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低净空复杂地质条件下止水帷幕施工工法研究

TRD工法 2021年4月30日 项敏 138




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低净空复杂地质条件下止水帷幕施工工法研究


作者:徐泉



摘  要


摘要 :随着城市轨道交通的快速发展,深基坑工程越来越多,同时制约深基坑施工的周边环境与水文地质条件因素也越来越复杂。在低净空复杂地质条件下深基坑施工中,采用哪种工法进行止水帷幕施工,保证深基坑自身和周边复杂环境成了关键问题。结合江苏省南通市轨道交通2号线02标项目,在深基坑受220kV高压线斜穿和处于富水软弱地层条件下,通过对三重管旋喷桩与TRD渠式切割水泥土连续墙2 种工法进行了对比分析,总结了 2 种止水帷幕的施工工法优缺点。相比而言,采用TRD渠式切割水泥土连续墙工法施工止水帷幕取得了更好的施工效果。


关键词 :低净空 ;复杂水文地质 ;止水帷幕 ;深基坑工程 ;施工工法

 

江苏省南通市轨道交通 2 号线 02 标项目位于南通市港闸区,为南通市重点工程。该工程位于交通主干道,基坑周边存在多幢多层居民住宅,220 kV 高压架空线斜穿出入段线深基坑。施工范围内存在深厚的粉土层、粉砂层,地层敏感,地下水充足且补给速度快,因此深基坑自身风险和周边环境风险很高,特别是在 220 kV 高压线限制下如何施工才能保证有效地止水帷幕成了重难点。为确保 220 kV 高压线保护范围内基坑止水帷幕能够有效止水,确保周边环境安全,将该工程原设计钻孔灌注桩支护加旋喷桩止水帷幕的围护形式变更为钻孔灌注桩支护加 TRD (渠式切割深层搅拌地下水泥土连续墙)止水帷幕。基坑开挖后,证明 TRD 渠式切割水泥土连续墙止水帷幕能够有效地切断地下水联系, 确保基坑和周边环境的安全。


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工程简介


1.1 工程概况

该工程项目主要包含幸福镇站、幸福车辆段出入段线及幸福镇站-南通火车站站盾构区间。其中幸福车辆段出入段 线线路从幸福镇站北端引出后,沿幸福大道向北前行,线路长 802 m。根据出入段线工程地质和周边环境,220 kV 高压线保护范围外采用地下连续墙的支护止水形式,220 kV 高压架空线距地面净高约 17 m。根据相关安全规范要求, 常规的地下连续墙无法施工,故高压线保护范围内原方案采用 800 mm @ 1 000 mm 钻孔灌注桩 + 800 mm @ 600 mm 两排三重管旋喷桩止水帷幕。本工程基坑坑底位于 ③3 层粉砂夹粉土中,开挖深度内以粉砂夹粉土、粉质黏土、粉砂为主,本工程基坑采用 800 mm @ 1 000 mm 钻孔灌注桩+ 800 mm @ 600 mm 两排三重管旋喷桩止水帷幕+内支撑的支护形式,设置 4 道支撑,其中第一道采用 700 mm×900 mm 混凝土支撑,第二道钢支撑采用 Φ 800 mm×20 mm,其余采用Φ 609 mm×16 mm 钢支撑。

 

1.2周边环境

幸福车辆段出入段线基坑的东侧有多幢多层居民住宅, 均采用天然基础+筏板基础,对变形较为敏感。斜穿基坑的 220 kV 高压线架空线净空高 17.0 m,高压线铁塔桩基础距明挖区间水平最近净距为 13.0 m,桩基础的桩端位于基底开挖面以上的粉砂层,受基坑开挖影响大。车站周边迁改后的市政管线较多,均距车站或车站附属结构较近,如 DN 1200 雨水管(距基坑最小净距为 3.6 m)、DN 300 给水管(距基坑最小净距为 4.7 m),DN 600 污水管(距基坑最小净距为 14.0 m)、DN 200 燃气管(距基坑最小净距为 12 m)。基坑与周边环境平面位置如图 1 所示。

 


低净空复杂地质条件下止水帷幕施工工法研究

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1.3工程地质情况

南通市港闸区地处长江下游冲积平原,地形平坦, 地貌类型比较单一。总体上,拟建工程场地地面高程为2.0~6.0 m(1985 国家高程基准),港闸区、崇川区较高,一般为 3.5~5.5 m,开发区、通州区较低,一般为2.0~4.4 m。该工点地貌类型属冲-海积水网化平原。

 

