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渠式切割水泥土墙内嵌型钢围护结构原位工作性状

TRD工法 2021年3月18日 项敏 57




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渠式切割水泥土墙内嵌型钢围护结构原位工作性状

王正之



摘  要


摘要:以杭州市富阳区金桥北路的地下综合管廊项目为依据,通过选取紧邻既有建筑物的施工段,利用实测数据,简要分析了该典型施工段内,以等厚度水泥土地下连续墙(即TRD工法)内插型钢且结合混凝土、钢支撑为核心的基坑围护结构,在管廊顺作法过程中的变形特征,论证了在施工过程中应尽早完成地下结构的主体部分,同时减少无支撑条件下的基坑暴露时间,并提出相关的施工技术改进建议,可以为类似的工程提供借鉴。

 

关键词:TRD;地下管廊;既有建筑物;实测分析

 



前  言


随着社会经济的发展,城市原有的地下空间资源已经远远无法满足人民日益增长的需求,原有城市的地下空间布设有大量的地下管线如给排水、电力、燃气管道等,给新时代的基建工程开发带来了不可避免的影响。因此提出了城市综合管廊的概念,城市综合管廊是在城市地面以下建设独立的空间,以专门放置既有的地下管线。地下管廊的迅速发展有利于提高城市地下空间的开发利用率,是保证城市顺畅运行的重要设施。

 

现有城市密集区内的基坑项目不可避免地对既有建筑物带来影响,同时既有建筑物也会在一定程度上威胁管廊基坑的安全。因此,为了研究管廊基坑开挖完成后顺作法施工时围护结构的表现,选取某一典型施工段,须对其变形和周边环境影响进行分析,以期为后续的类似工程提供借鉴。


1


工程概况


金桥北路市政综合管廊工程主要标段位于浙江省杭州市富阳区,本次综合管廊工程项目施工范围为K0+340~K3+140,管廊的设计外框尺寸为10.3 m×4.6 m,管廊总长约2.8 km。该项目始于金桥北路与高桥西路交叉口,工程终点为金桥北路与北环路交叉口;主要分为8个工作面进行施工,本文研究标段为K1+580~K1+622。图1为该段监测点平面布置图。

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本工程场地属于典型的软土地区,其具有压缩性高、灵敏度高等特点;浅部填土主要以杂填土及素填土为主,全场分布,且填土孔隙率大,性质差异大,承载力较低,在荷载作用下,变形较大。本试验研究段的主要工程地质情况和具体物理力学指标见表1。

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本工程场地地下水类型主要为地表水、潜水、承压水、基岩裂隙水等,其中潜水埋藏在杂填土层、素填土层、黏性土层中,承压水埋藏在圆砾层、卵石层中,以及埋藏在中风化基岩中的基岩裂隙水;其中潜水主要是大气降水和地表水的补给,其次为河流侧向补给,多以蒸发方式及侧向径流排泄,地下水位随季节性变化,雨季较高,旱季较低。地下水位年变化幅度约1.0 m,勘探期间测得孔内地下水的静止水标位高为4.67~9.99 m。

 

本工程结合管廊长度、工期、造价等因素综合考虑,选取TRD水泥土墙内插型钢并结合内支撑的形式作为管廊基坑的围护结构兼止水结构,同时根据不同开挖深度增设钢支撑,本文所取段基坑开挖深度约为7.2 m。

 

TRD工法等厚度水泥土连续墙厚度为850 mm,水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比取1.0~2.0,一般段水泥掺量为20%,临近建筑物及临河段提高水泥掺量至30%。水泥土28 d无侧限抗压强度标准值qu≥1.0 MPa,渗透系数不超过1×10-7cm/s;其中水泥土连续墙墙体允许偏差:墙底标高30 mm,墙中心线位置为±20 mm,墙宽±20 mm,墙体垂直度为1/250。内插型钢允许偏差:顶标高为±50 mm;平面位置平行于基坑为50 mm,垂直于基坑为10 mm;垂直度为1/250;形心转角3°。具体围护结构剖面图见图2,其中第一道混凝土支撑为800 mm×800 mm,第二道钢支撑φ609,板厚t=16 mm。


