随着城市建设的不断发展, 地下空间的开发亦不断发展, 基坑工程规模不断增长, 其对高水位地区地下水处理和隔水要求愈来愈高。地铁车站作为深大基坑, 修建过程中常穿越第四系富水砂层, 其自稳能力差、介质胶结强度低, 在工程扰动与地下水作用下极易失稳破坏, 诱发塌方、涌水、溃砂等重大工程灾害。

TRD工法作为日本近年来研制的一种新型工法, 具有施工深度大、适应地层广和成墙品质好等优点, 其在渗透性较强的土层、砂层和软岩地层中搅拌成墙后的墙体隔水性能可靠, 强度均匀连续。目前在上海、天津、淮安、南昌等地得到成功应用, 在青岛地区砂层软土基坑尚属首次应用, 并且是该工法首次应用于地铁明挖车站, 其成墙可行性、关键工艺参数以及成墙质量需要试验验证。

关于TRD工法的工艺特点和针对不同地层的截水效果, 国内外学者进行了广泛的研究。王卫东等以多个深大基坑隔水帷幕为依托, 研究了TRD工法在上海软土地层承载变形特性、设计方法、施工关键技术与检测方法;谭轲等以上海典型软土地层为背景, 采用三维“m”法对型钢和水泥土的相互作用和承载变形特性进行了理论分析, 并结合实际工程进行了对比;吴国明等通过现场非原位成墙试验, 验证了TRD工法搅拌墙在超深、超厚砂质地层条件下作为隔水帷幕的可行性和可靠性;魏祥等研究了TRD工法在武汉地区一级阶地土层中的施工可行性、成墙质量及抗渗性;邸国恩等以淮安雨润国际广场超大深基坑广场为依托, 研究了TRD工法在富水粉土层、粉砂层中的适用性。

以上研究以实际工程为依托, 研究了TRD工法搅拌墙在当地土地层中的施工关键技术、成墙质量以及对周围环境的影响, 但是没有考虑相同工程由于地层起伏采用相同工艺参数对TRD搅拌墙成墙质量的影响, 没有针对不同地层提出最适应的工艺参数, 没有考虑不同工艺参数对不同地层条件下TRD搅拌墙成墙质量的影响。

为解决上述问题, 以青岛地铁庙头站基坑隔水帷幕工程为依托, 考虑不同地层对TRD搅拌墙成墙质量的影响, 开展室内试验, 确定了不同地层条件下TRD工法最优工艺参数, 并在实际施工中得到成功应用。

青岛地铁1号线庙头站位于青岛市城阳区凤岗路与白塔路交叉路口, 车站设计起点里程为右K63+241.450, 设计终点里程为右K63+524.850, 长283.4m。车站形式为地下2层双跨矩形框架结构, 标准段底板埋深约17.5m, 基坑宽度19.9m, 顶板覆土厚3.2~3.8m。

庙头站地貌类型为冲洪积平原地貌, 基坑开挖深度范围内土层渗透性强, 通过钻探揭示, 场区第四系厚21.0~26.0m, 主要由第四系全新统人工填土层 (3~5m) 、洪冲积层 (8~10m) 及上更新统洪冲积层 (8~10m) 组成。地层主要包括 (1) 素填土, 平均厚4m; (2) 粉质黏土, 厚3~6m; (3) 中砂~粗砂, 厚4~7m; (4) 含黏性土 (10%~25%) 的中粗砂岩, 厚2~4m; (5) 粗砂~砾砂, 厚3~7m。各岩土层空间分布及工程特性如图1, 表1所示。

地下水主要赋存在第四系松散砂土层及基岩裂隙中, 场区地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水, 车站涌水量估算值为19 662m³。

1) 第四系孔隙水 地下水赋存于第 (2) ₂层中砂~粗砂、第 (3) ₁层粗砂~砾砂、第 (3) ₃层含卵石粗砾砂、第 (4) ₂层含黏性土中粗砂、第 (5) ₁层粗砾砂及第 (5) ₃层含碎石粗砾砂。富水性强, 属于中等~强透水层。主要类型为第四系孔隙承压水, 呈层状广泛分布于砂层中, 多与其他水层相互连通, 形成径流排泄关系, 水量中等。勘探期间地下水稳定, 水位埋深为5.7~9.8m, 绝对标高为2.360~5.740m。

