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TRD工法水泥土连续墙止水帷幕在地铁明挖深基坑的应用技术

TRD工法 2021年9月14日 项敏 192

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TRD工法轨道交通应用案例




TRD工法水泥土连续墙止水帷幕在地铁明挖深基坑的应用技术

李春胜



摘  要


摘要:目前我国地铁建设规模不断扩大,随之而来的深基坑地下水处理问题日渐凸显。基于某市地铁项目,介绍了TRD工法的原理、特点、主要装置及其适用条件,详述了TRD工法水泥土连续墙止水帷幕在明挖深基坑的应用技术,为类似建设项目中出现的地下水处理问题提供新的解决方案。


关键词:TRD;深基坑;止水新技术


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引  言

地铁深基坑渗漏水是影响基坑施工安全与工效的关键因素之一,若能将地下水隔阻在基坑之外,将极大地提高基坑施工安全与工效。TRD水泥土连续墙止水帷幕能有效地阻隔高水位,解决丰水量地下水问题,确保深基坑开挖后侧壁基本不漏不渗,为机械化挖土创造良好的作业条件,改善了施工环境,降低了劳动强度,加快了施工进度;同时有效遏制了高水位、高水压基坑涌水涌砂(泥)事故的发生,保证了基坑安全。实践证明,TRD水泥土连续墙止水帷幕具有良好的防水性能,具有广泛的适用性和推广价值。

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工程概况


1.1车站概况

某市正阳路站采用明挖顺作法施工。车站主体长度499 m,车站形式为地下两层三跨(局部两跨)矩形框架结构。标准段宽度22.9 m,盾构井段宽26.6 m,标准段底板埋深16.4 m~17.1 m,盾构接收段底板埋深18.5 m,车站底板位于强风化泥质砂岩层,顶板覆土3.0 m~3.9 m。基坑围护采用φ1 000@1 400钻孔灌注桩,桩端进入中风化层深度1.0 m;止水帷幕采用850 mm厚水泥土连续墙(TRD工法,局部遇管线处采用高压旋喷桩止水),设计墙体总长度885.42 m,平均墙体深度21.06 m(自然地面计算)。水泥土连续墙从地面开始施工,按进入强风化岩层不小于1 m进行控制,如遇中风化岩层可截止。


1.2工程地质

该站自上而下依次为素填土、粉质黏土、中砂/粗砂、粗砂/砾砂、强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩。


(1)素填土:主要成分为粉质黏土,夹少量碎石和砂砾,厚度1.2 m~4.8 m。

(2)粉质黏土:厚度0.3 m~8.8 m,层底标高—1.22 m~6.87 m。

(3)中砂/粗砂:厚度0.3 m~4 m,层底标高0.71 m~5.13 m。

(4)粗砂/砾砂:厚度1.1 m~9 m,层底标高—6.71 m~2.17 m。

(5)强风化泥质砂岩:厚度0.3 m~4.8 m,层底标高—13.94 m~—9.56 m。

(6)中风化泥质砂岩:厚度1.3 m~9.5 m,层底标高—20.55 m~—9.76 m。


1.3水文地质

地下水类型主要是第四系孔隙水及基岩裂隙水,第四系孔隙水又分为上层滞水、潜水和承压水,地下水稳定水位埋深为2.4 m~5.0 m;基坑基岩裂隙水日涌水量约为51 300 m3。


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TRD工法简介


2.1TRD工法原理

TRD工法是指在各类土层和砂砾石层中连续成墙的成套设备和施工方法。TRD工法的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,固结原来位置上的泥土,在地下形成等厚度、连续、高防渗质量、有一定承载力的水泥土墙,以达到帷幕止水效果的施工方法。TRD工法主要应用在各类建筑工程、地下工程、护岸工程、大坝、堤防的基础加固、防渗处理等方面(参见JGJ/T 303—2013《渠式切割水泥土连续墙技术规程》)。


