌出、增強(qiáng)開挖面自穩(wěn)定性、控制地表沉降,在TRD工法水泥土墻內(nèi)外側(cè)設(shè)置二重管高壓旋噴樁加固區(qū),基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)的室外地坪設(shè)置二重管高壓旋噴樁加固區(qū),直徑為0.5 m,間距為2.0 m.外側(cè)圍擋采用700 mm厚TRD等厚帷幕.TRD工法水泥土墻深度為45.00 m,未穿透②5a粉細(xì)砂層,未截?cái)喑袎核畬?承壓水仍然能通過(guò)水泥土墻底部涌入基坑內(nèi),但45.00 m深的止水帷幕有效增加了坑外承壓水進(jìn)入坑內(nèi)的繞流路徑,從而延長(zhǎng)其流入坑內(nèi)的時(shí)間.結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 TRD工法水泥土墻、地層柱狀圖與加固區(qū)剖面圖

2 TRD工法介紹及施工參數(shù)

2.1 TRD工法介紹

TRD工法采用先行挖掘、回撤挖掘、成墻攪拌三步成墻工藝.施工時(shí),首先將鏈鋸式切割箱插入地表以下,豎向切割土體,逐段連接刀具箱鉆至預(yù)定深度,然后沿著橫向移動(dòng)、切割并攪拌土體,同時(shí)注入水泥漿,水泥漿與原位土體攪拌混合,形成等厚度水泥土攪拌墻.由于在垂直方向上全層同時(shí)混合、攪拌,使得原不均質(zhì)的地基土在豎向上形成強(qiáng)度偏差微小、均勻的連續(xù)墻體.機(jī)械整體重心較低,且由計(jì)算機(jī)控制行進(jìn),因而穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高.

2.2 TRD工法參數(shù)

1) 水泥土墻深45 m,采用13節(jié)切割箱,分別為：1節(jié)3.55 m被動(dòng)輪+12節(jié)3.65 m切割箱,總長(zhǎng)為47.35 m.墻厚700 mm,采用550～800 mm寬度的刀具,菱形布置;

2) 采用摻量為25%的42.5普通硅酸鹽水泥(即450 kg/m3,土的重度取1.8 kN/m3),水灰比為1.0～1.5,固化液比重為1.40～1.50.相應(yīng)的注漿控制參數(shù)如表3所示；

3) 挖掘液拌制采用摻量為10%的膨潤(rùn)土(即180 kg/m3,土的重度取kN/m3);

4) 控制垂直度偏差≤0.3%;

5) 增黏劑的調(diào)配比例為1.0 kg/m3.

表3 水泥漿注入?yún)?shù)表

3 TRD工法效果評(píng)價(jià)

3.1 水泥土墻取芯檢測(cè)

在TRD工法成墻28 d后,隨機(jī)選取5根全孔芯樣(編號(hào)為1—5號(hào))進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).每根全孔芯樣根據(jù)土層分布,分別取12組共計(jì)36個(gè)試件進(jìn)行分段評(píng)價(jià)[18].檢測(cè)結(jié)果如圖2所示,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值分別為：1號(hào)孔1.136 MPa,2號(hào)孔1.20 MPa,3號(hào)孔1.255 MPa,4號(hào)孔1.254 MPa,5號(hào)孔1.330 MPa.TRD工法成墻效果較好地滿足了設(shè)計(jì)預(yù)期,但抗壓強(qiáng)度平均值的波動(dòng)性也反映出TRD工法水泥土墻沿深度方向存在一定程度的不均勻性;在距地表0～32 m的粉質(zhì)黏土層,水泥土墻抗壓強(qiáng)度均值為1.06～1.21 MPa,而進(jìn)入32～45 m含承壓含水層②5、②5a粉細(xì)砂層時(shí),水泥土墻抗壓強(qiáng)度為1.32～1.62 MPa.

圖2 水泥土墻無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(平均值)曲線圖

本文分析認(rèn)為粉質(zhì)黏土層的孔隙比較小,黏土顆粒間距小,水泥漿液可能未充分填充黏土顆粒間隙,致使水泥土墻的整體性與強(qiáng)度略低于其在粉細(xì)砂層中的表現(xiàn).在成墻工藝過(guò)程中,TRD工法設(shè)備受機(jī)械性能和實(shí)際施工的限制,在不同地層中從機(jī)底注入壓力相同的漿液時(shí),不能保證地層與水泥充分?jǐn)嚢杈鶆蚴菍?dǎo)致某些地層中水泥土墻的整體性差和強(qiáng)度低的因素之一.

3.2 水泥土墻抗?jié)B性能檢測(cè)

在TRD工法成墻28 d后,隨機(jī)選取5根全孔芯樣(編號(hào)為1—5號(hào))制備多組試件進(jìn)行水泥土墻滲透系數(shù)恒定水頭室內(nèi)試驗(yàn),水泥土墻滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：ki為水泥土墻滲透系數(shù),cm/s;V為經(jīng)時(shí)間間隔t滲出的水量,mL;h為試件高度,cm;P為施加的滲透壓力,MPa;A為試件橫截面積,cm2;t為時(shí)間間隔,s;γw為水的重度,N/cm3.

