对武汉、杭州、南昌等重要城市的临江深开挖工程而言, 最大的挑战是如何有效控制地下水的影响^[1,2]。因地表沉降控制日趋严格, 降水不断限制使用, 隔水逐渐成为共同而唯一的选择, 在粉砂和卵砾地层建造可靠止水帷幕便成为岩土施工中亟待解决的问题。

随着TRD工法水泥土连续墙作为止水帷幕在国内多项重要工程的成功应用而逐渐被广泛接受^[3,4]。尽管TRD设备标称具有在卵砾石地层中的施工能力, 然而已完成项目大多处于粉砂土地层中, 少数涉及卵石地层, 见诸报道的仅有武汉航运中心大厦项目^[5]。该项目切割的是中细砂夹卵砾石层, 虽然施工单位通过改进刀具和施工方法完成任务, 但是设备磨损非常严重。因此开展卵砾地层中TRD工法水泥土墙施工方法的研究很有意义。

本文结合两个工程项目分别具体说明如何在深埋密实卵石夹层和深厚含漂石圆砾地层中高效完成TRD工法水泥土连续墙的施工, 以期为类似工程提供参考。

TRD工法的成墙原理^[6]是将链锯式刀具插入土体中, 通过刀具的切割沿水平方向掘削前进, 在土体中形成连续的沟槽, 同时固化液从刀具端部喷出并与土体在原地搅拌混合, 形成水泥土地下连续墙, 如图1所示。切削刀头向上挤压地基土, 而切削下来的土体借助刀具回转和泥水流动向上运动, 并从切削沟槽壁与箱式刀具链节的间隙向后方流动。

刀具在作向上切削的同时, 主机作横向水平移动, 被切削下来的细松散土体与固化液在原位置进行混合。充分搅拌可以使固化液与原位土均匀混合, 在砂砾地层中可大幅度提高抗渗性能, 黏性土层成墙体中不会出现泥土团块, 其优越的止水性能可以用于垃圾填埋场防止渗滤液污染地下水, 建造大坝防渗墙防止坝体渗透破坏。

在不同的地层中选择合适的刀头有利于提高工效、降低磨损, 卵砾石层、软岩地层宜使用齿形刀头。刀具并不能将卵砾石粉碎, 只是把它们带到地面。当卵石粒径较大或者密实时, 刀具和固定螺栓的磨损很大, 甚至出现链条断开后深埋在土体的严重事故。因而卵砾石地层成墙需要其他辅助手段来清除土体中的卵砾成分, 如利用旋挖钻机提前引孔。

对深埋密实卵石夹层而言, TRD的困难是无法竖向切割, 旋挖钻机的作用是在卵石面形成“突破口”。对深厚圆砾地层而言, TRD同时存在竖向和横向的切割困难, 旋挖钻机必须将卵石取出, 并将细颗粒成分回填, 必要时还要添加膨润土。

某商务广场项目位于杭州市上城区, 西侧为高架, 北侧和东侧均邻近已建建筑, 南侧为沿江道路, 基坑边距钱塘江约70 m。拟建地下室平面面积约16 615 m², 开挖深度约14.3m。

场地土层自上而下依次为杂填土、稍密砂质粉土 ( (2) 层) 、中密粉砂 ( (4) 层) 、流塑状淤泥质粉质黏土 ( (5) 层) 、中密粉砂 ( (6) 层) 、软可塑状全风化凝灰岩 ( (7) ₁层) 等。 (5) 层淤泥质粉质黏土分布在场地西部和南部, 其余部位缺失。施工补充勘察发现 (6) 层粉砂中含密实卵石夹层 ( (6) _夹层) , 其描述为:分选性差, 颗粒多呈亚圆形, 粒径20~60mm的卵石含量约60%, 粒径2~20 mm的砾石含量约15%, 成分以中-微风化石英砂岩、火山岩为主, 含砂及黏性土约20%, 胶结松散, 仅场地西南部揭示。图2为补充勘察时钻探取得的 (6) _夹层卵石。