2.2TRD工法特点

(1)施工深度大:最大深度可达70 m,成墙550 mm~850 mm。

(2)适应地层广:可以适用于N值100击以内的土层,还可在粒径小于100 mm的卵砾石层和无侧限抗压强度不大于10 MPa的软岩层中施工。

(3)成墙品质好:在墙体深度方向上,水泥土搅拌均匀,离散性小,强度高。

(4)防水效果好:墙体透水系数可达1×10-5 cm/s~1×10-7 cm/s。

(5)成墙精度高:随钻的多段式测斜仪及钻进参数仪对墙体质量实时监控,垂直度偏差不大于1/250。

(6)稳定性高:设备高度低,重心稳,适用于高度受限的作业环境。

(7)无缝连接:连续成墙,墙体等厚,型钢间距可任意设置。

(8)设备性能独特:TRD设备独特的刀具设计及纵向搅拌模式,具有一定的排渣能力,可将一般的障碍物及石块带到浆层表面,方便清理。


2.3TRD施工主要装置

TRD施工所需主要装置如表1所示。


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2.4TRD工法适用条件

2.4.1适用地层

(1)土层:人工填土、黏性土、淤泥土和淤泥质土、粉土、砂土、碎石土、卵砾石土层;标贯值N<100,最大粒径小于100 mm。

(2)岩层:单轴抗压强度小于10 MPa的岩层。

2.4.2墙深

TRD墙深不宜大于60m。

2.4.3墙厚

墙体厚度可取550 mm~850 mm,50 mm模数变化。

2.4.4材料

TRD墙所用水泥应采用强度等级不低于P.O42.5级

普通硅酸盐水泥;水泥掺量不宜小于20%,水灰比宜取1.0~2.0。

2.4.5强度及抗渗要求

水泥土28 d无侧限抗压强度标准值不宜小于0.8 MPa;渗透系数不应大于1×10-7 cm/s。

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TRD三循环施工工艺


3.1TRD三循环施工流程

等厚度水泥土连续墙建造工序采用3循环的方式,即切割箱钻至设计深度后,首先通过切割箱底端注入高浓度的膨润土浆液(挖掘液)进行先行挖掘地层一段距离(8 m~12 m)与原位土体进行初次混合搅拌,再回撤挖掘至起始点后,拌浆后台更换水泥浆液(固化液),通过压浆泵注入切割箱底端与挖掘液混合泥浆进行混合搅拌,固化成墙。


3.1.1TRD工法三循环施工工序

(1)实地调查。考虑管线及障碍物的存在会影响TRD成墙的连续性,施工前应首先掌握工程地质及环境情况,分别采用物探及人工挖探的方式探明地下障碍物及管线情况。

(2)机械及后台组装。施工前完成TRD设备组装;完成后配套设施(水泥罐、螺旋机、搅拌机、注浆机、空压机、电路、水路等配套设施)的组装;调试TRD设备及配套设施,使其正常运行。

(3)测量放线。施工前先根据设计图纸和业主提供的坐标基准点,精确计算出TRD工法止水帷幕(试成墙)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;做好护桩工作并通知相关单位进行放线复核。

(4)开挖前准备。开挖导槽和预埋穴,将预埋箱吊放入预埋穴;考虑TRD机械平稳行走,须在导槽边铺设3 cm厚钢板;根据墙体设计深度进行刀箱组装。

(5)先行挖掘。切割箱打入土体至设计深度后,横向切割土体;同时注入挖掘液(膨润土),每立方米被搅拌土体膨润土掺入量控制在30 kg~50 kg,挖掘液注浆压力控制在1.5 MPa左右,48 h内推进长度不得大于30 m。

(6)回撤搅拌。待先行挖掘完成该区段后再回撤搅拌,将加入膨润土的土体充分混合搅拌,确保其混合泥浆流动度控制在160 mm~240 mm。

(7)固化搅拌成墙。水泥掺量应取决于土质条件和所要求的水泥土强度,计算出土体体积及质量,控制水泥掺量一般为25%~28%。水灰比取1.2~1.4。固化液混合泥浆流动度宜控制在180 mm~220 mm,固化液注浆压力为2 MPa左右。在注浆成墙的同时,须将置换出来的泥浆集中处理。