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由于本项目部分基坑坑底位于软弱土层,采用φ850@600高压旋喷桩对基坑地面以下3.0 m加固,水泥采用P.042.5级及以上普通硅酸盐水泥。基坑底至坑底以下3 m地基加固水泥掺量为25%,水灰比宜为0.7~1.0。

 

2


实测数据分析


在基坑开挖过程中,对围护结构的墙体变形、坑外土体沉降、支撑轴力等必要因素的监测是不可缺少的。在城市密集区尤其是涉及基坑周围存在既有建筑物的情况下,如何保证施工安全有序地进行是科学施工的关键。国内已有学者研究了不同围护结构在基坑开挖过程中的影响变化,但是面对差异性较大的岩土工程问题时,需要研发更加具有针对性的新型工法,未来基坑围护的方式可能会偏向绿色、施工便捷的新型工法。

 

本文主要针对开挖完成后,管廊主体结构采用顺作法施工时围护墙体变形及周边环境影响展开讨论,工况定义见表2。


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2. 1 围护墙体位移 

当基坑开挖过程中,由于土方卸荷导致坑内外土压力失衡,进而引起围护墙体结构的进一步变形, 须对其进行监测整理,才能真实全面地反映施工期间支护体系的变形情况。 本部分内容所取典型观测点为 CX219,距离周 边既有建筑物仅 6. 0 m,监测点位置见图 1; 图 3 为 围护墙体位移曲线变化图。


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从图3可以看出:


1)围护墙体最大侧移位置出现在开挖面附近,开挖完成时墙体的最大侧移量为7.4 mm。对比后续工况可以看出,顺作法施作管廊底板、侧墙和顶板的过程中,墙体的最大侧移位置基本不发生变化。


2)待底板达到设计强度后拆除第二道钢支撑后(工况2),可以明显看到墙体变形进一步增大,最大侧移量增大约1.0 mm(13.5%);随后在施作管廊顶板(工况3)的过程中,围护墙体的位移量仍在发展,较工况2增大约1.3 mm(较工况1增大31.1%)。可见,在拆除第二道钢支撑后应及时施作地下结构的侧墙和顶板结构,以避免围护墙体在无内支撑情况下快速发展;而在施作完管廊顶板后,墙体位移变化速率减小,较工况3增大约0.8 mm,减缓了墙体位移增长的速度,总体而言围护结构的侧移量仍处于该项目的最大警戒值40.0 mm之内。


由此可见,墙体的侧向位移主要随土方开挖的卸荷所导致的应力增加而缓慢增长,拆除内支撑和施作结构顶板都会在一定程度上增大或抑制墙体位移变化。因此在开挖工况完成后的管廊主体施工阶段,也需格外注意围护结构的安全性。

 

2.2混凝土支撑轴力

由于在紧邻既有建筑物的基坑施工过程中,TRD水泥土搅拌墙的刚度并不足以维持基坑的安全和保障既有建筑物的正常使用,因此需要布置混凝土支撑和钢支撑。混凝土支撑的轴力变化可以更好地反映其在施作管廊主体结构时内支撑的力学响应,有利于分析危险工况下内支撑的工作状况,以便提出更佳的优化措施。本试验段的内支撑轴力计数据主要采取混凝土支撑ZH-38,监测点位置见图1;图4为混凝土支撑轴力变化曲线图。


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从图4可以看出,当第二道钢支撑被拆除后,第一道混凝土支撑的轴力显著增大约67.4%,说明此时围护结构在土压力的挤压下进一步向坑内弯曲,该部分增长的内力由第一道混凝土支撑和管廊底板共同承担;工况2到工况4混凝土支撑的轴力逐渐缓慢增加,但是增长速率有所降低,由此可见在顺作法施工过程中,底板可以起到一部分承担内力的作用,但仍需避免基坑由开挖导致的长时间暴露。

