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阳澄湖砂土层基坑不同止水帷幕设计方案探讨

TRD工法 2022年5月19日 项敏 199



摘 要


摘要:深基坑止水帷幕工艺通常有三轴搅拌桩、高压旋喷桩、渠式切割水泥土搅拌桩(TRD)等工法,每种工法的适应性有所不同。分析了3种工法的优缺点和适用性,并以苏州阳澄湖地区某市政输水项目为例,提出了不同顶管井基坑止水帷幕设计方案,展示了不同工艺成桩后取芯的现场效果状况,通过对比取芯桩体的成桩质量及观察基坑开挖后井内的渗漏情况,发现三轴搅拌桩、TRD工法墙在该地区施工成桩质量更好。通过对不同设计方案的探讨,可对今后苏州阳澄湖地区的顶管井止水、隔水方案设计提供一定的借鉴意义。


关键词:止水帷幕;顶管井;三轴搅拌桩;高压旋喷桩;渠式切割水泥土搅拌桩


前 言


在市政给排水工程中,深基坑常用的止水帷幕工艺有搅拌桩、旋喷桩和地下连续墙。搅拌桩、地下连续墙在砂土中适应性较强,旋喷桩也成功应用于广州等地的基坑止水帷幕工程中,但该工法在部分地区的砂砾中成桩质量较差。近年来,由于机械设备的改进,国内涌现出新的止水帷幕施工工艺,但在苏州阳澄湖地区的工程应用案例较少。该地区顶管井埋深多在粉砂层以下,粉砂层含微承压水,水量丰富,水平渗透系数大,因此合理选择止水帷幕的工艺,是保证基坑顺利开挖,节省工程造价的前提。


工程概况


背景工程为市政取水、输水工程,自阳澄湖中湖取水,输送至相城区某水厂,全长约22km。工程地理跨度广,其间穿越苏州市工业园区、相城区。项目有2个显著特点:该项目穿越障碍非常多,经统计,本项目顶管区间总数量多达13处,顶管总里程约10km;该项目有一半里程与京沪高铁平行敷设,且建设管位距京沪高铁仅约30 m,设计难度极高,施工难度极大(图1)。

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该项目设计2根DN1800mm输水管,管材材质为球墨铸铁管或钢管。工程拟建路径上有多种障碍,其中包括:现状河道、道路以及多次穿越的阳澄湖。设计方案采用顶管工艺穿越现有障碍。顶管井为共有沉井和基坑围护2种结构形式,基坑开挖深度在11.5~18.15 m(表1)。基坑围护结构采用钻孔灌注桩结合腰梁的结构形式,围护结构外侧设置止水帷幕。

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2 工程地质


勘察资料揭示,拟建场地在勘察深度范围内,自上而下可分为11个工程地质层,2个工程地质亚层,各土层分布如下:①1素填土、①2淤泥、②淤泥质粉质黏土、③黏土、④粉质黏土、⑤粉质黏土夹粉土、⑥粉土夹粉砂、⑦粉砂、⑧粉质黏土、⑨黏土、⑩粉质黏土、粉质黏土夹粉土(图2)。

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从图2典型地质剖面中可以清楚地看到,⑥粉土夹粉砂、⑦粉砂为阳澄湖地区广泛分布典型土层。其中⑥粉土夹粉砂层顶埋深为4.30~13.30 m,层顶标高为-11.14~-2.89 m,层厚为0.40~7.60 m;⑦粉砂层顶埋深为8.90~15.50 m,层顶标高为-11.64~-5.88 m,层厚为0.50~14.80 m,垂直渗透系数1.28×10-3 cm/s。微承压水主要赋存于⑥粉土夹粉砂、⑦粉砂层中,该地下水由侧向径流补给,通过侧向径流排泄,微承压水最高水位为1.74 m。


3 止水帷幕工艺对比


长三角软土地区常见的基坑止水帷幕工艺包括水泥土搅拌桩、等厚度水泥土搅拌墙、高压喷射注浆、地下连续墙、钢板桩等。


目前国内的水泥土搅拌桩设备包括单轴搅拌桩、双轴搅拌桩和三轴搅拌桩,可根据地质条件、作业环境与成桩深度选用不同的搅拌机,一般三轴搅拌桩机的功率较大,加固深度也相对较深,可以在承载力较高的土体中作业。


高压旋喷桩目前使用最多的方法为单管法、二管法和三管法,其加固原理基本是一致的,主要区别在于是否有空气、水的混合。近年来,由于施工技术的创新发展,新工法在实际工程中得以成功应用。超高压旋喷注浆工法,简称RJP工法,是利用超高压喷流体所拥有的动能破坏地基的组织构成后,混合搅拌这些破坏的土粒子和硬化材料,从而形成大口径的改良体。全方位超高压喷射注浆,简称MJS工法,是一种能进行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工方法,对周边环境及地基的扰动影响微小,能实施大深度地基加固施工,该设备垂直施工场地净高最小仅需3.5m。