2) 基岩裂隙水 场区内主要以层状、带状赋存于基岩强风化带、裂隙密集发育带中, 由于裂隙发育不均匀, 其富水性不均匀。强风化带的透水性较差、富水性贫;节理发育带的裂隙张开性好、导水性较强、富水性中等。根据青岛地区凿井抽水试验资料, 基岩裂隙水单井用水量一般<20m³/d, 渗透系数<4m/d。

庙头站基坑开挖深度大, 开挖范围普遍位于粉质黏土、中砂~粗砂与含黏性土砂层。由表1可看出, 黏土层渗透系数较低, 砂层范围内透水性较强, 需要针对砂层进行专项承压水控制设计。

根据庙头站基坑的水文地质条件和周边环境保护要求等, 本工程的围护结构不仅要有良好的止水性能, 还要有一定的强度以防止在基坑开挖时由于围护结构两侧土压力不平衡造成应力集中, 影响围护结构的稳定性。青岛地区目前采用落地式隔水帷幕。隔水帷幕可以考虑高压旋喷桩使原地层与水泥浆液形成水泥土加固体, 互相搭接后形成排桩, 从而用来挡土和止水;也可采用TRD工法构筑连续均质的水泥土搅拌墙。

由于地铁车站一般距居民住宅区和商业中心较近, 传统深层搅拌水泥土桩施工会对周围产生振动影响和噪声、扬尘等公害, 且对施工场地要求较高, 目前青岛地区地铁车站深基坑落地式隔水帷幕主要采用高压旋喷桩直接施工至基岩。高压旋喷桩落地式隔水帷幕存在以下问题。

1) 庙头站基坑场地范围内强透水层主要为砂层, 高压旋喷桩在土层中的加固效果好, 但在砂层和砂砾层中成桩困难, 因上述地层自身缺乏黏聚性, 高压旋喷过程中, 难以控制水泥浆喷出范围和密实度。特别当地下水丰富且存在径流时, 成桩较为困难。

2) 车站地下水为潜水和承压水。高压旋喷桩施工后, 强透水层区域内的承压水在压力作用下会对尚未凝固的水泥浆产生冲刷离析作用, 使水泥颗粒随地下水渗流入周边地层中, 降低了旋喷桩的成桩质量。

3) 旋喷桩施工时要求每钻进5m就要用水平尺测量机身水平和立轴垂直1次, 且要求测量放线和确定孔位精确, 操作繁琐复杂, 质量较难控制, 容易因桩位定位不准或垂直度偏差造成咬合不准, 从而使桩间水泥掺量不满足设计要求存在透水区域。

大量的高压旋喷桩工程实践证明, 基坑开挖时旋喷桩咬合处或原地层砂层处仍存在渗透水, 基坑开挖后需在渗透水位置进行二次注浆加固。

TRD工法作为一种新型围护结构, 目前在我国多个地区深基坑隔水帷幕中得到成功应用, 该工法具有稳定性高、成墙质量好、施工精度高、地层适应性强和成墙品质均一等优点。对于富水砂层, TRD工法水泥土搅拌墙作为隔水帷幕相比于高压旋喷桩具有以下优点。

1) 加固后的水泥土搅拌墙渗透系数与土质无关, 在切削深度方向离散性小, 几乎在同一数量级。

2) 搅拌墙渗透系数与切削方向无关, 且受水泥掺量影响较小。

3) 大量工程实践证明, TRD工法加固后的水泥土搅拌墙渗透系数一般可达10^-7cm/s, 满足隔水帷幕的设计要求, 无需进行二次加固。

经过方案比选, 青岛地铁庙头站基坑采用TRD工法水泥土搅拌墙施工至基岩作为落地式隔水帷幕, 并用钻孔灌注桩作为挡土结构 (见图2) 。

庙头站隔水帷幕为青岛地区首次采用TRD水泥土搅拌墙的基坑防渗工程, 且是TRD工法首次应用于地铁车站, 该工法的工艺参数选取是否适合本工程土层, 直接影响最终成墙质量能否满足隔水帷幕要求。

