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卵石淤泥复合地层围堰稳定及防渗控制技术

TRD工法 2022年8月6日 项敏 206



摘 要


摘要:围堰明挖法是水下隧道常用施工方法,围堰的稳定及防渗控制关系着工程建设安全。水域地层中广泛分布的深厚卵石淤泥复合地层对围堰稳定性及防渗性提出了极大考验。为解决卵石淤泥复合地层上筑土石围堰的稳定性及防渗控制,以杭州市青山湖湖底隧道围堰为依托,提出了抛石与TRD结合的土石围堰结构,解决土石围堰施工过程中卵石层防水性与淤泥层围堰稳定性关键技术难题。实践表明:采用抛石与TRD结合的土石围堰结构30d地表累计沉降小于4.5mm,最大水平位移变化量小于7mm,水泥土平均渗透系数为4.30×10-7 cm·s-1。围堰的稳定性以及防渗性均能满足实际工程需求。


关键词:围堰;TRD工法;稳定性;防渗


1 引 言


随着城市发展的加速,为满足城市经济发展的需要,湖底隧道已然成为市政建设中重要的一环。在明挖湖底隧道施工阶段,通常需要设计建设围堰为隧道的施工提供空间,并尽量减少施工对外界的干扰。为减少经济成本,围堰的设计施工多采用土石围堰。然而,河流与湖泊底部的淤泥又很难完全清理,残余在围堰底部淤泥层会使围堰产生变形破坏,促使围堰产生整体滑动的趋势影响围堰稳定性。并且,作为围堰基础的卵石层又因透水性极好需采取防渗处理,通常采用的方法包括高喷灌浆、粘土防渗墙等。但受卵石粒径与基础埋深等因素的影响,一般的处理方法可能既费时费力却仍无法达到理想的防渗效果。


为了解决淤泥卵石层围堰施工稳定性与防渗性的工程问题,本文以青山湖湖底隧道围堰施工背景,拟在土石围堰基础上,采用TRD地连墙止水帷幕增加围堰防渗结构,并对淤泥层施工围堰进行加固处理并对其稳定性进行评价,以期对该类工程设计与施工提供经验参考。


2 工程概况


本工程位于浙江省杭州市临安区青山湖区域,拟在青山湖南北两岸建设湖底隧道,隧道建设位置与青山湖库区如图1所示。

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工程范围内地层主要为素填土、淤泥、卵石、含碎石粘性土及强风化灰岩,开挖深度达12m以下可以中风化基岩作为隧道基础持力层。而在湖底开挖深度7 m范围内为承载力极低的2.3m厚淤泥层与透水性极好的4.7m厚卵石层,且受大气降水径流补给和河流侧向补给地下水位一般为0.6~8.45m。故围堰的施工不可避免需在淤泥层与卵石层进行,考虑卵石淤泥层施工围堰稳定性与防渗性是该隧道工程围堰设计与施工的关键。


3 围堰设计与施工关键技术


3.1 围堰稳定性分析


根据实际围堰工程情况,对围堰稳定性进行分析。为保证卵石淤泥复合地层上筑土石围堰的稳定性,本文提出采用淤泥质土换填石渣、淤泥层抛石挤淤、地面注浆加固等方式对围堰进行加固处理。各地层材料计算参数见表1。经加固处理后,边坡局部稳定性和整体稳定性计算结果分别如图2和图3所示。计算结果表明:边坡整体安全系数为1.25,边坡局部安全系数为1.345,均大于《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)要求的1.25。因此,围堰的局部和整体稳定性均能达到设计要求。

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3.2 围堰设计


本工程需在一个枯水期完成,根据水文地质资料,按照《水电工程围堰设计导则》要求,围堰顶部高程应不低于设计洪水的静水位与波浪高度及围堰顶部安全加高值之和,若波浪高度按照0.5 m计,围堰顶部安全超高应不小于0.5m。因此主体围堰顶部高程取26.0 m,并在迎水侧设置0.5 m×0.5 m袋装沙土围堰,围堰总高为26.5m。围堰顶部宽度取6m,围堰边坡坡比为1:1.5。围堰采用袋装土护坡,迎水面坡底采用块石压脚防止冲击,背水面设置排水沟。由于本工程隧道基坑需要在干地条件下施工,有必要在围堰及堰基布置防渗结构,形成封闭防渗体系,确保基坑安全。根据工程区地质条件,选用TRD地连墙止水帷幕作为围堰防渗结构。围堰填筑至标高25.0m时,形成TRD防渗墙的施工平台。TRD地连墙止水帷幕挖掘深度深,成墙质量高,施工的重心低,安全系数高,防渗效果好,对各类地层的适应性均较好。综上所述,围堰整体设计示意图如图4所示。

