富水砂礫層深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選與實(shí)施

賈建彬

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300350)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為緩解交通壓力的重要交通措施，地鐵建設(shè)規(guī)模不斷增多。地鐵車站基坑開(kāi)挖是整個(gè)地鐵建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，作為深大基坑，基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型是影響其修建安全的重要因素[1－3]。近年來(lái)，地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋鉆孔灌注樁等基坑圍護(hù)組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)軟土地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，具有深度大、適用地層廣泛和施工質(zhì)量易控、隔水效果好等優(yōu)勢(shì)。但在富水砂礫層中，上述圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式的適用性仍不明確。因此，對(duì)其展開(kāi)研究具有重要工程價(jià)值。

目前，已經(jīng)由較多學(xué)者對(duì)不同地層條件下基坑常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的適用性展開(kāi)了研究，并取得了許多可以借鑒的成果，但成果多集中于軟土等松軟地層中[4－6]。由于地質(zhì)條件的特殊性，上述成果在砂礫層中是否存在普遍性不得而知。除此之外，TRD工法墻展開(kāi)了較多研究并取得了許多可以借鑒的參考。王衛(wèi)東等[7]通過(guò)對(duì)TRD工法墻在上海多個(gè)深大基坑工程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到了該工法樁在軟土地層中的承載變形特性和設(shè)計(jì)方法，并提出了其施工關(guān)鍵技術(shù)和監(jiān)測(cè)方法；譚軻等[8]通過(guò)理論方法分析了TRD中型鋼和水泥土的相互作用機(jī)理，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)理論方法進(jìn)行了驗(yàn)證；吳國(guó)明等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)TRD工法墻在深厚砂土層中的隔水效果進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。上述研究成果可為TRD工法墻的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考，但實(shí)際工程中仍存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型不清，TRD工法墻＋灌注樁施工關(guān)鍵參數(shù)不明等問(wèn)題。

本文結(jié)合呼和浩特某實(shí)際地鐵車站基坑工程，首先通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等方法對(duì)比分析了基坑常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)在富水砂礫層中的開(kāi)挖變形、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)；在此基礎(chǔ)之上，對(duì)TRD工法墻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝和質(zhì)量控制關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析探討。研究成果可為工程實(shí)踐提供參考。

2 工程概況

2.1 車站概況

呼和浩特站位于錫林郭勒北路和車站東西街的交叉路口，沿錫林郭勒北路布置，東北側(cè)為中國(guó)郵政大樓，東南側(cè)為私人停車場(chǎng)，西北側(cè)為呼和浩特市長(zhǎng)途汽車站，西南側(cè)為國(guó)貿(mào)商城，如圖1所示。車站東西街為東西向布置，規(guī)劃道路紅線寬為30 m，設(shè)雙向六車道，現(xiàn)狀交流量較大。

圖1 呼和浩特站平面圖

本站為地下三層雙柱三跨島式車站，車站主體長(zhǎng)度195 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.9 m，深約23.8 m。車站有效站臺(tái)中心里程為DK14＋656.647，起、止里程為DK14＋539.647～DK14＋734.647。本站采用明挖順做＋局部蓋挖法施工，附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖順做法施工，其中1號(hào)風(fēng)亭長(zhǎng)46 m，基坑深度為10.62～12.2 m，1號(hào)出入口長(zhǎng)為57.88 m，基坑深度為20.1～22.5 m。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該工程附屬結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)勘察揭示地層由上至下參見(jiàn)表1。該工程場(chǎng)地地下水屬潛水類型，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水位埋深6～7 m，場(chǎng)地各水層多為強(qiáng)透水層，下部的隔水層多不連續(xù)且不完整，地下水位相互滲透。

表1 土層參數(shù)

3 富水砂礫層中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案及數(shù)值模型

目前，結(jié)合地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，地下深基坑明挖工程中多采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋灌注樁等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其中，TRD工法墻＋灌注樁應(yīng)用時(shí)間較短，多用于我國(guó)沿海軟土地區(qū)開(kāi)挖深度小于15 m的明挖基坑工程中，且認(rèn)可度較高。但在富水砂礫層中開(kāi)挖深度超過(guò)20 m的深基坑工程中應(yīng)用較少。