(8)置换土处理。将施工中产生的废弃泥浆统一堆放,集中处理,待晾晒后及时外运。

(9)刀箱拆解。施工结束后,将刀箱拆解,清洗干净后分类堆码,以备周转。


3.1.2TRD工法三循环施工工序流程图

TRD工法三循环施工工序流程如图1所示。

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3.2细部处理

3.2.1切割地下管线处理

当TRD桩机遇小直径、不可改移的地下管线时,须提出刀箱,跳过管线,采用咬合旋喷桩处理。如图2所示。

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3.2.2基坑拐角处冷缝处理

一般来说,基坑拐角处冷缝处理采用咬合旋喷桩处理方案,如图3所示。


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3.2.3盾构扩大段处理

一次提刀并结合咬合旋喷桩处理,或不提刀,采用15°转角过渡,并对夹层土体采用咬合旋喷桩处理,如图4和图5所示。


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3.2.4TRD水泥土连续墙与钻孔桩施工衔接

(1)先行施工TRD水泥土连续墙。TRD水泥土连续为止水帷幕,若先行施工,则须将尺寸向外扩展15 cm~20 cm,且须待墙体达到设计强度后方可施工钻孔灌注桩,避免钻孔桩施工时破坏搅拌墙质量,影响止水效果。TRD施工切掘前应安排专业测量人员进行测量放样,通过两点间的平行线来严格控制设备行走轨迹处在设计范围内,从而不侵占钻孔桩的施工部位。


(2)先行施工钻孔灌注桩。灌注桩起着支护基坑的作用,要承受抗剪力,因此必须确保灌注桩定位准确,钻孔时确保成孔的垂直度。钻孔桩成孔是旋挖成孔,因此在钻孔过程中如果遇到特殊地质条件(如沙层),就有可能会发生塌孔现象。一旦坍塌面积过大,灌注桩砼浇筑完成后,极有可能侵占TRD水泥土墙的施工部位,不仅使设备在横切过程中必定会切到钻孔桩桩边的混凝土,产生剧烈抖动,给整套设施带来巨大的损伤,极大地影响了使用寿命,而且还无法保证施工进度。链刀式成槽设备,只适宜切割泥土、沙层、五类围岩等低强度切割作业施工条件,无法切割诸如钻孔桩混凝土之类高强度的作业对象。


如果后施工TRD止水帷幕,应向外扩展40cm左右,并尽量降低成槽机对钻孔桩的扰动,以减少止水帷幕施工对钻孔桩影响。


3.3成墙质量评测

TRD成墙质量评测方法一般有原位检测、室内测试及开挖监测,评测项目如图6所示。

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(1)原位检测:主要是检测钻孔完整性和成墙渗透性


(2)室内测试:主要是检测连续墙无侧限抗压强度及抗渗性。TRD施工28 d后,取芯检验数量及方法按一个独立延米墙身取样,数量为墙身平面总延米的1%,且主体结构不应小于5处,每个附属结构不小于1处;每个取芯钻孔应根据土层分布和墙体所在位置的重要性,在墙身不同深度处取样,且在基坑坑底附近应设取样点,取芯数量不少于3组(参见JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》)。


(3)开挖监测:在TRD连续墙基坑开挖过程中,系统监测多为物理场变化。该测试主要是基于不同地层差异性的墙体以及灌注桩受力、墙体渗透性、墙体及灌注桩位移等;测试的目的是便于系统地研究与评价该工法的可靠性和安全性,为后续设计改进提供科学依据;在数据现场监测获取基础上,努力实现Web在线数据发布。


3.4主要工序管理目标


3.4.1掘削垂直精度的管理

TRD工法特有的切割箱垂直度的管理,是为达到大深度施工目的,以确保良好的止水性而进行的管理项目。利用切割箱内部安装的多段倾斜计,管理成墙的垂直精度,一般可确保1/250以内的精度。


3.4.2墙垂直线及墙中心的位置的管理

TRD连续墙的垂直线及墙中心位置的管理,其方法是在TRD施工主机不同位置上安装两块透明板并设置管理点,将激光经纬仪的激光射线打在管理点上,以此进行墙中心的位置监控管理。


3.4.3切削土体施工管理目标

切削土体施工的管理项目主要包括:泥浆的液面高度、比重、TF值、浮出率,刀具的切削宽度、损伤程度(刀头、刀板、刀架),墙芯位置,切削箱体的垂直精度、磨损量,链条的转速、磨损量,具体参数如表2所示。


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3.4.4成墙施工管理目标

成墙施工的管理项目主要包括:未凝固泥浆的液面比重、TF值(即时)、TF值(30 min以后)、浮浆率,固化液的注入率偏差(相对于设计值)、配合比偏差(W/C),成墙速度偏差和链条转速,具体参数如表3所示。

