TRD工法原理及其在深基坑止水帷幕中的应用

2021-04-01 09:53葛永超
工程建设与设计 2021年9期
关键词:成墙抗渗工法

葛永超

(中交第三航务工程局有限公司厦门分公司,福建 厦门 361006)

1 引言

在复杂地质及水文条件下,对基坑围护止水等施工技术及工法提出了新的要求。在大量工程实践中,技术人员积累了丰富的经验,使得新工艺、新方法迭代升级并不断涌现[1]。本文以实际工程为背景,系统介绍了TRD工法的原理及其在深基坑止水帷幕中的应用,为其他类似工程提供了设计和施工的依据。

2 工程概况

某污水处理厂一期基坑开挖与支护工程,一体化箱体和泥区平面尺寸为368 m×(106~183) m;场地平整标高6.0~7.0 m,西高东低,基坑深度6.3~8.6 m。该项目结构桩采用灌注桩与高强预应力管桩相结合的方式布置;灌注桩强度等级不低于C35(水下),水泥强度等级为42.5级。高强预应力管桩桩身混凝土强度为C80,采用PHC500-AB125-24~28c管桩。基坑止水帷幕采用TRD工法桩和三轴水泥土搅拌桩(直径850 mm)。

拟建场地位于某市东海域,所在海域属强潮海区,正规半日潮,场地地貌为海湾滩涂地貌。

地勘表明场地土层结构复杂:①1杂填土、①2素填土、①3填砂、②淤泥、③粉质黏土、④粉土、⑤残积砂质黏性土、⑥全风化花岗岩、⑦砂砾状强风化花岗岩、⑧碎块状强风化花岗岩、⑨中风化花岗岩。地勘表明,地表杂填土层上部有建筑垃圾和碎砖石,同时场地有土质松软的暗浜。

3 TRD工法介绍

3.1 工法原理

TRD工法由日本在1993年发明,是目前世界上最为先进的围护施工方法之一,2009年引入我国,在不同工程中得到了成功应用,得到业内的认可和推广。

TRD工法是利用液压主机驱动链锯式切割箱,对土地进行竖向切割,切割至设计深度后,刀具连同主机横向移动形成等厚的地下连续墙[2,3]。成墙机理主要从高压喷射注浆和理化反应2方面解释。

1)高压喷射注浆

利用高压水喷射流切割原理对土体进行切割,可以加固地基土,提高土体的强度和抗渗性能,一定程度上是部分地基土体被泥浆置换。

高压喷射注浆形成固结体是切割土、搅拌扬升、填充挤压、浆液固结等共同作用的结果。切割土作用是指喷射流在高压作用下,地基土在动水压力、水力劈裂力、脉动压力等共同作用下被破坏;搅拌扬升是指空气作用使泥浆混合液沿孔壁喷射出地面,改变了土层的颗粒级配;填充挤压则是喷射泥浆在静水压力作用下对土层的挤压作用。泥浆固结是指泥浆向周围土层扩散,提高其强度和抗渗性。

2)理化反应

TRD工法注入的固化剂与深层破碎的土之间产生一系列物理化学反应,使原状土体的结构发生改变,形成完整性、水稳性和高强度的水泥土和石灰土。

固化剂目前常用水泥、石灰等材料,在搅拌机作用下使固化剂与土地进行充分搅拌,经过一系列的物化反应形成一种强度比天然土体高、整体稳定性和抗渗性良好的等厚水泥土抗渗墙体。

3.2 工法特点

1)适用性强:TRDI法在稳定性和实用性上有较大优势。在施工深度上可以延伸至地下60 m,成墙厚度最大可到850 mm,机具高度约10 m。

2)适应地层广:在标准贯入度N<100的软质土层中表现优异,同时在硬质地层中具有良好的挖掘性能。

3)无缝连接:施工一次成墙,墙体等厚,可以任意设置芯材间距。

4)成墙品质好:相比传统工法,在深层土层中搅拌均匀,墙体具有很好的均质性和连续性,成墙强度高、抗渗性好、水平和垂直偏差率低。墙体抗压强度可达2.0 MPa,渗透系数可达105mm/s。

4 深坑止水帷幕中的应用

4.1 传统工法的局限性

传统工法的局限性体现在以下3方面:

1)传统旋喷桩对技术人员的机械操作水平要求比较高,在复杂地层结构中适应性差,在较深土层中成桩质量得不到保证,成本难以控制;

2)桩与桩之间的咬合度较差,在土层多变的深大基坑中止水效果较差,存在一定的施工风险;

