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TRD工法在洞庭湖区堤防工程中的适用性研究

TRD工法 2022年9月3日 项敏 310



摘 要


【摘要】渠式切割水泥土防渗墙施工工法(简称TRD工法)是一种适用地层广、成墙质量好、连续性强的新型隔水帷幕工法。文章经现场试验研究了TRD工法构建等厚水泥土连续墙在堤防工程中的适用性,通过钻孔取芯、注水试验、极限压水试验等对水泥土墙体强度、抗渗性、均匀性和整体性进行了评测。结果表明:TRD工法可用于堤防工程防渗处理,施工后的防渗墙具有良好的均匀性和整体性,但其强度和抗渗性还有待进一步提高。


【关键词】TRD工法;堤防工程;防渗处理


前 言


湖南省有湘、资、沅、澧四大水系及洞庭湖,共有堤防13000多公里,大小水库13000多座。而目前对于堤身堤基渗漏隐患治理,主要采用高压旋喷桩、深层搅拌桩、防渗墙等施工工法。但由于各种施工工艺自身的局限性,如桩与桩间连续性不好、墙体较薄、造价高等使得每年应用于堤基处理的投资额仍然巨大,洪涝灾害依然较为频繁。


TRD工法由于稳定性好,精度高、施工能力强,止水性强而均匀,连续墙的厚度均匀;连续墙沿深度方向密实度均匀等特点而被广泛应用于交通、市政工程中。赵峰等对TRD工法的施工机械性能、组成、成墙原理、施工程序、固化灰浆组成、施工效率、工程造价等进行了较为详细的介绍。邢政华等通过系统研究水泥混合土的渗透系数,讨论了土质因素对水泥混合土工程性能的影响,得出混合土质水泥土的防渗性能受渗透性强的土质含量占比所控制的结论。察双元等经过一系列室内试验和现场原位试验,研究了TRD工法构建等厚水泥土连续墙在青岛地区富水砂土层中的适用性,得出其具有良好的均匀性和整体性,满足围护结构强度和抗渗性要求的结论。冯师以硬X射线自由电子激光装置项目4号工作井工程为背景,介绍了超深工法TRD 70m,为后续超深基坑工程止水帷幕施工提供了较强的参考和借鉴意义。魏巍以高架下方车站施工为依托工程,采用TRD工法作为围护体的止水帷幕,从而克服低净空施工的难度,而且在降水阶段消除或降低基坑降水对周围环境的影响。TRD工法作为一种成墙均匀性好且施工能力高的基础处理方法已在深基坑工程中得到较为成熟的应用,但其在水利工程中的应用较少,有关防渗能力的研究还不足,因此,有必要开展TRD工法在堤防工程中的适用性探究。本文以洞庭湖良心堡三标防渗工程为依托,在1+660~1+760处100m段进行了成墙试验,探究了TRD工法在洞庭湖区的施工工艺及防渗效果。


1  工程概况


钱粮湖垸蓄洪工程安全建设一期工程(君山部分)位于湖南省洞庭湖区东洞庭湖西岸,北临墨山,南抵藕池河,西靠南山和华容县护城大圈,华容河从中穿过,河道蜿蜒曲折,以近南东向流入东洞庭湖。据前期地勘资料,该段堤基存在透镜体状粉细砂层,汛期外湖达到一定水位后,堤内存在渗漏隐患。在新建堤防选取典型区段使用LSJ60-C型TRD设备进行了现场试验,试验历时14天,共完成连续墙50m深墙长23.6m,35m深墙长19.1m,总计成墙面积1849m2。图1为试验现场鸟瞰图。

TRD工法在洞庭湖区堤防工程中的适用性研究

1.1 工程地质条件


钱粮湖垸工程处于河湖相冲积平原,地势平坦开阔,垸内中部层山一带高程为30~36m,其他地面高程为26~38m,垸内河流、古河道、水渠、水塘、湖泊众多。


通过钻孔取芯,试验区堤基地层自老至新分布如下:


中更新统冲积堆积(Q2al):上部为低液限黏土,黄褐色—灰绿色,含较多的高岭土结核,具有明显的网纹结构,多呈硬塑状态,中等压缩性,厚度大于10m;中部为粉细砂,灰褐色,夹泥,潮湿,中密,厚度约10m;下部为中粗砂及卵石,密实,厚度约14m。


