TRD工法在武汉轨道交通工程中的应用研究*

吴 超,郑先君,蒋 楠,王晓琴

(1.武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉 430070; 2.武汉城市学院,湖北 武汉 430083; 3.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074)

0 引言

近10年来,武汉轨道交通工程在由线成环、由环成网的发展过程中,工程建设面临着周边环境日益复杂、实施难度逐步加大的局面。为保证工程质量精品化、精细化水平不断提升,一系列新工法得以应用。其中,已经成功应用于深基坑围护、防渗、堤防等工程的TRD工法[1-6],首次应用于武汉轨道交通工程中。以武汉轨道交通11号线三期首开段张家湾停车场出入场线工程为例,分析评价TRD工法在武汉长江一级阶地轨道交通工程明挖基坑及盾构隧道施工中的应用。

1 TRD工法原理及特点

1.1 原理

TRD工法是通过主机带动竖向插入岩土层的链锯式切割箱横向移动、切割及灌注水泥浆,在槽内进行混合、搅拌、固结形成等厚度水泥土搅拌墙工艺[7-8],工作原理如图1所示。

1.2 特点

TRD工法平面布置应简单、规则,宜采用直线布置,减少转角;施工机架高度≤14m,稳定性好,适合受高度限制的作业环境,墙体深度宜≤60m。水泥掺入比应根据土质条件、水泥土强度、抗渗要求确定,宜≥20%;水泥土28d无侧限抗压强度宜≥0.6MPa,渗透系数宜≤1.0×10-5cm/s。适用于人工填土、黏性土、淤泥和淤泥质土、粉土、砂土、碎石土等地层。采用连续横向直线推进工艺,形成的墙体连续无缝,刀具在整个设计深度范围内切削,搅拌充分[9-10]。

2 工程应用

11号线三期首开段张家湾停车场出入场线工程位于武汉市武金堤东南侧,近似于武金堤平行走向,距离堤脚最短直线距离约50m,距离长江现河道最短直线距离约500m。出入场线工程采取盾构法+明挖法实施,工程平面布置如图2所示。

图2 出入场线平面

工程地貌单元属于长江一级阶地,工程范围内土层分布及物理力学参数如表1所示。地下水主要受长江补给控制,为上层滞水、承压水两种,无地表水。承压水含水层厚度不均匀,一般厚度为33～35m,含水层顶板为软塑黏性土,底板为钙质胶结土,承压水主要接受地下水侧向径流补给,水位及水量受长江水位变化影响较大。

表1 土层分布及物理力学参数

2.1 工程概况

11号线三期首开段张家湾停车场出入场线明挖基坑长约130m,宽22～27m,开挖深度11～14m,面积约2 671m2。围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑体系,基坑外采用TRD工法等厚度水泥土搅拌墙进入钙质胶结土1m形成落底式止水帷幕。施工期间采用坑内井点疏干降水,坑内设置6口降水井(单口井水泵功率为9.7kW)、2口观测井,坑外设置2口观测井,监测坑内降水对止水帷幕外水位的影响,基坑横剖面如图3所示。

图3 基坑横剖面(单位:m)

11号线三期首开段张家湾停车场入场线盾构隧道(RDK0+475.000—RDK0+690.000)段与11号线三期正线张江区间右线隧道近距离平行,水平净距最小为4.17m。张江区间为后期规划线路,暂不实施,不属于本期工程内容。为减少后期张江区间盾构隧道实施对本期工程拟建张家湾停车场入线隧道的影响,在入场线隧道施工前,在其隧道轮廓西北侧2m处实施0.6m厚TRD工法水泥土搅拌墙作为隔离保护措施,盾构隧道区间典型横剖面如图4所示。

图4 盾构隧道横剖面

2.2 工法控制要点

1)施工顺序 因地层中存在淤泥质黏土、粉砂等软弱夹层,明挖基坑围护结构钻孔灌注桩施工时容易引起塌孔导致桩身侵限,为保证TRD止水帷幕施工不受桩身侵限影响,TRD先于围护桩施工;盾构隧道区间TRD与两侧盾构水平距离均较小,为保证盾构成型管片不受TRD施工影响,TRD先于盾构施工。为减少后一步工序施工对TRD墙体质量的影响,待TRD墙体达到初凝强度后再实施下一步工序。

2)施工参数 采取P·O42.5级普通硅酸盐水泥,水泥掺量为25%,水灰比为1.5,挖掘液采用纳基膨润土拌制,搅拌土体膨润土掺入量为100kg/m3。TRD施工前采用全站仪及经纬仪进行轴线引测,控制桩机立柱导向架垂直度

