高含水量超软土等厚度水泥土墙施工技术研究
由 项敏 13818186389 撰写
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［摘要］TRD 工法在高含水量超软土地区的基坑围护结构中已得到大量应用，首先回顾了其在国内基坑围护结构施 工中的应用及发展情况，以及总结分析了其特点和存在的问题 。针对这些问题，本文给出了新的解决措施，首先优化TRD 桩机施工时的各项施工参数，提出在高含水量超软土地区适用的参数值，然后通过型钢插芯定位装置在等 厚度水泥土连续墙中插入型钢，型钢上部穿过压顶梁，并焊有连接角钢加强连续墙的整体刚度 。根据这些技术方 案，给出了详细的施工操作、质量控制要点，指导工程实践，通过将该技术应用于实际工程，结果表明，该技术具有 较好的经济社会效益，推动了高含水量超软土中等厚度水泥土地下连续墙施工技术的发展。［关键词］TRD 工法; 高含水量; 超软土; 等厚度水泥土搅拌墙; 基坑开挖; 围护结构在高含水量超软土地区进行基坑开挖，常规的围 护结构有地下连续墙、排桩墙、SMW 围护墙等，并结合 基坑内支撑构成基坑支护系统，这些围护结构广泛应 用于实际工程中取得了较好的效果 。地下连续墙和排 桩墙适合深基坑开挖，变形控制好，但造价高; SMW 围 护墙则是在三轴水泥搅拌桩中插入型钢，型钢可回收， 经济性好，但水泥搅拌桩的质量较难控制。 等厚度水 泥土连续墙是通过TRD桩机的回旋刀链锯对高含水 量超软土切割搅拌形成的，具有等厚度和上下均匀的 特点，随着TRD 桩机的国产化，该围护结构正广泛运用于高含水量超软土地区的基坑开挖中 。等厚度水泥 土连续墙中插入型钢形成类 SMW 围护结构，由于型钢 尺寸相对水泥土连续墙厚度稍小，在竖直方向极易发 生斜穿现象，此外，型钢上部需伸入压顶梁中，为了方 便地下主体结构施工完毕后型钢的拔出回收，在型钢 与压顶梁接触处设置隔离膜，但由此降低了围护结构 的整体刚度。针对现有等厚度水泥土连续墙在实际施工中遇到 的施工难度大和型钢斜穿和连续墙整体刚度问题，本 文对其施工技术进行研究，开发出一种新的施工技术， 即首先优化TRD 桩机施工时的各项施工参数，提出在高含水量超软土地区适用的参数值，然后通过型钢插芯定位装置在等厚度水泥土连续墙中插入型钢，型钢上部穿过压顶梁，并焊有连接角钢加强连续墙的整体刚度。TRD工法是日本近年来开发的一种新的施工工法，也是目前世界上最为先进的围护工法之一，我国于2008—2009年从日本引进，目前在国内应用还比较少，主要在上海、天津、武汉、杭州、南昌等地已有应用，根据现有工程应用来看，TRD工法支护效果很好，相对于其他工法，TRD工法体现出良好的挡土与止水效果，具有良好的应用前景。王卫东等将TRD工法应用于上海超软土地区的深基坑围护结构中，从设计、施工到试验方案设计提出了一整套技术方案及施工控制参数。吴洁妹等对TRD工法在软土地层深基坑工程中的几种应用形式进行了总结，并分析了其适用条件、难点特点及施工关键控制点。吴国明等对上海国际金融中心超深基坑的等厚度水泥土截水帷幕墙开展了非原位试验，验证该截水墙在超深、超厚砂质地层中是可行和可靠的，强度和抗渗性满足设计要求。王卫东等对TRD工法施工过程中的环境影响进行了分析，监测成墙施工中邻近土体侧向位移、地表沉降等，结果表明总体对周边环境影响很小，针对微变形提出了相应的施工控制措施。魏祥等针对武汉地区的地质特点，开展了等厚度水泥土连续墙在武汉地区一级阶地土层中的的应用研究。