项目位于濮阳市旧城区中医院内, 为地下立体停车库, 采用井筒式结构, 平面尺寸为30m×18m, 呈长方形, 为河南省开发地下空间领域试点项目。井筒式立体车库为地下19层, 地上为2层框架结构的车棚。场地地坪为黄海高程54.000 m, 基底设计标高15.360m, 基坑开挖深度为35.040m, 属于超深基坑工程, 安全等级为一级, 是全国目前最深的地下立体车库。车库剖面如图1所示。

基坑支护结构为混凝土灌注桩结合钢筋混凝土水平内支撑, 止水帷幕为TRD工法形成的等厚水泥土地下连续墙。

TRD止水帷幕设计厚度为850mm、深48.35m, 采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥, 水泥掺量≥20%、水灰比1.0~2.0、混合泥浆的相对密度不宜小于1.6。

工程场地位于濮阳市旧城区正在运营中医院内, 北侧为濮阳市市政道路, 道路底下埋设市政管网, 其余三侧为医院内浅基础砖混结构或框架结构的多层建筑, 基坑边离建筑的距离在20~30m, 基坑周边环境较为复杂。

本工程施工场地地层结构自上而下依次划分为: (1) 粉质黏土平均厚度1.83m; (2) 粉土平均厚度1.7m; (3) 粉质黏土平均厚度2.92m; (4) 粉土平均厚度为2.12m; (5) 粉质黏土平均厚度为3.0m; (6) 粉砂平均厚度为6.3m; (7) 粉质黏土平均厚度为9.47m; (8) 粉砂平均厚度为9.12m; (9) 粉质黏土平均厚度为11.87m。 (10) 细砂。各土层的主要形式如表1所示。

影响基坑的地下水主要为孔隙潜水, 本工程地下水位埋深21.5m, 开挖深度最深处为35.3m, 基坑开挖深度范围内, 含水层透水性较强。

TRD工法主要特点是施工深度大, 最大施工深度可达地下60m, 且成墙厚度可达450~850mm, 可满足各类围护墙的要求: (1) 稳定性高与传统工法相比, 机械高度仅10m, 重心底、稳定性高、通过性好, 无侧翻事故。 (2) 施工成墙品质均一连续性刀锯向垂直方向一次性挖掘、混合搅拌及横向推进, 在复杂地层也可以保证均一质量的地下连续墙。 (3) 施工精度高与传统工法相比, 施工精度不受深度影响。通过施工管理系统, 实时监测切削箱体各深度x, y方向数据, 实时操纵调节, 确保成墙精度。 (4) 成墙质量好与传统工法相比, 搅拌更均匀, 连续性施工, 不存在咬合不良问题, 成墙连续、等厚度。 (5) 适应性强与传统工法相比, 适应地层范围更广, 可在砂、粉砂、黏土、砾石等一般土层及N值数超过50的硬质地层施工。

考虑到本工程在中原地区是首次应用, 采用上海工程机械有限公司自主研发的TRD-D型工法机, 该机型是针对我国的地质情况而进行研发的TRD工法机。该工法机实现了前部工法机构、切割机构、液压动力系统和电气控制系统的创新, 具备超强的超载能力, 能够应对我国独特、复杂的地层条件。

TRD工法施工工艺流程:场地平整→测量放线→开挖沟槽→桩机就位→切割箱打入→TRD工法成墙→拔出切割箱。

考虑到基坑开挖深度及周围环境的复杂性, 本工程TRD工法施工选择了三步成墙工艺。三步成墙法相对于一步成墙法和二步成墙法, 搅拌时间长, 搅拌更加均匀, 可用于土层复杂、墙体深度大、防渗要求高的水泥土连续墙。本项目基坑开挖深度达35.04m, 基坑安全等级为一级, 基坑周围环境复杂, 故选择三步成墙法以确保止水帷幕止水效果。三步成墙法流程如图2所示。

三步成墙法: (1) 第1步横向前进时注入切割液, 一定距离后切割终止; (2) 第2步主机反向回切, 向相反的方向移动, 移动过程中链条刀具旋转, 使切割土进一步混合搅拌, 第2步施工时可根据土层性质选择是否注入切割液; (3) 第3步工法机正向回位, 同时垂直方向从前端切削头部向地中喷射水泥浆固化液, 与原地基中的土壤与注入水泥浆进行纵向混合搅拌, 形成水泥土地下连续墙。

1) 施工前场地平整, 如清理垃圾、清除地下障碍, 修筑施工便道。清障过程形成的沟槽, 采用10%水泥土回填压实, 并根据TRD工法设备质量, 对施工场地进行铺设钢板加固, 确保施工场地满足机械设备地基承载力的要求以及桩机、切割箱的垂直度。

2) TRD施工时需根据定位控制线开挖导向沟, 用挖掘机沿成墙中心线平行方向开挖工作沟槽, 沟槽宜比水泥土墙宽40~60mm、深宜为1.2~1.4m, 并在沟槽边设置水泥土墙定位标志。

3) 利用起重机将预埋箱吊放入已经设置好的预埋穴内, 然后由TRD工法机班长指挥桩机按照定位线就位, 桩机应平稳、平正。

4) 切割箱与主机连接, 用指定的履带式起重机将切割箱逐段吊放入预埋穴, 利用支撑台固定。TRD主机移动至预埋穴位置连接切割箱, 主机再返回预定施工位置进行切割箱自行打入挖掘工序。切割箱自行打入到设计深度后, 安装测斜仪。通过安装在切割箱内部的多段式测斜仪, 可进行墙体的垂直精度管理, 通常可确保成墙精度。

