TRD工法水泥土连续墙在富水粉细砂层中的应用

张锴锋,夏高翔

(1. 苏交科集团股份有限公司, 江苏 南京 211112;2. 江苏省地下空间探测技术工程实验室, 江苏 南京 211112;3. 江苏省地质矿产勘查局第一地质大队, 江苏 南京 210041)

近年来,城市地下空间被不断探索利用和开发,基坑不断向大、深方向发展[1].TRD工法(trench cutting remixing deep wall method)以其稳定性高、精度高、施工能力强、连续墙厚度与密实度均匀、污染小、止水性能良好等优点被广泛应用于高水位地区的深基坑工程[2].TRD工法能有效截断或部分截断承压水层与深基坑的水力联系,控制因基坑降水而引起的地面过度沉降,确保深基坑和周边环境的安全[3].

现有关于TRD工法的研究中,文献[4]将TRD工法与SMW工法进行对比,得出TRD工法的挡土效果和止水性均优于其它围护结构的结论;文献[5-7]对TRD工法在多个项目实践中的成功应用情况进行了介绍,并从基坑围护结构的承载变形、施工技术和检测方法等方面进行水泥土等厚度墙的相关研究,为其在以后基坑工程中的应用和推广提供了借鉴;文献[8]通过施工方案对比等方法确定了TRD等厚帷幕的施工参数;文献[3]以工程案例总结了TRD工法施工要点,验证了TRD工法的可行性.

相关文献对TRD工法止水效果与挡土效果研究进行了定性分析,但对未贯穿承压水层这一工况条件下TRD隔水效果的研究成果较少,缺乏有效的监测数据评价[9-17].本文以南京党史馆综合设施项目TRD工法水泥土墙为例,通过取芯强度检测、现场抽水试验等方法对TRD水泥土墙的施工效果、隔水效果进行研究.

1 工程实例

1.1 工程概况

拟建南京党史馆综合设施项目位于南京市鼓楼区渡江路与树人路交汇处,南京渡江胜利纪念馆南侧,树人学校北侧,西临长江(夹江),西南侧为南京定淮门长江隧道,东侧为高层住宅.项目周边建筑物多,且过江隧道极其重要,需保证地下水的稳定,严防承压水层可能出现的涌水而造成周边建构筑物沉降,还需严格控制地表沉降,施工难度较大.

1.2 工程地质条件

根据相关地质资料可知,本基坑地层多为软土,呈流塑状态,孔系比大,渗透性强.其地层分布如表1所示,相关物理参数如表2所示.

表1 软土分布特征情况表

表2 软土物理性能一览表

本基坑场地地貌单元为长江漫滩.根据勘察揭示的地层结构,场地地下水按其赋存条件分为潜水和承压水两种类型.潜水含水层由①、②2、②3、②4层组成.其中②2、②3和②4层饱含地下水,但给水性较差、透水性弱,属弱透水地层,相对隔水层为②4层；承压水含水层由②5、②5a层构成.②5层水平向渗透系数Kh远大于垂直向渗透系数Kv,给水性和透水性较好,属弱透水层,②5a层给水性和透水性好,属中等透水地层,在渗透水流作用下易产生流土、流砂.场地地下水与长江有较强的互补关系,动储量丰富,有较高的水头压力.

1.3 TRD工法水泥土墙结构参数

本基坑方案为了避免地下水涌出、增强开挖面自稳定性、控制地表沉降,在TRD工法水泥土墙内外侧设置二重管高压旋喷桩加固区,基坑东侧和南侧的室外地坪设置二重管高压旋喷桩加固区,直径为0.5 m,间距为2.0 m.外侧围挡采用700 mm厚TRD等厚帷幕.TRD工法水泥土墙深度为45.00 m,未穿透②5a粉细砂层,未截断承压水层.承压水仍然能通过水泥土墙底部涌入基坑内,但45.00 m深的止水帷幕有效增加了坑外承压水进入坑内的绕流路径,从而延长其流入坑内的时间.结构示意图如图1所示.

图1 TRD工法水泥土墙、地层柱状图与加固区剖面图

2 TRD工法介绍及施工参数

2.1 TRD工法介绍

TRD工法采用先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌三步成墙工艺.施工时,首先将链锯式切割箱插入地表以下,竖向切割土体,逐段连接刀具箱钻至预定深度,然后沿着横向移动、切割并搅拌土体,同时注入水泥浆,水泥浆与原位土体搅拌混合,形成等厚度水泥土搅拌墙.由于在垂直方向上全层同时混合、搅拌,使得原不均质的地基土在竖向上形成强度偏差微小、均匀的连续墙体.机械整体重心较低,且由计算机控制行进,因而稳定性强、精度高.

2.2 TRD工法参数

1) 水泥土墙深45 m,采用13节切割箱,分别为：1节3.55 m被动轮+12节3.65 m切割箱,总长为47.35 m.墙厚700 mm,采用550～800 mm宽度的刀具,菱形布置;

2) 采用掺量为25%的42.5普通硅酸盐水泥(即450 kg/m3,土的重度取1.8 kN/m3),水灰比为1.0～1.5,固化液比重为1.40～1.50.相应的注浆控制参数如表3所示；

3) 挖掘液拌制采用掺量为10%的膨润土(即180 kg/m3,土的重度取kN/m3);

4) 控制垂直度偏差≤0.3%;

5) 增黏剂的调配比例为1.0 kg/m3.