该基坑开挖深度内以粉砂夹粉土、粉质黏土、粉砂为主,依次为 ① 层填土、② 层粉质黏土、③ 层粉砂夹砂质黏土、③ 层粉砂、③ 层粉砂夹粉土。开挖面以下依次为 ③4 层粉砂、④t 层砂质粉土夹粉质黏土、④ 层淤泥质粉质黏土、④t 层砂质粉土夹粉质黏土、④ 层粉质黏土夹粉土。潜水主要存在于浅部粉土、粉砂、填土层中,水位为 0.56~3.40 m。第 1 层承压水一般赋存于 ④ 层以下的砂土、粉土层中,主要接受径流及越流补给,水头埋深 2.0~5.0 m。

 

1.4施工难点

该工程施工有以下难点。

(1)220 kV 高压线保护范围内出入段线基坑最大开挖深度 16.0 m。施工中存在富水粉砂、粉砂夹粉土层,含水率高、渗透性强。基坑开挖过程中,容易发生涌水、涌砂及渗透变形,必须采取可靠的施工工法保证止水帷幕形式的施工质量。

(2)220 kV 高压线下围护结构采用 800 mm@ 600 mm 两排旋喷桩止水帷幕形式,旋喷桩在有巨厚的潜水、承压水含水层,含水率高、渗透性强的粉砂夹粉土、粉砂层中施工质量无法保证,基坑开挖风险大。

(3)基坑位于南通市城区主干道,周边是大量迁改后市政管线和多栋采用浅基础的建筑物,地址敏感,对周边环境保护要求极高。

 

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止水帷幕比选


2.1地下水处理分析

在该基坑开挖范围内存在深厚含水层,土层渗透性大且含水量丰富,因此地下水处理是本工程基坑自身安全与周边环境安全的关键。对 ② 层、③ 层、③ 层、③ 层、③ 4 层、④t 层的潜水采取止水帷幕截断的处理方案,将基坑周边止水帷幕深度适当加深至 1 层中,止水帷幕深度为 25.0 m, 以隔断坑内外水力联系。④t 砂质粉土夹粉质黏土层承压水层埋深较深,采取隔断措施难度相当大、费用高,故采用适量抽水降压的方案。

 

2.2止水帷幕施工工艺选型分析

根据出入段线基坑的水文地质条件和周边环境情况,该工程采用的落地式止水帷幕要有良好的止水性能。原设计采用两排间距 600 mm 的三重管高压旋喷桩互相搭接咬合形成止水帷幕,但旋喷桩在本项目水位地质条件下存在以下问题。


(1)高压旋喷桩在粉土、粉砂层中,由于土体自身黏聚性差、透水性大、含水量大,高压旋喷过程中,难以控制状体的有效直径和密实度。当地下水丰富且存在径流时,成桩更为困难。


(2)承压水在压力作用下,使水泥颗粒随地下水经渗流流失,从而产生尚未凝固的水泥浆离析,降低了旋喷桩的成桩质量。


(3)旋喷桩施工时需要经常用水平尺测量钻杆垂直度 1 次,每根桩位难以控制,容易因桩位定位不准、垂直度偏差造成咬合不准,或跳桩施工时漏桩使桩体水泥掺量不满足设计要求以致存在透水部位。在南通地层中采用高压旋喷桩止水帷幕的工程,基坑开挖时旋喷桩咬合处或粉土粉砂层处仍存在渗透水,基坑开挖后须在渗透水位置进行坑外注浆,影响工期,浪费人力财力。

 

相比旋喷桩,采用 TRD 渠式切割水泥土连续墙工法, 成墙质量更均匀,可保证连续性施工,不存在咬合不良,垂直度精度高,避免了深层开叉问题,止水帷幕止水性能可靠,能够保证基坑止水要求。通过经济性对比分析后,本工程止水帷幕由原设计双排 800 mm @ 600 mm 超深三重管旋喷桩施工工法变更为 TRD 渠式切割水泥土连续墙工法, 节省了工程造价 846 万元。因此最终止水帷幕变更为 TRD 渠式切割水泥土连续墙。2 种工法对比如表 1 所示。

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TRD 止水帷幕止水方案


止水帷幕质量验收标准如表 2 所示。参考表 2 止水帷幕质量验收标准,850 mm 厚 TRD 渠式切割水泥土连续墙采用强度等级为 42.5 级普通硅酸盐水泥,切割液采用钠基膨润土拌制。水泥掺量为 20%,水灰比 1.5:1,TRD 渠式切割水泥土连续墙工法止水帷幕 28 d 的无侧限抗压强度 ≥0.8 MPa,渗透系数 ≤1×10-7 cm/s。

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由于采用钻孔灌注桩作为支护桩,TRD 渠式切割水泥土连续墙仅做防渗止水帷幕,应首先施工渠式切割水泥土连续墙。平面布置宜使围护桩紧贴水泥土连续墙,待墙体具有一定强度后,再施工围护桩。施工前综合考虑周边环境、水文地质条件、设备功率、切割液及固化液供应状况等因素,通过试成墙确定渠式切割机械的水平推进速度和链状刀具的旋转速度等施工参数。


