察雙元， 周 恒， 栗全旺， 桂大壯， 宋永娜

(1.青島市地鐵一號線有限公司， 山東 青島 266000； 2.山東大學 巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061；3.山東省交通規(guī)劃設計院， 山東 濟南 250031)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國城市地鐵建設規(guī)模日益增長。沿海城市在修建地鐵車站工程時經(jīng)常遭遇第四系松散富水砂土層，該類地層含水量高、膠結能力低、自穩(wěn)強度差，若處治不當，在施工過程中極易發(fā)生涌水潰砂災害，進而引發(fā)明挖車站基坑塌陷、地表沉降等工程事故。傳統(tǒng)的噴錨支護方法很難在富水砂土層的車站基坑中發(fā)揮效力。TRD工法是一種新型隔水帷幕工法，具有施工深度大、適應地層廣、成墻質量好和成墻精度高等優(yōu)點[1-3]。

在TRD工法施工原理方面：吳君等[4]對TRD工法的裝置結構、施工原理、施工流程進行了系統(tǒng)性介紹；張安等[5]對其工藝優(yōu)缺點進行了詳細分析，闡明了TRD工法的適用工程條件。在TRD工法工程應用方面：孫志振等[6]研究了TRD工法在砂質粉土層的應用；劉濤等[7]將TRD工法運用于復雜地層，解決了復雜地層和超深水泥土連續(xù)墻的成墻問題。在TRD工法墻體質量評價方面：張世軒等[8]對TRD連續(xù)墻支護結構進行了受力分析，計算了支護結構的內(nèi)力，并驗算了基坑隆起穩(wěn)定性?，F(xiàn)有TRD工法的研究大部分集中在TRD工法的介紹和施工技術的經(jīng)驗總結，導致TRD工法的后期質量驗收過程中存在一定的經(jīng)驗性與盲目性。

本文以青島某地鐵站基坑TRD工法構建等厚水泥土連續(xù)墻為工程依托，研究了TRD工法在青島地區(qū)富水砂層中的適應性，建立了一套新的完整的TRD工法水泥土攪拌墻墻體質量評價體系。

1 工程概況

車站長283.4m，標準段寬19.9m，基坑面積約為5639.66m2，為11m島式站臺。車站形式為地下2層雙跨矩形框架結構，標準段底板埋深17.5m。

1.1 工程地質條件

1.2 水文地質條件

本段地鐵線路沿線地貌為沖洪積平原地貌，地下水主要賦存于第四系松散砂土層和基巖的裂隙中，第四系孔隙水和基巖裂隙水為場區(qū)地下水的主要類型。

第四系孔隙承壓水為第四系孔隙水的主要類型，呈層狀廣泛分布于砂層中，一般與其它水層相互連通，形成徑流排泄關系，水量中等?？碧狡陂g地下水穩(wěn)定水位埋深為5.7～9.8m，絕對標高為2.36～5.74m?；鶐r裂隙水在場區(qū)主要以層狀、帶狀賦存于基巖強風帶、裂隙密集發(fā)育帶中，裂隙發(fā)育不均勻導致其富水性不均勻。強風化帶透水性較好、富水性強,節(jié)理發(fā)育帶裂隙張開性好、導水性較強、富水性中等。根據(jù)青島地區(qū)鉆井抽水試驗資料，基巖裂隙水單井涌水量一般小于20m3/d，滲透系數(shù)k﹤4m/d。

1.3 TRD工法

TRD工法水泥土連續(xù)墻施工工作原理為：鏈式切割箱沿著設計的墻位打入，從箱底注入挖掘液并將土層挖動至設計位置，沿設計成墻方向挖掘前進;前挖和后挖完成后再由箱底注入固化液，攪拌使之與土體充分結合，形成均勻性好、連續(xù)性強的隔水帷幕。TRD工法與傳統(tǒng)隔水帷幕工法相比，有如下優(yōu)點：

1)TRD工法對施工場地要求靈活。傳統(tǒng)的三軸水泥土攪拌樁施工工法和地下連續(xù)墻施工工法，地下深度越深，地上設備一般越高，既不靈活也不安全，TRD工法的組合式刀箱，從根本上解決了這個難題。