對(duì)多組試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與歸納,得到相應(yīng)土層范圍的水泥土連續(xù)墻滲透系數(shù)如圖3所示.本文數(shù)據(jù)可知TRD工法水泥土墻的滲透系數(shù)ki在全深度處理范圍內(nèi)效果均勻,數(shù)量級(jí)均維持在10-7cm/s,與原始土層相比,尤其在②5粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂與②5a粉細(xì)砂層中,TRD工法水泥土墻能有效降低滲透系數(shù)ki,使其數(shù)量級(jí)達(dá)到10-7cm/s.說(shuō)明TRD工法水泥土墻具有良好的隔水性能,可以滿足本工程的隔水需求.

圖3 滲透系數(shù)隨深度變化曲線圖

3.3 地下水位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜,臨近過(guò)江隧道以及渡江紀(jì)念館等重要構(gòu)筑物,需對(duì)坑外地下水位保持監(jiān)測(cè),以此來(lái)判定TRD工法水泥土墻的可靠性.嚴(yán)控因失效而導(dǎo)致的坑外地下水向坑內(nèi)滲漏,從而引發(fā)坑外地面的塌陷以及周邊建筑物與過(guò)江隧道的沉降.

在TRD工法水泥土墻外側(cè)設(shè)置兩口觀測(cè)井G1、G2;內(nèi)側(cè)設(shè)置兩口降水井J1、J2,降水井外徑為600 mm,內(nèi)徑為500 mm,深度為45 m.將抽水泵放入降水井內(nèi)距地表下40 m處,進(jìn)行3次降水試驗(yàn),以確定TRD工法水泥土墻內(nèi)外側(cè)的水力聯(lián)系.圖4為降水井內(nèi)水位和觀測(cè)井內(nèi)水位隨時(shí)間變化曲線圖.由圖4可見:第一階段抽水2.5 h,降水井J1、J2內(nèi)水位分別降至地面下37.18、37.52 m后,水位進(jìn)入恢復(fù)階段,分別恢復(fù)至水位24.2、23.8 m;第二階段抽水,降水井J1、J2內(nèi)水位分別降至地面下37.04、36.90 m,隨后停止降水,水位分別恢復(fù)至33.21、31.50 m;第三階段抽水,降水井J1、J2內(nèi)水位基本上處于穩(wěn)定狀態(tài),約為36.8 m;在降水井抽水期間,觀測(cè)井內(nèi)水位與抽水井水位有相似變化趨勢(shì),但是幅度較小.

圖4 井內(nèi)水位隨時(shí)間變化曲線圖

圖4中,兩口降水井抽水曲線趨勢(shì)相似,分階段抽水過(guò)程中,水位有一定的恢復(fù)補(bǔ)充,地下水存在流通性;水泥土墻外側(cè)觀測(cè)井G1、G2的24 h水位變化也有相似趨勢(shì),且波動(dòng)幅度較小,說(shuō)明TRD工法水泥土墻在未貫穿承壓水層這一工況下,基坑內(nèi)外仍然保持著水力聯(lián)系,但是可能因增加了繞流路徑從而有效保持了坑外地下水的穩(wěn)定.

4 結(jié)論

本文結(jié)合南京黨史館綜合設(shè)施項(xiàng)目,介紹TRD工法水泥土墻的工法原理、特點(diǎn)及相關(guān)施工參數(shù).對(duì)水泥土墻進(jìn)行取芯強(qiáng)度檢測(cè),開展?jié)B透性試驗(yàn)和降水試驗(yàn),經(jīng)分析試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：

1) 通過(guò)TRD工法水泥土墻的取芯強(qiáng)度試驗(yàn),外觀上全孔芯樣完整度較高、呈灰色灰黃色、灰量正常較多,可知其攪拌較為均勻、膠結(jié)度較好,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為1.136～1.330 MPa,滿足了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值,且在粉細(xì)砂層中其效果優(yōu)于粉土粉質(zhì)黏土.抗壓強(qiáng)度平均值的波動(dòng)性反映出TRD工法水泥土墻沿深度方向存在一定程度的不均勻性.在后期的類似工程實(shí)踐中,應(yīng)著重考慮在粉質(zhì)黏土層中適當(dāng)增加水泥摻入量,放緩攪拌速率,使水泥漿液與黏土顆粒攪拌均勻,以保證成墻效果.

2) 通過(guò)芯樣室內(nèi)滲透性試驗(yàn),可知其滲透系數(shù)ki的數(shù)量級(jí)均維持在10-7cm/s,TRD工法水泥土墻在全深度范圍內(nèi)處理效果均勻,具有良好的隔水性能,可以滿足本工程的隔水需求.

3) 降水井抽水曲線趨勢(shì)相似,因未貫穿承壓水層,本工程地下水存在一定的流通性.

4) 觀測(cè)井與降水井水位有相似的變化趨勢(shì),波動(dòng)幅度不大,基坑內(nèi)外保持著水力聯(lián)系,但可能因增加了繞流路徑而有效保持了坑外地下水的穩(wěn)定,其隔水效果良好.