超大超深复杂地层基坑地下水止水帷幕技术研究
由 项敏 13818186389 撰写
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随着当今社会城市化进程加快，地下工程逐年增多，深基坑施工越来越普遍，其施工规模也越来越大。地下空间开发过程中需要对地下水进行合理控制来确保安全，开挖深度不同，涉及的地下水类型也不同。对于深基坑承压水处理方法，一种是在基坑内部设置降压井，根据开挖深度和降水设计计算要求按需降水；另一种是增加基坑周边围护结构深度，形成止水帷幕，隔断承压含水层。工程中常用的止水帷幕技术包括水泥土搅拌桩、地下连续墙以及等厚度水泥土搅拌墙。水泥土搅拌桩是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体（块体或墙体）。其中，多轴搅拌桩已经广泛应用于基坑围护结构工法桩、重力式挡墙、止水帷幕和地基加固等施工。地下连续墙技术主要是通过深槽挖掘、钢筋混凝土施工等工序筑成的连续性墙体，以提升地基承载力和稳定性。等厚度水泥土搅拌墙（TRD）技术是为满足地下水控制需求而发展起来的安全可靠且节能减耗的新技术，通过将链锯型刀具插入地基至设计深度后，在全深度范围内对成层地基土上下回转切割搅拌，并持续横向推进，构筑成上下长度均一的等厚度连续水泥土搅拌墙。在实际工程中，需要综合考虑各方面条件来选择合适的止水帷幕技术，水泥土搅拌桩、地下连续墙以及等厚度水泥土搅拌墙三者的优势和适用性，见表1。表1各止水帷幕技术优势和适用性对比
止水帷幕技术 | 水泥土搅拌桩 | 地下连续墙 | 等厚度水泥土搅拌墙(TRD) |
优点 | 适用范围广、施工效率高、工程造价较低、加固效果好 | 良好的防水性能，刚度较强，施工机械化程度高，可参与主体结构受力 | 连续无搭接，水泥土均匀质量高，抗渗性能好 |
适用性 | 含有地下水等软土层，基坑深度≤7 m,且坑边至红线间有足够的距离时，优先采用 | 临时或永久截水墙及挡土墙 | 除砂土、粉土、粘性土等土层，对硬质地层（硬土、砂卵砾石、软岩石等）也具良好挖掘性能 |
太原市高新技术开发区某项目采用水泥土搅拌桩作为止水帷幕，就基坑开挖后水泥土搅拌桩止水帷幕的整体施工效果来看，除个别部位因搅拌桩施工质量导致出现管涌现象外，本工程总体达到了止水效果，并对基坑的稳定性发挥了重要作用。因此对于水泥土搅拌桩技术，如何保证淤泥质软土地层中水泥土搅拌桩施工质量是目前的研究热点。广州南沙某项目采用试桩的方法对淤泥质软土基坑中水泥土搅拌桩的合理施工工艺进行了研究，根据场地条件，在基坑西侧进行三轴搅拌桩成桩试验，分别比较了一喷两搅、两喷两搅、两喷四搅、四喷四搅工艺的成桩效果，最终非粘土和粘土层采用不同的钻机下沉和提升速度，见表2。表2水泥土搅拌桩相关案例分析
项目 | 工艺 | 效果 | 原因 |
太原市高新技术开发区某项目 | 水泥土搅拌桩 | 整体排列整齐，水泥土结合均匀，个别部位出现管涌等施工质量问题 | 测量人员临时更替，邻桩搭接长度不足 |
广州南沙某项目 | 三轴搅拌桩（上部淤泥层采用两喷两搅，在下部黏土层采用四喷四搅） | 有效保证了搅拌桩的施工质量 | 进行了成桩工艺性 试验 |
20世纪80年代初期，我国开始引入地下连续墙施工工艺。昆山地区时代大厦站和洞庭湖路站工程基坑围护结构均采用地下连续墙，接头采用H型钢接头。由于钢接头会受限于埋深，易产生扭转变形，影响接缝处抗渗性能，在广州地铁13号线某车站施工过程中，为了避免该问题，结合本工程实际，选用套铣法连接工艺，利用双轮铣槽机切削硬岩能力，在已成槽段两侧各切削等宽混凝土在不使用锁口管、接头箱的情况下形成抗渗性能好、致密的接头。在一些地质条件复杂的区域，地下连续墙也逐渐被应用，在超厚卵石地层，整体工程槽壁稳定性不足，容易出现坍塌情况，因此地下连续墙成槽施工尤为关键。杭州市富阳区秦望广场项目通过合理地选择成槽机械，改进传统成槽工艺，自主配置泥浆保障了地下连续墙的成槽施工效果，为之后类似的地质条件工程提供了参考，见表3。表3地下连续墙相关案例分析
项目 | 地质条件 | 施工工艺 | 效果 | 原因 |
