宗露丹,張 佶,徐中華,潘偉強

(1.華東建筑設(shè)計研究院有限公司上海地下空間與工程設(shè)計研究院,上海 200011;2.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心,上海 200011;3.上海隧道工程有限公司,上海 200002)

0 引言

隨著我國地下空間開發(fā)迅速發(fā)展,基坑開挖深度逐步增加,涉及更為嚴(yán)峻復(fù)雜的地下水處理問題。以典型的濱海軟土高水位中心城市上海為例,淺部為軟弱黏性土組成的潛水含水層、深部則為蘊含于密實砂層的多層承壓含水層,對于環(huán)境敏感的超深基坑工程通常需設(shè)置超深止水帷幕以減少承壓水降水對周邊環(huán)境的影響。

TRD(trench cutting re-mixing deep wall)工法又稱等厚度水泥土攪拌墻技術(shù),是將鏈鋸型刀具插入地基至設(shè)計深度后,全深度范圍對成層地基土整體上下回轉(zhuǎn)切割噴漿攪拌,并持續(xù)橫向推進(jìn),構(gòu)筑成連續(xù)無縫的等厚度水泥土攪拌墻［1］。自2007年從日本引進(jìn)該技術(shù)以來,作為一種良好的隔水帷幕形式已在全國諸多城市復(fù)雜地層條件的基坑工程中成功應(yīng)用。典型工程如中鋼天津響螺灣項目［2］,TRD工法隔水帷幕深度達(dá)到45m;上海虹橋商務(wù)區(qū)一期［3］,TRD工法隔水帷幕深度達(dá)到52m;武漢長江航運中心［4］,TRD工法隔水帷幕深度達(dá)到57m,嵌入中風(fēng)化泥巖層;上海國際金融中心［5-6］,TRD工法作為密實砂層中的懸掛帷幕深度達(dá)到56m。目前TRD工法基本實現(xiàn)了施工設(shè)備的國產(chǎn)化,大規(guī)模應(yīng)用深度基本不超過65m。

本文以上海某項目挖深達(dá)45.45m的方形基坑工程為依托,針對復(fù)雜多層承壓水的基坑降水設(shè)計,提出了在地下連續(xù)墻圍護(hù)墻外側(cè)設(shè)置超深TRD工法攪拌墻的雙帷幕體系。由于TRD工法攪拌墻的深度達(dá)69m,其實施尚無先例可循,針對復(fù)雜地層首次開展86m超深TRD工法攪拌墻試成墻研究,在此基礎(chǔ)上完成69m深TRD工法正式成墻施工,并結(jié)合現(xiàn)場抽水驗證超深帷幕的隔水效果。

1 超深基坑雙帷幕體系設(shè)計

1.1 工程概況

上海某項目涉及隧道段和5個工作井開挖,其中5號工作井內(nèi)凈尺寸為55m×76m的矩形,基坑面積4 535m2,基坑開挖深度為42.1～45.45m?；又苓呏饕Ｗo(hù)對象為東側(cè)的高壓鐵塔(采用400mm×400mm靜壓焊接的樁基礎(chǔ),樁長30.5m)、西側(cè)的磁懸浮基礎(chǔ)(采用樁徑1m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁長67.5～78m),基坑環(huán)境平面如圖1所示。

圖1 基坑平面(單位：m)Fig.1 Plan view of foundation excavation (unit：m)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

本工程位于長江三角洲濱海平原。從地表至約45m深主要以流塑～軟塑的填土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土為主,為典型上海軟土;其下為砂質(zhì)粉土和粉砂,其中第⑦2層、⑨層、層均呈密實狀態(tài),標(biāo)貫擊數(shù)分別約為58,82,105。⑦2層與⑨層之間為⑧21層粉質(zhì)黏土與粉砂互層。