进行自行打入挖掘工序时, 切割箱应通过自重匀速下沉, 速度控制在40~70mm/min, 并根据土层地质情况, 宜将挖掘液的注入量控制在最小, 使混合泥浆处于高浓度、高黏度状态, 确保槽壁稳定。

5) 三步成墙法第1步先行挖掘, 切割箱自行打入到设计深度后, 进行水平挖掘推进, 推行速度为0.5~1.0m/h, 当天挖掘长度控制在5~7m, 并根据土层特点, 每1m³搅拌土掺入120~150kg/m³钙基膨润土和6~9kg/m³纯碱。施工过程中应对TF值 (泥浆流动度) 进行监控和调整, 一般控制在135~240mm, 确保墙体质量及成墙效率, 防止切割壁槽发生塌方, 保证施工质量。

6) 第2步回撤挖掘, 切割箱先行挖掘至指定位置后结束, 回撤横移至成墙开始位置, 回撤速度宜控制在5~8m/h, 回撤挖掘过程中视土层性质选择是否再次注入切割液, 并尽量控制挖掘排量, 控制置换土比例在30%以内。

7) 第3步成墙搅拌, 由于本工程地质土层存在粉土及粉砂层, 为保证成墙质量、杜绝渗漏隐患, 止水帷幕采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥, 水泥掺量≥25%, 水灰比为1.6。成墙搅拌固化液的流动速度控制在150~280mm, 以确保成墙的均匀性。第1步和第2步现行挖掘、回撤挖掘时被加固土体已经松动, 成墙搅拌时, 需要保持较快的推进速度, 泵的压力及浆液流量应保持匹配并≥2.5MPa, 防止箱体“抱死”事故发生, 本工程TRD成墙施工平均速度达100min/m, 较好地完成了成墙工序。

8) 成墙搭接后续施工的TRD墙体应与已成型墙搭接, 使混合泥浆与固化液和成型墙体充分搅拌混合, 搭接宽度控制在50~60cm。

9) 切割箱养护一段距离TRD成墙施工完成后, 应在距墙体2~3m距离内采用高压水枪对切割箱设备进行清洗, 并根据土质情况配置膨润土浆液进行临时养护。

10) 成墙转角及拔出箱体, TRD遇到转角时, 有外拔切割箱和内拔切割箱两种处理方案, 考虑到本工程施工作业面小的情况, 优先选择内拔处理方案, 如图3所示。起拔切割箱时间控制在24h之内, 起吊设备采用150t履带式起重机, 根据现场操作空间将切割箱分为2~4节分段拔出, 拔出切割箱时必须控制拔出速度和注浆量, 注浆量要能够补充切割箱拔出的体积, 防止因拔出速度过快引起沟槽泥浆的液面降低切割箱的前端出现真空状态, 从而发生沟槽壁坍塌及水分流失等现象, 进而影响成墙质量。

1) 固化液拌制选用的水泥、外加剂等原材料的技术指标和检验项目应符合设计要求和国家现行标准的规定。检验数量:按批检查, 检查方法:查产品合格证及复试报告。

2) 挖掘液、固化液水灰比, 水泥掺量、挖掘液混合泥浆、固化液混合泥浆流度值应符合设计和施工工艺要求, 不得离析。检查数量:按台班检查, 每台班不得少于3次。检验方法:浆液水灰比用密度计检查, 水泥掺量用计量装置检查, 泥浆流动度采用流动度测试仪测量。

3) TRD等厚水泥土连续墙墙体强度应符合设计要求。试验数量及方法:水泥土墙身强度应采用707mm立方体浆液试块试验确定, 每独立延米墙身长度取样, 用刚切割搅拌完成尚未凝固的水泥土制作试块。每台班抽查1延米墙身, 每延米墙身制作水泥土试块3组, 采用水下养护测定28d无侧限抗压强度。安全等级为一级基坑工程宜结合28 d龄期后钻孔取芯等方法综合判定。取芯检验数量及方法:按一个独立延米墙身取样, 数量为墙身总延米的1%, 且不应少于3延米。每延米取芯数量不应少于5组。

4) 墙体渗透性应通过浆液试块或现场取芯试块的渗透试验判定, 必要时可采用注水试验综合确定墙体抗渗性能。注水试验可利用满足垂直度要求的取芯钻孔进行, 数量不宜少于2个。

TRD工法水泥土地下连续墙成墙允许偏差应符合表2规定。

本工程基坑深度35.04m, 安全等级为一级, 等厚度水泥土地下连续墙成墙后质量通过28 d龄期后钻孔取芯法检测判定。取芯钻具采用单动双管岩芯管, 钻头直径110mm。按照规范规定计算取芯数为3延米, 共计15个钻孔, 取样点低于有效墙下1m, 钻孔取芯垂直度偏差≤1/300, 钻取全墙身范围内墙芯, 并及时蜡封和送检, 测定28d无侧限抗压强度及渗透性能, 钻取芯样后留下的空隙应注浆填充, 取芯效果如图4所示。

通过取芯观察, 每个芯样色泽一致、墙体完整性好、呈柱桩、搅拌均匀, 另外对取芯样品进行抗压和抗渗性能检测, 得出无侧限抗压强度数据区间为0.84~1.2MPa、渗透系数区间为1×10^-5~1×10^-7cm/s, 检测结果满足设计强度及渗透性要求, 综合评价本项目TRD工法施工形成了止水性均匀、高品质的止水帷幕。

通过TRD工法水泥土地下连续墙在井筒式超深地下立体停车库深基坑中的成功运用, 该工法适用于井筒式超深基坑止水帷幕, 其成墙品质均一、施工深度大、成墙质量好、成墙连续、等厚度, 止水性能强, 使基坑支护体系更加安全可靠, 缩短了工期且减小了漏水隐患, 具备较好的经济和社会效益, 有效地解决了超深基坑的止水难的题。