為了綜合對(duì)比上述四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)效益、施工質(zhì)量和整體變形等方面的優(yōu)劣勢(shì)，以本文工程為例，選用數(shù)值模擬方法對(duì)地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋灌注樁四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，整體數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 整體模型

由于基坑開(kāi)挖深度為24 m，故四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度均選擇為48 m。鉆孔灌注樁直徑為800 mm，凈間距為300 mm；SMW工法樁直徑為750 mm，型鋼采用500×200×10×6型號(hào)，密插布置，間距為450 mm；TRD工法墻＋灌注樁中工法樁墻厚選用750 mm，鉆孔灌注樁直徑600 mm，間距900 mm，其中TRD工法墻主要起到止水隔水作用，鉆孔灌注樁主要承擔(dān)開(kāi)挖引起的側(cè)向土壓力；地連墻厚度為800 mm。其典型斷面如圖3所示。

圖3 四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面

土體采用摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬[10]，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型[11]，具體參數(shù)見(jiàn)表1和表2所示。模擬步驟如圖4所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 基坑施工數(shù)值模擬步驟

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形比選

按照?qǐng)D4中數(shù)值模擬順序進(jìn)行施工過(guò)程模擬，并提取不同形式圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形沿深度變化如圖5所示。

圖5 四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

結(jié)合圖5可知，開(kāi)挖至第一道撐時(shí)，TRD工法墻＋灌注樁水平變形最小，SMW工法樁、地下連續(xù)墻水平變形與TRD工法墻＋灌注樁水平變形較為接近，而鉆孔灌注樁的水平變形最大，且在開(kāi)挖至第二道撐、第三道撐和施作底板后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與開(kāi)挖至第一道撐時(shí)的規(guī)律較為一致。

上述四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形均可描述為拋物線形和懸臂式的組合形態(tài)，且四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形均產(chǎn)生于15 m左右，該土層為粉質(zhì)黏土，與本工程其他土層相比，該土層較軟，故容易引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形。

由此可見(jiàn)，在其他工況相同的條件下，基坑開(kāi)挖完成后，TRD工法墻＋灌注樁的最大水平變形最小，僅為39.89 mm，SMW工法樁和地連墻的水平變形次之，分別為42.36 mm和46.01 mm，而鉆孔灌注樁的水平變形最大，為55.06 mm。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量比選

結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件和施工條件經(jīng)調(diào)研計(jì)算后總結(jié)得到每延米地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、TRD工法墻＋灌注樁單價(jià)如表3所示。

表3 四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)每延米單價(jià)

結(jié)合表3可知，在四種圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，每延米SMW工法樁的施工費(fèi)用最低，鉆孔灌注樁施工費(fèi)用次之；每延米地下連續(xù)墻的施工費(fèi)用最高，TRD工法墻＋灌注樁施工費(fèi)用次之。且根據(jù)TRD工法墻＋灌注樁的施工過(guò)程可知，在施工過(guò)程中先將鏈鋸型切削刀具插入地基，掘削至車站基坑需要的深度，再向土體的內(nèi)筒注入先前配置而成的固化劑，再橫向掘削、攪拌，水平推進(jìn)，筑成水泥土攪拌連續(xù)墻，該工法施工速度較快，能夠在一定程度上節(jié)省工期，而地下連續(xù)墻施工速度較慢。

根據(jù)魏祥等[12]的研究可知，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度超過(guò)15 m后，采用SMW工法樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，SMW工法樁的施工過(guò)程中容易出現(xiàn)工法樁樁體開(kāi)叉等工程質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而影響深基坑的安全穩(wěn)定性，不能較好地保障工程順利安全進(jìn)行。且本工程周邊環(huán)境復(fù)雜且地表為富水砂礫地層條件下，不具備降水施工條件時(shí)，地下連續(xù)墻成槽又困難，無(wú)法完成地下連續(xù)墻施工。

綜合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、施工質(zhì)量控制、施工速度和施工成本可知，在類似富水砂礫層中TRD工法墻＋灌注樁不僅造價(jià)較低、施工速度較快，而且能夠較好地控制水平變形，有效降低基坑開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)。可對(duì)TRD工法墻＋灌注樁的關(guān)鍵施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而為施工提供參考。