場地地下水有潛水和承壓兩種類型。淺部潛水賦存于填土、黏性土和粉性土中,水位埋深0.5～3.8m。第⑤2層、⑤3a層為微承壓含水層,水頭埋深約5.6m,且⑤3a層大部分區(qū)域與第⑦2層聯(lián)通。深部第⑦2層、第⑨層、第層分別為第I、第II、第III承壓含水層,其中⑦2層與⑨層間分布有第⑧21層相對隔水層,第⑨層與第層相聯(lián)通,承壓含水層水量補給豐富且滲透系數(shù)較大,第I、第II、第III承壓水含水層水頭埋深均約為9m左右。為保證基坑的抗承壓水穩(wěn)定性,本基坑⑦2層第Ⅰ承壓含水層、⑨層第Ⅱ承壓含水層的水頭降深需求分別為38～42m,12～18m。各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Properties of the soils

1.3 承壓水控制的雙帷幕體系設(shè)計方案

本項目基坑超深且存在復(fù)雜的多層承壓含水層,基坑開挖面直接揭露⑤2層及⑤3a層與⑦2層大范圍聯(lián)通的承壓含水層,同時還需針對深部的⑨層與層聯(lián)通的承壓含水層進(jìn)行減壓降水。為控制抽降承壓水對周邊環(huán)境的影響,采用89.8m深地下連續(xù)墻兼作懸掛止水帷幕,懸掛長度不小于5.8m,其中79～89.8m深度區(qū)間為止水構(gòu)造段。

在此基礎(chǔ)上,為確保本基坑側(cè)向滲漏風(fēng)險可控,尤其對基底附近滲漏威脅最大的微承壓水及第I承壓含水層采用雙帷幕設(shè)計思路,即在地下連續(xù)墻外側(cè)另外設(shè)置0.9m厚、69m深的超深TRD工法水泥土攪拌墻止水帷幕,TRD墻身進(jìn)入⑧21層至少3m以完全隔斷⑦2層及以上含水層。地下連續(xù)墻與TRD工法隔水帷幕之間保持2.3～11.1m的凈距,并在雙帷幕之間設(shè)置微承壓水及第Ⅰ承壓水的應(yīng)急備用井?；与p帷幕體系剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)體系剖面(單位：m)Fig.2 Sectional view of the supporting system (unit：m)

2 超深TRD工法成墻試驗研究

2.1 試成墻的必要性

本工程TRD工法等厚度水泥土攪拌墻設(shè)計深度69m,遠(yuǎn)超此前既有的TRD-III型、TRD-CMD850型、TRD-E型和TRD-D型等施工設(shè)備的施工能力(最大施工深度約為60m［1］),且TRD入土深度需穿透標(biāo)貫擊數(shù)近60擊的第⑦2粉砂層中,超深成墻深度及穿透堅硬土層對止水帷幕成墻施工能力提出巨大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)工程機械制造單位為此研制開發(fā)了世界首臺極限施工深度可達(dá)86m的TRD-80E型工法機,如圖3所示。該設(shè)備長12.3m、寬6.8m、高13m,自重約135t、切割力100t,軌鏈的破斷拉力260t,最大切削深度86m,成墻寬度0.9～1.1m,該設(shè)備的切割能力、成墻深度相對于TRD-D型設(shè)備均進(jìn)行了優(yōu)化提升。

圖3 TRD-80E型設(shè)備Fig.3 TRD-80E equipment

由于采用該新型設(shè)備施工如此超深TRD工法等厚度水泥土攪拌墻尚無先例可循,因此在正式墻體施工前,進(jìn)行了非原位的試成墻試驗,以驗證施工設(shè)備在該地層條件下的施工能力,確定施工參數(shù)和施工步驟,以指導(dǎo)正式成墻施工。

2.2 試驗過程及施工工效

TRD工法等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗段設(shè)置在項目場地內(nèi)部南側(cè),試驗段墻體深度86m、長度8.7m、厚度1.1m,采用三工序成墻施工工藝［7］,即先行挖掘、回撤挖掘、成墻攪拌,對地層先行挖掘松動后,再行噴漿攪拌固化成墻。TRD試成墻試驗的設(shè)備施工能力、施工參數(shù)、施工工效如下。

1)設(shè)備能力 等厚度水泥土攪拌墻成墻試驗的實際施工深度達(dá)到86m,已穿透標(biāo)貫擊數(shù)58擊的第⑦2粉砂層并進(jìn)入標(biāo)貫擊數(shù)82擊的第⑨粉細(xì)砂層約10m。此次試驗證明TRD-80E型工法機施工設(shè)備在本工程深厚密實砂層地質(zhì)條件下進(jìn)行86m深度隔水帷幕施工是可行的。切割箱打入至86m深度后,通過切割箱體內(nèi)的測斜儀實時監(jiān)控切割箱面內(nèi)與面外的偏差情況,并及時通過駕駛員操控調(diào)整,試成墻施工墻體垂直度控制在1/300以內(nèi)。