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TRD施工控制要点


(1)施工前应掌握场地地质及环境资料,查明不良地质及地下障碍物的详细情况,编制施工组织设计方案,制定应急预案。清除地下的瓦砾、废管、木桩、混凝土块等杂物后方可施工。


(2)水泥用量及水灰比等参数宜根据墙体性能要求和土质条件由试验确定。水泥宜采用强度等级不低于P.042.5级普通硅酸盐水泥,水泥掺入比应根据土质条件及要求的水泥土强度确定,且不宜小于20%,水灰比宜取1.0~2.0(参见GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》)。


(3)等厚度水泥土搅拌墙切割箱自行打入挖掘工序及先行挖掘地基过程,切割液的注入量宜控制到最小,必要时可预先回填黏土。


(4)施工过程中应检查链状刀具的工作状态及刀头磨损度,及时维修、更换和调整施工工艺。


(5)后续施工的墙体宜搭接已成型墙体,不宜小于500mm,严格控制搭接区域的推进速度,使固化液与混合泥浆充分混合搅拌,确保搭接质量。


(6)TRD工法成墙搅拌结束或因故停待后,切割箱体宜远离成墙区域不少于3 m,并在切割液中添加外加剂或采取其他技术措施,以防切割箱被抱死。


(7)拌制切割液、固化液所选用的水泥、膨润土、外掺剂等原材料,其技术指标和检查项目应符合设计要求和国家现行标准的规定(参见GB 50208—2011《地下防水工程质量验收规范》)。


(8)在施工过程中,对切割液、固化液的水灰比,切割液混合泥浆、固化液混合泥浆的TF值(泥浆流动度)应根据土质及现场条件进行监控和适时调整,浆液不得离析,并且满足国家现行规范及施工工艺的要求。其中,切割液的配制因地层而异,砂性地层可添加适量的颗粒调整材料,如优质斑土等。


(9)转角施工有墙内拔出与墙外拔出切割箱两种情况,在条件许可的情况下,尽可能采用墙外拔出切割箱。为保证接缝质量,施工时每到转角处都应向墙体外侧多施工1延米,形成“+”字形式的转角接头。


(10)在TRD施工时采用三步施工法: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,首先注入切割液先行挖掘一段距离,然后回撤挖掘至原处,再注入固化液向前推进搅拌成墙。


(11)在施工过程中所产生的水泥土浆,应收集在导向沟内或现场临时设置的沟槽内,水泥土浆处置应符合相应环保法规等的要求。


(12)对TRD施工质量的控制要求:水泥土搅拌墙深偏差控制值为±30 mm,墙体定位偏差控制值为±25 mm,墙厚偏差控制值为±30 mm,墙体垂直度控制在1/250以内。在开挖土方之前,应检验墙身水泥土的强度和抗渗性能,要求墙体抗渗系数应≤1×10-7 cm/s,28 d无侧限抗压强度应≥0.8 MPa,方可进行基坑开挖。


(13)宜采用刚切割搅拌完成未凝固的水泥土制作的试块,测定墙身的强度和渗透系数。每台班取一个独立延米墙身取样,每个取样的取芯数量不少于3组,根据土层分布和墙体所在位置的重要性在墙身不同深处的三点取样,水下养护28d后,测定无侧限抗压强度及渗透性能。


(14)在TRD施工过程中若遇地下管线,应尽量采取临时改移措施加以保护;若无法改移,则在TRD无法施工的范围内采用旋喷桩进行咬合止水,咬合范围不小于300 mm。


(15)宜首先施工TRD水泥土搅拌墙,待墙体具有一定强度后,再施工钻孔围护桩。


(16)TRD施工方必须具有专业施工资质,且有相关施工经验,并执行JGJ/T 303—2013《渠式切割水泥土连续墙技术规程》的有关规定,确保水泥土搅拌墙不渗漏。若有渗漏,则应及时采取补救措施,保证基坑安全。


(17)由于TRD工法目前应用较少,缺少成熟的施工经验,使用时应结合车站具体地质情况设置试验段,经专家评审后方可施工。


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结  论


本项目中正阳路站采用了TRD工法水泥土连续墙止水帷幕新技术,通过本工程实践,TRD工法水泥土连续墙止水效果远优于高压旋喷桩止水。本文结合该项目简要介绍了TRD工法施工工艺及施工质量控制要点,以供类似工况参考。

来源:《建设管理》

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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