3)施工效率低,机具对场地要求高,在城市施工噪声大,泥浆量较大,对周围环境的污染较为严重,不能做到绿色施工。

4.2 应用前景分析

应用前景从以下3方面进行分析:

1)经济效益:TRD工法施工工期短、造价较低、适用范围广,成墙可作为建筑物本体,可以起到止水帷幕的作用,节省大量的混凝土和钢材。在基坑止水帷幕达到相同效果的情况下,TRD工法要比传统工法成墙厚度少0.2~0.5 m,可节约大量原材料和土地,明显降低造价。

2)社会效益:对比传统SMW工法,在深基坑围护施工中TRD工法具有明显优势。SMW工法施工深基坑围护一般<20 m,在深层搅拌表现较差,桩间搭接效果不能保障。TRD工法在深基坑围护施工中可以保证成墙水泥土的连续性和均匀性。在设备机具高度上,TRD工法约11 m,而SMW工法达到25 m以上,桩架的安全性能得不到保障。TRD工法节省了施工工艺,集约了社会成本。

3)环境效益:TRD工法具有低噪声、振动低、泥浆无须外运、节水等优势,具有良好的环境效益。传统混凝土连续墙会产生大量泥浆,特别是城市地铁、高层建筑等施工会产生较大环境负担。

4.3 TRD工法的具体应用

4.3.1 施工应用

TRD工法施工应用广泛,起到支护和止水帷幕双重作用,特别是在有地下水涌入的地下挖掘工事中,临江、临河、临海地下水位较高的超深基坑中,以及在盾构竖井、挡土防渗墙、腐殖地层的地基改良中也有广泛的应用。

在本基坑止水帷幕的施工过程中,需要根据现场出土情况和实验结果适当调整施工参数,如适当延长成墙的搅拌时间,以保证成墙的连续性和均质性。本工程采用TRD-Ⅲ型工法工程钻机,搭配切割箱、空压机以及测量装置进行施工。

根据设计规范要求,成墙后对墙体钻孔取样,测量不同龄期墙体的强度和渗透性。检测结果显示:TRD工法止水帷幕施工在土层多变的基坑中呈现较好的均匀性,渗透性指标均匀可靠,较传统三轴搅拌桩有较大的优势。

4.3.2 控制措施

1)前置工作

在机械设备进场前清除场地障碍物、场地“三通一平”,并钢板铺设、预留施工便道、测量定位方向等,针对不良地质适当采用清淤、换填等方式进行改造。

2)试成墙施工

本工程试成墙施工深度42 m,成墙厚度0.7 m,注浆区域水平延长6 m。施工前对场地进行整平,同时处理不良地质和地下障碍物,适当提高水泥的掺量。试成墙施工完成后需进行地表沉降监测、渗透性检测。分析及明确各施工技术参数、工艺流程和关键控制步骤,以达到正确指导施工的目的。

3)垂直精度控制

成墙垂直度要从2方面来控制:施工前土地压实整平,轴线引测;施工时保证机具的水平和导杆的垂直,保证钻机正确就位,开凿前校验立柱导杆的垂直偏差度在1/250以内。

4)成墙品质

为保证成墙的强度和抗渗透能力,施工前应结合试成墙实验明确施工速度、水泥掺量等技术参数。新旧墙体搭接中要对每次成墙的终点进行标记,保证先后成墙搭接段≥50 cm,并在搭接部位增加固化液的掺量,保证接缝质量。

4.3.3 质量测评

为保障基坑的长久稳定,在施工完成后一般有原位监测、室内测试和现场开挖监测3种测评办法。

1)原位监测

主要监测成墙的完整性和抗渗性能。采用高清钻孔成像电视配合钻孔雷达探测,可对成墙的完整性进行测评;正负压水试验测评墙体渗透性。

2)室内测试

强度达到标准后(成墙28 d后),对钻孔取样的样品进行室内无侧限抗压强度和抗渗性实验。根据土层分布和墙体结构特点,对墙体不同深度进行取样,主体结构应≥5处,取样应≥3组。

3)现场开挖监测

TRD工法成墙完成后,在基坑开挖过程中监测物理场的变化,系统地评估该工法的可靠性,并汇总数据分享发布,为工法改进提供参考依据。

5 结语

TRD工法施工深度大、地层地质适用性强、防渗性能优良、设备安全可靠,可大大降低深基坑降水的难度,避免我国地下水资源的浪费。由于该工法在深基坑的应用中有显著的优点,在我国江苏、浙江、上海等省市已得到有效验证,具有较好的推广性与发展前景,该工法有望在深基坑的止水帷幕中成为主流。

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