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临江深厚粉砂层中TRD等厚帷幕隔水效果研究

TRD工法 2021年9月8日 项敏 134




TRD工法应用案例





临江深厚粉砂层中TRD等厚帷幕隔水效果研究


沈恺



摘  要


摘要:杭州地铁8号线一期工程SG8-2标段下穿钱塘江,采用大直径泥水平衡盾构施工。由于该工程的富水软弱地层土体稳定性差,盾构始发时易发生涌砂涌水等险情。为了防止险情发生,在设计方案中采取了对盾构始发端头区进行搅拌桩加固,以及在加固区周边利用水泥加固土地下连续墙(trench cutting re-mixing deep wall,TRD)形成隔水帷幕的技术措施。在临江粉砂层中地连墙施工易塌孔,成墙存在困难,工艺要求高,对此论述了TRD工法施工工艺、施工参数,开展了TRD等厚帷幕水泥土取芯和无侧限抗压强度试验,以及加固区内降水试验,观测了降水井抽水过程中加固区内外的水位变化情况。试验结果表明,TRD等厚帷幕在粉砂层中成墙效果良好,其强度大于设计值1.0 MPa,满足设计要求;TRD等厚帷幕能较好地隔断盾构始发加固区内外的水力联系,隔水效果良好。


关键词:地铁;隔水效果;抽水试验;TRD等厚帷幕;粉砂层;盾构



引  言


近年来随着地铁施工中基坑不断向大、深方向发展,水泥加固土地下连续墙(trench cutting re-mixing deep wall,TRD)工法在隧道施工中用于深层地下水隔断的情况越来越多,相关研究也不断出现。TRD工法起源于日本,中国于2005年引入此项技术,相比较于传统加劲水泥土搅拌墙(soil mixing wall,SMW)工法,它具有造价低、污染小、止水性能良好等优点。目前国内对TRD工法的研究主要集中在对大、深基坑或特殊地质条件下,TRD等厚帷幕的应用。对大、深基坑情况,李星等也通过分析工程案例总结了TRD等厚帷幕施工控制要点,张世轩等通过施工方案对比等方法确定了TRD等厚帷幕的施工参数;对特殊地质条件下的施工,魏祥等通过强度检测、渗透性检测,评估了在软土、砂层条件下TRD等厚帷幕的可靠性。在TRD等厚帷幕的理论研究方面,王卫东等通过有限元软件分析、施工监测等方法,研究了TRD等厚帷幕变形规律、力学性质,评估了TRD等厚帷幕施工中对周边环境的影响;陈晨等通过室内三轴试验,评估了不同水泥土掺量对TRD等厚帷幕渗透系数的影响;宋兵等根据渗流理论及相关规范,总结了用局部抽水试验方法评价帷幕止水效果的方法。总体而言,目前对TRD等厚帷幕在粉砂层中成墙工艺及其隔水效果的研究尚不多见。


基于上述情况,本文以杭州地铁8号线一期工程SG8-2标段为例,在现场对TRD等厚帷幕隔水效果进行试验研究。采用取芯和抽水等方法对TRD等厚帷幕施工及隔水效果进行分析,提出了在粉砂层条件下TRD等厚帷幕施工参数及评估其隔水效果的方法。


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工程概况


本工程位于杭州钱塘新区,属杭州地铁8号线一期工程,为单洞双线盾构隧道,隧道全长3 466.149 m,其中过钱塘江段约2.1 km。隧道周边环境复杂,东侧为钱塘江及其江堤,南北两侧为浙江工商大学教学楼和生活区,周边建筑物多,需严格控制地表沉降,施工难度大。