场地浅部的孔隙潜水主要赋存于 (2) 层砂质粉土和 (4) 层粉砂中, 大气降水和旁侧河道入渗是主要补给途径。根据室内土样渗透试验结果, 上部粉 (砂) 性土渗透系数在2.3×10^-4~5.5×10^-4cm/s。勘察期间测得地下水位埋深为1.9~2.8m。 (6) 层粉砂和 (6) _夹层卵石中含有少量孔隙承压水, 承压水头埋深约12.0m。

因项目周边环境保护要求高, 尤其是南侧的之江路和钱塘江大堤, 故坑外降水被严格控制。场地地下水与钱塘江连通, 江水位受潮汐影响大, 且有邻近项目因涨潮发生突涌事故^[7], 故本项目需要可靠的封闭式止水帷幕。设计采用的支护结构是型钢水泥土连续墙结合3道水平内支撑, 如图3所示。型钢水泥土连续墙是在850mm厚TRD工法水泥土连续墙以600mm间距插入H700×300×13×24型钢兼作挡土结构和止水帷幕, 墙底须进入 (7) ₁层全风化凝灰岩50cm以上。

水泥土墙施工从场地西南部开始, 恰好是 (6) _夹层卵石分布范围, TRD刀排下到30m左右时, 机器弹跳明显, 冒黑烟, 进尺困难, 现场决定暂时继续横向切割, 该段范围长约22m。成墙两周后, 对该段水泥土墙钻孔取芯, 显示 (7) ₁层全风化凝灰岩层顶以上1.5m范围内未见水泥土, 而是粉细砂含少量黑色黏土, 且含有粒径10~50mm砾石, 磨圆度不高, 棱角分明, 如图4所示。钻孔取芯揭示的地层与地勘报告不符, 补充勘察发现 (6) 层粉砂含卵石夹层。由于水泥土墙未进入相对隔水层, 对支护结构的补救措施是在先施工水泥土墙外重新施工一段水泥土墙。

水泥土墙施工的难点和重点是如何切穿密实卵石夹层, 现场逐步试验施工方法。最初, 借用工程桩施工的GPS-10型回转钻机引孔, 因无场地制造反循环清渣泥浆, 卵石在孔底堆积造成钻进困难。其后, 决定采用旋挖钻机全断面引孔, 且后一孔取出的渣土在去除卵石后回填前一孔, 但是施工缓慢, 每天只能成孔4~5个。最后, 决定逐步试验新的施工方法, 如图5所示, 主要工序如下。

1) 清水切割TRD设备清水切割地面至 (6) 层粉砂底的土层, 根据泥浆浓度添加切割液。

2) 旋挖开孔旋挖钻机直径900 mm的捞渣钻头直接穿透混合泥浆到达卵石夹层顶, 取出卵石形成一个长度约2m的“突破口”。捞渣钻头将卵石提到地面弃置。

3) 垂直切割TRD设备回撤至行程起点, 刀排进入“突破口”, 垂直切割至设计墙底标高即进入 (7) ₁层强风化凝灰岩50cm以上。

4) 搅拌成墙TRD设备按先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌等“三步施工法”成墙。

上述施工方法的难点: (1) 旋挖钻机的捞渣钻头能否穿透厚达30m相对密度>1.7的混合泥浆达到卵石夹层顶; (2) 刀排进入“突破口”后能否在卵石夹层中横向切割。2015年7月17日试验成功, 且施工进度由旋挖钻机控制, 比单独利用TRD设备冲击切割的速度大大提高, 成墙速度达到2.5m/h。

图6为基坑开挖过程中南侧坑外地下水位的监测结果, 坑外水位稳定在6~8m, 说明水泥土墙成功地进入相对不透水层, 切断坑内外水力联系。

黄山市某项目位于黄山中路跃进路至新安北路段, 兼作人防工程和地下商业街, 道路两侧为浅基础的商业店面、居民小区等。基坑挖深为7.75m, 支护周长约2 088m, 利用结构顶板进行盖挖施工, 故支护桩的选择至关重要。

