86m超深水泥土攪拌墻試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用*

宗露丹,張 佶,徐中華,潘偉強(qiáng)

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司上海地下空間與工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;2.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心,上海 200011;3.上海隧道工程有限公司,上海 200002)

0 引言

隨著我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)迅速發(fā)展,基坑開(kāi)挖深度逐步增加,涉及更為嚴(yán)峻復(fù)雜的地下水處理問(wèn)題。以典型的濱海軟土高水位中心城市上海為例,淺部為軟弱黏性土組成的潛水含水層、深部則為蘊(yùn)含于密實(shí)砂層的多層承壓含水層,對(duì)于環(huán)境敏感的超深基坑工程通常需設(shè)置超深止水帷幕以減少承壓水降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

TRD(trench cutting re-mixing deep wall)工法又稱等厚度水泥土攪拌墻技術(shù),是將鏈鋸型刀具插入地基至設(shè)計(jì)深度后,全深度范圍對(duì)成層地基土整體上下回轉(zhuǎn)切割噴漿攪拌,并持續(xù)橫向推進(jìn),構(gòu)筑成連續(xù)無(wú)縫的等厚度水泥土攪拌墻［1］。自2007年從日本引進(jìn)該技術(shù)以來(lái),作為一種良好的隔水帷幕形式已在全國(guó)諸多城市復(fù)雜地層條件的基坑工程中成功應(yīng)用。典型工程如中鋼天津響螺灣項(xiàng)目［2］,TRD工法隔水帷幕深度達(dá)到45m;上海虹橋商務(wù)區(qū)一期［3］,TRD工法隔水帷幕深度達(dá)到52m;武漢長(zhǎng)江航運(yùn)中心［4］,TRD工法隔水帷幕深度達(dá)到57m,嵌入中風(fēng)化泥巖層;上海國(guó)際金融中心［5-6］,TRD工法作為密實(shí)砂層中的懸掛帷幕深度達(dá)到56m。目前TRD工法基本實(shí)現(xiàn)了施工設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,大規(guī)模應(yīng)用深度基本不超過(guò)65m。

本文以上海某項(xiàng)目挖深達(dá)45.45m的方形基坑工程為依托,針對(duì)復(fù)雜多層承壓水的基坑降水設(shè)計(jì),提出了在地下連續(xù)墻圍護(hù)墻外側(cè)設(shè)置超深TRD工法攪拌墻的雙帷幕體系。由于TRD工法攪拌墻的深度達(dá)69m,其實(shí)施尚無(wú)先例可循,針對(duì)復(fù)雜地層首次開(kāi)展86m超深TRD工法攪拌墻試成墻研究,在此基礎(chǔ)上完成69m深TRD工法正式成墻施工,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)抽水驗(yàn)證超深帷幕的隔水效果。

1 超深基坑雙帷幕體系設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

上海某項(xiàng)目涉及隧道段和5個(gè)工作井開(kāi)挖,其中5號(hào)工作井內(nèi)凈尺寸為55m×76m的矩形,基坑面積4 535m2,基坑開(kāi)挖深度為42.1～45.45m?；又苓呏饕Ｗo(hù)對(duì)象為東側(cè)的高壓鐵塔(采用400mm×400mm靜壓焊接的樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)30.5m)、西側(cè)的磁懸浮基礎(chǔ)(采用樁徑1m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)67.5～78m),基坑環(huán)境平面如圖1所示。

圖1 基坑平面(單位：m)Fig.1 Plan view of foundation excavation (unit：m)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

本工程位于長(zhǎng)江三角洲濱海平原。從地表至約45m深主要以流塑～軟塑的填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土為主,為典型上海軟土;其下為砂質(zhì)粉土和粉砂,其中第⑦2層、⑨層、層均呈密實(shí)狀態(tài),標(biāo)貫擊數(shù)分別約為58,82,105。⑦2層與⑨層之間為⑧21層粉質(zhì)黏土與粉砂互層。

場(chǎng)地地下水有潛水和承壓兩種類型。淺部潛水賦存于填土、黏性土和粉性土中,水位埋深0.5～3.8m。第⑤2層、⑤3a層為微承壓含水層,水頭埋深約5.6m,且⑤3a層大部分區(qū)域與第⑦2層聯(lián)通。深部第⑦2層、第⑨層、第層分別為第I、第II、第III承壓含水層,其中⑦2層與⑨層間分布有第⑧21層相對(duì)隔水層,第⑨層與第層相聯(lián)通,承壓含水層水量補(bǔ)給豐富且滲透系數(shù)較大,第I、第II、第III承壓水含水層水頭埋深均約為9m左右。為保證基坑的抗承壓水穩(wěn)定性,本基坑⑦2層第Ⅰ承壓含水層、⑨層第Ⅱ承壓含水層的水頭降深需求分別為38～42m,12～18m。各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