1.1地质概况

拟建场地下部地层主要为第四系中黏性土层,自上而下为杂填土层(0.40〜2.30 m)、素填土层(0.20〜3.20 m)、砂质粉土层(1.10-3.70 m)、砂质粉土夹粉砂层(1.20-9.50 m)、粉砂层(1.10-8.70 m)、砂质粉土层(0.80〜9.00 m)、淤泥质粉质黏土夹粉土层(0.90〜16.80 m)、砂质粉土夹淤泥质粉质黏土层(0.80—17.30 m)、淤泥质粉质黏土夹粉土层(1.20〜12.00 m)、粉质黏土层(0.70〜13.70 m)。本工程TRD等厚帷幕多位于砂质粉土层、粉砂层及各种含粉砂层中,通过钻孔取样试验可得文桥区间粉砂层颗粒级配及含水率:实测含水率3=24.0%,界限粒径&=0.157 mm,中间粒径d30=0.026 mm,有效粒径dw=0.008 mm,不均匀系数Cu=21.315,曲率系数Cc=l.216,为级配良好的细粒粉砂。对工程影响较大的地下水主要位于浅(中)部填土层与砂质土层中的潜水;地表水为钱塘江,江面宽约2.1 km,江面水位受潮汐的影响,且地表水与地下水存在一定的联系。


1.2地层加固与地连墙结构参数

在工程中为了避免地下水涌出和开挖面坍塌,控制地表沉降,确保盾构机能从始发井安全进入盾构隧道,在始发井前端设置端头加固区,采用三重管法施工。靠风井内侧围挡采用三重旋喷桩加固,直径0.8 m,间距(桩中心距)0.6 m;内部采用搅拌桩设置加固区,直径0.85 m,间距(桩中心距)0.6 m;外侧围挡使用0.85 m厚TRD等厚帷幕。加固范围为隧顶以上5 m至隧底以下5 m,宽25 mo TRD等厚帷幕深度为36.658 m,到达隧道底部以下10 m,并进入粉质黏土层,以确保其止水效果。地层分布、加固区及TRD等厚帷幕结构如图1所示。


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TRD施工步骤及施工参


TRD工法的切削机位于地面以下,整机重心低,并且利用导轨前进,由计算机进行控制,稳定性强,精确度高。该工法适用地层广,在砂砾、硬土、砂质土及黏性土中,均能实现快速掘进。在施工过程中设备连续行进时,可以在适当位置设置H型钢,所成墙体没有接缝,止水性良好且墙体厚度均匀。


本工程施工所处地层主要为粉砂层,粉土层中易塌孔,淤泥质土层中易出现缩径现象。TRD等厚帷幕处于临江富水软弱粉砂层中,由于不同含砂土层的黏土含量、含水量不同,黏土胶结作用和地下水冲刷作用会影响TRD等厚帷幕成墙质量,导致墙体自上而下强度不均匀。此外,浇筑混凝土过程中形成露筋、夹泥、鼓包、接缝不严密等问题,墙槽稳定性和垂直度不易控制,施工质量控制难度大。因此,TRD工法施工时切割箱沿侧墙横向移动,采用“先行挖掘,回撤挖掘,成墙搅拌”三步成墙工艺,具体施工流程如图2所示。三步成墙过程中均应注入水泥浆液,并根据切割箱移动速度匹配相应的注浆速度和泥浆泵流量,注浆参数见表1。


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本工程通过施工参数的控制来保证TRD等厚帷幕的强度及隔水效果。墙体采用42.5级的普通硅酸盐水泥,水泥掺量25%,水灰质量比为1:1.5,泥浆相对密度1.4〜1.5。切割箱到达设计深度之后,使用斜测仪以确保垂直度偏差V。.3%。


3


TRD应用效果检测


TRD等厚帷幕成墙后,在现场通过xy-100型岩芯液压钻机钻取水泥土芯,在室内加工成标准试件,然后采用无侧限抗压强度试验,测出试件破裂时的极限强度,判定TRD的强度是否符合设计要求。通过抽水试验评估TRD等厚帷幕的隔水效果。首先在工作井的坑内和坑外布置降水井,然后对坑内降水井进行3次抽水试验,每次抽水后待水位恢复到稳定位置,再观察坑内外降水井水位变化,以评估TRD等厚帷幕的隔水效果。最后通过水平探孔试验验证抽水试验结论的可靠性:经过28 d待加固区完全成形,根据洞门点位布置进行探孔试验,观察钻探后点位是否有水渗出。


