賈建彬

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300350)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為緩解交通壓力的重要交通措施，地鐵建設(shè)規(guī)模不斷增多。地鐵車站基坑開挖是整個(gè)地鐵建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，作為深大基坑，基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型是影響其修建安全的重要因素[1－3]。近年來，地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋鉆孔灌注樁等基坑圍護(hù)組合結(jié)構(gòu)在我國軟土地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，具有深度大、適用地層廣泛和施工質(zhì)量易控、隔水效果好等優(yōu)勢。但在富水砂礫層中，上述圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式的適用性仍不明確。因此，對其展開研究具有重要工程價(jià)值。

目前，已經(jīng)由較多學(xué)者對不同地層條件下基坑常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性展開了研究，并取得了許多可以借鑒的成果，但成果多集中于軟土等松軟地層中[4－6]。由于地質(zhì)條件的特殊性，上述成果在砂礫層中是否存在普遍性不得而知。除此之外，TRD工法墻展開了較多研究并取得了許多可以借鑒的參考。王衛(wèi)東等[7]通過對TRD工法墻在上海多個(gè)深大基坑工程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測得到了該工法樁在軟土地層中的承載變形特性和設(shè)計(jì)方法，并提出了其施工關(guān)鍵技術(shù)和監(jiān)測方法；譚軻等[8]通過理論方法分析了TRD中型鋼和水泥土的相互作用機(jī)理，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)對理論方法進(jìn)行了驗(yàn)證；吳國明等[9]通過現(xiàn)場試驗(yàn)對TRD工法墻在深厚砂土層中的隔水效果進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。上述研究成果可為TRD工法墻的現(xiàn)場應(yīng)用提供參考，但實(shí)際工程中仍存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型不清，TRD工法墻＋灌注樁施工關(guān)鍵參數(shù)不明等問題。

本文結(jié)合呼和浩特某實(shí)際地鐵車站基坑工程，首先通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場調(diào)研等方法對比分析了基坑常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)在富水砂礫層中的開挖變形、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)；在此基礎(chǔ)之上，對TRD工法墻現(xiàn)場實(shí)施工藝和質(zhì)量控制關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析探討。研究成果可為工程實(shí)踐提供參考。

2 工程概況

2.1 車站概況

呼和浩特站位于錫林郭勒北路和車站東西街的交叉路口，沿錫林郭勒北路布置，東北側(cè)為中國郵政大樓，東南側(cè)為私人停車場，西北側(cè)為呼和浩特市長途汽車站，西南側(cè)為國貿(mào)商城，如圖1所示。車站東西街為東西向布置，規(guī)劃道路紅線寬為30 m，設(shè)雙向六車道，現(xiàn)狀交流量較大。

圖1 呼和浩特站平面圖

本站為地下三層雙柱三跨島式車站，車站主體長度195 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.9 m，深約23.8 m。車站有效站臺中心里程為DK14＋656.647，起、止里程為DK14＋539.647～DK14＋734.647。本站采用明挖順做＋局部蓋挖法施工，附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖順做法施工，其中1號風(fēng)亭長46 m，基坑深度為10.62～12.2 m，1號出入口長為57.88 m，基坑深度為20.1～22.5 m。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該工程附屬結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)勘察揭示地層由上至下參見表1。該工程場地地下水屬潛水類型，現(xiàn)場實(shí)測水位埋深6～7 m，場地各水層多為強(qiáng)透水層，下部的隔水層多不連續(xù)且不完整，地下水位相互滲透。

表1 土層參數(shù)

3 富水砂礫層中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案及數(shù)值模型

目前，結(jié)合地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，地下深基坑明挖工程中多采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋灌注樁等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其中，TRD工法墻＋灌注樁應(yīng)用時(shí)間較短，多用于我國沿海軟土地區(qū)開挖深度小于15 m的明挖基坑工程中，且認(rèn)可度較高。但在富水砂礫層中開挖深度超過20 m的深基坑工程中應(yīng)用較少。

為了綜合對比上述四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)效益、施工質(zhì)量和整體變形等方面的優(yōu)劣勢，以本文工程為例，選用數(shù)值模擬方法對地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋灌注樁四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，整體數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 整體模型