2)TRD工法的地層適用性強，由于市區(qū)內(nèi)實施圍護過程中，地質情況和地下障礙物等不明情況較多，采用TRD工法可以利用機械自帶的鏈鋸進行普通障礙物的切削，而傳統(tǒng)的三軸水泥土攪拌樁施工工法則無法處理特殊地質情況。在同一工程中，TRD工法加固的水泥土連續(xù)墻的滲透系數(shù)受地層土體類型影響小，不會因地層的變化而出現(xiàn)較大的波動，可以勝任各類土層和砂礫石層地質情況。

3)TRD工法成墻連續(xù)性、均勻性、完整性均較好。傳統(tǒng)的地下連續(xù)墻工藝復雜、工序較多，每道工序的質量控制都會對最終成墻質量產(chǎn)生影響；同時地下連續(xù)墻的成墻受限于工藝無法一次澆筑，需要分段完成，槽段搭接位置非常容易發(fā)生滲漏，從而影響后期基坑的正常開挖。TRD連續(xù)性刀具可以在垂直方向進行一次性挖掘、混合攪拌和橫向推進，可以保證墻體的高連續(xù)性和高止水性。

車站基坑選擇鉆孔灌注樁和TRD工法水泥土連續(xù)墻來進行基坑支護和實現(xiàn)隔水作用，TRD工法水泥土連續(xù)墻主要用作止水帷幕。鉆孔灌注樁的樁徑為1.0m，樁心間距為1.4m。車站基坑平面圖見圖1。

圖1 車站基坑平面圖(單位：mm)

2 TRD工法連續(xù)墻質量檢測

對于TRD工法連續(xù)墻質量檢測，國內(nèi)外大多數(shù)相關研究多采取測試芯樣強度進行評測，評測效果受鉆孔取芯情況影響較大；或直接采取固化液和地層充分混合后的漿液制作試塊，養(yǎng)護后進行強度和抗?jié)B性的測試，然而無法全面檢測TRD工法連續(xù)墻墻體的完整性和均勻性[9-11]。本文在取芯檢測連續(xù)墻強度的基礎上，采取鉆孔內(nèi)變水頭壓水試驗、高清鉆孔電視成像和鉆孔電磁波雷達等一系列工程原位試驗，建立了一套系統(tǒng)的TRD工法連續(xù)墻質量評價體系，如圖2所示。

圖2 TRD工法連續(xù)墻質量評價體系

TRD工法水泥土連續(xù)墻3序施工流程分別是:前挖、回挖、攪拌[12-13]?；赝跁r由于涉及2次挖掘攪拌，連續(xù)墻容易出現(xiàn)新、舊交界面，一定程度上破壞了連續(xù)墻的整體性和均勻性，甚至會影響連續(xù)墻成墻的強度和抗?jié)B性，而以往的連續(xù)墻墻體質量檢測中對此缺乏重視。

考慮到上述影響，本文在對連續(xù)墻進行鉆孔取芯檢測墻體質量時，分別選取了連續(xù)墻的連續(xù)段和連接處共4個鉆孔，如表1所示。

表1 各鉆孔具體信息鉆孔序號深度/m孔徑/mm位置齡期/d成孔情況1#20108連接處64無塌孔2#20108連續(xù)段62無塌孔3#2089連續(xù)段45無塌孔4#2089連接處42無塌孔

2.1 TRD工法連續(xù)墻強度檢測

為評估不同深度水泥土連續(xù)墻結石體的強度，在連續(xù)墻墻體上進行現(xiàn)場鉆孔，取出巖心樣品后測試其單軸抗壓強度[14]。

圖3為4個鉆孔芯樣隨地層分布的強度情況，平均單軸抗壓強度分別為0.89、0.91、0.70、0.90MPa?？紤]鉆進過程對芯樣造成的破壞，設定修正系數(shù)為1.3[2]，修正后抗壓強度分別為1.16、1.18、0.91、1.17MPa。根據(jù)行業(yè)標準《渠式切割水泥土連續(xù)墻技術規(guī)程》要求：水泥土連續(xù)墻的28 d強度不小于0.8 MPa，4個芯樣強度均滿足規(guī)范要求，但數(shù)值的波動性也反映出水泥土墻存在一定程度的不均勻性。