3.1强度检测

取芯检测深度为33.96 m,现场抽取芯样完整率大于80%,各地层芯样均连续、完整、呈柱状,土芯如图3所示。观察土芯可见土体均匀,表明TRD法施工地连墙水泥与地层拌和均匀。无侧限抗压强度试验结果见表2。由表2可知,地连墙上段平均强度为1.14 MPa,中段为1.10 MPa,下段为1.17 MPa,根据土芯完整程度和强度均值,选取强度代表值为1.10 MPa,大于设计要求的1.。MPa。可见地下连续搅拌的土体均匀性良好,满足强度要求。

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3.2降水试验

TRD等厚帷幕内侧布置2口降水井,记为N1、N2,帷幕外侧设4口水位观测井,记为W1、W2、W3、W4,如图4所示。降水井外径700 mm,内径300 mm,深度30.5 mo采用3次降水丄试验法,水泵放入深度29 m,在抽取过程中测定水位,以确定TRD等厚帷幕内外侧的水力联系。


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N1降水井抽水情况见图5,第一阶段抽水后井管内水位降至地面下28 m,随后进入第一个水位恢复阶段,恢复后水位为16.2 mo第二阶段抽水2 h,水位降为28.2 m,随后进入第二个水位恢复阶段,恢复后水位为24.5 mo第三阶段抽水约2 h,抽至水位基本上稳定,为27.9 m,6 h后水位恢复到27.4 m,水位基本上达到稳定状态。N2降水井结果如图6所示,情况与图5一致,稳定水位为27.3 mo这说明降水井N1与N2位于同一性质土层中,地下水存在流通性,两口井的试验数据相互印证,试验结果可靠。

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对TRD等厚帷幕外侧4口水位观测井W1、W2、W3、W4的24 h水位变化监测结果表明,在帷幕内侧抽水井3次抽水期间,水位基本上稳定,为0.95 m左右,水位最大波动为0.03 m,如图7所示。比较图5〜7可知,在帷幕内侧降水井排水时,内侧水井水位变化显著,外侧水井水位基本上没有变化,这表明TRD等厚帷幕切断其内外的水力联系,止水效果良好。

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3.3水平探孔试验

在洞门位置取9个点位,设置9个直径为60 mm的水平探孔,深度为6 m,点位布置如图8所示。经过3 d的观测,探孔均未发现有水流出(图9),这表明TRD等厚帷幕止水效果良好,抗渗性较强。

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结  论


通过强度检测和降水试验对TRD等厚帷幕应用效果进行评估,我们得出如下结论:


1)TRD等厚帷幕成墙后取芯完整度较高、坚硬、均匀,在粉砂层中成墙情况良好,强度在1.10〜1.17 MPa。大于设计值1.0 MPa,满足设计要求。


2)盾构始发加固区域内每口井水位稳定在27.3 m左右,始终低于洞门1 m以下。外侧观测井水位稳定在0.95 m左右,水位基本上无变化,帷幕内外水位差约为26 m这说明TRD等厚帷幕较好地隔断盾构始发加固区内外的水力联系,隔水效果良好。


3)设置的水平探孔3 d后无水流出,说明TRD等厚帷幕止水效果良好,抗渗性较强,抽水试验结果可靠。


4)水灰质量比为1:1.5,水泥掺量25%的材料配比,以及相关施工工艺可以在临江深厚粉砂层中形成隔水效果良好的TRD等厚帷幕,保证了始发过程中盾构施工的安全。


来源:《浙江科技学院学报

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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