3)施工缝控制 施工机械配备应急电源,保证连续作业,避免突发停电产生冷缝;转角、搭接处需控制喷浆压力和搅拌速度,搭接长度宜≥0.5m,确保搭接质量。

4)应急措施 施工过程中定期检查链状刀具工作状态及刀头磨损度,及时维修、更换和调整施工工艺。

2.3 工法适用性

1)成墙效率 主要机械配置为1套成墙设备及拌浆后台+1台50t履带式起重机+1台挖掘机;主要人员配置为司机1人+后台值班1人。设备进场及组装时间为5d,TRD施工采用24h连续作业,TRD止水帷幕长度为325m,厚度为0.6m,深度为35.5m,施工段共6处转角,转角处切割箱拔出与下放时间2d/处,场地清理及设备退场时间为4d,总施工工期为33d,平均成墙速度约为10m/d。

2)环境影响 施工期间机械无振动、无噪声,夜间可正常作业,成墙过程中无吊装作业,施工不受天气影响。基坑局部位置上方存在10kV高压架空线(线下方净空15m),TRD主机12m,高度受限位置可顺利下穿通过,施工安全性好,避免了对高压架空线进行迁改。

3)工程造价 施工原材主要为P·O42.5 级普通硅酸盐水泥、膨润土,不涉及钢筋、混凝土材料,无废弃泥浆。综合机械、人工、原材、置换土外运等费用,工程综合造价约为665元/m3。

2.4 工法效果分析

2.4.1止水效果

基坑降水对周边环境的影响主要是建筑物、地表、管线等沉降,在实施基坑降水前应先进行抽水试验,以检测降水井降水能力和止水帷幕止水效果。TRD水泥土连续墙作为基坑落底式止水帷幕,主要通过隔断坑内外地下水联系,起到止水作用,通过抽水试验及开挖观察分析TRD止水效果。

明挖基坑场平标高为21.500m,坑内、外观测井水位标高均为18.350m。基坑开挖前,进行抽水试验,坑内6口降水井全部投入运行,降水32h后坑内水位即达到基坑底板下8m左右(水位标高约2.500m),抽水井流量逐渐减小直至出现掉泵现象。抽水试验期间,坑内、外观测井水位随时间变化趋势如图5所示。

图5 观测井水位变化趋势

由图5可知,降水前8h,坑内观测井水位快速下降至5.000m左右,降水32h后,坑内观测井水位降低约2.500m。降水期间,坑内降水对坑外观测井水位基本无影响,停止降水后,坑内观测井水位小幅度回升后保持平稳状态,说明TRD止水帷幕能有效隔离坑内、外地下水,止水效果好,能有效保证基坑安全开挖。

基坑开挖期间,桩间隙无渗水现象,喷锚完成面无湿渍,坑内、外观测井水位稳定,喷锚面效果如图6所示。经过抽水试验及基坑开挖验证,TRD作为深基坑落底式止水帷幕达到了较好止水效果。

图6 开挖期间喷锚面效果

2.4.2加固效果

盾构开挖过程中,不可避免地对施工范围内岩土体造成扰动,尤其对于力学性质较差的软土地层,这种扰动效应更明显。通过地基加固能有效降低盾构掘进引起的地层变形[11]。TRD主要是通过加固土体,形成半刚性墙体起到隔离保护作用,通过墙体原位钻孔取芯测定无侧限抗压强度的方法分析TRD墙体加固效果。

TRD墙体施工完成28d后,采用φ110钻头连续钻取全墙深范围芯样,选取不同部位芯样试件检测无侧限抗压强度及标准温度下渗透系数等指标,现场TRD芯样如图7所示,芯样较完整,均匀性较好。芯样试验数据如表2所示。

表2 TRD芯样试验数据

图7 现场TRD芯样

由表2可知,TRD芯样无侧限抗压强度最小值为1.34MPa,最大值为1.47MPa,平均值为1.42MPa;渗透系数最小值为0.66×10-6cm/s,最大值为0.91×10-6cm/s,平均值为0.77×10-6cm/s。TRD芯样试验结果完全满足墙体28d无侧限抗压强度标准值≥1MPa、抗渗系数≤1.0×10-6cm/s设计要求。

3 结语

结合现场实际应用情况及芯样试验数据,TRD工法在轨道交通工程中作为明挖基坑止水帷幕和盾构隧道区间隔离保护措施,主要成效总结为:①施工主要原材为水泥,配套设备及人员较少,施工场地需求小,综合成本低;②施工不受天气影响,可24h连续作业,施工速度快;③施工无噪声、设备重心低、安全性能高、环境影响小;④墙体渗透系数为0.7×10-6～0.9×10-6cm/s,且不同深度渗透系数差异性较小,隔水性能好,达到止水帷幕的隔水目的;⑤墙体芯样无侧限抗压强度可达1.3～1.5MPa,且不同深度下强度差异性较小,有效增强了土体强度,形成的连续半刚性墙体有效减少了盾构掘进对隔离墙另一侧扰动,隔离效果好。

综上所述,TRD工法作为明挖基坑止水帷幕和盾构隧道区间隔离保护措施首次应用于武汉轨道交通工程,表现出施工安全性好、作业效率高、工程造价低、环境影响小、止水效果好、加固墙体质量好等诸多优势,具有良好的推广性与发展前景。