TRD工法連續(xù)墻巖心芯樣強度沿深度方向具有較大的不均勻性，且強度變化與鉆孔取芯顯示的土層性質具有較強的相關性。從地層分布上看，砂土層連續(xù)墻結石體普遍比黏土層連續(xù)墻結石體強度高、完整性好。

圖3 芯樣強度分布圖

黏土周圍的顆粒間距比水泥小，水泥顆?；旌虾蟛荒艹浞痔畛漯ね令w粒間隙，導致水泥土整體性差、強度低。而水泥顆?？沙浞痔畛渖傲？紫?，并混合均勻，從而保證砂粒與水泥土的強度和整體性。

攪拌過程中TRD設備受機械性能和實際施工的限制，在不同的地層中從機底注入壓力相同的漿液時，不能保證地層與水泥充分攪拌均勻，導致某些地層中水泥含量低，從而影響墻體的強度。

2.2 TRD工法連續(xù)墻抗?jié)B性檢測

本文采取變水頭壓水試驗測定連續(xù)墻的滲透系數(shù)以檢測連續(xù)墻的透水性[15-16]。鉆孔壓水試驗通過測定連續(xù)墻的單位吸水量，計算得到連續(xù)墻的滲透系數(shù)，來評價連續(xù)墻的透水性和內(nèi)部裂隙情況。變水頭壓水試驗有以下優(yōu)點： ① 可以檢測連續(xù)墻墻體整體全深度內(nèi)的透水性，數(shù)據(jù)全面且豐富；② 直接對連續(xù)墻墻體進行檢測，避免鉆孔取芯過程中對芯樣的損傷，能夠得出墻體實際的滲透系數(shù)；③ 直接在現(xiàn)場操作，減少搬運等操作造成試件含水率變化,從而對芯樣滲透系數(shù)造成影響等。結合現(xiàn)場實際條件，選取1#、3#和4#鉆孔進行壓水試驗。每隔5 min記錄一次鉆孔水位變化，直至水位變化速度趨于穩(wěn)定，采用下式計算滲透系數(shù)k：

(1)

式中：k為試驗段墻體滲透系數(shù)，cm/s；r為鉆孔半徑,cm；t1、t2分別為觀測始、終時間,s；h1、h2分別為時間t1、t2時鉆孔內(nèi)鉆孔水面與地下水位的高度差,cm；A為形狀系數(shù)。

對于同一均質土層：

(2)

式中：l為試驗段長度，cm。

原始地層與TRD工法水泥土連續(xù)墻滲透系數(shù)對比見表2。

表2 原始地層與TRD工法水泥土連續(xù)墻滲透系數(shù)對比土層滲透系數(shù)/(cm·s-1)原始地層1#鉆孔3#鉆孔4#鉆孔素填土1.2×10-25.6×10-74.5×10-73.8×10-7雜填土3.5×10-25.6×10-74.5×10-73.8×10-7粉質黏土2.3×10-53.7×10-74.8×10-73.8×10-7中粗砂2.5×10-23.7×10-74.8×10-73.8×10-7粗礫砂3.5×10-22.8×10-74.5×10-75.4×10-7黏土1.2×10-63.9×10-73.3×10-74.2×10-7含卵石粗礫砂5.8×10-23.9×10-73.3×10-74.2×10-7黏土1.2×10-63.0×10-73.3×10-77.3×10-7含黏性土中粗砂2.3×10-23.0×10-71.8×10-67.3×10-7粗礫砂3.4×10-22.6×10-71.7×10-65.4×10-7黏土1.2×10-62.6×10-71.7×10-65.4×10-7含碎石粗礫砂5.8×10-22.6×10-71.7×10-65.4×10-7

