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TRD工法超深止水帷幕在某项目中的应用

TRD工法 2023年11月27日 项敏 176
摘  要

 

摘要:本研究基于武汉长江航运中心项目,通过墙体质量检测、群孔抽水试验、基坑开挖期检查、周边环境监测等手段对武汉地区首次采用的TRD工法水泥土搅拌墙止水帷幕的止水效果进行研究。结果表明,TRD工法水泥土搅拌墙止水帷幕的止水效果显著,可以有效隔断基坑内外地下水的水力联系。本研究成果可作为一次“开先河”般成功的案例在武汉地区大力推广。


关键词:TRD工法;止水帷幕;墙体质量检测;群孔抽水试验


0 引 言 


随着城市化进程越来越快,合理并最大限度地开发利用地下空间显得尤为关键,“深、大”是基坑工程的一个重要发展趋势。受上部典型二元结构土层及下部强透水承压含水层的影响,地下水的控制是基坑工程的重中之重,尤其是长江一级阶地地段,承压含水层水头高且与长江有密切的水力联系。如果采用常规方案直接大量抽排下部承压水进行基坑降水,一方面工程造价高且对周边环境的影响较大,另一方面也会造成水资源的大量浪费。因此,武汉地区的深基坑工程往往采用落底式止水帷幕,常采用地下连续墙直接落底至基岩作为基坑开挖的止水帷幕。通过大量的工程实践不难发现,地下连续墙受施工工艺、质量管理控制等因素的限制,出现墙幅连接处“开叉”渗漏水、墙身夹泥渗漏水等现象,止水效果并不理想。


TRD工法是由日本神户制钢所开发的一种新型水泥土搅拌墙施工技术,兼有自行掘进和混合搅拌固化液的功能,目前在上海地区得到广泛应用,如海门路55号地块项目基坑支护工程、新江湾城23-1、23-2地块项目基坑围护工程。该工法在武汉地区尚未得到推广和应用,为此本文以武汉长江航运中心基坑工程为例,首次提出TRD工法超深落底式止水帷幕的地下水控制方案并对其止水效果进行分析研究。结果表明TRD工法水泥土搅拌墙止水帷幕隔断承压水效果显著,该项目可作为一次“开先河”般成功的工程案例在武汉地区广泛推广。


1 工程概况 


1.1 基坑概况及等级

武汉长江航运中心项目基坑长度约210m,宽度约170m,面积约31450m2,基坑周长约760m,设有4层地下室,普遍开挖深度约19.6~25.5m(见表1)。根据湖北省地方标准《基坑工程技术规程》(DB42/T159-2012)开挖深度超过15m的基坑工程重要性等级为一级,故本项目属于深基坑工程。

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1.2 地理位置及周边环境

本基坑工程东侧红线外为40m宽的沿江大道,为城市主干道,沿江大道东侧为长江,地下室边线距离长江堤岸最近处约60m;南侧红线外为既有建筑民航大厦,主楼27~33层,裙房4~8层,设有一层地下室,基础埋深8.7m,距离本工程地下室边线约38m;西侧红线外为20m宽的黄陂街,距离本工程地下室边线约25m;北侧红线外为30m宽的民生路,距离本工程地下室边线约20m。

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2 场地岩土工程条件


场区地层在详细勘察深度范围内主要划分为以下几层:①层杂填土(Qml)、②-1层粉质黏土夹粉土(Ql+pl)、②-2层粉质黏土与粉土、粉砂互层(Ql+pl)、③-1层细砂(Ql+pl)、③-2层细砂(Ql+pl)、④层中细砂夹卵砾石(Ql+pl)、⑤层强风化泥岩(S2 f)、⑥层中等风化泥岩(S2 f),各岩土层物理特征、主要力学指标及空间分布详见表2,典型工程地质剖面详见图2。

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3 水文地质条件


场地地下水类型主要为上层滞水及承压水。

上层滞水赋存于第①层杂填土层中,地下水位主要受气候因素的影响,大气降水、地表排水为其主要补给来源,其水位、水量随季节变化,无统一的自由水面。勘察期间测得场地上层滞水水位为地面以下1.90~2.10m,对应绝对高程为23.90~24.46m。


承压水主要赋存于下部砂性土层中,与长江的水力联系密切,互补关系、季节性变化规律明显,依据地区经验年变化幅度为3.0~4.0m左右,承压水水位为自然地面下9.00m左右,对应绝对高程为17.40m。第②-2层粉质黏土与粉土、粉砂互层具有弱承压性,水平渗透系数大于垂直渗透系数,该层按弱透水层考虑。第③-1层细砂、第③-2层细砂、第④层中细砂夹卵砾石属于强透水层,该层承压水含量大且直接与长江有密切的水力联系,容易出现突涌等险情。