2)施工參數(shù) 試成墻的施工參數(shù)為：①挖掘液采用鈉基膨潤土拌制,每m3被攪土體摻入約100kg膨潤土;②先行挖掘液水灰比為3.3～20,挖掘液混合泥漿流動度宜為180～220mm;③固化液采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥,摻量20%～25%,水灰比為1.2～1.5。

3)施工工效 試成墻的綜合施工工效約為2～3m/d,各工序的實際工效統(tǒng)計如表2所示。實際施工過程中應(yīng)注意考慮切割箱打入和拔出所占用的時間,合理安排工期。

2.3 試成墻水泥土強度檢測

TRD試成墻施工完成并滿足28d養(yǎng)護(hù)齡期后,在試驗墻體長度方向的中心線上距起始點1.5m處選取1個鉆孔進(jìn)行取芯,鉆孔深度同墻體深度,并對芯樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強度試驗,取芯孔平面布置如圖4所示。

圖4 TRD試驗段取芯孔平面布置Fig.4 Plan view of the drilling holes of trial cement-soil wall

現(xiàn)場取芯的芯樣照片如圖5所示,芯樣自上而下均較為完整,連續(xù)性好,破碎較小,芯樣呈水泥土顏色,并且自上而下顏色較為均勻?？傮w而言,鉆孔取芯芯樣率均較高,水泥土攪拌墻均勻性較好。

通過對鉆孔取芯芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗,各土層分布范圍的芯樣抗壓強度均值匯總?cè)绫?所示。可見各土層的取芯芯樣無側(cè)限抗壓強度分布較均勻,約為0.4～0.5MPa。尤其本工程TRD工法攪拌墻主要以隔斷基底附近的⑤3a～⑦2承壓含水層為目的,而檢測所得⑤3a～⑦2層的強度為0.41MPa ～0.47MPa,尚未達(dá)到上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ08—61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于水泥土攪拌樁強度0.8MPa的要求。這主要是由于成墻深度太大,僅在設(shè)備下部設(shè)置了1個噴漿口,難以把下部的水泥漿帶上來。

2.4 試成墻環(huán)境影響監(jiān)測

為分析超深TRD工法等厚度水泥土攪拌墻試驗段施工對周邊環(huán)境影響程度,于成墻試驗段周邊設(shè)置18個地表沉降監(jiān)測點及1個土體測斜監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測,如圖6所示。

圖6 TRD試驗段監(jiān)測點平面布置Fig.6 Plan view of the monitoring points in the test

監(jiān)測所得的TRD工法試成墻期間的土體側(cè)向位移量最大值為17.3mm,發(fā)生在⑨層粉細(xì)砂層中約75m深度處,主要是由于深部砂層的水土壓力巨大,因而深部砂層土體變形較相對淺層黏土層偏大。此外,由于切削土體過程中形成的土體擾動,導(dǎo)致周邊土體向槽內(nèi)移動,從而周邊地表發(fā)生一定沉降,監(jiān)測所得的最大沉降量僅約6.8mm,發(fā)生在距試驗段中部最近的DB4-1測點?？傮w而言,TRD成墻施工對周邊環(huán)境影響在可控范圍內(nèi)。

2.5 超深TRD工法施工設(shè)備改進(jìn)

根據(jù)86m深的TRD試成墻試驗結(jié)果可知,因設(shè)備下部僅設(shè)置了1個噴漿口,取芯芯樣強度難達(dá)到設(shè)計要求,因而針對超深TRD施工設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)：①切割箱體內(nèi)部增加2根漿氣管,數(shù)量由4根變?yōu)?根,為實現(xiàn)中間噴漿功能提供管道;②增加1節(jié)中間噴漿節(jié)箱體,可根據(jù)地層情況排布在任意深度,使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢?提高墻體均勻程度,如圖7所示;③切割箱體內(nèi)部增加1根傾斜儀管路,在原來接桿連接的基礎(chǔ)上,增加線筒連接傾斜儀傳感器組件,提高切割箱施工時垂直度檢測能力,保證了傾斜儀使用時安全可靠。