結果表明:在黏性土中，滲透系數(shù)從10-6cm/s降到了10-7cm/s;在中等砂礫層中，滲透系數(shù)從10-2cm/s降到了10-7cm/s，在TRD工法連續(xù)墻全深度范圍內(nèi)分布均勻。

2.3 TRD工法連續(xù)墻高清鉆孔電視成像

與其他截水工法相比，TRD工法連續(xù)墻的優(yōu)勢在于連續(xù)性和均質性，以前的研究均通過檢測鉆孔芯樣測試墻體質量，將檢測的重點放在芯樣的物理力學特性和滲透性上。

本文采用高清鉆孔電視攝像掃描各鉆孔內(nèi)壁，觀測鉆孔內(nèi)水泥漿和原狀土的膠結情況。鉆孔取芯結束后，經(jīng)洗孔、抽水后對鉆孔進行電視錄像檢查鉆孔內(nèi)壁，并記錄觀測深度和鉆孔內(nèi)壁缺陷情況，以便在墻體出現(xiàn)裂縫、孔洞、滲漏水等缺陷時進行重新挖掘攪拌或注漿修復。圖4為鉆孔電視內(nèi)部成像圖。

a) 2#鉆孔(12 m處)

b) 4#鉆孔(9 m處)

鉆孔電視成像檢測結果顯示： ① 鉆孔內(nèi)壁均勻，無明顯裂縫和孔洞，洞內(nèi)無明顯滲水現(xiàn)象;②不同鉆孔深度均呈現(xiàn)完好狀態(tài)，成墻性質較為均勻。

2.4 TRD工法連續(xù)墻鉆孔電磁波雷達探測

采用鉆孔電磁波雷達進一步驗證TRD工法連續(xù)墻的完整性和均勻性。鉆孔雷達采用IDS雷達，使用150MHz孔中天線，測線總長約18m，其中水位線以下測線長14m，水位線以上測線長4m。水泥土連續(xù)墻的探測方向和探測鉆孔的鉆進方向都是豎直方向，因此形成水平直線同相軸的探測響應，響應出現(xiàn)在檢測半徑范圍內(nèi)。雷達波盡管位于地下水位線以下，但受地下水的干擾影響較小，甚至雷達探測的精準度因為天線與鉆孔間水的耦合而變得更高。

鉆孔雷達檢測結果如圖5所示。由圖可知，水泥土連續(xù)墻的反射并未出現(xiàn)顯著的同軸錯段或者其他不連續(xù)波形。說明TRD工法形成的水泥土連續(xù)墻成墻完整性好；墻體均勻，墻身未現(xiàn)明顯裂縫和孔洞等缺陷。

圖5 鉆孔雷達檢測結果

3 結語

本文依托青島某地鐵站基坑圍護結構工程，開展了TRD工法水泥土連續(xù)墻在青島地區(qū)富水砂土層中的適用性研究，得到以下結論：

1) 全面考慮了強度、滲透系數(shù)、完整性、均質性等反映墻體質量的關鍵指標，建立了一套新的、完整的TRD工法水泥土連續(xù)墻墻體質量評價體系。

2)水泥土連續(xù)墻取芯芯樣的無側限抗壓強度平均值為0.91～1.17MPa，連續(xù)墻的墻體強度沿著深度方向呈現(xiàn)出較大的波動性。TRD工法在黏土層形成的連續(xù)墻強度明顯低于砂層，但是各個芯樣鉆孔平均強度均能滿足設計要求。

3)等厚度水泥土連續(xù)墻對各個土層的滲透系數(shù)均有明顯改變，尤其對于砂層抗?jié)B性能有顯著提升，且這種抗?jié)B性能的提高沿連續(xù)墻全深度內(nèi)均勻分布，滿足隔水帷幕的要求。

4)TRD工法在青島地區(qū)的富水砂土層中具很強的實用性，其形成的水泥土攪拌連續(xù)墻強度大、抗?jié)B性高、完整性好，可作為青島地區(qū)富水砂土層地區(qū)基坑隔水帷幕工程的優(yōu)選工法。