谈永卫针对南昌复杂工程水文地质条件，对绿地中央广场项目的基坑围护结构采用等厚度水泥土连续墙并结合“中心岛为主、内支撑为辅”的方案，有效解决了复杂环境下多种支护结构的协调配合问题。▍2 高含水量超软土等厚度水泥土地下连续墙施工技术研究本技术所采用的TRD桩机在插入地基过程中链锯式刀具与主机连接，回旋刀链锯可竖向垂直或横向水平移动对地下土体进行切削，按照“挖掘→回撤→搅拌”的顺序，在刀具端头喷出水泥浆硬化剂注入土体并充分搅拌混合从而形成一道等厚度的连续墙，在其初凝前插入型钢，最终形成型钢水泥土墙，如图1所示。
型钢插芯上设有圆孔，其内插入横杆可作为地下主体结构施工完毕后型钢拔出时千斤顶顶升受力点，通过定位装置将型钢插入等厚度水泥土连续墙中，如图2所示，定位装置包括定位工字钢、连接横杆和定位横杆，通过紧固螺栓与导墙上的预埋螺杆进行连接固定，定位工字钢与定位横杆形成的导向定位中空尺寸与型钢插芯轮廓尺寸相同以进行精确定位。
在型钢插芯上部浇筑混凝土形成压顶梁，型钢插芯上部表面覆盖隔离套，其左、右两侧焊有连接角钢，压顶梁内部设有纵筋和箍筋，箍筋或穿过型钢插芯间的间隙，或焊接于型钢插芯上，型钢插芯角钢连接如图3所示，等厚度水泥土连续墙压顶梁构造如图4所示。
1)本技术采用TRD桩机的回旋刀链锯对高含水量超软土切割搅拌形成水泥土墙，确定挖掘液膨润土掺量、固化液水泥掺量、水泥浆水灰比、刀链锯回旋速度、纵向移动速度、搅拌注浆速度等施工参数，施工时按照“挖掘→回撤→搅拌”的顺序，形成水泥土墙后在其初凝前插入型钢，最终形成型钢水泥土墙。2)TRD桩机在插入地基过程中链锯式刀具与主机连接，回旋刀链锯可竖向垂直或横向水平移动对地下土体进行切削，在刀具端头喷出水泥浆硬化剂注入土体的同时注入高压空气使水泥浆与原位土体充分混合、搅拌将原位土体固结从而在地下形成一道等厚度的连续墙。3)采用型钢插芯定位装置在等厚度水泥土连续墙中插入型钢，型钢上部穿过压顶梁，并焊有连接角钢加强连续墙的整体刚度。4)型钢插芯定位装置由定位工字钢、连接横杆、定位横杆等组成，并通过螺栓固定于导墙上，结构稳定，装拆方便，可以重复多次使用。5)型钢插芯定位装置结合型钢插芯垂直度控制措施，可以确保型钢插芯的定位准确，避免斜穿连续墙的工程质量问题的发生。6)型钢插芯上部设置隔离膜，使之与压顶梁混凝土相隔离，方便型钢插芯的拔出回收，同时，混凝土压顶梁可作为地下主体结构施工完毕后型钢拔出千斤顶的受力基座，并辅以圆孔中穿入的横杆，可以方便地将型钢插芯拔出。7)型钢插芯上部左、右两侧焊有加强连接角钢，弥补了由于型钢插芯与混凝土相隔离而造成的强度损失，有效提高了连续墙的整体刚度，并且不影响后续施工作业。
1)保证施工现场相应设施齐全、满足施工需求，施工现场做到“三通一平”，路通、水通、电通、场地平整。清除施工场地围护中心线内侧15m范围内地表及地下障碍物，施工前必须沿TRD桩机施工轴线清理干净并保证无大块石块和混凝土块。施工场地路基承重荷载以能行走50t履带式起重机为准。3)水泥选择购买信誉好、质量稳定的大型水泥厂家生产的普通硅酸盐水泥，所用水泥经试验室抽检，满足规范要求。水泥堆放采取防雨、防潮措施，严谨使用过期、受潮、结块、变质的水泥，储存适量水泥，满足施工需求。4)根据现场实际工况，选择合理的位置开挖配置水泥浆用的灰浆池，并用水泥砂浆抹面进行防水处理。5)动力、照明线分开架设，采用绝缘线，离地面2．5m以上，高压线离地面3．5m以上;架设用电线路必须符合规范要求。有专业电工进行管理及日常维护。施工用电应满足水泥土搅拌桩机及配套机械设备用电要求，预备1台发电机以防突然断电。