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

1.3 承壓水控制的雙帷幕體系設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目基坑超深且存在復(fù)雜的多層承壓含水層,基坑開(kāi)挖面直接揭露⑤2層及⑤3a層與⑦2層大范圍聯(lián)通的承壓含水層,同時(shí)還需針對(duì)深部的⑨層與層聯(lián)通的承壓含水層進(jìn)行減壓降水。為控制抽降承壓水對(duì)周邊環(huán)境的影響,采用89.8m深地下連續(xù)墻兼作懸掛止水帷幕,懸掛長(zhǎng)度不小于5.8m,其中79～89.8m深度區(qū)間為止水構(gòu)造段。

在此基礎(chǔ)上,為確保本基坑側(cè)向滲漏風(fēng)險(xiǎn)可控,尤其對(duì)基底附近滲漏威脅最大的微承壓水及第I承壓含水層采用雙帷幕設(shè)計(jì)思路,即在地下連續(xù)墻外側(cè)另外設(shè)置0.9m厚、69m深的超深TRD工法水泥土攪拌墻止水帷幕,TRD墻身進(jìn)入⑧21層至少3m以完全隔斷⑦2層及以上含水層。地下連續(xù)墻與TRD工法隔水帷幕之間保持2.3～11.1m的凈距,并在雙帷幕之間設(shè)置微承壓水及第Ⅰ承壓水的應(yīng)急備用井?；与p帷幕體系剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)體系剖面(單位：m)Fig.2 Sectional view of the supporting system (unit：m)

2 超深TRD工法成墻試驗(yàn)研究

2.1 試成墻的必要性

本工程TRD工法等厚度水泥土攪拌墻設(shè)計(jì)深度69m,遠(yuǎn)超此前既有的TRD-III型、TRD-CMD850型、TRD-E型和TRD-D型等施工設(shè)備的施工能力(最大施工深度約為60m［1］),且TRD入土深度需穿透標(biāo)貫擊數(shù)近60擊的第⑦2粉砂層中,超深成墻深度及穿透堅(jiān)硬土層對(duì)止水帷幕成墻施工能力提出巨大挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)工程機(jī)械制造單位為此研制開(kāi)發(fā)了世界首臺(tái)極限施工深度可達(dá)86m的TRD-80E型工法機(jī),如圖3所示。該設(shè)備長(zhǎng)12.3m、寬6.8m、高13m,自重約135t、切割力100t,軌鏈的破斷拉力260t,最大切削深度86m,成墻寬度0.9～1.1m,該設(shè)備的切割能力、成墻深度相對(duì)于TRD-D型設(shè)備均進(jìn)行了優(yōu)化提升。

圖3 TRD-80E型設(shè)備Fig.3 TRD-80E equipment

由于采用該新型設(shè)備施工如此超深TRD工法等厚度水泥土攪拌墻尚無(wú)先例可循,因此在正式墻體施工前,進(jìn)行了非原位的試成墻試驗(yàn),以驗(yàn)證施工設(shè)備在該地層條件下的施工能力,確定施工參數(shù)和施工步驟,以指導(dǎo)正式成墻施工。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及施工工效

TRD工法等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗(yàn)段設(shè)置在項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)部南側(cè),試驗(yàn)段墻體深度86m、長(zhǎng)度8.7m、厚度1.1m,采用三工序成墻施工工藝［7］,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。TRD試成墻試驗(yàn)的設(shè)備施工能力、施工參數(shù)、施工工效如下。

1)設(shè)備能力 等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗(yàn)的實(shí)際施工深度達(dá)到86m,已穿透標(biāo)貫擊數(shù)58擊的第⑦2粉砂層并進(jìn)入標(biāo)貫擊數(shù)82擊的第⑨粉細(xì)砂層約10m。此次試驗(yàn)證明TRD-80E型工法機(jī)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86m深度隔水帷幕施工是可行的。切割箱打入至86m深度后,通過(guò)切割箱體內(nèi)的測(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(guò)駕駛員操控調(diào)整,試成墻施工墻體垂直度控制在1/300以內(nèi)。