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3.3 施工关键技术


(1)淤泥层稳定性处理:地质勘查表明,青山湖湖底存在0.3~5 m的淤泥,施作围堰前先对湖底浮泥进行清理,清理平均深度为0.5 m。同时淤泥层较厚处,还需采用抛石挤淤的方式进行加固,深度为0.5m。


(2)卵石层防渗处理:湖底地层存在着较厚卵漂石层,且粒径偏大,链锯型刀端口插入困难,TRD刀具磨损验证,TRD工法难以成槽。本文提出了钻机清障引孔辅助TRD工法成槽,其技术原理为:利用旋挖钻机钻筒强大的破坏力将较大的块石破碎后取出,如果遇到难以取出的问题可直接将块石、卵石等障碍物挤压出TRD水泥墙施工范围,从而保证TRD水泥墙的正常施工。卵漂石地层上部杂填土及淤泥采用螺旋钻,下部卵石采用筒钻钻进。采用普通钢板代替合金刀头,降低刀头磨损成本。通过合理利用旋挖钻机引孔,优化TRD工序,改进刀盘降低磨损程度,提高了卵漂石地层TRD工法成槽的经济性,极大地促进了施工效率。TRD工法施工难度大,技术要点多,整个施工工艺流程如图5所示。


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(3)围堰稳定性处理:由于前期围堰内侧高压旋喷桩未实施到位,压渣土粘聚力较小,边坡未能达到稳定性要求,因此需要对围堰进行加固处理,处理方案如下:


①将围堰背水侧淤泥质土换填为石渣,换填宽度和深度分别为6m和3 m;

②对换填断面以下2m厚淤泥层进行抛石挤淤;

③在6m宽压渣体范围内进行地面注浆加固,注浆加固采用水灰比为0.8的水泥浆,注浆点间距为1m并采用梅花形布置,注浆深度至强风化层,注浆管上每隔0.5m设置注浆孔,每个截面设置2个注浆孔。现场注浆试验表明:注浆压力建议值为0.6~2.0 MPa,注浆半径以0.6m为宜。


4 工程结果分析


4.1围堰稳定性


地表沉降和土体深层水平位移是评价围堰稳定性的重要指标。本文选取8个地表沉降监测点 (DBC23-DBC30)和4个水平位移监测点(TST1-TST4)累计监测30d,各监测点的位置和监测结果分别如图6和图7所示。

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对于地表沉降监测点DBC23-DBC30,30d累计沉降量均小于4.5 mm,各个点平均每天沉降变化速率小于0.1mm·d-1;对于土体水平位移监测点TST1-TST4,30d最大水平位移产生在3.8~5.5m深度处,最大水平位移变化量分别为5.65 mm、4.08 mm、4.07 mm和3.82 mm,水平位移变化速率小于0.2 mm·d-1。综合地表沉降和水平位移监测结果,根据《建筑基坑工程监测技术规范》[10]对地表沉降与土体深层水平位移的要求,围堰的稳定性满足实际工程需求。


4.2卵石层防渗性


本文采用旋挖钻机引孔辅助TRD工法施工及机具改进等方法顺利解决卵漂石地层防渗墙TRD工法施工成槽难题。不仅加快了卵漂石层中的成墙速度,同时也大幅降低了设备磨损,提高了施工效率。通过钻芯取样及试验检测,TRD水泥墙体的完整性较好,强度满足设计要求。基坑开挖过程中,防渗墙渗漏水情况较少,防渗效果在可控范围内。水泥土渗透系数试验结果如表2所示,平均渗透系数为4.30×10-7 cm·s-1,低于设计的渗透系数1×10-6 cm·s-1,可以满足防渗要求。

5 总 结


卵石淤泥复合地层上筑土石围堰对围堰的稳定性和防渗性提出了极大考验。通过对青山湖湖底隧道围堰结构设计与施工关键技术的分析与研究,发现局部采用抛石挤淤可以有效加固地基稳定性;围堰边坡局部进行注浆可以有效增加围堰边坡稳定性;而在土石围堰中加设TRD桩墙,可以有效增强土石围堰整体抗渗透能力。


来源:《土工基础》

作者:陈燕青

编辑整理:项敏

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