表3 水泥浆注入参数表

3 TRD工法效果评价

3.1 水泥土墙取芯检测

在TRD工法成墙28 d后,随机选取5根全孔芯样(编号为1—5号)进行无侧限抗压强度试验.每根全孔芯样根据土层分布,分别取12组共计36个试件进行分段评价[18].检测结果如图2所示,抗压强度试验平均值分别为：1号孔1.136 MPa,2号孔1.20 MPa,3号孔1.255 MPa,4号孔1.254 MPa,5号孔1.330 MPa.TRD工法成墙效果较好地满足了设计预期,但抗压强度平均值的波动性也反映出TRD工法水泥土墙沿深度方向存在一定程度的不均匀性;在距地表0～32 m的粉质黏土层,水泥土墙抗压强度均值为1.06～1.21 MPa,而进入32～45 m含承压含水层②5、②5a粉细砂层时,水泥土墙抗压强度为1.32～1.62 MPa.

图2 水泥土墙无侧限抗压强度(平均值)曲线图

本文分析认为粉质黏土层的孔隙比较小,黏土颗粒间距小,水泥浆液可能未充分填充黏土颗粒间隙,致使水泥土墙的整体性与强度略低于其在粉细砂层中的表现.在成墙工艺过程中,TRD工法设备受机械性能和实际施工的限制,在不同地层中从机底注入压力相同的浆液时,不能保证地层与水泥充分搅拌均匀是导致某些地层中水泥土墙的整体性差和强度低的因素之一.

3.2 水泥土墙抗渗性能检测

在TRD工法成墙28 d后,随机选取5根全孔芯样(编号为1—5号)制备多组试件进行水泥土墙渗透系数恒定水头室内试验,水泥土墙渗透系数计算公式为：

(1)

式中：ki为水泥土墙渗透系数,cm/s;V为经时间间隔t渗出的水量,mL;h为试件高度,cm;P为施加的渗透压力,MPa;A为试件横截面积,cm2;t为时间间隔,s;γw为水的重度,N/cm3.

对多组试件的试验数据进行整理与归纳,得到相应土层范围的水泥土连续墙渗透系数如图3所示.本文数据可知TRD工法水泥土墙的渗透系数ki在全深度处理范围内效果均匀,数量级均维持在10-7cm/s,与原始土层相比,尤其在②5粉质黏土夹细砂与②5a粉细砂层中,TRD工法水泥土墙能有效降低渗透系数ki,使其数量级达到10-7cm/s.说明TRD工法水泥土墙具有良好的隔水性能,可以满足本工程的隔水需求.

图3 渗透系数随深度变化曲线图

3.3 地下水位监测试验

基坑周边环境较为复杂,临近过江隧道以及渡江纪念馆等重要构筑物,需对坑外地下水位保持监测,以此来判定TRD工法水泥土墙的可靠性.严控因失效而导致的坑外地下水向坑内渗漏,从而引发坑外地面的塌陷以及周边建筑物与过江隧道的沉降.

在TRD工法水泥土墙外侧设置两口观测井G1、G2;内侧设置两口降水井J1、J2,降水井外径为600 mm,内径为500 mm,深度为45 m.将抽水泵放入降水井内距地表下40 m处,进行3次降水试验,以确定TRD工法水泥土墙内外侧的水力联系.图4为降水井内水位和观测井内水位随时间变化曲线图.由图4可见:第一阶段抽水2.5 h,降水井J1、J2内水位分别降至地面下37.18、37.52 m后,水位进入恢复阶段,分别恢复至水位24.2、23.8 m;第二阶段抽水,降水井J1、J2内水位分别降至地面下37.04、36.90 m,随后停止降水,水位分别恢复至33.21、31.50 m;第三阶段抽水,降水井J1、J2内水位基本上处于稳定状态,约为36.8 m;在降水井抽水期间,观测井内水位与抽水井水位有相似变化趋势,但是幅度较小.

图4 井内水位随时间变化曲线图

图4中,两口降水井抽水曲线趋势相似,分阶段抽水过程中,水位有一定的恢复补充,地下水存在流通性;水泥土墙外侧观测井G1、G2的24 h水位变化也有相似趋势,且波动幅度较小,说明TRD工法水泥土墙在未贯穿承压水层这一工况下,基坑内外仍然保持着水力联系,但是可能因增加了绕流路径从而有效保持了坑外地下水的稳定.

4 结论

本文结合南京党史馆综合设施项目,介绍TRD工法水泥土墙的工法原理、特点及相关施工参数.对水泥土墙进行取芯强度检测,开展渗透性试验和降水试验,经分析试验结果认为：

1) 通过TRD工法水泥土墙的取芯强度试验,外观上全孔芯样完整度较高、呈灰色灰黄色、灰量正常较多,可知其搅拌较为均匀、胶结度较好,抗压强度试验数据为1.136～1.330 MPa,满足了图纸设计值,且在粉细砂层中其效果优于粉土粉质黏土.抗压强度平均值的波动性反映出TRD工法水泥土墙沿深度方向存在一定程度的不均匀性.在后期的类似工程实践中,应着重考虑在粉质黏土层中适当增加水泥掺入量,放缓搅拌速率,使水泥浆液与黏土颗粒搅拌均匀,以保证成墙效果.

2) 通过芯样室内渗透性试验,可知其渗透系数ki的数量级均维持在10-7cm/s,TRD工法水泥土墙在全深度范围内处理效果均匀,具有良好的隔水性能,可以满足本工程的隔水需求.

3) 降水井抽水曲线趋势相似,因未贯穿承压水层,本工程地下水存在一定的流通性.

4) 观测井与降水井水位有相似的变化趋势,波动幅度不大,基坑内外保持着水力联系,但可能因增加了绕流路径而有效保持了坑外地下水的稳定,其隔水效果良好.