水、电源接通综合考虑现场的协调共用，根据施工规模及设备配置情况，计算和确定工地所需的供电量，并考虑生活照明等，设置变压器及配电系统，全面设计施工供水的水源及给水管系统。根据施工总体工期及工程量要求，结合现场实际情况，确定施工所需配备的灰浆搅拌机、TRD-III桩机等。1)线路控制桩点交接及复测，由项目部测量队进行线路控制桩点交接，对控制桩点进行复测，形成控制测量文件。2)在施工前组织技术人员熟悉复核设计图纸、资料，熟悉项目合同有关技术标准、规范的要求，在此基础上组织编制实施性作业指导书及技术交底，并对施工工班所有施工人员进行技术、安全交底。3)制定现场作业管理办法，制定现场施工的技术管理办法以及有关质量、安全、进度管理办法，编制关键工序的作业指导书。4)进行施工前培训，对所有人员进行技术培训、操作规程培训，以提高作业人员技术和操作水平，从而保证施工质量，并确保工程施工顺利进行。导墙沟槽开挖过程中，根据基坑围护内边控制线，采用挖掘机开挖，并清除地下障碍物，开挖沟槽余土及时处理。根据表土性质及现场施工条件确定导墙尺寸，绑扎导墙钢筋网并支设模板，浇筑混凝土而形成钢筋混凝土导墙。1)TRD搅拌墙施工前，需进行试成墙试验，以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、成墙质量、水泥搅拌均匀性、强度及隔水性能、施工参数和施工工序等。2)确定等厚度水泥土搅拌墙采用3工序(即先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌)的挖掘成墙推进速度、成墙功效。3)确定等厚度水泥土搅拌墙的挖掘液膨润土掺量、固化液水泥掺量、水泥浆液水灰比等施工参数。4)确定等厚度水泥土搅拌墙切割箱导向垂直度、搅拌墙成墙的垂直度。5)通过试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。TRD搅拌墙施工顺序自一端向另一端往复前进，每一循环前进长度为15～20m，往复3次成桩。钻进的施工步骤如下。1)在首段开挖位置挖一个切割箱预备槽，在槽内安放一节切割箱。桩机就位后下挖至切割头完全沉入土体，断开桩机与切割头的连接，移动切割头至预备槽位置将其中的切割箱节段与桩机相连，并提起切割箱，移动至切割头位置与其相连接。2)继续下挖并按照上一步程序安装切割箱直至切削深度满足设计要求。下挖的过程中不断通过切割刀具端头向土体注入切削液，切削液由水、膨润土组成。3)转动切割刀具，横向移动桩机切割土体，并在切割刀具端头向土体内喷切削液，先行挖掘土体。4)先行挖掘至一个进尺距离后回刀继续切割土体，并在切割刀具端头向土体内喷切削液，回刀切割至距前一循环H型钢施工接头300mm位置。5)搅拌成桩，再次回刀切削土体，在切削的同时注入水泥浆成墙。1)型钢定位装置由定位工字钢、连接横杆、定位横杆通过焊接制作而成，定位工字钢、连接横杆、定位横杆均由200mm×100mm×5mm的工字钢制作，定位工字钢与定位横杆围合成的空间尺寸与型钢插芯轮廓尺寸相同。2)将型钢定位装置搁置在导墙上，预埋螺杆穿过定位装置上的螺栓孔，同时调整定位装置的位置，然后通过螺栓紧固连接，如图6所示。