基坑开挖范围内的土层自上而下依次为杂填土、稍密粉土夹粉质黏土 ( (2) 层) 、松散粉细砂 ( (3) 层) 、稍密~中密圆砾 ( (4) 层) 、密实强风化粉砂岩 ( (5) ₁层) 、中风化粉砂岩 ( (5) ₂层) 等。 (2) 层和 (5) ₁层均为局部分布。 (4) 层的砾石成分主要为硅质岩、砂岩、花岗岩、脉石英等, 分选性、磨圆度良好, 呈次圆~圆状, 充填物主要为粉细砂、中砂、粗砂等, 上部充填物含量稍高;颗粒级配为:20~40mm占18.4%~47.8%, 2~20mm占22.6%~49.6%, 0.075mm以下占5.4%~31.5%;全场分布, 最薄处为2.80m, 最厚处为9.10m, 平均厚度为5.97m;该层动力触探N63.5的锤击数为11.2。支护结构施工过程中发现 (4) 层圆砾中含有直径30~50cm的漂石。

场地地貌单元属皖南低山丘陵之间的屯溪盆地, 微地貌类型为新安江一级阶地。勘察期间测得地下水位埋深2.50~4.40m, 主要含水层为粉细砂层、圆砾层及强风化基岩层。地下水类型为上层滞水及潜水。抽水试验确定的渗透系数为98.65m/d, 影响半径为163.88m。大气降水是地下水的主要补给来源, 地下水的径流受地形条件控制, 区内地下水的径流方向自北向南, 排泄至新安江。黄山中路与新安江的距离约为700m。

对含漂石的圆砾地层, 一般的施工工艺很难成桩, 黄山当地的施工经验是冲抓成孔灌注咬合桩, 但是其作工程桩承载力能满足要求, 作支护桩时却无法形成有效的止水帷幕, 而且施工速度缓慢, 每天只能施工1根桩, 若采用该方案支护桩完工至少要100d, 而建设单位要求的最长工期是45d。经多方面比较, 建设单位创新性地选择了在TRD工法水泥土连续墙内插入H型钢兼作挡土结构和止水帷幕的方案, 基坑支护剖面如图7所示。

挖机、旋挖钻机和TRD设备组成联合作业组进行施工。旋挖钻机先引孔取土, 挖机立即向钻孔内回填已完成段TRD工法成墙时的废弃泥浆 (最开始成墙时回填黄泥) , 并控制混合泥浆相对密度为1.8~2.0, 最后用TRD设备以“一步施工法”成墙。旋挖钻孔的直径为800mm, 中心距为1 300mm。经试验, 3台旋挖钻机引孔速度与TRD设备切割成墙的速度一致, 平均横向推进速度为2.0~3.5m/h。TRD设备磨损情况比粉土地层稍大。

为尽快确定成墙效果, 在TRD施工7d后即钻孔取芯。钻孔深度为13.2m, 上部11m范围的芯样较完整, 底部2m因圆砾粒径较大难以取得完整芯样, 但是取上来的较小圆砾周围紧密包裹水泥土。后为提高芯样的采取率, 避免水冲对芯样的破坏, 采用双管单动的取芯方式, 在钻孔底部仍然难以获得完整的芯样, 但是取芯孔内的注水试验可以证明底部水泥土墙的可靠性。1号取芯孔注水16h后孔内水位下降46cm, 2号取芯孔注水25h后孔内水位下降60cm。钻孔时场地内地下水位埋深为4m, 取芯孔直径为108mm, 该段水泥土墙的深度为13.0m, 可计算得水泥土的渗透系数^[8]为1.31×10^-6cm/s, 可满足抗渗要求。

1) TRD工法和旋挖钻机引孔的合理联合可保证卵砾地层中水泥土连续墙的质量和施工速度, 并且降低机械设备磨损。

2) 深埋密实卵石夹层中水泥土连续墙施工顺序是先用TRD设备切割卵石夹层上部地层, 再用旋挖钻机捞渣钻头直接穿透混合泥浆后在卵石层上开孔, 最后TRD设备正常成墙施工。

3) 深厚含漂石圆砾地层中水泥土连续墙施工关键是旋挖钻孔取土后立即用TRD工法成墙时的废弃泥浆或黄泥回填, 确保混合泥浆相对密度>1.8。

4) 在卵砾地层中施工完成的水泥土连续墙用一般钻孔方法难以取得完整芯样, 需要研究新的取样设备和方法。