TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻在基坑工程中的應(yīng)用分析

鄧友濤

(中國(guó)水利水電第七工程局，四川 成都 610000)

0 引 言

在城市的發(fā)展進(jìn)程中，人口向城區(qū)集聚，地表修建了越來(lái)越多的建筑物，地上空間日益緊張，于是城市規(guī)劃和建設(shè)人員將目光投向了地下，去尋找更為廣闊的發(fā)展空間，因此修建了大量的地鐵、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)等，以滿足居民的出行和購(gòu)物等需求[1]。然而，修建地下空間需要對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖，盡管目前的開(kāi)挖圍護(hù)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出了鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻和SMW工法等各種圍護(hù)技術(shù)，但是受到各種地質(zhì)條件和工程建設(shè)環(huán)境的影響，每種圍護(hù)結(jié)構(gòu)都有各自的局限性，因此對(duì)于新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)研發(fā)和利用的腳步一直未停歇。TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻就是近年來(lái)受到熱捧的一種新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其充分利用了鋼材和水泥的物理力學(xué)特性，具有良好的止水性能和抗彎剛度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

1 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的施工工藝及應(yīng)用

在現(xiàn)有的基坑圍護(hù)墻中，根據(jù)成墻方法以及工程特性的不同，可以分為鉆孔灌注樁圍護(hù)墻、地下連續(xù)墻、重力式擋土墻、高壓旋噴樁、MJS樁以及SMW工法，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了具有高穩(wěn)定性以及低滲透性的TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法。與其他的成墻方法相比，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻是通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)帶有鏈鋸的切割箱機(jī)械設(shè)備對(duì)土體進(jìn)行攪動(dòng)切割，形成渠式混合土，并向渠內(nèi)噴射水泥漿液，使得土體與水泥漿液發(fā)生一系列的理化反應(yīng)，黏土中的小顆粒與水泥膠體固化在一起，形成具有一定強(qiáng)度的水泥土墻，同時(shí)為了提高墻體的剛度，在渠內(nèi)可以插入任意間距的型鋼，可以大大減少設(shè)計(jì)的工作量。由于在成渠過(guò)程中鏈鋸的運(yùn)動(dòng)是上下循環(huán)的，這迫使不同層位的土體顆粒充分混合、攪拌，形成性質(zhì)均勻的墻體，改變了以往SMW工法中自上而下的柱狀回旋噴射混凝土成孔，同時(shí)由于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法的鋸鏈切割箱是具有固定寬度的，因此在成墻方式上，避免了鉆孔灌注樁柱列式厚度不等的缺點(diǎn)，形成的墻體厚度一致、表面平整、墻體力學(xué)性質(zhì)均勻且連續(xù)無(wú)接縫。另外，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法的成墻能力大，最大深度可以達(dá)到60 m，同時(shí)TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻采用的液壓驅(qū)動(dòng)，具有強(qiáng)大的鉆進(jìn)和削切能力，相較于采用電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)的高壓旋噴樁等大大提高了其土層的適應(yīng)性，可以廣泛應(yīng)用于從淤泥質(zhì)土至堅(jiān)硬全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的成墻。

TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法的具體施工操作流程如圖1所示。在正式切削土體施作墻體之前，為了保證等厚度水泥土攪拌墻的施工參數(shù)保持一致，比如水泥摻量、削切速率等，應(yīng)該在同一場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)成墻。在正式成墻過(guò)程中，先放出墻體控制邊線，在長(zhǎng)度方向挖出施工溝槽，溝槽的寬度與墻體寬度一致，寬度為1.3 m、深度為1.0 m，并在溝槽兩側(cè)放置鋼板，以避免設(shè)備的碾壓造成槽壁坍塌影響切割箱的垂直度。隨后挖出預(yù)埋穴以放置預(yù)埋箱，預(yù)埋穴的尺寸為3 m×2 m×1 m。將第一節(jié)切割箱放入預(yù)埋穴并與切割箱主機(jī)連接，移動(dòng)主機(jī)至設(shè)定的成墻位置，驅(qū)動(dòng)切割箱對(duì)土體在全深度范圍內(nèi)做整體上下回轉(zhuǎn)切割，并噴漿攪拌形成等厚度水泥土墻體。在墻體完成凝固前打入型鋼以形成具有抗彎和抗?jié)B的墻體。

