TRD工法在武漢軌道交通工程中的應(yīng)用研究*

吳 超,鄭先君,蔣 楠,王曉琴

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430070; 2.武漢城市學(xué)院,湖北 武漢 430083; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074)

0 引言

近10年來,武漢軌道交通工程在由線成環(huán)、由環(huán)成網(wǎng)的發(fā)展過程中,工程建設(shè)面臨著周邊環(huán)境日益復(fù)雜、實(shí)施難度逐步加大的局面。為保證工程質(zhì)量精品化、精細(xì)化水平不斷提升,一系列新工法得以應(yīng)用。其中,已經(jīng)成功應(yīng)用于深基坑圍護(hù)、防滲、堤防等工程的TRD工法[1-6],首次應(yīng)用于武漢軌道交通工程中。以武漢軌道交通11號(hào)線三期首開段張家灣停車場(chǎng)出入場(chǎng)線工程為例,分析評(píng)價(jià)TRD工法在武漢長(zhǎng)江一級(jí)階地軌道交通工程明挖基坑及盾構(gòu)隧道施工中的應(yīng)用。

1 TRD工法原理及特點(diǎn)

1.1 原理

TRD工法是通過主機(jī)帶動(dòng)豎向插入巖土層的鏈鋸式切割箱橫向移動(dòng)、切割及灌注水泥漿,在槽內(nèi)進(jìn)行混合、攪拌、固結(jié)形成等厚度水泥土攪拌墻工藝[7-8],工作原理如圖1所示。

1.2 特點(diǎn)

TRD工法平面布置應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則,宜采用直線布置,減少轉(zhuǎn)角;施工機(jī)架高度≤14m,穩(wěn)定性好,適合受高度限制的作業(yè)環(huán)境,墻體深度宜≤60m。水泥摻入比應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件、水泥土強(qiáng)度、抗?jié)B要求確定,宜≥20%;水泥土28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度宜≥0.6MPa,滲透系數(shù)宜≤1.0×10-5cm/s。適用于人工填土、黏性土、淤泥和淤泥質(zhì)土、粉土、砂土、碎石土等地層。采用連續(xù)橫向直線推進(jìn)工藝,形成的墻體連續(xù)無縫,刀具在整個(gè)設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)切削,攪拌充分[9-10]。

2 工程應(yīng)用

11號(hào)線三期首開段張家灣停車場(chǎng)出入場(chǎng)線工程位于武漢市武金堤?hào)|南側(cè),近似于武金堤平行走向,距離堤腳最短直線距離約50m,距離長(zhǎng)江現(xiàn)河道最短直線距離約500m。出入場(chǎng)線工程采取盾構(gòu)法+明挖法實(shí)施,工程平面布置如圖2所示。

圖2 出入場(chǎng)線平面

工程地貌單元屬于長(zhǎng)江一級(jí)階地,工程范圍內(nèi)土層分布及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。地下水主要受長(zhǎng)江補(bǔ)給控制,為上層滯水、承壓水兩種,無地表水。承壓水含水層厚度不均勻,一般厚度為33～35m,含水層頂板為軟塑黏性土,底板為鈣質(zhì)膠結(jié)土,承壓水主要接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,水位及水量受長(zhǎng)江水位變化影響較大。

表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

2.1 工程概況

11號(hào)線三期首開段張家灣停車場(chǎng)出入場(chǎng)線明挖基坑長(zhǎng)約130m,寬22～27m,開挖深度11～14m,面積約2 671m2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系,基坑外采用TRD工法等厚度水泥土攪拌墻進(jìn)入鈣質(zhì)膠結(jié)土1m形成落底式止水帷幕。施工期間采用坑內(nèi)井點(diǎn)疏干降水,坑內(nèi)設(shè)置6口降水井(單口井水泵功率為9.7kW)、2口觀測(cè)井,坑外設(shè)置2口觀測(cè)井,監(jiān)測(cè)坑內(nèi)降水對(duì)止水帷幕外水位的影響,基坑橫剖面如圖3所示。

圖3 基坑橫剖面(單位:m)