2)施工參數(shù) 試成墻的施工參數(shù)為：①挖掘液采用鈉基膨潤(rùn)土拌制,每m3被攪土體摻入約100kg膨潤(rùn)土;②先行挖掘液水灰比為3.3～20,挖掘液混合泥漿流動(dòng)度宜為180～220mm;③固化液采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,摻量20%～25%,水灰比為1.2～1.5。

3)施工工效 試成墻的綜合施工工效約為2～3m/d,各工序的實(shí)際工效統(tǒng)計(jì)如表2所示。實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)注意考慮切割箱打入和拔出所占用的時(shí)間,合理安排工期。

2.3 試成墻水泥土強(qiáng)度檢測(cè)

TRD試成墻施工完成并滿足28d養(yǎng)護(hù)齡期后,在試驗(yàn)墻體長(zhǎng)度方向的中心線上距起始點(diǎn)1.5m處選取1個(gè)鉆孔進(jìn)行取芯,鉆孔深度同墻體深度,并對(duì)芯樣進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),取芯孔平面布置如圖4所示。

圖4 TRD試驗(yàn)段取芯孔平面布置Fig.4 Plan view of the drilling holes of trial cement-soil wall

現(xiàn)場(chǎng)取芯的芯樣照片如圖5所示,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。總體而言,鉆孔取芯芯樣率均較高,水泥土攪拌墻均勻性較好。

通過(guò)對(duì)鉆孔取芯芯樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),各土層分布范圍的芯樣抗壓強(qiáng)度均值匯總?cè)绫?所示?？梢?jiàn)各土層的取芯芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布較均勻,約為0.4～0.5MPa。尤其本工程TRD工法攪拌墻主要以隔斷基底附近的⑤3a～⑦2承壓含水層為目的,而檢測(cè)所得⑤3a～⑦2層的強(qiáng)度為0.41MPa ～0.47MPa,尚未達(dá)到上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ08—61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于水泥土攪拌樁強(qiáng)度0.8MPa的要求。這主要是由于成墻深度太大,僅在設(shè)備下部設(shè)置了1個(gè)噴漿口,難以把下部的水泥漿帶上來(lái)。

2.4 試成墻環(huán)境影響監(jiān)測(cè)

為分析超深TRD工法等厚度水泥土攪拌墻試驗(yàn)段施工對(duì)周邊環(huán)境影響程度,于成墻試驗(yàn)段周邊設(shè)置18個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及1個(gè)土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),如圖6所示。

圖6 TRD試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.6 Plan view of the monitoring points in the test

監(jiān)測(cè)所得的TRD工法試成墻期間的土體側(cè)向位移量最大值為17.3mm,發(fā)生在⑨層粉細(xì)砂層中約75m深度處,主要是由于深部砂層的水土壓力巨大,因而深部砂層土體變形較相對(duì)淺層黏土層偏大。此外,由于切削土體過(guò)程中形成的土體擾動(dòng),導(dǎo)致周邊土體向槽內(nèi)移動(dòng),從而周邊地表發(fā)生一定沉降,監(jiān)測(cè)所得的最大沉降量?jī)H約6.8mm,發(fā)生在距試驗(yàn)段中部最近的DB4-1測(cè)點(diǎn)。總體而言,TRD成墻施工對(duì)周邊環(huán)境影響在可控范圍內(nèi)。

2.5 超深TRD工法施工設(shè)備改進(jìn)

根據(jù)86m深的TRD試成墻試驗(yàn)結(jié)果可知,因設(shè)備下部?jī)H設(shè)置了1個(gè)噴漿口,取芯芯樣強(qiáng)度難達(dá)到設(shè)計(jì)要求,因而針對(duì)超深TRD施工設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)：①切割箱體內(nèi)部增加2根漿氣管,數(shù)量由4根變?yōu)?根,為實(shí)現(xiàn)中間噴漿功能提供管道;②增加1節(jié)中間噴漿節(jié)箱體,可根據(jù)地層情況排布在任意深度,使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢?提高墻體均勻程度,如圖7所示;③切割箱體內(nèi)部增加1根傾斜儀管路,在原來(lái)接桿連接的基礎(chǔ)上,增加線筒連接傾斜儀傳感器組件,提高切割箱施工時(shí)垂直度檢測(cè)能力,保證了傾斜儀使用時(shí)安全可靠。