渠式切割水泥土搅拌墙是从日本引进的一种新型施工技术,已在上海、杭州等多地成功应用于工程中,取得不错的止水效果。TRD工法适用于黏土、砂土、砾石、软岩等多种土层,水泥土搅拌均匀、墙身完整性高。该工法设备的施工机架最大高度一般不超过12 m,适用于对周边环境有限高要求的场地。


旋喷桩不宜用于砂土中,且不宜少于2排,深度不宜太深。工程实践中出现过采用高压旋喷桩喷射注浆作为隔水帷幕,开挖过程中出现多处渗漏的案例。


高压旋喷桩注浆压力大,对周边土体有一定挤压,因此在苏州砂土地区不优先选用高压旋喷桩作止水帷幕,但该工法施工设备小,操作灵活,可在场地受限时考虑。


三轴搅拌桩在苏州砂土地区用作止水帷幕效果好,且工程造价低,但施工设备较大,重心高,在施工过程中有倾覆的风险。


TRD工法止水效果好,施工设备高度低,但该工法施工造价相对较高,且对于给排水工程中的顶管井,设备转弯频次高,机械拆装问题导致施工效率低,综合效益一般,在周边环境保护要求较高的情况下可以考虑。


4 止水帷幕设计方案


通过对比分析可以看出,在阳澄湖砂土地区,当顶管井基坑开挖深度大于10 m时,在20 m以内,止水帷幕优先选择三轴搅拌桩较为经济合理。由于本项目部分顶管井距离京沪高铁沿线仅35 m左右,在该范围施工时机械设备受到限高要求,三轴搅拌桩存在倾覆风险,影响高铁运营安全;高压旋喷桩有一定挤土效应,对周边环境有一定影响,因此在高铁沿线不采用三轴搅拌桩和高压旋喷桩作止水帷幕。部分施工场地由于环境限制,三轴机设备无法进入。综上所述,本工程共采用3种不同工艺的止水帷幕工艺,分别为高压旋喷桩、三轴搅拌桩、TRD工法。


方案一采用2排ф800 mm@500 mm高压旋喷桩,桩间搭接300 mm(图3),高压旋喷桩为两重管,水泥掺量不小于35%;浆液水灰比为0.9~1.1;

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方案二采用单排ф850 mm@600 mm三轴搅拌桩,桩间搭接250 mm(图4),水泥掺量不小于20%,水灰比1.2~1.5;

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案三采用TRD工法墙,墙厚850 mm,墙端外扩1 000 mm(图5)。

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5 止水帷幕对比分析


基坑开挖前,对方案一高压旋喷桩和方案三TRD工法墙进行取芯检测。通过取芯结果可以发现,高压旋喷桩成桩质量如前文分析一致,随着加固深度的加大,成桩桩径具有一定的离散性;TRD工法墙的成桩质量非常好,在苏州砂土地区采用TRD工法墙作止水帷幕效果好。


基坑开挖后,通过对钻孔灌注桩间土体的观测发现,设计方案中采用的3种止水帷幕工艺均达到预期效果,起到了基坑内外止水、隔水的作用。通过现场施工情况,结合各工艺特点,本文总结了阳澄湖砂土地区各种止水帷幕工艺的优劣(表2)。

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6 结 语


1)三轴搅拌桩在阳澄湖砂土地区可用于坑深20m的止水帷幕中,止水效果好,工程造价相对较低,但该工法设备较大,不适用于对周边环境有限高要求的工程。


2)高压旋喷桩在阳澄湖砂土地区做止水帷幕时,成桩桩径离散性较大,加固深度宜小于15 m,成桩时应特别控制喷浆管提升速度。该设备高度低,场地占地小,适用于对场地要求高的工程中。当采用此工艺时,应采用双排止水桩,以保证止水效果。


3)TRD工法墙作为近年来的新技术,在阳澄湖砂土地区完全可以满足止水帷幕要求,特别是在基坑狭长的项目上综合效益更好。该设备高度较低,对周边环境有限高要求的工程可作为备选。该工法设备宽度较大,转弯时需要对刀片进行拆卸且工程造价相对较高,因此可作为特殊项目的处理方案。


4)通过本工程发现,在阳澄湖地区设计止水帷幕,三轴搅拌桩、高压旋喷桩、TRD工法均适应于砂土层。不同的工程可根据不同的加固深度、不同的作业环境要求选择不同的工法,一般情况下,优先选择三轴搅拌桩止水既可以降低工程造价,又可以保证止水效果。


来源:《地基基础》

作者:丛海洋

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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