11號(hào)線三期首開段張家灣停車場(chǎng)入場(chǎng)線盾構(gòu)隧道(RDK0+475.000—RDK0+690.000)段與11號(hào)線三期正線張江區(qū)間右線隧道近距離平行,水平凈距最小為4.17m。張江區(qū)間為后期規(guī)劃線路,暫不實(shí)施,不屬于本期工程內(nèi)容。為減少后期張江區(qū)間盾構(gòu)隧道實(shí)施對(duì)本期工程擬建張家灣停車場(chǎng)入線隧道的影響,在入場(chǎng)線隧道施工前,在其隧道輪廓西北側(cè)2m處實(shí)施0.6m厚TRD工法水泥土攪拌墻作為隔離保護(hù)措施,盾構(gòu)隧道區(qū)間典型橫剖面如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)隧道橫剖面

2.2 工法控制要點(diǎn)

1)施工順序 因地層中存在淤泥質(zhì)黏土、粉砂等軟弱夾層,明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁施工時(shí)容易引起塌孔導(dǎo)致樁身侵限,為保證TRD止水帷幕施工不受樁身侵限影響,TRD先于圍護(hù)樁施工;盾構(gòu)隧道區(qū)間TRD與兩側(cè)盾構(gòu)水平距離均較小,為保證盾構(gòu)成型管片不受TRD施工影響,TRD先于盾構(gòu)施工。為減少后一步工序施工對(duì)TRD墻體質(zhì)量的影響,待TRD墻體達(dá)到初凝強(qiáng)度后再實(shí)施下一步工序。

2)施工參數(shù) 采取P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水泥摻量為25%,水灰比為1.5,挖掘液采用納基膨潤(rùn)土拌制,攪拌土體膨潤(rùn)土摻入量為100kg/m3。TRD施工前采用全站儀及經(jīng)緯儀進(jìn)行軸線引測(cè),控制樁機(jī)立柱導(dǎo)向架垂直度

3)施工縫控制 施工機(jī)械配備應(yīng)急電源,保證連續(xù)作業(yè),避免突發(fā)停電產(chǎn)生冷縫;轉(zhuǎn)角、搭接處需控制噴漿壓力和攪拌速度,搭接長(zhǎng)度宜≥0.5m,確保搭接質(zhì)量。

4)應(yīng)急措施 施工過程中定期檢查鏈狀刀具工作狀態(tài)及刀頭磨損度,及時(shí)維修、更換和調(diào)整施工工藝。

2.3 工法適用性

1)成墻效率 主要機(jī)械配置為1套成墻設(shè)備及拌漿后臺(tái)+1臺(tái)50t履帶式起重機(jī)+1臺(tái)挖掘機(jī);主要人員配置為司機(jī)1人+后臺(tái)值班1人。設(shè)備進(jìn)場(chǎng)及組裝時(shí)間為5d,TRD施工采用24h連續(xù)作業(yè),TRD止水帷幕長(zhǎng)度為325m,厚度為0.6m,深度為35.5m,施工段共6處轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)角處切割箱拔出與下放時(shí)間2d/處,場(chǎng)地清理及設(shè)備退場(chǎng)時(shí)間為4d,總施工工期為33d,平均成墻速度約為10m/d。

2)環(huán)境影響 施工期間機(jī)械無振動(dòng)、無噪聲,夜間可正常作業(yè),成墻過程中無吊裝作業(yè),施工不受天氣影響。基坑局部位置上方存在10kV高壓架空線(線下方凈空15m),TRD主機(jī)12m,高度受限位置可順利下穿通過,施工安全性好,避免了對(duì)高壓架空線進(jìn)行遷改。

3)工程造價(jià) 施工原材主要為P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥、膨潤(rùn)土,不涉及鋼筋、混凝土材料,無廢棄泥漿。綜合機(jī)械、人工、原材、置換土外運(yùn)等費(fèi)用,工程綜合造價(jià)約為665元/m3。

2.4 工法效果分析

2.4.1止水效果

基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響主要是建筑物、地表、管線等沉降,在實(shí)施基坑降水前應(yīng)先進(jìn)行抽水試驗(yàn),以檢測(cè)降水井降水能力和止水帷幕止水效果。TRD水泥土連續(xù)墻作為基坑落底式止水帷幕,主要通過隔斷坑內(nèi)外地下水聯(lián)系,起到止水作用,通過抽水試驗(yàn)及開挖觀察分析TRD止水效果。

