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TRD工法在硬质土层中施工埋钻原因分析及处理

TRD工法 2022年3月17日 项敏 1810

摘要

摘 要:TRD工法已广泛应用于基坑支护工程中,类同于其他地下工程施工设备,在施工实践中会发生埋钻事故。本文根据TRD工法工艺特点,分析了TRD工法埋钻受力特点,探讨了埋钻形成的因素,并结合工程实践提岀了相应处理和预防措施,可有效避免TRD工法埋钻事故的发生。


关键词:TRD工法;埋钻;许用间隙;起拔


0 引言


TRD工法全称Trench cutting Re-mixing Deep wall渠式切割水泥土连续墙。TRD工法将传统的垂直轴螺旋钻杆水平分层搅拌革新为水平轴锯链式切割箱沿墙深垂直整体搅拌。通过动力箱液压马达驱动锯链式切割箱,持续水平横向挖掘推进,同时在切割箱底部注入切割液或固化液,使其与原位土体强制混合搅拌。把不同粒度构成的地层土进行混合、搅拌,在深度方向形成强度差异很小的水泥土搅拌连续墙体。在地下工程施工中普遍存在卡钻、埋钻、掉钻问题。主要由于孔壁坍塌、砂层抱卡、钻进过深、地下水负压、落物卡钻、钻机故障等操作原因导致钻具脱落、掩埋、卡死事故。给施工单位造成了巨大的经济损失,也给工程的质量造成了一定的影响。事故处理通常釆用“清、透、顶、炸、扩、捞、砸、挖”等方法和步骤。


1 TRD埋钻受力特点及原因分析


1.1埋钻受力特点


TRD工法机作业系锯链式切割箱插入土体横向推进,卡钻主要表现在切割箱无法进退或升降,TRD工法横推力及起拔力示意图见图1。

TRD工法在硬质土层中施工埋钻原因分析及处理


其主要驱动机理分析如下:

TRD工法在硬质土层中施工埋钻原因分析及处理


TRD工法机虽然不同机型工艺参数不同,但国内常用机型最大横推力1200kN,最大提升力1000kN。所以,当水平摩阻力大于横推力则难以推进,当竖向摩阻力与箱体自重之和大于起拔力则难以提钻。通常切割箱无法进退时,也无法升降,形成卡钻。此时,主要表现为横推力、起拔力不足以克服摩阻力。


摩阻力骤然升高主要是悬浮颗粒淤积挤压或槽壁变形坍塌引起的。


1.2埋钻原因


1.2.1土质因素

TRD工法施工对槽壁的反复扰动,土体颗粒间原有的结构受到扰动破坏,需重

新组合达到一种新的平衡状态,在短时间内无法形成稳定状态,颗粒间黏聚力大大降低,当槽壁内侧面由于挖掘而形成临空面时,槽壁土体颗粒会向槽内移动从而出现槽壁变形或坍塌现象。


1.2.2许用间隙与许用角度

TRD工法机国内常用机型切割箱体截面1200mmX400mm,外侧配置切割刀具(宽度550〜850mm不等,根据墙厚配置),呈菱形布置,确保全断面切割土层。

TRD工法在硬质土层中施工埋钻原因分析及处理

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TRD工法在硬质土层中施工埋钻原因分析及处理

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切割作业中,切割液与原位土搅拌成槽。喷浆作业中,加固化液搅拌成墙。根据连续性方程及伯努利方程可知:原位土与浆液混合后通过许用间隙时,δ越小,流速越快,间隙内形成负压,易引起槽壁缩颈变形,甚至坍塌。在硬质土层施工中,当δ<100mm时,容易出现抱钻、卡钻。


TRD工法可通过安装在切割箱内部的测斜仪实时监测各深度X、Y方向数据,控制墙体垂直度在1/250以内。当θ>1/250时,容易出现箱体磕碰槽壁,导致摩阻力增大延缓推进速度,进而出现卡钻现象。另外,在致密硬土层中施工,由于刀具磨损严重未及时修补,切割力不均衡,造成推进方向扭曲,箱体倾斜造成卡钻。


1.2.3施工法选择与其他操作原因

TRD的施工方法可采用一步施工法、两步施工法和三步施工法,即通过切割、搅拌、混合,主机经一步完成、往返两步完成或往返三步完成施工的施工方法。施工方法的选用应综合考虑土质条件、墙体性能、墙体深度和环境保护要求等因素。当切割土层较硬、墙体深度深、墙体防渗要求高时宜采用三步施工法。施工长度较长、环境保护要求较高时不宜采用两步施工法;当土体强度低、墙体深度浅时可采用一步施工法。


施工操作中推进速度过快易导致槽内浆液液面下降,槽内压力低于地下水压力,引起槽壁坍塌而埋钻。因泥浆性能差、泌水率高、浮渣能力差,砂砾成分在孔内下沉速度快,出现意外情况造成混合泥浆无法循环或停置时间过长将加快槽壁变形、坍塌。


