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《TRD工法在超深基坑施工中的应用》
上海硬X射线项目69米TRD工法止水幕墙
摘要:该文详细介绍了TRD工法的特点和施工工艺,并结合在硬X射线工程中的作为隔水墙的运用,论证了TRD工法的先进性和可靠性。
关键词:TRD工法;超深基坑;止水帷幕;应用研究
TRD工法即Trench-CuttingandRe-mixingDeepWallMethod,国内一般称之为等厚度水泥土地下连续墙工法,其切割箱可以插入地下,切割箱带有链传动刀头和注浆管,可进行纵向深度的切割和横向平移切割,同时传动履带可以进行上下运动循环充分搅拌,在往复搅拌的同时灌注水泥浆液,固化后便形成均匀的水泥土地下连续墙。TRD工法形成的地下连续墙一般可以作为独立的基坑围护结构,比如在过程中插入H型钢之类的芯材,可以使连续墙成为基坑挖掘工程中的挡土防渗或承重墙使用的一种止水、防渗支护结构施工技术。但考虑到其成墙连续性好,稳定性高等特点,也可以将其作为单独的止水帷幕,在已经施工好的传统地下连续墙的外侧进行施工,形成一个封闭空间,同地下连续墙一起作为基坑施工时的双重保险,由内侧地下连续墙作为开挖时的围护体系,而外侧TRD止水帷幕则作为挡水的屏障,最大限度地阻止由于内侧地下连续墙施工接缝等原因而造成的地下水的渗漏,从而对基坑开挖以及结构施工起到保护的作用。
上海硬X射线自由电子激光装置四号井就采用了这样的基坑围护方式,其工作井规模55m×50m(内净)。基坑开挖深度约为39.637m,采用1200mm厚地下连续墙,墙深61m+25m(构造段),共86m。外侧TRD止水帷幕,长
度322.6m,设计厚度900mm,设计加固范围+4.50~-65.50m,设计深度70m,水泥掺量≥30%,垂直度≤1/300,28d无侧限抗压强度≥0.8MPa,渗透系数<10-7cm/S。
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根据重型机械承载道路结构,该工程的施工道路采用50cm厚度的道渣压实路基,采用C30混凝土,浇筑30cm厚,配筋为16@200mm双层双向的钢筋混凝土路面。
Fcd=0.7×βh×Ftd×400×2H=0.7×1.1×2.2×400×0.32=61t
式中,Fcd为混凝土最大集中反力;βh为对于厚度<300mm时,取1;厚度≥300mm,≤400mm时,取1.1;Ftd为轴心抗拉应力(通过查阅混凝土结构设计规范《GB50010—2010》,取2.2N/mm2);H为厚度。
每平方米能承受61t。
TRD-80E工法机与地面最小接触面积为19.32m2,考虑吊车接地面积的不充分性,履带触地面积一般按2/3计算,故接地面积为12.88m2。TRD-80E工法机带70m切割箱总重量为约290t,290/12.88=22.52t,小于允许负荷61t。因此路面满足TRD-80E工法机行走安全。
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TRD-80E工法机与地面最小接触面积时为纵向两块步履,两块长度5.6m、宽度1.725m。按照45°角扩散计算,步履1扩散面积=(a+2H)×(b+2H)=(1.725+2×0.8)×(5.6+2×0.8)=23.94m2。
传递到下卧层的应力=290×9.8×103/(23.94×2)=59.36kPa
地基承载力特征值fak是按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)第5.2.3条、《岩土工程勘察规范》(DGJ08-37—2012)表14.4.4中的公式及条文说明14.4.4,并结合原位测试成果及上海地区工程经验综合确定。根据原位测试报告,人工填土地基承载力取fk=90kPa。所以59.36kPa小于90kPa,满足要求。
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等厚度水泥土搅拌连续墙的施工工艺:
1)导墙施工;
2)切割箱安装以及下放;
3)切割土体以及回撤;
4)喷浆成墙;
重复步骤3)、步骤4)直至形成连续墙体;
5)起拔切割箱。
上述工序中比较重点的工序为:
3)切割土体以及回撤;
4)喷浆成墙,即切割箱安装以及下放至设计深度后,首先注入一定黏度和比重的浆液先行切割土体一段距离(一般为4~6m),然后回撤挖掘至本段切割土体的起始位置,再注入一定配比的水泥浆液,继续向前推进并均匀搅拌,最终形成一定强度的水泥土连续墙。