明挖基坑場(chǎng)平標(biāo)高為21.500m,坑內(nèi)、外觀測(cè)井水位標(biāo)高均為18.350m。基坑開挖前,進(jìn)行抽水試驗(yàn),坑內(nèi)6口降水井全部投入運(yùn)行,降水32h后坑內(nèi)水位即達(dá)到基坑底板下8m左右(水位標(biāo)高約2.500m),抽水井流量逐漸減小直至出現(xiàn)掉泵現(xiàn)象。抽水試驗(yàn)期間,坑內(nèi)、外觀測(cè)井水位隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 觀測(cè)井水位變化趨勢(shì)

由圖5可知,降水前8h,坑內(nèi)觀測(cè)井水位快速下降至5.000m左右,降水32h后,坑內(nèi)觀測(cè)井水位降低約2.500m。降水期間,坑內(nèi)降水對(duì)坑外觀測(cè)井水位基本無影響,停止降水后,坑內(nèi)觀測(cè)井水位小幅度回升后保持平穩(wěn)狀態(tài),說明TRD止水帷幕能有效隔離坑內(nèi)、外地下水,止水效果好,能有效保證基坑安全開挖。

基坑開挖期間,樁間隙無滲水現(xiàn)象,噴錨完成面無濕漬,坑內(nèi)、外觀測(cè)井水位穩(wěn)定,噴錨面效果如圖6所示。經(jīng)過抽水試驗(yàn)及基坑開挖驗(yàn)證,TRD作為深基坑落底式止水帷幕達(dá)到了較好止水效果。

圖6 開挖期間噴錨面效果

2.4.2加固效果

盾構(gòu)開挖過程中,不可避免地對(duì)施工范圍內(nèi)巖土體造成擾動(dòng),尤其對(duì)于力學(xué)性質(zhì)較差的軟土地層,這種擾動(dòng)效應(yīng)更明顯。通過地基加固能有效降低盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層變形[11]。TRD主要是通過加固土體,形成半剛性墻體起到隔離保護(hù)作用,通過墻體原位鉆孔取芯測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的方法分析TRD墻體加固效果。

TRD墻體施工完成28d后,采用φ110鉆頭連續(xù)鉆取全墻深范圍芯樣,選取不同部位芯樣試件檢測(cè)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)溫度下滲透系數(shù)等指標(biāo),現(xiàn)場(chǎng)TRD芯樣如圖7所示,芯樣較完整,均勻性較好。芯樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 TRD芯樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 現(xiàn)場(chǎng)TRD芯樣

由表2可知,TRD芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值為1.34MPa,最大值為1.47MPa,平均值為1.42MPa;滲透系數(shù)最小值為0.66×10-6cm/s,最大值為0.91×10-6cm/s,平均值為0.77×10-6cm/s。TRD芯樣試驗(yàn)結(jié)果完全滿足墻體28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥1MPa、抗?jié)B系數(shù)≤1.0×10-6cm/s設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況及芯樣試驗(yàn)數(shù)據(jù),TRD工法在軌道交通工程中作為明挖基坑止水帷幕和盾構(gòu)隧道區(qū)間隔離保護(hù)措施,主要成效總結(jié)為:①施工主要原材為水泥,配套設(shè)備及人員較少,施工場(chǎng)地需求小,綜合成本低;②施工不受天氣影響,可24h連續(xù)作業(yè),施工速度快;③施工無噪聲、設(shè)備重心低、安全性能高、環(huán)境影響小;④墻體滲透系數(shù)為0.7×10-6～0.9×10-6cm/s,且不同深度滲透系數(shù)差異性較小,隔水性能好,達(dá)到止水帷幕的隔水目的;⑤墻體芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.3～1.5MPa,且不同深度下強(qiáng)度差異性較小,有效增強(qiáng)了土體強(qiáng)度,形成的連續(xù)半剛性墻體有效減少了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)隔離墻另一側(cè)擾動(dòng),隔離效果好。

綜上所述,TRD工法作為明挖基坑止水帷幕和盾構(gòu)隧道區(qū)間隔離保護(hù)措施首次應(yīng)用于武漢軌道交通工程,表現(xiàn)出施工安全性好、作業(yè)效率高、工程造價(jià)低、環(huán)境影響小、止水效果好、加固墻體質(zhì)量好等諸多優(yōu)勢(shì),具有良好的推廣性與發(fā)展前景。