圖7 中間噴漿節(jié)箱體Fig.7 Intermediate spout box

3 TRD工法正式成墻施工

3.1 正式成墻的施工過(guò)程及工效

本工程采用69m深、0.9m厚、360m總延長(zhǎng)米的TRD工法等厚度水泥土攪拌墻止水帷幕。采用三工序成墻施工工藝實(shí)施,共設(shè)置62幅墻段,每幅墻段長(zhǎng)度6～6.5m,各幅墻段間搭接0.5m,轉(zhuǎn)角部位向外延伸長(zhǎng)度不小于1m。施工時(shí)需先行切割12m,回撤挖掘12m,其后噴漿成墻6m。通過(guò)智能化施工管理系統(tǒng),使用插入式傾斜計(jì)對(duì)TRD成墻垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整,垂直度控制在1/300以內(nèi)。

正式成墻的施工參數(shù)基本沿用試成墻試驗(yàn)參數(shù),由于試驗(yàn)段鉆孔取芯檢測(cè)強(qiáng)度不足,于正式成墻施工階段將水泥摻量調(diào)整為30%。本項(xiàng)目正式成墻施工工期共145d,綜合施工工效約5.5m/d,各工序的實(shí)際工效統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 TRD正式成墻施工工效Table 4 Construction effect of TRD

3.2 成墻質(zhì)量檢測(cè)

等厚度水泥土攪拌墻正式施工過(guò)程中,每幅墻段均選取2個(gè)位置的漿液制作試塊,通過(guò)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,測(cè)得試塊平均強(qiáng)度為1.1～1.5MPa,滿足漿液試塊強(qiáng)度不小于1.0MPa的設(shè)計(jì)要求。

等厚度水泥土攪拌墻正式施工完成,并滿足28d養(yǎng)護(hù)條件后,在基坑外圍8幅角部墻段中部進(jìn)行鉆孔取芯,取芯深度同墻深?，F(xiàn)場(chǎng)取芯的芯樣照片如圖8所示,芯樣率較高、呈柱狀、完整性好,芯樣呈水泥土顏色,并且自上而下顏色較為均勻。

圖8 TRD正式成墻取芯的芯樣Fig.8 Core samples of formal cement-soil wall

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取芯芯樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),測(cè)得TRD所有取芯芯樣強(qiáng)度均在0.82～1.04MPa范圍內(nèi),其中需主要隔斷的⑤3a～⑦2承壓含水層范圍內(nèi)芯樣強(qiáng)度均值約為0.9MPa,均能滿足鉆孔取芯芯樣強(qiáng)度不低于0.8MPa的設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表5)。

表5 TRD正式成墻芯樣抗壓強(qiáng)度Table 5 Compressive strength of the soil-cement core samples of formal cement-soil wall

此外,于東側(cè)中部選取1幅墻段進(jìn)行鉆孔取芯并對(duì)芯樣進(jìn)行室內(nèi)滲透性試驗(yàn),取芯深度為61m。室內(nèi)滲透性試驗(yàn)采用變水頭滲透儀進(jìn)行測(cè)定,其成果如表6所示?？梢?jiàn)在⑤2,⑤3a層微承壓含水層及深部⑦2層承壓含水層中的滲透系數(shù)由原土層的10-4～10-3cm/s級(jí)均大幅減小至10-8cm/s級(jí),均能滿足墻體滲透系數(shù)不大于10-7cm/s的設(shè)計(jì)要求。綜上可知,TRD正式成墻的強(qiáng)度及滲透性均已滿足深厚砂層中承壓水的隔水要求。

表6 TRD正式成墻芯樣滲透試驗(yàn)成果Table 6 Permeability experiment results of formal cement-soil wall

3.3 環(huán)境影響分析

正式施工期間于南側(cè)TRD超深等厚度水泥土攪拌墻外側(cè)設(shè)置3個(gè)土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)所得T01～T03測(cè)點(diǎn)的土體側(cè)向位移量最大值分別為22.6,14.4,3.6mm,最大側(cè)移量發(fā)生在埋深約30～40m的⑤3層粉質(zhì)黏土層。T01和T02測(cè)點(diǎn)在切割完成、噴漿完成及最終情況下的測(cè)斜如圖9所示?？傮w而言,成墻對(duì)周邊環(huán)境影響較小。