由于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其在國(guó)內(nèi)外基坑工程或者防滲地下墻體工程中得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外，最早使用該工法的國(guó)家是日本。20世紀(jì)90年代初期，日本的東京地下工程、橫濱OM大樓的施工中就采用了該工法，此后逐步發(fā)展形成了多種機(jī)械設(shè)備，分別為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，設(shè)備的成墻深度也從最初的10 m發(fā)展到了60 m，隨后諸多發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)，并在美國(guó)、加拿大和新加坡等國(guó)家積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)杭州大通建筑工程有限公司在2005年關(guān)注到了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)出其具有安全性高、止水性強(qiáng)、施工精度高、掘削能力強(qiáng)、成墻質(zhì)量高和施工深度深6大特點(diǎn)，并在2007年將TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，在杭州市下沙等地過(guò)程中成功試驗(yàn)，隨后TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)被應(yīng)用于南昌綠地廣場(chǎng)項(xiàng)目、武漢復(fù)地漢正街一期工程、蘇州市軌道交通2號(hào)線天竺路站等工程中。

2 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的力學(xué)性能及變形特征

為了掌握TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的受力承載機(jī)理及其變形演變規(guī)律，有必要對(duì)其進(jìn)行受力分析和變形計(jì)算。目前，應(yīng)用最為廣泛的TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻承載力計(jì)算方法有極限平衡法和彈性抗力法。前者采用的靜力平衡的原理，將墻背的被動(dòng)土壓力和坑底的主動(dòng)土壓力均視為達(dá)到極限，墻體在靜定結(jié)構(gòu)下進(jìn)行極限受力平衡計(jì)算，因此計(jì)算過(guò)程為最終的極限狀態(tài)，無(wú)法考慮開(kāi)挖過(guò)程以及基坑回填過(guò)程對(duì)受力和變形的影響。但是，由于采用的是極限狀態(tài)分析方法，忽略了墻體已產(chǎn)生的水平位移對(duì)支撐力的作用，因此面對(duì)深度大、面積大且多支點(diǎn)的軟土基坑時(shí)，采用極限平衡法計(jì)算的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果偏離較大。而彈性抗力法則考慮了土體的變形對(duì)支撐的影響，將墻體背部的土體理想化為彈簧，在彈性階段服從溫克爾彈性地基梁假定，并隨著逐步開(kāi)挖加支撐以及逐步回填的過(guò)程中，將側(cè)向土壓力逐步地施加于墻體進(jìn)行受力和變形計(jì)算，反映了施工過(guò)程的變化，計(jì)算結(jié)果更為精確和符合實(shí)際。

在實(shí)際的受力與變形計(jì)算過(guò)程中，由于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻使用了兩種不同性質(zhì)的材料，一種是水泥土，另一種是鋼材，兩種材料之間彈性模量差異巨大，需要采用等效原理將型鋼與水泥土進(jìn)行組合計(jì)算，等效的慣性矩和抗彎剛度分別如公式(1)和公式(2)所示。

(1)

(2)

在TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻中，要達(dá)到型鋼材料的極限承載力之前，墻體就因?yàn)樾弯撆c水泥土發(fā)生剪切位移而受到破壞，因此在計(jì)算過(guò)程中型鋼與水泥土之間的抗剪強(qiáng)度十分重要。其計(jì)算原理仍然是型鋼翼緣處水泥土墻體有效厚度的直接剪切，計(jì)算方法如公式(3)、公式(4)所示。

(3)

