随着西南地区城市的建设发展, 城市用地日益紧张, 越来越多的建筑基坑临河而建。我国西南地区岩溶极其发育, 地质条件复杂, 存在岩石断层裂隙多、溶洞及破碎带等地质问题。这些裂缝通道与河流相连, 使临河基坑有源源不断的水流补给, 容易渗流造成地面沉降塌陷、基坑失稳、涌水、突泥等工程问题^[1]。根据有关统计, 地下水处理不当造成的事故约占基坑工程总事故的1/5^[2], 岩溶区临河特长深基坑因其具有较大的渗流面更容易发生渗流事故, 因此其地下水控制问题首当其冲。

TRD (trench cutting re-mixing deep wall) 工法即等厚度水泥土搅拌墙技术, 是利用锯链式切割箱将切削刀具插入地基中, 通过在切削搅拌土体的过程中混入水泥浆、膨润土等固化剂与原状土充分混合搅拌, 生成一种新的具有防渗透性质的水泥土介质, 形成连续等厚度的水泥土搅拌墙^[3], 以达到隔水止水的目的。TRD工法具有适用性广、墙体均质性好、不泄露、隔水性可靠等特点。

本文以贵州某临河特长深基坑施工防水止水为背景, 介绍了TRD落底式止水帷幕在岩溶富水区的应用, 为今后岩溶区临河富水地质状况下, 尤其是特大、特长深基坑的施工提供经验与指导。

该基坑大致呈西北、东南走向, 全长约1km, 基坑宽度16~20m, 深度9.3~15.4m, 位于河流北侧, 紧邻该河流。基坑两侧均建有十几栋8~15层的楼房, 建筑时间均在10年以上。

根据地质勘察报告, 场地上覆土层主要由杂填土及红黏土组成, 从上到下为: (1) 杂填土 (Qml) 杂色, 由原道路回填料组成, 主要为混凝土路面、块石、碎石夹黏土, 结构松散。钻探控制段厚度为0.6~5.7m。 (2) 红黏土 (Qel+dl) 残坡积成因, 褐黄色, 结构致密-块状。根据钻探, 场地下伏主要为可塑状。钻探控制段厚度为0.8~3.0m。 (3) 基岩根据区域地质图结合现场踏勘及钻探显示, 场地下伏基岩为三叠系安顺组 (Ta) 薄~厚层白云岩、泥质白云岩及三叠系松子坎组一段 (Tsz1) 白云岩、泥质白云岩与泥页岩互层夹溶塌角砾岩, 底部为玻屑凝灰岩 (绿豆岩) 。该工程的典型地质剖面如图1所示, 各土层的物理力学参数如表1所示。拟建场地下伏基岩为可溶性白云岩、泥质白云岩, 拟建场地属于岩溶场地, 根据相邻勘察资料, 结合本次钻探 (见洞率40%) , 场地岩溶发育程度中等~强发育。岩层总体呈单斜连续产出, 岩层产状:倾向100°~130°, 倾角35°~45°。场地基岩陡倾节理较发育, 节理面多为无胶结或钙质胶结, 结合一般。

根据区域水文地质资料及现场踏勘, 拟建场地西南侧紧邻为区域性地表水体。大气降水通过上覆土层进入地下使土层中形成“滞水”, 场地第四系松散沉积层具有良好的渗水性质, 而处于其下的红黏土又具有一定的阻水性质, 从而土层聚存滞水。各含水层之间的黏性土层为其相对隔水层, 但各含水层之间均存在一定水力联系, 在一定的水力条件下, 有发生越流补给的可能。