三步施工法通常在“往”“返”中易出现卡钻现象,两步成槽后的“往”中很少卡钻。而一步施工法出现卡钻时,由于箱体在固化液中,救援时间紧迫,处理难度较大。


1.2.4地下障碍、停电等其他故障造成停机槽口落物或地下障碍物造成推进困难,进而推进方向扭曲、箱体倾斜出现卡钻现象。停电或设备故障等原因造成停机。一方面砂粒离析沉淀掩埋箱体;另一方面槽壁因长时间浸泡而坍塌。


2 处理埋钻的工作机理


当起拔力Pb不足以克服摩阻力Pm与箱体自重G时发生埋钻。一方面需增加起拔力,另一方面需釆取减阻措施。


2.1起拔参数控制

针对不同机型TRD工法机应结合箱体结构和螺栓强度确定最大起拔力。国内常用机型箱体间由8根10.9级M42高强螺栓连接,该螺栓抗拉屈服强度900MPa。为避免螺栓断裂而增加救援难度,强力起拔应保证螺栓处于弹性状态,允许起拔力取螺栓屈服极限强度的70%,则允许最大起拔力为1000kNXO.7X8=5600kN。


采用千斤顶起拔,充分考虑起拔引起的沉陷变形,需架设起拔平台提供足够的反力。国内常用机型施工平台经铺设铁板或路基箱后,平台可提供反力约150〜200kN/m2,可作为简易平台用于早期救援。进一步增加起拔力需增加工字钢、H型钢或钢梁等架设平台。千斤顶控制系统应联动加压,联动加压至4500kN后,应分级提高压力,每提高20〜30kN压力后停滞1h左右,等待土层蠕变效应的发挥。加压的同时转动链条喷膨润土泥浆,加压至5600kN应停止,如仍不能拔动应釆取减阻措施。


2.2增加起拔力

埋钻初期摩阻力Pm超出起拔力Fb较小,应快速采用吊车或千斤顶等设施辅助主机起拔。釆用千斤顶增加起拔力是处理埋钻最常用的方法,千斤顶起拔需在箱体上加装拔钻法兰作为施力板,初期可釆用铁板、路基箱架设简易平台。根据现场地耐力及引孔后工作面情况,应增加工字钢、H型钢或钢梁等架设坚固平台以提供足够的起拔反力。


2.3减阻

影响摩阻力Pm的主要因素是悬浮颗粒淤积挤压和箱体倾斜。箱体与槽壁间隙中悬浮颗粒淤积填充将形成真空效应,槽壁缩颈变形或坍塌将直接抱钻、卡钻。可釆用引孔的方式清除淤积物,减小摩阻力。为消除活塞效应,应在箱体周边引孔减阻,孔深应不小于箱体埋深。一方面形成连通器,另一方面可清除箱体周边淤积物。具体减阻措施:


(1)埋钻早期可利用链条转动带动侧刀切削清除箱侧淤积物。

(2)采用振动锤松动箱侧淤积物。

(3)侧刀、振动锤失败,可釆用高压旋喷、潜水钻等各类钻机设备引孔。为避免引孔中钻机磕碰箱体,影响引孔深度,建议选用旋挖钻等垂直精度高的设备引孔。

(4)引孔不能有效剥离箱体侧壁水泥搅拌土时,可釆用TRD切割或成槽机抓槽折方式。

(5)拔出箱体也可采用全回转套管钻机地下清障工法,但拔出的箱体扭曲变形过大,建议用于清除无法救援的箱体。


3 TRD埋钻及处理措施


3.1 早期处理措施


由于国内常用TRD工法机最大横推力大于最大提升力,所以,应在施工中上下拔动箱体读取提升力。常用机型箱体自重约12kN/m,可估算箱体总重。正常情况下箱体与槽壁无接触,提升力应与箱体总重相当;超过箱体总重时,应增加拔动频率;超过箱体总重50%时,应停止推进,上拔100mm即下行切割。仍不能恢复正常,应立即采取措施自救,并不断注入切割液,保持链条转动。


(1)侧刀自救

发生卡钻时,链条仍能转动可釆用侧刀自救。侧刀是一种“U”形刀具(图3),可安装于链条随之转动,贴近箱侧切削可清除淤积物。可制备不同规格侧刀,根据卡钻严重程度,从短到长逐级切通箱侧。

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(2)辅助起拔

如侧刀自救失败或进展缓慢,尤其墙内埋钻应在固化液终凝前,采用吊车或千斤顶等设施辅助主机起拔。早期救援应以快捷省时为重,为辅助起拔提供反力可采用铁板、路基箱架设简易平台。


3.2 增加起拔力及减阻措施

TRD工法卡钻、埋钻事故应以预防为主。严格控制混合泥浆性能和箱体垂直度,根据提升力及横推力变化及时釆取措施调整,可有效避免事故发生。如遇特殊情况也可及时釆取早期处理措施,仍未解决需进一步采取增加起拔力及减阻措施。