由于基坑開挖深度為24 m，故四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度均選擇為48 m。鉆孔灌注樁直徑為800 mm，凈間距為300 mm；SMW工法樁直徑為750 mm，型鋼采用500×200×10×6型號，密插布置，間距為450 mm；TRD工法墻＋灌注樁中工法樁墻厚選用750 mm，鉆孔灌注樁直徑600 mm，間距900 mm，其中TRD工法墻主要起到止水隔水作用，鉆孔灌注樁主要承擔(dān)開挖引起的側(cè)向土壓力；地連墻厚度為800 mm。其典型斷面如圖3所示。

圖3 四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面

土體采用摩爾庫倫模型進(jìn)行模擬[10]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型[11]，具體參數(shù)見表1和表2所示。模擬步驟如圖4所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 基坑施工數(shù)值模擬步驟

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形比選

按照圖4中數(shù)值模擬順序進(jìn)行施工過程模擬，并提取不同形式圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形沿深度變化如圖5所示。

圖5 四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

結(jié)合圖5可知，開挖至第一道撐時(shí)，TRD工法墻＋灌注樁水平變形最小，SMW工法樁、地下連續(xù)墻水平變形與TRD工法墻＋灌注樁水平變形較為接近，而鉆孔灌注樁的水平變形最大，且在開挖至第二道撐、第三道撐和施作底板后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與開挖至第一道撐時(shí)的規(guī)律較為一致。

上述四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形均可描述為拋物線形和懸臂式的組合形態(tài)，且四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形均產(chǎn)生于15 m左右，該土層為粉質(zhì)黏土，與本工程其他土層相比，該土層較軟，故容易引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形。

由此可見，在其他工況相同的條件下，基坑開挖完成后，TRD工法墻＋灌注樁的最大水平變形最小，僅為39.89 mm，SMW工法樁和地連墻的水平變形次之，分別為42.36 mm和46.01 mm，而鉆孔灌注樁的水平變形最大，為55.06 mm。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量比選

結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和施工條件經(jīng)調(diào)研計(jì)算后總結(jié)得到每延米地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋灌注樁單價(jià)如表3所示。

表3 四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)每延米單價(jià)

結(jié)合表3可知，在四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，每延米SMW工法樁的施工費(fèi)用最低，鉆孔灌注樁施工費(fèi)用次之；每延米地下連續(xù)墻的施工費(fèi)用最高，TRD工法墻＋灌注樁施工費(fèi)用次之。且根據(jù)TRD工法墻＋灌注樁的施工過程可知，在施工過程中先將鏈鋸型切削刀具插入地基，掘削至車站基坑需要的深度，再向土體的內(nèi)筒注入先前配置而成的固化劑，再橫向掘削、攪拌，水平推進(jìn)，筑成水泥土攪拌連續(xù)墻，該工法施工速度較快，能夠在一定程度上節(jié)省工期，而地下連續(xù)墻施工速度較慢。

根據(jù)魏祥等[12]的研究可知，當(dāng)基坑開挖深度超過15 m后，采用SMW工法樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，SMW工法樁的施工過程中容易出現(xiàn)工法樁樁體開叉等工程質(zhì)量問題，進(jìn)而影響深基坑的安全穩(wěn)定性，不能較好地保障工程順利安全進(jìn)行。且本工程周邊環(huán)境復(fù)雜且地表為富水砂礫地層條件下，不具備降水施工條件時(shí)，地下連續(xù)墻成槽又困難，無法完成地下連續(xù)墻施工。

綜合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、施工質(zhì)量控制、施工速度和施工成本可知，在類似富水砂礫層中TRD工法墻＋灌注樁不僅造價(jià)較低、施工速度較快，而且能夠較好地控制水平變形，有效降低基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)。可對TRD工法墻＋灌注樁的關(guān)鍵施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而為施工提供參考。

4 TRD工法墻＋灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施及效果

4.1 TRD工法墻現(xiàn)場實(shí)施流程

TRD工法墻施工步驟主要包括測量放線、開挖溝槽、吊放預(yù)埋箱、樁機(jī)就位、安裝測斜儀、TRD水泥攪拌土工法成墻、置換土處理、拔出切割箱等，施工流程如圖6所示。