水灰比和水泥掺量为TRD工法最关键的工艺参数, 目前国内成功的TRD工法搅拌墙作为基坑隔水帷幕的工程实例, 采用的工艺参数由计算和经验得到, 由于计算时所选取的工艺参数和土层物理力学参数为参考值, 且同一基坑隔水帷幕工程采用相同工艺参数, 导致实际施工时可能存在以下问题。

1) 黏土层渗透系数一般较低, 所以搅拌墙治理重点为富水砂层。不同地区的砂层由于地质构造作用黏性土含量不同, 砂层饱和含水率也不相同, 黏土的胶结作用和地下水的离析冲刷作用均会影响TRD搅拌墙的最终成墙质量。

2) 理论而言, 水灰比越小, 水泥掺入比越高, 地下连续墙止水性越好、强度越高, 但过小的水灰比会导致固化液体系水少, 搅拌过程中液相携带颗粒能力不足, 不利于成墙过程中各土层充分混合, 出现固化液搅拌不均匀的情况, 并且可能影响施工中泥浆泵的输送能力, 影响连续墙强度分布的均匀性。

3) 水泥作为固化液的主剂, 在成墙过程中主要起胶结防渗的作用, 过量的水泥会出现水泥强度组分过剩的问题, 造成材料浪费;且水泥作为一种刚性材料, 泊松比较小, 基坑开挖之后会引起搅拌墙两侧土应力不平衡, 影响基坑安全。

庙头站钻探表明砂层深度和厚度随地层起伏较大, 为达到较好的治理效果, 同时节省工程成本, TRD工法工艺参数还需通过试验进一步确认。

本文采取室内正交试验确定庙头站不同土层参数下搅拌墙最优工艺参数。

为获得TRD工法在庙头站砂层中的最优工艺参数, 通过钻孔取样检测庙头站基坑原位砂层颗粒级配与饱和含水率。庙头站砂层试样实测含水率为20.2%, 黏性土含量为14.91%, 控制粒径d₆₀=1.75mm, 有效粒径d₁₀=0.043mm, d₃₀=0.45mm, 不均匀系数C_u=40.7, 曲率系数C_c=2.69, 为级配良好的含细粒土砂, 砂层试样各粒组质量分数如图3所示。

按照实际施工中对搅拌墙成墙质量产生影响的因素, 将其设计为四因素五水平正交试验。4个因素分别为砂层含水率、砂层黏土含量、水灰比以及水泥掺量;其中水灰比和水泥掺量的水平选取依据相应规程及实际施工条件, 水灰比为1.0~1.8, 水泥掺量≥16%, 具体参数如表2所示。

为与实际施工情况保持一致, 试块制作时采取以下措施。

1) 在材料搅拌混合时, 分别按照设计砂层参数充分搅拌原状砂、黏土和水, 再加入按照设计配合比混合搅拌的固化液。

2) TRD搅拌墙成墙时将固化液与原位地层混合搅拌后静置养护, 试块成型时将配置材料填入模具时, 仅刮平试块表面以减少强度测试时试块表面不平整对测试结果的影响, 而不采用分层压实。

试块制作完成后放入提前制作好的砂箱中养护, 砂箱中提前分层放入原状地层砂土, 并加水至饱和, 然后将试块放入砂箱中确保试块完全处于饱和含水率砂土中, 使试块始终处于和原状地层相同的环境中养护。

本次试验采用28d无侧限抗压强度表征水泥土试块的力学性能, 试验结果表明:不同地层采用不同的工艺参数对搅拌墙成墙质量影响较大, 试块强度最小只有0.44MPa, 无法满足搅拌墙28d强度≥0.8MPa的设计要求;最大可达10.05MPa, 强度过剩, 会造成材料成本的极大浪费。

正交试验强度检测结果分析如表3所示, 通过分析可以得到:试验选取的4个因素对搅拌墙成墙质量的影响大小依次为砂层含水率>水泥掺量>水灰比>砂层黏土含量, 因此在确定TRD工法关键工艺参数时应确定原状砂层含水率。