4 TRD工法墻＋灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施及效果

4.1 TRD工法墻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施流程

TRD工法墻施工步驟主要包括測(cè)量放線、開(kāi)挖溝槽、吊放預(yù)埋箱、樁機(jī)就位、安裝測(cè)斜儀、TRD水泥攪拌土工法成墻、置換土處理、拔出切割箱等，施工流程如圖6所示。

圖6 施工流程

4.2 TRD工法墻施工要點(diǎn)

(1)在等厚度水泥土攪拌墻切割箱自行打入挖掘工序和先行挖掘地基過(guò)程中，挖掘液的注入量宜控制到最小，必要時(shí)可預(yù)先回填黏土。

(2)成墻攪拌時(shí)，要保持較快的橫行推進(jìn)速度，拌站和漿泵要確保提供與攪拌推進(jìn)速度相匹配的水泥漿液。

(3)后續(xù)施工的墻體與已成型墻體搭接長(zhǎng)度需保持30～50 cm，嚴(yán)格控制搭接區(qū)域的推進(jìn)速度，使固化液與混合泥漿充分混合攪拌，搭接施工中須放慢攪拌速度，保證搭接質(zhì)量，如圖7所示。

圖7 搭接施工示意

(4)TRD工法成墻攪拌結(jié)束后或因故停待，切割箱體宜遠(yuǎn)離成墻區(qū)域不少于3 m，并注入高濃度的挖掘液進(jìn)行臨時(shí)退避養(yǎng)生操作。

(5)TRD水泥攪拌土連續(xù)墻與車站接口處采用三排高壓旋噴注漿處理，保證接口處止水效果。

(6)正式施工前應(yīng)進(jìn)行試成墻施工，深度應(yīng)涵蓋工程中所有深度。本工程為16.3～29.6 m，墻厚為0.85 m，注漿區(qū)水平延長(zhǎng)6 m。挖掘混合泥漿流動(dòng)度應(yīng)控制在0.16～0.24 m，可每立方被攪土體摻入約100 kg的膨潤(rùn)土。而固化液混合泥漿流動(dòng)度應(yīng)控制在0.15～0.28 m，墻體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa。

(7)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了固化液配比為:每立方被攪拌土體摻入25%的水泥，即每立方米土摻入450 kg P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；水灰比為1.2～1.8，即施工過(guò)程每1 000 kg水泥，摻1 200～1 800水拌制漿液(搭接施工時(shí)水灰比1.5～1.8)，地層含水率低時(shí)取大值。

4.3 鉆孔灌注樁實(shí)施流程

鉆孔灌注樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施步驟包括:測(cè)量放線并定位→鋼護(hù)筒埋設(shè)→成孔→第一次清孔→鋼筋籠制作→鋼筋籠吊裝→導(dǎo)管組裝和安放→第二次清孔→混凝土灌注。

由于鉆孔灌注樁應(yīng)用較多，相關(guān)技術(shù)較為成熟，故在此不對(duì)施工質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行贅述。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

施工過(guò)程中，對(duì)TRD工法墻的水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，施工完成后，不同點(diǎn)位上TRD工法墻頂最大水平位移如圖8所示。由圖可知，TRD工法墻最大位移均小于位移報(bào)警值，且安全系數(shù)較大，整體施工效果較好。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移

5 結(jié)論

本文依托某實(shí)際工程，結(jié)合數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等方法，從變形特性、經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量對(duì)比分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式在富水砂礫層中的適用性。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)TRD工法墻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝和質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析探討。主要結(jié)論如下:

(1)富水砂礫層中，與地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁相比，TRD工法墻＋鉆孔灌注樁具有經(jīng)濟(jì)性好、水平變形小和施工質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。

(2)后續(xù)施工的墻體宜搭接已成型墻體約30～50 cm，且TRD水泥攪拌土連續(xù)墻與車站接口處采用三排高壓旋噴注漿處理。

(3)施工過(guò)程中需充分考慮地層含水率、水泥摻量、黏土含量等因素對(duì)墻體強(qiáng)度的影響，必要時(shí)需進(jìn)行正交試驗(yàn)確定其配比。