圖7 中間噴漿節(jié)箱體Fig.7 Intermediate spout box

3 TRD工法正式成墻施工

3.1 正式成墻的施工過程及工效

本工程采用69m深、0.9m厚、360m總延長米的TRD工法等厚度水泥土攪拌墻止水帷幕。采用三工序成墻施工工藝實施,共設(shè)置62幅墻段,每幅墻段長度6～6.5m,各幅墻段間搭接0.5m,轉(zhuǎn)角部位向外延伸長度不小于1m。施工時需先行切割12m,回撤挖掘12m,其后噴漿成墻6m。通過智能化施工管理系統(tǒng),使用插入式傾斜計對TRD成墻垂直度進(jìn)行實時監(jiān)測調(diào)整,垂直度控制在1/300以內(nèi)。

正式成墻的施工參數(shù)基本沿用試成墻試驗參數(shù),由于試驗段鉆孔取芯檢測強度不足,于正式成墻施工階段將水泥摻量調(diào)整為30%。本項目正式成墻施工工期共145d,綜合施工工效約5.5m/d,各工序的實際工效統(tǒng)計如表4所示。

表4 TRD正式成墻施工工效Table 4 Construction effect of TRD

3.2 成墻質(zhì)量檢測

等厚度水泥土攪拌墻正式施工過程中,每幅墻段均選取2個位置的漿液制作試塊,通過28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,測得試塊平均強度為1.1～1.5MPa,滿足漿液試塊強度不小于1.0MPa的設(shè)計要求。

等厚度水泥土攪拌墻正式施工完成,并滿足28d養(yǎng)護(hù)條件后,在基坑外圍8幅角部墻段中部進(jìn)行鉆孔取芯,取芯深度同墻深。現(xiàn)場取芯的芯樣照片如圖8所示,芯樣率較高、呈柱狀、完整性好,芯樣呈水泥土顏色,并且自上而下顏色較為均勻。

圖8 TRD正式成墻取芯的芯樣Fig.8 Core samples of formal cement-soil wall

針對現(xiàn)場取芯芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗,測得TRD所有取芯芯樣強度均在0.82～1.04MPa范圍內(nèi),其中需主要隔斷的⑤3a～⑦2承壓含水層范圍內(nèi)芯樣強度均值約為0.9MPa,均能滿足鉆孔取芯芯樣強度不低于0.8MPa的設(shè)計要求(見表5)。

表5 TRD正式成墻芯樣抗壓強度Table 5 Compressive strength of the soil-cement core samples of formal cement-soil wall

此外,于東側(cè)中部選取1幅墻段進(jìn)行鉆孔取芯并對芯樣進(jìn)行室內(nèi)滲透性試驗,取芯深度為61m。室內(nèi)滲透性試驗采用變水頭滲透儀進(jìn)行測定,其成果如表6所示。可見在⑤2,⑤3a層微承壓含水層及深部⑦2層承壓含水層中的滲透系數(shù)由原土層的10-4～10-3cm/s級均大幅減小至10-8cm/s級,均能滿足墻體滲透系數(shù)不大于10-7cm/s的設(shè)計要求。綜上可知,TRD正式成墻的強度及滲透性均已滿足深厚砂層中承壓水的隔水要求。

表6 TRD正式成墻芯樣滲透試驗成果Table 6 Permeability experiment results of formal cement-soil wall

3.3 環(huán)境影響分析

正式施工期間于南側(cè)TRD超深等厚度水泥土攪拌墻外側(cè)設(shè)置3個土體測斜監(jiān)測點,監(jiān)測所得T01～T03測點的土體側(cè)向位移量最大值分別為22.6,14.4,3.6mm,最大側(cè)移量發(fā)生在埋深約30～40m的⑤3層粉質(zhì)黏土層。T01和T02測點在切割完成、噴漿完成及最終情況下的測斜如圖9所示?？傮w而言,成墻對周邊環(huán)境影響較小。

