56 m 深TRD 工法搅拌墙在深厚承压含水层中的成墙试验研究

王卫东 ，翁其平 ，陈永才

（1.华东建筑设计研究总院 地基基础与地下工程设计研究中心，上海 200002；2.上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心，上海 200002）

1 引 言

等厚度水泥土搅拌墙技术（TRD 工法）源于日本，21 世纪以来TRD 工法迅速在美国、西欧和东南亚世界各地得到广泛应用。近年来国内引进了等厚度水泥土搅拌墙施工技术及配套设备（TRD-Ⅲ型设备），并在已上海、南昌、天津、淮安、杭州、苏州、武汉等地的10 余个基坑工程中成功应用[1-3]。目前采用等厚度水泥土搅拌墙在基坑工程中主要作为隔水帷幕或内插型钢形成止水挡土结构。实践证明，由于TRD 工法设备具有较强的切削能力及连续成墙等特点，其在渗透性强的土层或者隔水帷幕超深、深部地层为密实砂层、软岩地层中形成的墙体隔水性能可靠，工效较高，取得了显著的社会经济效益，具有较好的应用前景[4-5]。

深大基坑工程不断涌现，对深基坑工程的深层地下水处理技术和隔水技术提出了新的要求。TRD工法技术为上海地区深基坑工程中深层地下水的控制提供了新的解决方案。本文以上海国际金融中心项目基坑工程为背景，为解决深层承压水问题，在上海地区首次开展了56 m 深TRD 工法搅拌墙试成墙试验研究，为后续工程墙体施工提供依据。

2 工程简介

2.1 工程概况

上海国际金融中心项目位于上海市浦东新区竹园商贸地块，张家浜河以北，杨高南路以西。基坑面积约为48 860 m2，开挖深度为26.5～27.9 m，基坑采用顺逆结合设计方案。

根据群井抽水试验，基坑的降水井深度不小于45 m，为控制抽降承压水对周边环境的影响，基坑外围悬挂隔水帷幕底部埋深不小于56 m。本工程围护体采用两墙合一地下连续墙，悬挂隔水帷幕有超深地下连续墙和等厚度水泥土搅拌墙2 个可行的方案。根据经济性对比分析，采用短地下连续墙结合超深等厚度水泥土搅拌墙作为隔水帷幕比全部采用超深地下连续墙作为围护结构大大节省工程造价，最后决定采用短地下连续墙结合超深等厚度水泥土搅拌墙作为围护结构。基坑工程剖面图如图1 所示。

2.2 工程地质条件

根据地质资料，浅部土层分布较稳定，中下部土层除层⑦2层埋深局部稍有起伏外，一般分布较稳定。在135.3 m 深度范围内地基土属第四纪滨海～河口相、浅海相、沼泽相及河口～湖泽相沉积物，主要由黏性土、粉性土及砂土组成，一般具有成层分布特点。浅层分布有较厚的层③淤泥质黏土和层④淤泥质黏土，2 层土都属高压缩性、高含水率、流变性的软土，物理力学性质相对较差。深层为层厚较大，物理力学性质较好，渗透性较好的砂层。各层土计算参数见表1。

基坑工程涉及到的地下水有潜水、承压水两种类型。场地内浅层地下水属潜水，主要补给来源为大气降水及地表径流，地下水埋深约为1.2～1.9 m。场地内承压水主要为深部第⑦层和第⑨层中的承压水。由于拟建场地第⑧层黏性土缺失，第⑦层与第⑨层承压水相对连通，水量补给丰富。承压水水位埋深的变化幅度一般在3.0～11.0 m。本场地地下水和土对混凝土结构有微腐蚀性。

图1 基坑支护剖面图(单位:mm)Fig.1 Sectional view of the support system(unit:mm)

表1 土层物理力学性质指标Table 1 Parameters of the soil

3 试验方案

目前TRD 设备的施工能力可满足56 m 深度需要，但如此大的深度且在标贯大于50 击的第⑦2粉砂层中成墙，尚无有先例可循，需通过成墙试验进一步验证等厚度水泥土搅拌墙施工设备在该地层条件下的施工能力。通过成墙试验，可以确定超深等厚度水泥土搅拌墙成墙质量、水泥搅拌均匀性、强度、隔水性能以及超深墙体施工对周边环境的影响。TRD 工法等厚度水泥土搅拌墙的施工参数和施工工序的确定也是试验的主要目的之一，试成墙最终目的是通过成墙试验确定一整套等厚度水泥土搅拌墙的施工参数并形成施工导则，以指导后期等厚度水泥土搅拌墙的施工。试验段长度为8 000 mm，厚度为700 mm。