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4.1测量放线
施工前,根据设计图纸及该工程测绘成果资料,计算出TRD工法施工区域的中心线交点坐标,利用经纬仪或者全站仪进行放样,与图纸以及测绘成果资料的数据进行坐标复核,在现场施工区域做好相应的标识并予以保护,通知监理方以及进行复核确认,并及时完成测量资料的报验手续。
4.2样沟开挖
测量放样以及复核工作完成后,进行施工场地平整并铺设钢板,确保施工场地满足TRD设备、大吨位履带式起重机等机械设备稳定行走的要求。利用挖掘机沿TRD工法止水帷幕中心线平行方向开挖工作沟槽至原状土深度,如遇浅层渣土、石块等障碍物应进行清除,并根据挖深情况适当回填素土。沟槽开挖宽度一般为1.2m,深度为1.2m。
4.3导墙施工
导墙采用现浇钢筋混凝土结构、导墙的结构形式采用倒“L”形,采用单边形式,导墙制作完成后,在导墙内设置两根圆木或钢筋混凝土支撑。利用全站仪将导墙中心点放出,用钢筋及喷漆在路面上做好标记,根据做好的标记,用石灰将导墙的大致范围在路面上撒出,挖机将石灰范围内的路面破除,并挖出样沟。在挖好的样沟前后两侧中心位置打入一根木桩,再次利用全站仪精确放出导墙中心点位置并在木桩上用水泥钉做好标记,再用线绷紧,根据已经固定好的底膜位置,进行绑扎钢筋,模板立好后校准,并用木方或钢管进行固定,导墙顶面需有2/1000~3/1000的坡度,避免地面积水流入导墙中,影响泥浆质量。
4.3安装切割箱
首先用挖机沿TRD工法止水帷幕中心线开挖一个深约3~5m、长约2m、宽约1m的沟槽,用吊车将切割箱吊放入该沟槽内,上紧切割箱及链条连接螺栓。下钻一节切割箱,解体切割箱,并连接第二节切割箱。重复上述步骤,直至达到设计深度。
4.4桩机就位
桩机的位置应在安装和下放切割箱的同时完成,注意桩机周边的情况,及时清除桩机各个方向的障碍物,并有专人对桩机的移动路线进行定位、检查和纠偏,桩机在平移的过程中应当平稳并保持一定的角度以适应切割、回撤和喷浆的整个施工过程。
4.5设置测斜仪
切割箱安装并下放至设计深度之后须安装测斜仪。测斜仪是在整个TRD施工过程中对墙体的垂直度进行控制的主要手段,安装于切割箱的内部,与驾驶室内的电子显示仪进行联通,在施工时可以实时观察、实时纠偏。一般设计要求的垂直度控制在1/300以内。
4.6TRD工法成墙
在测斜仪安装以及调试完毕后,桩机即与切割箱进行连接,进行先行切割、回撤挖掘以及喷浆成墙的施工过程。
(1)先行切割:通过压浆泵注入一定黏度和比重的膨润土浆液,同时切割箱向前推进,搅动原状土层,由膨润土浆液进行填充防止塌孔,切割成槽一段行程。该工程每幅先行切割6m,宽度为900mm,深度为70m,搭接长度为50cm。
(2)回撤挖掘:6m一段先行切割成槽完成后,切割箱停止向前切割,回撤至本段土体切割的起始点。该工程每幅回撤6m,约3m/h。切割到位后,通过压浆泵注入挖掘液(清水),切割箱回撤挖掘,并与已成墙幅搭接50cm。
(3)喷浆成墙:切割箱回撤至本段土体的起始点后须更换浆液,通过
压浆泵注入一定比重的水泥浆液,此时切割箱再次向前推进并与水泥浆液混合搅拌,与经搅拌过的土体形成等厚水泥土搅拌墙。利用全自动拌浆仪拌制水泥浆液,并对水灰比进行检测。后台开始供浆后,初始位置定搅2min,保证初始位置的水泥掺量。喷浆成墙,过程中根据切割力及垂直度控制行走速度,并跟后台供浆匹配,保证水泥掺量。该工程成墙搅拌每幅6m,约1.5m/h。喷浆6m完成后,立即撤离喷浆区域,继续切
割,进入安全区。
4.7置换泥浆处理
TRD工法施工产生的置换泥浆的比例约为130%~160%,由于其中掺有一定的水泥、膨润土等材料,其强度较高,可以优先作为回填、置换设备行走道路的材料,施工现场应按照需要设置一定容量的集土坑,用
于置换泥浆的临时储存,待达到一定的强度后统一进行处理。
4.8起拔切割箱
喷浆成墙结束后,在拟定切割箱起拔的区域(该工程围绕地下连续墙外侧进行施工,有三条长边二条短边,因此设置了五个起拔切割箱的区域,在每条边起拔切割箱的部位设置蝴蝶结交叉段以保证搭接部位的强度)注入同配比的固化液,边起拔边注浆,确保对切割箱占据空洞进行密实填充和有效加固。起拔切割箱,并同步注浆,保持液面平衡。利用200t履带吊将分解的切割箱吊至指定位置。重复以上步骤,直至将切割箱全部拔出。
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施工前,根据坐标控制点,精确计算出等厚度水泥土搅拌墙的中心线角点坐标,利用测量仪器精确放样,并进行坐标数据复核,同时提请总包、监理进行复核确认,及时报验工程测量技术复核资料。对临时引测点做好标记。