昆山地区时代大厦站、洞庭湖路站 | 淤泥质粉质粘土层 | 地下连续墙，接头采用H型钢接头，护壁泥浆采用复合钠基膨润土 | 增强了地下连续墙止水性能和槽壁垂直精度，但接缝处抗渗性能差 | 钢接头受限埋深，易产生扭转变形 |
广州地铁13号线某车站 | 土层整体为上软下硬分布 | 地下连续墙，采用套 铣法连接工艺 | 形成抗渗性能好、致密的接头 | 利用双轮铣槽 机切削硬岩能 力 |
杭州市富阳区秦望广场项目 | 超厚卵石地层 | “一槽、三抓、四引孔”成槽法 | 地下连续墙的成槽施工效果好 | 合理的选择成槽机械，自主配置泥浆 |
在复杂地层条件下，等厚度水泥土搅拌墙在经济和技术方面都有其优势。上海前滩企业天地项目基坑开挖深度内第1层填土，成分复杂，结构松散，厚度普遍较大，对围护结构施工质量不利，且承压水问题突出，考虑到地下室外墙无内扩可能，故选择地下连续墙的造价会较高，而三轴搅拌桩由于长度过长垂直度也难以保证，最终综合考虑选择等厚度水泥土搅拌墙作为止水帷幕。该项目采用Modflow三维模块化有限差分地下水流动数学模型对目标区域进行抽水降压模拟，模拟结果符合实际工程要求，监测结果表明该TRD止水帷幕达到了设计要求，见表4。表4地下连续墙相关案例分析
项目 | 条件 | 施工工艺 | 效果 | 原因 |
武汉长航中心 大厦项目 | 杂填土层较厚 | 转角处进行水泥土加固，改进刀具和刀排间的排列方式 | 成功完成了该工程TRD工法的施工
| 提高地基承载力，解决了施工进度缓慢且刀具磨损严重的问题 |
南昌中央广场 项目 | 中风化砂砾 | TRD-Ⅲ型工法机 | 支护效果好，墙体整体性及连续性好 | 两次试成墙控制在风化岩层中切割箱的下沉速度 |
哈尔滨市某棚改项目 | 高寒地 区坚硬 土层 | 严格监控易磨损部件，合理组织拔钻、修复
| 实现TRD工法在-20℃以下环境施工应用 | 采取有效防寒保暖措施，预判施工难度 |
上海14号线黄陂南路站 | 高度受限的场所 | TRD工法+MJS工法 | 止水帷幕形成有效封闭，满足了基坑开挖承压水降压要求 | 保障TRD加固质量 |
面对复杂地层环境时，需要根据试成墙阶段发现的问题对TRD施工过程进行改进。武汉长航中心大厦项目为了解决在试成墙过程的一些问题，在正式施工时做了一些改进。南昌中央广场项目要求TRD工法型钢水泥土搅拌墙墙底进入抗压强度标准值达7.8 MPa的中风化砂砾岩不小于0.5 m，通过进行两次试成墙控制在风化岩层中切割箱的下沉速度。哈尔滨市某棚改项目涉及冬期施工，通过对施工难度的预判，实现了在-20℃以下坚硬土层中施工应用，同时解决了对原有锚索的清除问题。随着城市化的发展，施工场地受到的限制越来越多，需要综合考虑对周边环境的影响。虽然TRD工法可以在高度受限的场所进行施工，但需要结合合理的施工方法。上海14号线黄陂南路站需在高架下面进行施工，高度受限影响施工连续性，所以TRD加固质量尤其重要，该项目在TRD无法施工区域选择MJS工法施工，使止水帷幕形成有效封闭，最终TRD止水帷幕很好地满足了基坑开挖承压水降压要求。对于超深基坑的止水帷幕技术选择，需要综合考虑多方面的因素，包括地质条件、周边环境和经济成本等。对于常见的这3种技术，为保证水泥土搅拌桩成桩的质量，需要根据试桩阶段出现的问题对已有传统工艺进行改进；地下连续墙需要重点关注的问题是接缝处抗渗性能和成槽质量，采用套铣法可形成抗渗性能好且致密的接头；对于超厚卵石地层等特殊地层为保障槽壁稳定性需通过多次试验确定最佳的泥浆配比。在复杂地层条件下，等厚度水泥土搅拌墙在经济和技术方面都有其优势，但要保证施工顺利进行，需结合实际地质条件进行具体的工艺改进，在杂填土较厚区域，可用水泥土加固来提高地基承载力；在风化岩区域，通过改变刀具和刀排间的排列方式可以降低磨损，进而提高施工效率；为保证在一些高寒地区的冬期施工，需严格监控易磨损部件，合理组织拔钻、修复；在一些空间受限的场地，为了使止水帷幕形成有效封闭，需要多种工法联用来实现。作者：韦娴
编辑整理：项敏
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TRD工法动画演示