通过正交试验结果分析得出影响搅拌墙墙身强度的最主要因素为原位砂层饱和含水率, 适合庙头站砂层的TRD工法最优工艺参数还需进一步补充试验得出。

庙头站砂层所对应的黏性土含量与含水率是确定值, 在进行TRD工法工艺设计时需要调整的参数只有水灰比和水泥掺量2个参数。为了得到使水泥土搅拌墙达到最优力学性能的水灰比及水泥掺量, 进行水灰比及水泥掺量对水泥土搅拌墙性能影响的全面试验。试验所用砂层为原状砂, 试块制作和养护条件与正交试验相同。试块养护28d后强度测试结果如图4所示。分析试验结果可得如下结论。

1) 水灰比一定时, 随着水泥掺量的增加, 强度增长;水泥掺量增加到24%后, 强度增加幅度减小, 并且水泥掺量分别为24%, 28%, 32%时强度区别不大。为避免水泥土强度组分过剩, 节省材料用量, 庙头站TRD搅拌墙水泥掺量确定为24%。

2) 水泥掺量一定时, 随着水灰比的增加, 强度减小;水灰比分别为1.4和1.6时, 强度区别明显, 水灰比分别为1.2和1.4时, 强度区别不大。考虑到施工时泥浆管线的泵送能力, 同时确保搅拌墙强度≥0.8MPa的设计要求, 庙头站TRD搅拌墙水灰比确定为1.4。

通过补充试验确定庙头站TRD工法关键工艺参数:水泥掺量为24%, 水灰比1.4, 试验墙身强度可达1.2MPa, 满足隔水帷幕强度的设计要求。

为检验TRD工法新型工艺的可行性以及工艺参数能否满足隔水帷幕强度的设计要求, 还需要试成墙检验。

1) 试成墙方案 本次原位试成墙长6.0m, 搅拌墙成墙厚度为850mm (见图5) , 墙底进入基岩层≥0.5m。成墙采用先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌三工序施工工艺, TRD主机机型采用LSJ60型连续墙设备进行施工。链式切割箱沿设计墙深, 垂直逐节打入切割箱, 同时在切割箱底注入挖掘液先将地层挖掘松动后切削至设计深度, 沿设计成墙位置水平挖掘推进。

成墙搅拌时由切割箱底注入固化液, 然后与原位土体充分混合搅拌, 形成连续均质的水泥土搅拌连续墙。

2) 强度检测 成墙养护28d后通过地质钻机钻取墙深范围内的芯样, 并对钻孔位置芯样进行无侧限抗压强度检测, 钻孔深度20m。

强度检测结果如表4所示, 结果表明TRD水泥土搅拌墙在深度和长度方向强度连续性好, 水泥搅拌均匀、胶结程度好, 能够满足隔水帷幕强度设计要求。

3) 工程实践 根据搅拌墙成墙实际施工及检测结果, TRD工法搅拌墙成墙质量高、完整性好, 平均强度和渗透系数满足隔水帷幕的要求。基坑开挖阶段从暴露面观察, 钻孔灌注桩、桩间土体及基坑侧壁喷射混凝土面无渗漏水现象, 水泥土搅拌墙墙身隔水效果良好。

在青岛地区深大基坑隔水帷幕工程中, TRD水泥土搅拌墙较旋喷桩止水性及连续性优势明显, 且可先行施工, 缩短施工工期, 可作为青岛地区落地式隔水帷幕的首选。

1) 砂层饱和含水率是影响搅拌墙墙体强度的最主要因素, 其次是水泥掺量、水灰比和黏土含量。

2) 确定青岛地铁1号线庙头站基坑TRD隔水帷幕工程最优水灰比为1.4、最优水泥掺量为24%。试成墙检测结果表明:水泥土搅拌墙墙体强度为0.99~2.61MPa, 满足≥0.8MPa的设计要求。

3) TRD工法首次应用于青岛地区, 且首次应用于地铁车站基坑, 根据试成墙的实际施工和检测结果, TRD工法水泥土搅拌墙对青岛地区富水砂层适用性良好。