圖6 施工流程

4.2 TRD工法墻施工要點(diǎn)

(1)在等厚度水泥土攪拌墻切割箱自行打入挖掘工序和先行挖掘地基過程中，挖掘液的注入量宜控制到最小，必要時(shí)可預(yù)先回填黏土。

(2)成墻攪拌時(shí)，要保持較快的橫行推進(jìn)速度，拌站和漿泵要確保提供與攪拌推進(jìn)速度相匹配的水泥漿液。

(3)后續(xù)施工的墻體與已成型墻體搭接長度需保持30～50 cm，嚴(yán)格控制搭接區(qū)域的推進(jìn)速度，使固化液與混合泥漿充分混合攪拌，搭接施工中須放慢攪拌速度，保證搭接質(zhì)量，如圖7所示。

圖7 搭接施工示意

(4)TRD工法成墻攪拌結(jié)束后或因故停待，切割箱體宜遠(yuǎn)離成墻區(qū)域不少于3 m，并注入高濃度的挖掘液進(jìn)行臨時(shí)退避養(yǎng)生操作。

(5)TRD水泥攪拌土連續(xù)墻與車站接口處采用三排高壓旋噴注漿處理，保證接口處止水效果。

(6)正式施工前應(yīng)進(jìn)行試成墻施工，深度應(yīng)涵蓋工程中所有深度。本工程為16.3～29.6 m，墻厚為0.85 m，注漿區(qū)水平延長6 m。挖掘混合泥漿流動(dòng)度應(yīng)控制在0.16～0.24 m，可每立方被攪土體摻入約100 kg的膨潤土。而固化液混合泥漿流動(dòng)度應(yīng)控制在0.15～0.28 m，墻體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa。

(7)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，通過正交試驗(yàn)確定了固化液配比為:每立方被攪拌土體摻入25%的水泥，即每立方米土摻入450 kg P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；水灰比為1.2～1.8，即施工過程每1 000 kg水泥，摻1 200～1 800水拌制漿液(搭接施工時(shí)水灰比1.5～1.8)，地層含水率低時(shí)取大值。

4.3 鉆孔灌注樁實(shí)施流程

鉆孔灌注樁現(xiàn)場實(shí)施步驟包括:測量放線并定位→鋼護(hù)筒埋設(shè)→成孔→第一次清孔→鋼筋籠制作→鋼筋籠吊裝→導(dǎo)管組裝和安放→第二次清孔→混凝土灌注。

由于鉆孔灌注樁應(yīng)用較多，相關(guān)技術(shù)較為成熟，故在此不對施工質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行贅述。

4.4 現(xiàn)場實(shí)施效果

施工過程中，對TRD工法墻的水平位移進(jìn)行了監(jiān)測，施工完成后，不同點(diǎn)位上TRD工法墻頂最大水平位移如圖8所示。由圖可知，TRD工法墻最大位移均小于位移報(bào)警值，且安全系數(shù)較大，整體施工效果較好。

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測位移

5 結(jié)論

本文依托某實(shí)際工程，結(jié)合數(shù)值分析、現(xiàn)場調(diào)研等方法，從變形特性、經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量對比分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式在富水砂礫層中的適用性。在此基礎(chǔ)之上，對TRD工法墻現(xiàn)場實(shí)施工藝和質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析探討。主要結(jié)論如下:

(1)富水砂礫層中，與地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁相比，TRD工法墻＋鉆孔灌注樁具有經(jīng)濟(jì)性好、水平變形小和施工質(zhì)量好等優(yōu)勢。

(2)后續(xù)施工的墻體宜搭接已成型墻體約30～50 cm，且TRD水泥攪拌土連續(xù)墻與車站接口處采用三排高壓旋噴注漿處理。

(3)施工過程中需充分考慮地層含水率、水泥摻量、黏土含量等因素對墻體強(qiáng)度的影響，必要時(shí)需進(jìn)行正交試驗(yàn)確定其配比。