根据本工程的设计开挖深度以及对周边建筑物的影响, 综合考虑采用的围护结构为钻孔桩+外围900mm厚TRD止水帷幕+内支撑 (609钢管) 的方案。双层段钻孔桩位于土层部分采用Φ1 000mm@950mm全套筒钻孔桩, 位于岩层部分采用Φ800mm@950mm钻孔桩;单层段钻孔桩位于土层部分采用Φ1 000mm@1 000mm全套筒钻孔桩, 位于岩层部分采用Φ800mm@1 000mm钻孔桩, 护筒跟进至岩土分界面以下1m, 钻孔桩单层段嵌入基底2.5m (局部嵌入深度为6m) , 双层段嵌入基底3.5m;TRD止水帷幕落底至完整岩面以下1m;基坑深度为9.3m的设2道钢管支撑, 基坑深度为15.3m的设3道钢管支撑, 第1道支撑设置于冠梁处, 向下6.1m再设置1道;围护桩间挂网HPB300, Φ8mm@150mm×150mm, C30早强喷射混凝土。围护桩数约1 840根, 总长26 841m, 混凝土约1.8万m³, 钢筋3 500t;开挖土石方量约10.8万m³;旋喷桩钻孔约54 000m;桩间网喷混凝土约1 960m³, 钢筋约96t;冠梁混凝土约1 980m³, 钢筋360t。钢支撑及钢腰梁约3 000t。

为了验证TRD施工设备在岩溶临河富水区地层条件下的施工能力和工效、施工工序、确定施工成墙速度和配料中水泥浆水灰比及掺量、膨润土掺量以及成墙质量抗渗能力, 为之后的实际施工提供可靠的依据和经验^[4,5], 采用原位成墙试验。试验成墙位置在临河一侧距离基坑位置约5m处。

TRD止水帷幕试成墙厚度为900mm, 长12m, 墙深度为28m, 落底入基岩1~2m。以三工序成墙法进行施工, 即先行挖掘、回撤挖掘和成墙搅拌3个步骤^[3]。成墙过程中先进行设备试运转, 切割箱的平均切入速度约为7cm/s, 先行挖掘平均进度约为2cm/s, 回撤挖掘平均进度为7cm/s, 成墙推进的平均速度为3cm/s。

挖掘液采用钠基膨润土, 掺量约为80kg/m³, W/B=16。固化液使用P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 水灰比为1.5~1.8, 掺量500kg/m³。

试成墙养护完成28d后, 在试成墙体共选取4个位置、不同深度钻取直径90mm、长度150mm的试样, 共计80个试件。钻取位置如图2所示。

分别对试件进行无侧限抗压强度试验和室内降水头注水试验测试渗透性。试验结果表明, 试件的平均无侧限抗压强度约为0.97MPa, 渗透性为2.9×10^-7cm/s, 均满足设计要求。取2, 3号钻孔的钻芯试验结果如表2所示。

由表2可以看出, 2号钻孔位置和3号钻孔位置试成墙体强度相差不大, 不同深度对应的强度也相差无异。从试件的渗透性也看出TRD止水帷幕的防渗性良好, 具有优良的止水性能, 满足该基坑的抗渗需求。

TRD止水帷幕在施工过程中因切削搅拌土体, 改变原状土的应力状态而不可避免地要对周边邻近土体产生扰动^[6], 为了得到TRD止水帷幕施工对周边环境的具体影响, 在试成墙施工过程中对墙体外2, 4, 8, 12m处地表位移进行监测。监测点平面布置如图3所示。第28天监测数据如图4所示。

由图4a可以看出, TRD止水帷幕试成墙施工对周边土体有一定的影响, 但是十分微小。随着距试成墙距离的增长, 周边土体受试成墙施工影响水平位移逐渐减小, 当距离试成墙12m以上时, 水平位移可以忽略不计。由图4b可以看出, 试成墙施工会引起周边土体的沉降, 邻近试成墙的土体沉降较大, 但随着与试成墙距离的增加, 周边土体沉降逐步减小。综上可知, TRD止水帷幕施工虽然会对周边土体有一定的干扰, 造成土体的水平方向产生位移和竖向沉降, 但是只要保持一定的安全距离, 土体影响十分微弱。因此, TRD止水帷幕的施工不会对周边建筑物产生较大影响, TRD止水帷幕应用在岩溶临河富水深基坑中是可行的。