4 基坑总体支护方案


结合本项目岩土工程条件、水文地质条件、基坑开挖深度及目前施工技术水平等诸多因素,经过多次沟通、优化及专项论证,最终选择地下连续墙+内支撑+TRD工法水泥土搅拌墙落底式止水帷幕(落至基岩)+中深井降水的基坑支护方案,支护结构平面布置图和典型剖面图详见图3、图4。TRD工法水泥土搅拌墙止水帷幕是首次在武汉地区使用,止水帷幕宽度为850mm、深度为56.8~58.6m,穿过约30m厚的细砂层、1~4m的中细砂卵砾层、1~2m厚的强风化泥岩后进入中等风化泥岩不小于0.2m,主要施工参数见表3。


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5 TRD工法的优势 


(1)墙体质量好。水泥土搅拌墙搅拌均匀,离散性小,可连续性施工,除转角外连续无接头,不存在咬合不良等情况,确保墙体高连续性和高止水性。

 

(2)适应性广。适应地层范围更广,在黏性土、砂性土、卵砾石及软质岩石中均可施工,墙体宽度在550~1200mm之间,最大施工深度可达80m。


(3)稳定性高。主机高度一般为8.7~12.0m,重心低,稳定性高,通过性好,机械的高度和施工深度无关。


(4)施工精度高。实时监测设备在施工过程中的各类参数,实现了施工全过程对TRD墙体的垂直精度控制,实时操纵调节,确保墙体精度。


6 止水效果分析 


基坑支护方案能否顺利实施,止水帷幕的止水效果非常重要,武汉市相当多的基坑事故是由于止水帷幕失效导致的。本项目通过墙体质量检测、群孔抽水试验、基坑开挖期检查、周边环境监测等方面对止水效果进行分析。


6.1 墙体质量检测

止水帷幕的墙体质量是止水效果好坏的先决条件,墙体施工过程中把好每道工序质量关,严格按操作规程及相应标准执行,随时纠正不符合要求的操作。本项目采用钻芯强度检测、墙体渗透性检测等手段对墙体质量进行检测(见表3)。

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(1)钻芯强度检测。钻芯法可对水泥土墙身强度、墙体连续性及均匀性进行综合检测。墙体成墙后,采用稳定性好的地质钻机,全程钻取等厚度水泥土搅拌墙施工后28d龄期的水泥土芯样,进行无侧限抗压强度试验。从现场取芯情况看,芯样完整、连续,呈灰色水泥土颜色,自上而下水泥土搅拌均匀。根据中国科学院武汉岩土力学研究所出具的试验检测报告表明:从钻孔底钻取的岩芯判断,TRD工法水泥土搅拌墙已进入中等风化泥岩层;芯样抗压强度介于1.00~1.16MPa之间,均大于1.0MPa,满足设计要求。


(2)墙体渗透性检测。本项目对墙体抗渗性能有特别要求,通过现场取芯进行墙体渗透性试验。根据中国科学院武汉岩土力学研究所出具的检测报告表明:TRD工法水泥土搅拌墙芯样渗透系数介于6.85×10-8~8.79×10-8cm/s之间,均小于1.0×10-7 cm/s,隔渗性能良好,满足设计要求。

 

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6.2 群孔抽水试验

在水泥土搅拌墙落底式止水帷幕形成封闭帷幕且达到28d龄期强度后,结合基坑内、外降水井进行抽水试验,通过理论计算的降水井数量与抽水试验确定的降水井数量对比、基坑内外承压水水位对比来验证水泥土搅拌墙的止水效果。


6.2.1降水井数量对比

本项目按基坑最大开挖深度25.5m考虑,由《武汉长江航运中心工程岩土工程勘察报告(详细勘察)》及《长江航运中心大厦抽水试验报告》可知,本项目下部承压含水层的主要水文地质参数为渗透系数K=18.29m/d,影响半径R=200m。

 

(1)根据湖北省地方标准《基坑管井降水工程技术规程》(DB42/T 830-2012)第5.5.2条周边无止水帷幕的开放式降水计算模型,基坑内总抽水量Q(m3/d)、单井出水能力q(m3/d)用下式估算:

TRD工法超深止水帷幕在某项目中的应用


式中:F为基坑面积(m2),取31450m2;r0为基坑等效圆半径(m),取100.2m;S为承压水水位下降设计值(m),取S=17.50m;L为含水层顶面与设计下降水位的高差(m),取L=2.4m;H为从承压含水层底面算起的承压水测压水位高度,取H=25.0m;K为含水层渗透系数(m/d),取18.29m/d;K0为含水层渗透系数概化值(m/d),取14.21m/d;γw为过滤器半径(m),取0.135m;l为过滤管长度(m),取13.4m;计算可得,Q=156480m3/d,q=1799m3/d。根据现场实际情况,单井设计出水量按60m3/h考虑,故q设=1440m3/d。降水井井数n=Q/q设=156480/1440=109口。


(2)根据湖北省地方标准《基坑工程技术规程》(DB42/T159-2012)配套的天汉基坑软件进行降水计算,将渗透系数K=18.29m/d,含水层厚度M=25.00m,承压水位设计下降值S=17.50m,基坑半径r0=100.2m等数据输入天汉软件(不考虑止水帷幕),计算得到场地内共需布置降水井58口。


(3)根据湖北地标规范和天汉基坑软件计算结果,结合武汉地区经验,理论计算值介于58~109之间,可取70;施工止水帷幕后,参考武汉地区类似基坑项目,现场实际施工降水井数量约为理论计算值的一半,可布置34口降水井,同时设置一定数量的备用井。在水泥土搅拌墙落底式止水帷幕形成封闭帷幕且达到28d龄期强度后,在场地内进行群孔抽水试验,初步设置降水井34口、坑内观测井8口(兼做备用井)、坑外观测井15口(兼做回灌井),后期根据场地实际情况进行调整,详见图5。

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抽水试验开始后进行连续降水施工,起初由于电缆故障等原因降水井数量较少。至试验中后期,降水井的数量满足降水要求,使坑内水位下降至基坑正负零下26.0~26.5m(设计要求水位),后逐步减少降水井的数量,使观测井水位维持在设计要求水位,一直稳定维持24h。水位维持期间,汇总各降水井水表读数,基坑总涌水量为21800m3。单井设计抽水量为60m3/h,故此时只需要16口降水井可达到设计降深(见表5)。

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6.2.2基坑内外水位对比

通过群孔抽水试验,监测基坑内外承压水水头的变化以综合判断水泥土搅拌墙止水帷幕施工质量和隔渗效果的可靠性。


根据抽水试验观测结果,水位维持在设计要求水位期间,只考虑基坑内外观测井水位,基坑内外水位差平均值约为12.65m,降深差约为8.99m,统计数据详见表6~表8。

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6.3 基坑开挖期检测

基坑开挖施工过程中,水泥土搅拌墙止水帷幕未发生明显的孔状或缝隙状漏水、涌砂、漏空或坍塌现象,整体止水效果良好,见图6。


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6.4 周边环境监测

根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009),在基坑工程施工的全过程中对基坑周边环境安全进行有效的监测,监测从基坑支护结构施工开始,至地下结构施工全部完成为止。在整个基坑监测周期,周边路面及临近建筑物发生不同程度的沉降,基坑开挖变形和基坑内降水引起的沉降满足设计要求,具体观测数据见表9。

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7 结 论 


武汉长江航运中心项目为武汉地区首次采用TRD工法超深落底式止水帷幕深基坑项目,本文通过墙体质量检测、群孔抽水试验、基坑开挖期检查、周边环境监测等手段对其止水效果进行全面研究,结果表明TRD法水泥土搅拌墙止水帷幕的止水效果显著,可以有效隔断基坑内外地下水的水力联系。


(1)本项目采用钻芯法、墙体渗透性试验等手段对TRD工法水泥土搅拌墙墙体质量进行检测。由钻芯检测可知,芯样抗压强度介于1.00~1.16MPa之间,均大于1.0MPa,满足设计要求;由墙体渗透性检测可知,芯样渗透系数介于6.85×10-8~8.79×10-8 cm/s之间,小于1.0×10-7 cm/s,隔渗性能良好,满足设计要求。


(2)为验证TRD工法水泥土搅拌墙的止水效果,进行群孔抽水试验。由群孔抽水试验可知,实际仅需要16口降水井就可以达到设计要求和降水目的;由基坑内外地下水监测数据可知,基坑内水位降深大,基坑外水位降深小,基坑内水位平均降深约是基坑外水位平均降深的3.5倍,止水帷幕止水效果比较理想。


(3)通过基坑开挖期检查和基坑周边环境监测表明,止水帷幕整体止水效果良好,基坑开挖变形和基坑内降水引起的沉降满足设计要求。


(4)基于上述结论,本研究成果可作为一次“开先河”般成功的案例在武汉地区大力推广。


来源:《工程勘察》
作者苗亮

编辑整理:项敏

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