全新统冲湖积堆积(Q4al+1):灰黑色淤泥质粉质黏土,含有机质,呈软—可塑状,局部呈流塑状态,厚度5~8m。


人工堆积(Qs):主要为堤身土,成分为黄褐、灰黄色粉质黏土间夹少量粉细砂及碎石等,呈可塑~硬塑状,厚度2.0~7.0m。


1.2 水文地质条件


区内地下水为孔隙潜水,赋存于Q地层中的粉质黏土、淤泥质粉质黏土层的孔隙中,地下水位埋深2.5~3.0m,含水量相对较小,主要受大气降水补给,与外河水呈互补关系,动态随季节变化明显。


据场地附近水质分析结果,工程区地下水化学类型分别为碳酸硫酸钙型水和硫酸钙型水,pH值为7.6~7.7,河水对混凝土无腐蚀性。


1.3 TRD工法施工工艺流程

TRD施工工序分为切割箱自行打入挖掘工序、水泥土搅拌墙建造工序、切割箱拔出分解工序。


1.3.1 测量放线

施工前,根据设计图纸和业主提供的坐标基准点,精确计算出防渗墙中心线角点坐标,利用测量仪器进行放样,并进行坐标数据复核,同时,做好护桩,并通知相关单位进行放线复核。


1.3.2 开挖沟槽

根据TRD工法设备重量,防渗墙中心线放样后,对施工场地采取铺设路基箱板等加固处理措施(如施工深度超过60m需采用槽壁加固措施),确保施工场地满足机械设备对地基承载力的要求,确保桩机的稳定性。用挖掘机沿围护墙中心线平行方向开挖工作沟槽,槽宽约1.2~1.5m(根据成墙厚度适度调整),沟槽深度大于1.0m(见图2)。


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1.3.3 吊放预埋箱

用挖掘机开挖深度约5m、长度约2.5m、宽度约1.5m的预埋孔,利用吊车并将预埋箱吊放入预埋孔内(见图3)。


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1.3.4 主机就位

由当班班长统一指挥主机就位,移动前看清上、下、左、右各方向的情况,发现有障碍物应及时清除,移动结束后检查定位情况并及时纠正,主机应平稳、平正(见图4)。


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1.3.5 切割箱与主机连接

用指定的履带式吊车将切割箱逐段吊放入预埋孔,利用支撑台固定;TRD主机移动至预埋孔位置连接切割箱(见图5),然后再返回预定施工位置进行切割箱自行打入挖掘。


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1.3.6 安装测斜仪

切割箱自行打入到设计深度后,安装测斜仪。通过安装在切割箱内部的多段式测斜仪,可进行墙体的垂直精度管理,通常可确保1/250以内的精度。


1.3.7 TRD工法成墙

测斜仪安装完毕后,主机与切割箱连接。进行“三步成墙法”或者“一步成墙法”施工(见图6、图7)。其中“三步成墙法”的施工方法为:先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌,即锯链式切割箱钻至预定深度后,首先注入挖掘液先行挖掘、松动土层一段距离,然后回撤挖掘至原处,再注入固化液向前推进搅拌成墙。


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图6、三步成墙法


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图7、一步成墙法


1.3.8 测试浆液流动度与切割箱拔提


通过测试混合泥浆的流动度进行成墙品质的管理(见图8);将等厚度型钢水泥土搅拌墙施工过程中产生的废弃泥浆统一堆放,集中处理。一段工作面施工结束后,利用TRD主机将切割箱分段拔出(见图9)。


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1.4 TRD工法施工材料配合比


整个场地的试验分为A、B、C、D、E、F、G共7段进行。成墙深度为穿透第④层粉细砂层后,进入粉质黏层中。分段长度、成墙厚度及固化剂添加量见表1。

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2  TRD工法连续成墙质量研究


TRD工法连续墙质量,国内外大多数相关研究采取测试芯样强度进行评价,其效果受钻孔取芯影响较大;另一种方法是用固化液和地层充分混合后的浆液制作试块,留样养护后进行强度和抗渗性的测试。然而这两种方法均无法真实反映TRD工法连续墙墙体的完整性和均匀性。本文在取芯检测连续墙强度的基础上,采取钻孔内变水头压水试验、注水试验对TRD工法的成墙质量进行评价。


2.1 堤基土层物理力学指标

本次野外取原状土样31组,进行标贯试验23次。依据室内土工试验及野外标贯试验参数,类比已建同类工程经验,推荐力学指标见表2。


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2.2 钻孔检测分析

施工结束28天后,对墙体进行钻孔取芯。对芯样进行渗透系数测试和抗压强度测试。施工5个检查孔,各区均布一个。结合现场实际条件,确定检查孔注水试验渗透系数(见表3)。