圖9 TRD正式成墻鄰近土體測(cè)斜曲線Fig.9 Lateral displacement of soil beside TRD

4 雙帷幕體系隔水效果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)TRD止水帷幕的隔水封閉性,基坑開(kāi)挖前在地下連續(xù)墻與TRD雙帷幕之間開(kāi)展了⑤3a～⑦2層的抽水試驗(yàn)。共開(kāi)啟2口降水井,抽水周期為6d,總流量6.9m3/h,此后停抽水位恢復(fù)周期為17d。試驗(yàn)期間⑤3a～⑦2層各觀測(cè)井水位變化情況如表7所示。

表7 各觀測(cè)井水位降深Table 7 The water level of each observation well

抽水期間及停抽后各觀測(cè)井水位變化如圖10所示。由圖可知,試驗(yàn)前期場(chǎng)地實(shí)測(cè)⑤3a～⑦2層初始水位埋深約為5.6m。雙帷幕間抽降⑤3a～⑦2層承壓水期間,雙帷幕間⑤3a～⑦2層觀測(cè)的最大水位降深為34.1～38.8m,水位降至地表以下39.7～44.4m,基本位于基底位置。抽水周期內(nèi),TRD外⑤3a～⑦2層的最大降深僅約0.06～0.13m,TRD內(nèi)外降深比約300∶1,說(shuō)明TRD的止水效果良好。然而此時(shí)坑內(nèi)的⑤3a～⑦2層水位有約5m的小幅下降,可能是由于地下連續(xù)墻于⑤3a～⑦2層可能存在微小滲水情況。

圖10 抽水觀測(cè)井水位歷時(shí)曲線Fig.10 Water level variation of each observation well

停抽后,雙帷幕間的水位恢復(fù)極緩慢,停抽17d后,夾縫內(nèi)水位埋深仍有20m,每日恢復(fù)水位僅1m左右,可見(jiàn)TRD工法帷幕止水效果良好,且雙帷幕間的⑤3a～⑦2層垂向?qū)娱g越流補(bǔ)給較少,⑧21相對(duì)隔水層的豎向滲透系數(shù)較小。雙帷幕間抽水試驗(yàn)及恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了TRD工法超深隔水帷幕的隔水效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

上海軟土地區(qū)某挖深達(dá)45.45m的超深矩形基坑涉及復(fù)雜的多層承壓含水層降水,為避免超深基坑側(cè)向滲漏和突涌風(fēng)險(xiǎn)以及控制深部承壓水減壓降水對(duì)周邊環(huán)境影響,采用在地下連續(xù)墻圍護(hù)墻外側(cè)設(shè)置69m深TRD工法攪拌墻的雙帷幕體系設(shè)計(jì)方案。結(jié)合86m超深TRD工法成墻試驗(yàn)、TRD工法正式施工以及抽水試驗(yàn)效果分析研究,得到如下結(jié)論。

1)采用新研制的TRD-80E工法機(jī)在標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)60～80擊的砂層中的施工深度達(dá)86m,成墻綜合工效約2～3m/d,驗(yàn)證了TRD設(shè)備在復(fù)雜地層的施工能力。試成墻28d齡期后鉆孔取芯芯樣完整性較好,墻身攪拌均勻;鉆孔取芯強(qiáng)度偏低,尚需對(duì)施工設(shè)備的噴漿口數(shù)量作優(yōu)化。試成墻期間的周邊土體最大側(cè)移量為17.3mm、最大沉降量為6.8mm,對(duì)周邊環(huán)境影響較小。

2)正式施工的69m深TRD成墻綜合施工工效為5.5m/d,通過(guò)適當(dāng)提高水泥摻量,等厚度水泥土攪拌墻的鉆孔取芯芯樣強(qiáng)度均值大于0.8MPa,室內(nèi)滲透性試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)由原土層的10-4～10-3cm/s級(jí)大幅減小至10-8cm/s級(jí),滿足TRD墻體的強(qiáng)度及滲透性設(shè)計(jì)要求。監(jiān)測(cè)表明成墻施工對(duì)環(huán)境影響可控。

3)為檢驗(yàn)TRD隔水帷幕的隔水封閉性,在地下連續(xù)墻與TRD雙帷幕之間開(kāi)展⑤3a～⑦2層抽水試驗(yàn),抽降水引起的雙帷幕內(nèi)的水位降深為34.1m～38.8m,TRD外⑤3a～⑦2層觀測(cè)井最大水位降深0.13m,TRD內(nèi)外承壓水降深比約300∶1。雙帷幕間降水井停抽后的觀測(cè)井水位恢復(fù)極緩慢,驗(yàn)證了TRD超深隔水帷幕良好的隔水效果。