(4)

對(duì)于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的變形，可以與鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、SMW工法等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算一樣，采用有限元法求解偏微分方程，如公式(5)、公式(6)所示。

(5)

(6)

3 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻與SMW工法的對(duì)比分析

以成都地鐵30號(hào)線某地鐵車站的施工為例，該工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻施工，施工設(shè)備在常用的TRD60D型成槽機(jī)械與TRD80E型成槽機(jī)械之間進(jìn)行比選(表1)，最終選擇TRD80E型成槽機(jī)械，其擁有630 kVA的電容量，最大切削深度達(dá)到86 m，切割箱的箱體寬度增加到600 mm，具有強(qiáng)大的油缸行程和驅(qū)動(dòng)壓力。

施工場(chǎng)區(qū)的地層主要有11層，土層的抗剪強(qiáng)度較低，受到開(kāi)挖卸載作用后容易產(chǎn)生大變形。地層從上至下分別為②粉質(zhì)黏土層，③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土層、④淤泥質(zhì)黏土層、⑤1黏土層、⑤2黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層、⑤3粉質(zhì)黏土層、⑤3a砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層、⑦2粉細(xì)砂層、⑧21粉質(zhì)黏土與粉砂互層、⑨粉細(xì)砂層、粉細(xì)砂層。各地層的滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表1 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的施工設(shè)備比選

表2 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻施工地層的滲透系數(shù)

運(yùn)用有限元模擬軟件對(duì)比分析SMW工法與TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的變形與受力，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的墻身水平位移

從圖2中可以看出，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的墻身位移分布較為協(xié)調(diào)，位移峰值主要集中在坑底附近，深度范圍在8.5 m和14 m范圍，表明墻身水泥土與型鋼之間的協(xié)調(diào)工作較密切，達(dá)到了位移的有效控制，而SMW工法的位移相對(duì)較高而且在上部(支撐位置)出現(xiàn)較為明顯的位移峰值，不利于SMW工法中型鋼與水泥土樁的協(xié)同工作，導(dǎo)致SMW工法樁的型鋼滑移，出現(xiàn)位移破壞。

圖3 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的墻身彎矩分布

從圖3中可以看出，SMW工法與TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的彎矩分布形式較為一致，在深度范圍內(nèi)的峰值位置也較為相近，但在峰值大小上，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的彎矩比SMW工法有進(jìn)一步的降低，表明TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻充分利用了水泥土的強(qiáng)度，型鋼與水泥土之間能夠統(tǒng)一協(xié)調(diào)地承載，達(dá)到型鋼水泥土應(yīng)力分布的均勻分布，提高了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的抗彎能力。

4 結(jié) 論

TRD 等厚度型鋼水泥土攪拌墻作為一種新型地下工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基于良好的止水效果和抗彎剛度，在地下防滲以及地下隔離結(jié)構(gòu)中得到日益廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁、SMW工法和地下連續(xù)墻相比，TRD 等厚度型鋼水泥土攪拌墻形成的墻體均勻、等厚度，且可在其內(nèi)部任意位置插入H型鋼，極大地降低了施工難度和設(shè)計(jì)難度，同時(shí)又保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的工法相比，等厚度型鋼水泥土攪拌墻的成墻機(jī)理、成墻施工方法以及其受力特征和變形特性均具有明顯的不同。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，分析了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的施工工藝以及應(yīng)用范圍，在此基礎(chǔ)上針對(duì)TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的承載受力機(jī)理以及變形規(guī)律進(jìn)行分析，并將其與SMW工法進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻能夠充分利用水泥土和型鋼兩種材料的工作性能，統(tǒng)一協(xié)調(diào)地承擔(dān)荷載和降低位移的峰值，進(jìn)而提高TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的抗彎強(qiáng)度和剛度。研究成果可為T(mén)RD等厚度型鋼水泥土攪拌墻在基坑工程以及地下隔離工程中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。