浆液配制要求:先行挖掘采用膨润土浆液,水灰比(W/B)为5~20,根据现场情况,挖掘液水灰比可相应调整;水泥掺量30%,水灰比(W/C)为1.2;施工效率为4~6m/d;水泥土28d无侧限抗压强度≥0.8MPa,抗渗系数≤10~7cm/s;根据等厚度水泥土搅拌墙的设计深度进行切割箱数量的配备,并通过分段续接切割箱挖掘,打入到设计深度。垂直度按1/300控制,深度70m,底部最大偏差为23.3cm,最不理想的情况下,偏差为46.6cm小于搭接厚度50cm,满足要求。
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该工程TRD墙宽900mm,TRD墙体有效桩长70m。根据土层按需采用钠基膨润土,水灰比W/B为5~20,现场按1000kg水、50~200kg膨润土拌制浆液。施工过程中,挖掘液水灰比根据工艺要求及地层特性可进行相应的调整。挖掘液混合泥浆流动度宜控制在180~220mm;固化液拌制采用PO42.5级普通硅酸盐水泥,水泥掺量30%,水灰比1.2,在不减少水泥用量的前提下,尽可能的将水灰比控制到最小;施工过程每1000kg水泥掺入1200kg水拌制浆液。固化液使用于成墙搅拌及切割箱起拔工序。
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为保证地基承载力及下钻垂直度,施工前,设置导墙并满堂铺设钢板。
下放切割箱前,与监理、总包验收下放切割箱的深度,保证深度满足设计要求。
按需采用钠基膨润土,水灰比W/B为5~20。施工过程中,挖掘液水灰比根据工艺要求及地层特性可进行相应的调整。保证深层土体润滑,减小切割时的阻力。
先行挖掘、回撤挖掘及喷浆成墙时,根据倾斜仪数据控制横切速度,保证垂直度满足要求。
拌制浆液采用全自动拌浆仪,保证浆液水灰比满足要求。
喷浆成墙前,后台开始供浆后,在初始位置定搅2min(链条线速度为70m/min,在70m深度,2min链条可切割一圈),保证初始位置水泥掺量。
喷浆成墙时,TRD工法机根据后台拌浆情况移动,每两拌浆移动6cm(每拌浆按1200kg水、1000kg水泥拌制),通过前、后台实时通讯,根据后台拌浆情况控制喷浆行走速度,保证成墙均匀性。
喷浆结束后,在喷浆结束位置设置醒目标志,第二段开始喷浆位置确保已成墙段搭接大于50cm,并通知总包、监理验收。
直线段全部完成后,起拔切割箱时,同步注入水灰比为1.2的水泥浆液,保证搅拌墙质量,水泥用量约70t/次。TRD工法水泥土搅拌墙成墙允许偏差应符合表1的规定。
该工程的TRD工法施工是深基坑施工的一大尝试,其深度达到了70m,可以说是目前上海最深的TRD工法的施工深度,同时该TRD工法施工于超深地下连续墙(深度89m)的外侧,主要起到隔水的作用,对待开挖的基坑而言是双保险的存在。目前从TRD施工收集的各项参数看,先行切割、回撤挖掘以及喷浆成墙的状况均十分理想,垂直度经超声波量测基本在1/400~1/500之间,取芯的结果也证明了28d强度是达到设计要求的。后续将通过在地下连续墙和TRD水泥土墙之间打设降水井,并通过降水试验来进一步验证TRD工法的隔水效果。
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TRD工法在我国深基坑工程中的应用已经越来越广泛,由TRD工法技术构建的等厚度水泥土搅拌墙拥有地层适用性广、隔水性能可靠等特点,在深基坑工程的运用中具有显著的优点和实用性,使得该工艺技术有望成为未来深基坑围护工程中的主流。
TRD-80E
TRD-EN
TRD工法(Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method),又称等厚度水泥土地下连续墙工法,其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混合原土并灌入水泥浆,形成一定强度和厚度的墙。
TRD工法通过水平横向运动成墙,可形成没有接口的等厚连续墙体,其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固,其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全,与传统柱列式地下连续墙相比隔渗,经济性好。
TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层,在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。
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