 

2.3围护墙顶沉降和水平位移

考虑既有建筑物的安全使用,同时为反映施工期间支护体系变形情况,墙顶水平位移及沉降监测是必不可少的监测内容之一,测点为Qc/w-219,紧邻CX219,监测点平面位置见图1,围护墙顶的沉降和水平位移见图5。


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随着第二道钢支撑被拆除,坑外土体进一步施加作用力于围护墙体上,使围护墙进一步弯曲,从而使墙顶竖向沉降明显增大约50%,在随后的工况进展中,可见墙顶的竖向沉降缓慢扩大;但对于墙顶水平位移而言,它处于较稳定的波动范围内,两者均处于监测安全警戒值范围内(竖向警戒值为20.0 mm,水平向警戒值为30.0 mm)。


2.4坑外地表沉降

对于基坑工程而言,如何减少施工对周边环境的影响是保证绿色施工的关键,特别是对于基坑周围存在既有建筑物的情况,为保障其正常使用和基坑的安全性,必须对坑外地表沉降实时监测。本文选取的地表沉降监测点是位于既有建筑物附近的D105-1~D105-4,见图1,沉降变化图见图6。从图6中可以清晰地看到:工况1到工况3过程中,地表沉降随着第二道钢支撑的拆除会逐渐增大,但是增长幅度相对较小,最大沉降增长依次为0.35、0.4 m;工况4主要为回填覆土,可见在回填覆土的过程中,坑外的地表沉降表现为正值即隆起,且距离围护结构越远,地表隆起越大,因此在一定程度上说明回填覆土可以减少由施工前期开挖土方导致的地表沉降带来的影响。本工程段的地表沉降的主要影响范围为距离围护结构2倍开挖深度内,且该侧地表沉降值仍处于安全范围内,可见该围护结构对邻近既有建筑具有较好的保护作用。此外,由拆除内支撑引起的坑外地表土体沉降仍需重视。

 

3


结  语

本文主要针对城市综合管廊基坑,采用TRD水泥土搅拌墙结合内支撑的围护结构,对开挖完成后的主体结构施工工况作了对应的分析,得出一系列结论,以期对类似的工程提供一定的借鉴作用:

 

1)在顺作法施作地下结构的过程中,拆除内支撑会明显影响围护墙体的变形,及时浇筑地下结构的顶板有助于降低围护墙体的变形速率,因此在开挖完成后,应尽快完成内支撑的拆除工作以及地下结构的侧墙和顶板的浇筑,尽可能减少无撑条件下的暴露时间。

 

2)基于混凝土支撑轴力和桩顶位移的变化,考虑在未来TRD技术的发展过程中,应尽量研发相对应的技术,改进使其能满足截水、支挡、兼作地下室外墙——即三墙合一的新型施工工法,避免在施作地下结构的外墙时围护结构位移的不断增大和内支撑轴力的增加,以期提高安全性。

 

3)处于城市密集区内的基坑工程应格外注意坑外地表沉降对既有建筑物的影响,在一定地质条件下,选用TRD水泥土搅拌墙结合内支撑的围护结构形式可以满足某些工程的需求,对环境的扰动也较小;此外,及时回填覆土可以进一步平衡由开挖导致的坑外土体沉降,可为类似工程提供经验指导。


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来源:《浙江建设》

编辑整理:项 敏

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TRD工法


TRD工法(Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method),又称等厚度水泥土地下连续墙工法,其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混合原土并灌入水泥浆,形成一定强度和厚度的墙。

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TRD工法通过水平横向运动成墙,可形成没有接口的等厚连续墙体,其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固,其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全,与传统柱列式地下连续墙相比隔渗,经济性好。 


TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层,在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。


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