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结果表明:“三步成墙法”与“一步成墙法”成墙后的注水试验结果相近,除孔偏或压水破坏段,数据主要集中于(1~5)×10-6cm/s之间。


采用“三步成墙法”与“一步成墙法”搅拌后的土体,未添加水泥,注水试验所得的数据主要集中于(0.8~2.0)×10-5 cm/s之间。相比原状土,渗透系数有所减小。且在加入水泥后,对渗透系数的降低有明显的效果。


由检查孔芯样抗压强度数据(见表4、图10)可知,28天取芯抗压强度为0.1~0.22MPa之间,防渗墙28天强度偏低。水泥土在深度范围5~15m之间时,表观密度为1.537~1.68g/cm3,上部相比下部要小;随水泥添加量增加,水泥土的平均表观密度降低,而防渗墙强度变化不明显。这是因为在提高水泥掺量过程中水泥土黏聚力增加,塑限增大,槽内浆体黏滞阻力大,为防止刀箱被沟槽抱死,需加入大量水降低浆体比重,浆体含水率高,同时产生大量的废弃浆体,废弃浆里带走了大量水泥,以至于槽内实际水泥掺量较少,水泥土的固化速度慢,自然沉积时间长,所以下部比重相比上部要大,而防渗墙整体强度较低。由此可见,在黏粒含量较高的地层很难通过增加水泥掺量达到提高防渗墙墙体强度的目的。


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3  TRD工法在堤防工程中的适用性分析


3.1 设备适用性分析


本次试验采用LSJ60-C型TRD工法机进行,该机有自走能力,在场地内可通过自身动力行走,场外需通过平板车运输。TRD施工机械安装刀具等需借助起重机械,且链条、刀片板、刀具箱等需分开装箱,按件运输。其他机械或设备,如水泥筒仓、注浆设备等,可通过平板车运输。施工现场对场地要求较高,需要修筑施工临时道路,遇暗浜、低洼地等不良地质条件时,需采取抽水、清淤、回填素土并分层夯实的手段,确保现场道路的承载力满足桩机和起重机械平稳行走的要求。现有TRD设备难以适应堤坝顶部宽度6~8m的场地施工,需要研制一款适用于堤坝工程的轻量化TRD成套设备。


3.2 工艺适用性分析


本次TRD工法试验,试验了50m和35m不同深度,试验了6%~15%水泥和固化剂不同掺量,试验了“一步成墙法”和“三步成墙法”施工工艺,其中“三步成墙法”试验深度50m时,试验日进尺达8延米;“一步成墙法”试验深度35m时,日(20h)进尺达16.7延米,日成墙面积达580m2。在施工工效方面,达到了预期效果;在成墙均匀性方面,“一步成墙法”和“三步成墙法”均可形成完整均匀的防渗墙,但墙体强度和抗渗性有待进一步提高。


通过本次施工,验证了TRD工法施工的如下特点:TRD工法成墙深度大,墙身连续无接头;原地加入切削液、固化剂,切削搅拌一次成墙,成墙施工工序较少,速度较快;成墙机械化程度高;施工过程中产生的泥浆和废浆量较大,需要提前制定泥浆处理措施;对于黏粒含量较高的地层,难以通过提高水泥掺量增加墙体的强度和抗渗性。


4 结 语


本文依托湖南省洞庭湖区钱粮湖垸蓄洪工程安全建设一期工程三标防渗工程,首次在水利堤防工程中采用TRD工法进行防渗加固处理试验,研究其在水利工程中防渗处理的可行性、适用性,经现场试验后得出以下结论:


TRD工法可用于堤防工程防渗处理,成墙连续完整、均匀,深度可施工50m以上,厚度可达550mm,是一种经济有效的防渗施工工艺。


水泥土连续墙芯样28天的无侧限抗压强度偏低,而留样测试的强度与墙体强度有较大差异,但试样的整体强度都不高。对于黏粒含量较高的地层,难以通过增加水泥掺量提高墙体强度,如何有效减少废弃浆量,提高水泥土连续墙的强度是后续需要重点解决的难题。


钻孔取芯、注水试验等检测方法能综合考虑防渗墙的强度、渗透系数、完整性、均匀性等指标,能较为全面地评价等厚地下连续墙的成墙质量,可推广应用。

来源:《中国水能及电气化》

作者:宾斌

编辑整理:项敏

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