搅拌桩施工完毕后立即插入H型钢。用挖机配合50t履带式起重机起吊H型钢，其下端穿过定位装置上由定位工字钢和定位横杆围合成的空间，靠型钢自重插入，插入时保证H型钢的垂直度。型钢上涂减摩材料以减少阻力，保证其完整回收。型钢要平直、光滑、无弯曲、无扭曲。当型钢插至设计标高时，用φ18钢筋将型钢临时固定。清理溢出的水泥土，控制至设计顶标高，进行下道工序的施工。具体操作工艺如下。H型钢的减摩是H型钢插入和顶拔顺利进行的关键工序，减摩主要通过涂刷减摩剂实现，首先清除H型钢表面的污垢和铁锈，使用电热棒将减摩剂加热至完全熔化，用搅棒搅动时感觉厚薄均匀，涂敷于H型钢表面，若出现剥落现象及时重新涂刷。H型钢就位后，通过型钢定位装置控制，靠型钢自重或借助一定的外力(送桩锤)将型钢插入搅拌桩内。型钢起吊前在型钢顶端的圆孔内装好吊具和固定钩，吊装采用2台50t的履带式起重机先水平3点吊起H型钢，吊点位置和数目按正负弯矩相等的原则计算确定，在型钢离地面一定高度后，再由1台履带式起重机垂直起吊，另一台起重机水平送吊，成竖直方向后，一次进行起吊垂直就位。在导墙上设置H型钢定位装置固定插入型钢的平面位置，型钢定位装置牢固、水平，将H型钢底部中心对准桩位中心沿定位装置徐徐垂直插入水泥土搅拌桩内，用经纬仪或线锤控制型钢插入垂直度，型钢插入过程中应随时调整型钢的水平误差和垂直误差。1)待型钢水泥土地下连续墙施工完毕后，并达到设计强度或时间后，拆除型钢临时固定筋，绑扎压顶梁钢筋骨架，压顶梁箍筋或穿过型钢间的间隙形成环状箍筋，或焊接在型钢旁的加强纵筋上。2)型钢与压顶梁混凝土接触处在其上敷设隔离膜，方便型钢的拔出回收。压顶梁施工完毕后，在型钢出露处两侧焊接角钢形成纵向加强连接，在基坑开挖过程中增加围护结构的整体刚度。根据制定的基坑开挖组织方案进行基坑开挖，并设置相应的内支撑，做好基坑围护结构的水平位移、地表沉降、内力等的监测，发现异常及时处理，事先做好相应的应急预案。地下主体结构施工完毕后，拆除型钢两侧的加强角钢，以压顶梁为千斤顶受力基座，在H型钢回收施工前进行型钢抗拔验算与拉拔试验，以确保型钢的顺利回收。由于围护结构变形导致型钢变形，使型钢很难拔出，钢支撑应按设计要求施加预加力且各支撑受力均匀，以减小围护结构变形量，是提高H型钢回收率的有效手段。型钢拔除采用2台千斤顶顶升穿过型钢上圆孔内的钢杆件，并同步采用吊机起吊，千斤顶达最大行程后，重新将钢杆件插入下面的圆孔内，继续顶升型钢直至完全拔出。型钢起拔后，空隙应灌注水泥浆。将拔出的型钢表面清理后回收利用或重新锻造。1)施工过程中根据成墙范围内所有土层的特性确定墙体水泥掺量，水泥掺量≥25%，水灰比1∶1。2)挖掘液采用钠基膨润土拌制，膨润土掺入量≥5%。3)TRD搅拌墙的墙体垂直度偏差≥1/250，墙位偏差≤+20～50mm(向坑内偏差为正)，墙深偏差≤100mm，成墙厚度应≥设计墙厚，偏差控制在0～20mm(控制切割箱刀头尺寸偏差)。4)TRD搅拌墙56d浆液试块无侧限抗压强度标准值≥1．0MPa，墙体渗透系数≤10－7cm/s。5)TRD搅拌墙应采用TRD-Ⅲ型设备进行施工。采用水平轴锯链式切割箱沿墙深垂直整体搅拌，分段连接钻至预定设计深度，水平横向挖掘推进，同时在切割箱底部注入挖掘液或固化液，使其与原位土体强制混合搅拌，形成的水泥土搅拌连续墙，在墙体范围内必须做到水泥搅拌均匀。6)成墙搅拌结束后，切割箱应继续向前挖掘推进，确保切割箱在固化成墙厚度之外进行起拔，且在切割箱起拔过程中对切割箱范围进行喷浆搅拌，确保对切割箱占据空洞进行密实填充和有效加固，防止对成墙产生不利影响。7)TRD搅拌桩在横移过程中均应注入水泥浆液，并根据注浆速度匹配相应的桩机移动速度，注浆相关参数如表1，2所示。
表2 墙厚850mm主要注浆参数