试成墙的深度不小于56 m，墙底进入第⑦2粉砂层。等厚度水泥土搅拌墙采用3 工序成墙施工工艺，即先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌，对地层先行挖掘松动后，再行喷浆搅拌固化成墙。

等厚度水泥土搅拌墙试成墙完成后进行浆液试块强度试验、芯样强度试验以及渗透性检测。在等厚度水泥土搅拌墙试成墙过程中，布设地表沉降监测点、深层水平位移监测点和深层土体分层沉降监测点进行相应监测。

4 试验过程及结果分析

4.1 等厚度水泥土搅拌墙试验

在本工程场地内部进行了等厚度水泥土搅拌墙成墙试验。通过试验可确定以下参数。

（1）设备能力

等厚度水泥土搅拌墙成墙试验要求深度为56 m，实际施工深度达56.73 m，进入标贯大于50击的第⑦2粉砂层约15.33 m。此次试验证明 TRD工法施工设备在本工程深厚密实砂层地质条件下进行56 m 深度隔水帷幕施工的能力是可行的。

切割箱打入至设计深度后，在切割箱体内安装测斜仪，实时监控切割箱面内与面外的偏差情况，并及时通过驾驶员操控调整。试成墙施工墙体垂直度偏差控制在1/250 以内。

（2）施工功效

等厚度水泥土搅拌墙成墙试验的施工功效统计见表2。由表可知，采用3 工序成墙施工工艺，等厚度水泥土搅拌墙墙体的施工可达6～7 m/d。同时，在工期安排上亦应考虑切割箱打入和拔出所占用的时间。

（3）施工参数

根据等厚度水泥土搅拌墙试成墙试验结果，采用以下施工参数，可以满足本工程场地正式墙体施工需要。①挖掘液采用钠基膨润土拌制，每立方被搅土体掺入约100 kg 的膨润土。② 固化液采用P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，掺量25%，水灰比为1.36～1.50。③先行挖掘挖掘液水灰比为10～20，挖掘液混合泥浆流动度宜为200～240 mm。

表2 施工功效Table 2 Construction effect

4.2 等厚度水泥土搅拌墙浆液试块强度

等厚度水泥土搅拌墙施工过程中，在长度方向取2 个位置的浆液制作试块，取样点低于有效墙顶下2 m。

浆液试块进行28 d标准养护后进行无侧限抗压强度试验，试块抗压试验的结果见表3。由表可知，试块平均强度为1.03～1.40 MPa，均大于《上海基坑工程技术规范》[6]关于水泥土搅拌桩强度0.8 MPa的要求，说明本次试验中所采用的水泥掺量满足隔水要求。

表3 28 d 浆液试块抗压试验结果Table 3 28 d compressive strength of the soil-cement grout

4.3 等厚度水泥土搅拌墙钻孔取芯强度

等厚度水泥土搅拌墙成墙完成后进行了钻孔取芯，并对芯样进行了无侧限抗压强度试验，同时对取出的芯样进行了室内渗透性试验，并选择2 个取芯孔进行了原位渗透性试验。取芯孔平面布置如图2 所示。

图2 取芯孔平面布置图(单位:mm)Fig.2 Plan view of the drilling holes(unit:mm)

在试验墙体中心线上间隔800 mm 进行一个钻孔取芯，总共钻取了9 个孔，钻孔深度同墙体深度。

通过钻孔取芯进行无侧限抗压强度试验，表4为抗压强度平均值的汇总。由于本工程等厚度水泥土搅拌墙主要是深部砂层中的悬挂隔水，由表4 可知，深部砂层中的强度为0.84～1.38 MPa，亦大于《上海基坑工程技术规范》[6]关于水泥土搅拌桩强度0.8 MPa 的要求，满足深厚砂层中承压水的隔水要求。

表4 芯样抗压强度汇总表Table 4 Compressive strength of the soil-cement core samples

图3为现场取芯的芯样照片。芯样自上而下均较为完整，连续性好，破碎较小，芯样呈水泥土颜色，并且自上而下颜色较为均匀。总体而言，钻孔取芯芯样率均较高，完整性较好，水泥土搅拌墙均匀性较好。

图3 芯样Fig.3 Core specimens

4.4 等厚度水泥土搅拌墙渗透性

根据试验要求，在钻孔取芯的芯样中选取有代表性的钻孔进行室内渗透性试验和原位渗透性试验。室内渗透性试验采用变水头渗透仪进行测定，原位渗透性试验采用注水试验测定。表5为室内和原位渗透试验的成果。由室内渗透性试验结果可知，在深部的砂土层中渗透系数由原土层的10-3cm/s 提高到10-7cm/s。由原位渗透性试验结果可知，在淤泥质土和黏性土层中渗透系数由原土层的10-5cm/s提高到10-6cm/s，在深部的砂土层中渗透系数由原土层的10-3cm/s 提高到10-5cm/s。由表5 可见，无论芯样是室内或是原位渗透性试验，渗透系数均满足悬挂隔水帷幕要求。通过与勘察报告中原土层渗透系数对比，等厚度水泥土搅拌墙对各土层特别是砂层抗渗性能提高较为明显。