圖9 TRD正式成墻鄰近土體測斜曲線Fig.9 Lateral displacement of soil beside TRD

4 雙帷幕體系隔水效果驗證

為檢驗TRD止水帷幕的隔水封閉性,基坑開挖前在地下連續(xù)墻與TRD雙帷幕之間開展了⑤3a～⑦2層的抽水試驗。共開啟2口降水井,抽水周期為6d,總流量6.9m3/h,此后停抽水位恢復(fù)周期為17d。試驗期間⑤3a～⑦2層各觀測井水位變化情況如表7所示。

表7 各觀測井水位降深Table 7 The water level of each observation well

抽水期間及停抽后各觀測井水位變化如圖10所示。由圖可知,試驗前期場地實測⑤3a～⑦2層初始水位埋深約為5.6m。雙帷幕間抽降⑤3a～⑦2層承壓水期間,雙帷幕間⑤3a～⑦2層觀測的最大水位降深為34.1～38.8m,水位降至地表以下39.7～44.4m,基本位于基底位置。抽水周期內(nèi),TRD外⑤3a～⑦2層的最大降深僅約0.06～0.13m,TRD內(nèi)外降深比約300∶1,說明TRD的止水效果良好。然而此時坑內(nèi)的⑤3a～⑦2層水位有約5m的小幅下降,可能是由于地下連續(xù)墻于⑤3a～⑦2層可能存在微小滲水情況。

圖10 抽水觀測井水位歷時曲線Fig.10 Water level variation of each observation well

停抽后,雙帷幕間的水位恢復(fù)極緩慢,停抽17d后,夾縫內(nèi)水位埋深仍有20m,每日恢復(fù)水位僅1m左右,可見TRD工法帷幕止水效果良好,且雙帷幕間的⑤3a～⑦2層垂向?qū)娱g越流補給較少,⑧21相對隔水層的豎向滲透系數(shù)較小。雙帷幕間抽水試驗及恢復(fù)試驗結(jié)果驗證了TRD工法超深隔水帷幕的隔水效果良好。

5 結(jié)語

上海軟土地區(qū)某挖深達(dá)45.45m的超深矩形基坑涉及復(fù)雜的多層承壓含水層降水,為避免超深基坑側(cè)向滲漏和突涌風(fēng)險以及控制深部承壓水減壓降水對周邊環(huán)境影響,采用在地下連續(xù)墻圍護(hù)墻外側(cè)設(shè)置69m深TRD工法攪拌墻的雙帷幕體系設(shè)計方案。結(jié)合86m超深TRD工法成墻試驗、TRD工法正式施工以及抽水試驗效果分析研究,得到如下結(jié)論。

1)采用新研制的TRD-80E工法機在標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)60～80擊的砂層中的施工深度達(dá)86m,成墻綜合工效約2～3m/d,驗證了TRD設(shè)備在復(fù)雜地層的施工能力。試成墻28d齡期后鉆孔取芯芯樣完整性較好,墻身攪拌均勻;鉆孔取芯強度偏低,尚需對施工設(shè)備的噴漿口數(shù)量作優(yōu)化。試成墻期間的周邊土體最大側(cè)移量為17.3mm、最大沉降量為6.8mm,對周邊環(huán)境影響較小。

2)正式施工的69m深TRD成墻綜合施工工效為5.5m/d,通過適當(dāng)提高水泥摻量,等厚度水泥土攪拌墻的鉆孔取芯芯樣強度均值大于0.8MPa,室內(nèi)滲透性試驗所得的滲透系數(shù)由原土層的10-4～10-3cm/s級大幅減小至10-8cm/s級,滿足TRD墻體的強度及滲透性設(shè)計要求。監(jiān)測表明成墻施工對環(huán)境影響可控。

3)為檢驗TRD隔水帷幕的隔水封閉性,在地下連續(xù)墻與TRD雙帷幕之間開展⑤3a～⑦2層抽水試驗,抽降水引起的雙帷幕內(nèi)的水位降深為34.1m～38.8m,TRD外⑤3a～⑦2層觀測井最大水位降深0.13m,TRD內(nèi)外承壓水降深比約300∶1。雙帷幕間降水井停抽后的觀測井水位恢復(fù)極緩慢,驗證了TRD超深隔水帷幕良好的隔水效果。