3.1施工设备

针对该工程在 220 kV 高压线下低净空施工的特点,TRD 止水帷幕施工采用履带式混合搅拌壁式地下连续墙施工工法设备。履带式TRD设备高为 11.00 m,切割箱配置 ≥ 35.00 m墙体切割箱,由下至上排列分别是:1 节 3.55 m 的被动轮 +8 节 3.66 m 切割箱 +1 节 2.40 m 切割箱,总长 35.23 m。切割刀具呈菱形布置,确保墙体质量均匀。刀具长度最小 450 mm、最大 850 mm,中间以 50 mm 为增量共 9 种,按 1.20 m 间距布置。


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履带式、步履式TRD设备参数


3.2施工工艺

水泥土搅拌墙采用 3 pass (两次成槽、一次成墙)的施工方法:先行切割、回撤切割、喷浆搅拌,即锯链式切割箱切割至预定深度后,首先注入切割液横向前进对土体试切割 1.20 m,保证切割范围内无未处理管线等障碍;其次向后退回切割至原处,对土体进行二次切削,保证土屑均匀;最后注入固化水泥液向前搅拌成墙。

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3.3主要施工参数

主要施工参数如下。

(1)水泥掺量:20%。

(2)固化液水灰比:1.5:1,采用自动拌浆,后台进行制配。

(3)固化液比重:1.29~1.50。

(4)膨润土掺量:100 kg/m3。

(5)切割浆液配合比(实际膨润土用量根据试成墙施工情况确定)如表 3 所示。

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(6)固化浆液配合比如表4所示。

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(7)单位长度水泥用量:止水帷幕水泥土连续墙长为 25.00 m、厚为 0.85 m 土的重量取平均值 1.85 kN/m³, 水泥掺入量为 20%,则横向每延米的水泥用量为:25.00×1×0.85×1.85×20%=7.86 t/ 延米。

(8)注浆压力:注浆压力控制在 0.8 MPa,保证浆液输送能力。

(9)切割速度:每刀初步切割速度为 0.03 m/min。回切时间为 10~15 min,即 0.12~0.08 m/min。喷浆搅拌时间为 40~45 min。

 

3.4施工安全

(1)在限高电线杆顶端张拉绝缘绳,在绝缘绳上设置警示标志,并挂上彩旗等醒目标记。

(2)凡需要在高压线周边作业的机械设备,必须在相应的工程机械上安装近电警报器,并派专人每天检查警报器的有效性。

(3)坚决禁止雨雾天气在高压线周边开展施工作业,尤其在照明条件不具备的情况下更不允许夜间在高压线周边作业。

 

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施工效果


TRD 止水帷幕施工过程中严格执行制订的技术措施,通过统计反馈数据看均满足规范及设计要求。在基坑开挖过程中,明挖区间土方开挖过程中 TRD 渠式切割水泥土连续墙无渗漏情况,达到了预期效果。

(1)TRD-III 施工设备能够适应该工程地层,施工速度快,每天可成墙 7~8.00 m。在28 d 后基坑开挖前对 TRD 止水帷幕进行了取芯检测,芯样无侧限抗压强度均 ≥1.0 MPa,现场 TRD 渠式切割水泥土连续墙墙身均匀,防渗性能满足规范及设计要求。在开挖阶段,止水帷幕未发生渗漏水现象。坑外水位变化如图 2 所示。

 

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(2)挖过程监测数据反映,在基坑进行开挖和降水期间,地下水位和周边环境沉降变形均在可控范围之内。由此可见 TRD 渠式切割水泥土连续墙止水帷幕能够有效地切断地下水,对周边环境的保护非常有效。

 


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结  语


(1)该工程是南通市重点工程,位于市区主干道,周边存在大量迁改市政管线和多栋多层建筑,且基坑施工范围内分布有深厚含水层,对止水帷幕提出了极高的质量要求。采用 850 mm 厚 TRD 渠式切割水泥土连续墙作为止水帷幕, 确保了基坑工程顺利实施,施工过程达到安全可控的目标, 确保了周边环境的安全。


(2)在南通市建筑工程中首次采用了由 TRD 渠式切割水泥土连续墙的工法作为止水帷幕。实施后的止水帷幕均匀性和连续性好、止水效果良好,未发生渗漏水现象,缩短了施工工期,降低了基坑安全风险,也为业主单位节省了工程造价。


(3)在低净空条件限制下复杂地质中为基坑支护形式提供了一种新的组合形式,实现了施工质量最高化、施工速度最快化的目的。


(4)监测数据表明,基坑开挖和降水期间,坑外水位基本无变化,采用由 TRD 工法作为止水帷幕是安全可靠的。在施工设备选择、施工工艺确定、具体施工参数选择等方面可为同类工程项目提供借鉴与参考。

来源:《施工技术》

编辑整理:项 敏

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