表5 渗透试验成果Table 5 Permeability experiment results conducted

4.5 环境影响分析

在等厚度水泥土搅拌墙试成墙过程中，布设地表沉降监测点、深层水平位移监测点和深层土体分层沉降监测点进行相应监测，如图4 所示。

图4 试验监测点剖面布置(单位:mm)Fig.4 Sectional view of the monitoring points in the test(unit:mm)

（1）深层土体侧向位移

试验过程中对深层土体侧向位移进行监测，图5为距离试验墙体1.4、5.0、12.0 m和22.0 m 的各测斜点试验期间测得的土体测斜曲线。由图可以看出，土体侧向位移随深度增大大致呈减小的趋势。距离墙体1.4 m 处，最大侧向位移位于顶口，最大侧向位移位45 mm，深3 m 处，侧向位移减小至11 mm。距离试验墙体5 m 处，最大变形为10 mm；在距离试验墙体12 m 处，最大变形约为3 mm；而在距离试验墙体22 m 处，侧向位移几乎为0。由图可以看出，TRD 成墙施工时，土体侧向位移影响范围主要是在5 m 远的范围之内。

图5 土体测斜曲线Fig.5 Lateral displacements in soil inclinometers

（2）地表沉降

在试验过程中对地表沉降也进行了监测，图6为TRD 成墙结束时和成墙养护7 d 时的地表沉降曲线。从图中可以看出，靠近墙体处地表有一定的沉降，随距离增大，地表沉降逐渐减小。7 d 养护期间，靠近墙体区域地表沉降仍有一定程度发展。成墙结束时最大沉降约为8 mm，距离墙体5 m 以外，地表沉降小于5 mm，成墙的主要影响范围约5 m。

图6 地表沉降曲线Fig.6 Curves of the surface settlement

5 结 论

（1）等厚度水泥土搅拌墙在上海地区标贯大于50 击的砂层中的施工深度达56.73 m，成墙速度6～7 m/d，验证了TRD 设备在上海地区的施工能力，且所采取的参数亦满足本工程场地的施工要求。

（2）试成墙钻孔取芯芯样率较高，完整性较好，水泥土搅拌墙均匀性较好。浆液试块强度超过1.0 MPa；砂土层中钻孔取芯强度达到0.84～1.38 MPa，从强度角度，等厚度水泥土搅拌墙满足深层隔水要求。

（3）等厚度水泥土搅拌墙对各土层特别是砂层抗渗性能提高 较为显著，渗透系数由原土层的10-3cm/s 提高到10-7cm/s。从渗透性角度，等厚度水泥土搅拌墙满足深层隔水要求。

（4）在TRD 试成墙过程中，周边土体总体变形较小，对周边环境影响较小。TRD 成墙对环境的影响主要集中在距离TRD 墙体平面为5 m 范围内。

[1]王卫东,邸国恩,王向军.TRD 工法构建的等厚度型钢水泥土搅拌墙支护工程实践[J].建筑结构,2012,42(5):168-171.WANG Wei-dong,DI Guo-en,WANG Xiang-jun.Engineering practice of the constant thickness steel cement-soil wall constructed by TRD method[J].Building Structure,2012,42(5):168-171.

[2]王卫东,常林越,谭轲.采用TRD 工法控制承压水的邻近地铁深基坑工程设计与实践[J].岩土力学,2012,42(5):168-171.WANG Wei-dong,CHANG Lin-yue,TAN Ke.Design and practice of a deep excavation using TRD construction method cutting off confined water nearby subway tunnel[J].Rock and Soil Mechanics,2012,42(5):168-171.

[3]李星,谢兆良,李进军,等.TRD 工法及其在深基坑工程中的应用[J].地下空间与工程学报,2011,7(5):945-950.LI Xing,XIE Zhao-liang,LI Jin-jun,et al.TRD method and its applications in the deep excavation engineering[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(5):945-950.

[4]王卫东,邸国恩.TRD 工法等厚度水泥土搅拌墙技术与工程实践[J].岩土工程学报,2012,34(增刊1):628-633.WANG Wei-dong,DI Guo-en.Engineering practices of constant thickness steel cement-soil wall constructed by TRD method[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2012,34(Supp.1):628-633.

[5]刘国彬,王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[6]上海市城乡建设和交通委员会.DG/TJ08-61-2010.基坑工程技术规范[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站,2010.