8)型钢回收后注浆，注浆管选用φ10mm钢管，采用焊接将其顺水泥土壁插入桩底。注浆材料采用细砂掺加0．5%～1．0%高效减水剂及3%～7%膨润土，水灰比控制在0．7，通过高效减水剂及膨润土调整水泥砂浆的流动性。注浆时采用压力≥1．0MPa的注浆泵。在注浆过程中边注浆边提升，注浆管始终埋于浆液下≥3m，注浆采用2台以上注浆泵同时进行以提高注浆效果。①对于埋深在2．5m以内的地下障碍物，直接利用挖掘机开挖、清除，并及时回填素土并分层夯实;②对于埋深超过2．5m的地下障碍物，拟采用加长臂挖掘机进行简易放坡开挖、清除，必要时采用旋挖钻机进行破除、清理;清障结束后产生较大的空洞，采用8%的水泥掺入素土分层夯实、整平，以确保地基承载力满足大型施工机械稳定行走的要求;③对周边存在地下管线需要保护的区域进行清障时，拟通过扦插H型钢挡土，防止地下管线因土体沉降而破坏。10)局部土层松软、低洼的区域，必须及时回填素土并用挖机分层夯实，施工前根据TRD设备重量，对施工场地进行铺设钢板等加固处理措施，钢板铺设不应少于2层，分别平行与垂直于沟槽方向铺设，确保施工场地满足机械设备地基承载力的要求;确保桩机、切割箱的垂直度。11)施工时应保持TRD桩机底盘的水平和导杆的垂直，施工前采用测量仪器进行轴线引测，使TRD桩机正确就位，并校验桩机立柱导向架垂直度偏差＜1/250。12)切割箱自行打入时，在确保垂直精度的同时，将挖掘液的注入量控制到最小，使混合泥浆处于高浓度、高黏度状态，以便应对急剧的地层变化。13)施工过程中通过安装在切割箱体内部的测斜仪，可进行墙体的垂直精度管理，墙体的垂直度≤1/250。14)测斜仪安装完毕后，进行型钢水泥土墙体的施工。当天成型墙体应搭接已成型墙体约300～500mm;搭接区域应严格控制挖掘速度，使固化液与混合泥浆充分混合、搅拌，搭接施工中须放慢搅拌速度，保证搭接质量。15)TRD法成墙搅拌结束后或因故停待，切割箱体应远离成墙区域不少于3～4m，并注入高浓度的挖掘液进行临时退避养生操作，防止切割箱被抱死。16)一段工作面施工完成后，进行拔出切割箱施工，利用TRD主机依次拔出，时间应控制在4h以内，同时在切割箱底部注入等体积的混合泥浆。17)拔出切割箱时不应使孔内产生负压而造成周边地基沉降，注浆泵工作流量应根据拔切割箱的速度作调整。
本技术在温州市域铁路S1线一期工程土建施工多个标段得以应用，所处场地地下水位埋藏浅，具有深厚超软淤泥质土层，含水量高，区间隧道采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用850mm厚TRD搅拌墙。考虑软土地基对成槽的影响，施做导墙前进行槽壁加固，并在其上预埋螺杆及导轨，以安装型钢平面位置定位装置，控制型钢的位置及垂直度，2015年6月基坑开挖前，TRD墙检测合格，且开挖过程中TRD墙背土面未见任何质量缺陷，采用本技术综合降低造价5%~6%，取得较好的经济效益。相比传统的连续墙施工方法，连续墙刚度大、变形小、止水防渗效果好，具有较好的技术推广效益。并且，所形成的墙体厚度均一、强度均匀，施工废水、泥浆等得到有效控制，型钢插入精准，避免二次调整插入，节省劳动力资源，提高劳动生产力，施工完后型钢拔出回收，降低地下留置障碍物对今后施工的影响，并且节约资源，践行节能减排的绿色施工要求，其施工技术为同类型的围护墙施工提供了一定的参考价值，促进技术进步，能够带来良好的社会效益。作者：林尚月
编辑整理：项敏
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