TRD止水帷幕施工需要有正确严谨的施工工序, 极力避免墙体垂直度偏差过大造成墙幅连接处发生开叉现象而墙体不均匀产生泄露, 成墙质量不达标^[7]。

施工前需进行实地考察、平整场地、核对地质勘探报告、安装测量仪器等准备工作。施工工艺流程:实地考察→平整场地→核对地质勘察报告→测量放线→沟槽开挖→吊放预埋箱、挖掘设备就位、主机连接切割箱→先行挖掘→回撤挖掘→搅拌成墙→拔出切割箱。

根据设计图纸结合场地的坐标基准点, 计算出TRD止水帷幕的各点坐标位置。利用测量仪器进行精准放样, 并进行数据复核、误差验算等。做好测量放线工作后通知有关单位进行放样复核。

沟槽开挖前需进行场地加固以确保开挖设备的稳定性和开挖精度。依照放线结果, 挖掘设备沿着成墙中心线平行方向开挖工作沟槽。

预先用挖掘机在成墙处开挖2.0m×1.0m×5.0m (长×宽×高) 的基坑, 将预埋箱吊入基坑内。

由工作人员指挥设备按照指定位置就位。就位后检查设备是否平正, 发现偏移及时纠正。

TRD主机连接切割箱, 然后主机返回预定施工位置进行切割箱自行打入挖掘工序。

测斜仪可以控制墙体的垂直度, 保证成墙质量。

正常施工与试成墙施工工序相同, 采用循环的施工方法。先行挖掘:锯链式切割箱组安置设计深度, 注入钠基膨润土挖掘液进行先行松动挖掘, 挖掘速度以2cm/s为宜。回撤挖掘:挖掘机回撤至原处, 边回撤边继续松动土层, 回撤挖掘平均进度为7cm/s。成墙搅拌:注入固化液进行搅拌成墙, 成墙推进的平均速度为3cm/s。

施工过程中产生的废弃泥浆统一堆放, 根据环保相关要求集中处理。

施工结束后利用起重机将切割箱分段拔出。

1) 施工前需对场地进行平整夯实, 对于土层松软低陷的区域进行回填夯实。对于部分承载力不足的地段, 可以通过铺设钢板、注入水泥浆等加固地基。

2) TRD止水帷幕的垂直度直接关乎墙体的成墙质量。施工中安装的测斜仪可以控制墙体的垂直精度, 务必确保墙体的垂直误差在1/250以内。

3) 岩溶临河富水区深基坑TRD止水帷幕施工确保墙体落底至基岩下1~2m以满足止水要求。

4) 设备在对基岩进行切割过程中磨耗大, 需进行维修保养。在不同的底层中选用合适的刀头有利于提高工效、降低磨损:标准值<30击的土层可采用标准刀头;标准值>30击的硬质土层采用圆锥形刀头;卵砾石层、软岩底层宜使用齿型刀头^[3]。针对本工程场地岩溶地质状况, 采用齿型刀头进行切割, 并严格控制推进速度在2cm/s左右, 确保施工质量。

5) 岩溶基岩施工地段应适当提高固化液水灰比及掺量。水灰比可根据实际情况增大至1.2~1.5。

6) 在施工过程中如果机器发生故障停机需注入高浓度挖掘液进行临时退避养护。

7) 一段墙体施工完成后利用TRD主机依次拔出切割箱, 在切割箱底部注入等体积的混合泥浆。

8) 一段TRD止水帷幕施工结束固化完成后进行搭接施工时需对搭接处一段原TRD止水帷幕进行切割搅拌, 以保证墙体的连贯性和均一性。搭接长度≥50cm^[8]。

TRD止水帷幕作为一种新的基坑止水围护方法, 具有非常好的止水效果, 同时对周边环境影响十分微弱, 对岩溶临河富水区特长深基坑施工中止水作用非常显著。在对本岩溶临河富水特长深基坑施工实践中, 通过现场试成墙试验掌握适用于岩溶临河富水区的TRD止水帷幕施工参数, 并通过正式施工验证了施工参数。本工程TRD止水帷幕的成功施工以及优良的止水效果保证了该基坑安全有效的施工, 同时也为以后在西南地区岩溶富水区的基坑TRD止水帷幕施工提供经验和一定的指导。