(1)案例一

东北地区某项目TRD墙厚700mm,深39m。TRD工法机施工完1号基坑dl-La交

dl-16a拐角处应起拔切割箱。因墙外拔钻无作业面,只能墙内起拔。拔钻准备工作中突然停电,接发电机后箱体已无法拔动,使用主机与130t履带吊共同起拔达1700kN起拔未成功,而且造成动力头抱爪螺丝损坏,切割箱体被埋。


更换抱爪螺丝后,使用侧刀全面清理箱体两侧,侧刀可全程贯通。使用千斤顶达5000kN起拔未成功,只能釆取引孔减阻措施。为防止链条被埋,拆除链条。


1)原因分析

①箱体许用间隙150mm,许用角度1/260。测斜仪显示箱体底部丫方向偏移250mm。

②根据地勘资料(表1)计算箱体侧摩阻力达6993kN,箱体自重447kN。

③停机至起拔间隔时间较长,已喷浆墙体水泥搅拌土初凝加大起拔难度。应采取引孔减阻措施。

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(2)处理措施

使用旋挖钻机引孔减阻。为保证减阻效果,计划与箱体净距250mm引φ800mm孔40m深4个,但引孔中因箱侧土体塌落等原因,旋挖钻机垂直度难以控制而磕碰箱体,反复尝试后成孔5个(图4),φ800mm X 17;φ800mm X 21m;2 Xφ800mm X 40m;φ1000mmX40m。因孔口坍塌,箱体位于直径近6m的水坑中,人员、机械设备无法靠近,而预计起拔力5000kN以上。

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为此,釆用12m H700X300X13X24型钢搭设起拔平台,使用千斤顶达3900kN起拔成功。


(3)事故分析及预防

①起拔后复核箱体间灰片推算箱体底部Y方向偏移270mm,垂直度1/145超出用角度,与槽壁摩阻力过大。

②因切割箱北侧3〜5m深度为回填土,南侧为原状土,在土层软硬交接处切割受力不均匀造成箱体倾斜。虽然临近拔钻,应调整箱体垂直度满足许用角度后起拔。

③链状刀具磨损严重,其中单侧部分刀排几乎磨光,刀具底板磨损严重,链条部分损坏,两个定位轮损坏,检视损坏部位及磨损程度,判断切割中箱体两侧受力不均衡,致使单侧磨损严重,进而加剧箱体偏移倾斜。硬质土层施工须加强刀具、链条检视,做到及时修补,确保切割力均衡。


(2)案例二

中原地区某项目TRD墙厚600mm,深28m。TRD工法机喷浆作业中,推进阻力增大继而卡钻,使用主机与130t履带吊共同起拔约1700kN,起拔未成功。

使用侧刀仅下至12m无法贯通,箱体侧壁未能与水泥搅拌土有效剥离。拆除链条后,使用液压千斤顶近5000kN起拔未成功。


1)原因分析

①箱体许用间隙100mm,许用角度1/280。测斜仪显示箱体底部丫方向偏移326mm。

②根据地勘资料(表2)计算箱体侧摩阻力达3036kN,箱体自重325kN。

③已喷浆墙体中埋箱体,引孔减阻措施应与剥离水泥搅拌土相结合。

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2)处理措施

使用旋挖钻机引孔减阻。计划与箱体净距250mm引φ800mm孔28m深5个,但引孔中遇地下障碍,造成旋挖钻机斗底遗落孔内,最终成孔5个,φ1000mmX18m;4 Xφ800mmX28m。为防止孔口坍塌,护筒均未拔除,采用12m H700X300X13X24型钢搭设平台,使用千斤顶达5000kN起拔未成功。使用成槽机清除地下障碍后,使用千斤顶3000kN起拔成功。


3)事故分析及预防

①起拔后复核箱体间灰片推算箱体底部Y方向仅偏移41mm满足许用角度。测斜仪失灵误判箱体倾斜,造成引孔距箱体较远,减阻效果差。

②许用间隙及许用角度小易引起槽壁坍塌或箱体刮蹭槽壁顶死卡钻。

③忽视横推力增大,遇障碍物处理不当卡钻。应回撤后放缓速度再推进。


4 结语


TRD工法除地下施工设备通常埋钻原因外,应针对其工艺特性的原因预防和处理。


(1)应综合考虑土质、墙厚、墙深、墙体性能和环保要求等因素确定泥浆参数,保证护壁及浮渣效果。计算许用间隙δ与许用角度θ,合理选择施工方法,严格控制推进速度,保证槽内浆液液面。现场常备发电机及千斤顶等应急救援设施,及时应对突发事件。


(2)根据横推力和起拔力判断摩阻力变化情况,如遇卡钻、埋钻及时采取早期处理措施,可架设简易平台釆用吊车或千斤顶等设施辅助主机起拔。后期应根据现场地耐力、引孔后工作面及起拔反力要求架设起拔平台。


(3)增加起拔力及减阻措施应结合箱体结构和连接螺栓强度控制的允许最大起拔力,避免螺栓断裂而增加救援难度。



来源:《岩土工程施工技术与装备新进》
作者:李刚
编辑整理:项敏
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