图 1 TRD等厚帷幕、地层柱状图 与加固区剖面图 (单位:m)
Fig.1 Section of TRD equal thickness curtain, stratum histogram and reinforcement zone(unit: m)
表 1 注浆参数表
Table 1 Grouting parameters
SHEN Kai,CAI Haoming,YANG Jianhui.Study on water-proof effect of TRD equal thickness curtain in deep silty sand layer of riverside[J].2020,(03):-.[doi: 10.3969/j.issn.1671-8798.2020.03.011]
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杭州地铁8号线一期工程SG8-2标段下穿钱塘江,采用大直径泥水平衡盾构施工。由于该工程的富水软弱地层土体稳定性差,盾构始发时易发生涌砂涌水等险情。为了防止险情发生,在设计方案中采取了对盾构始发端头区进行搅拌桩加固,以及在加固区周边利用水泥加固土地下连续墙(trench cutting re -mixing deep wall,TRD)形成隔水帷幕的技术措施。在临江粉砂层中地连墙施工易塌孔,成墙存在困难,工艺要求高,对此论述了TRD工法施工工艺、施工参数,开展了TRD等厚帷幕水泥土取芯和无侧限抗压强度试验,以及加固区内降水试验,观测了降水井抽水过程中加固区内外的水位变化情况。试验结果表明,TRD等厚帷幕在粉砂层中成墙效果良好,其强度大于设计值1.0 MPa,满足设计要求; TRD等厚帷幕能较好地隔断盾构始发加固区内外的水力联系,隔水效果良好。
The Hangzhou Metro Line SG8-2 uses the large-diameter slurry shield down through the Qiantang river. Because of instability of soil in water-rich weak layer, the risk of sand outburst and water gushing occurs easily when the shield machine launches. In order to prevent the dangerous situation, the technical measures is to use mixing pile reinforcement at the area of shield launching and water-proof curtain with trench cutting re -mixing deep wall(TRD)mixing wall in the design scheme. However, the TRD mixing wall in silty sand layer of riverside is prone to collapse, so it is difficult to form the wall by TRD method, with demanding technological requirements. The paper first introduced construction technology and parameters of TRD, and then carried out. The coring test and the unconfined compressive strength test of cement of TRD equal thickness curtain and the pumping test in the reinforcement area. The variation of water level was observed inside and outside the reinforcement area during the pumping process of the well. The test results show that TRD equal thickness curtain is well formed in silty sand layer, with its strength greater than 1.0 MPa, which meets the design requirements. TRD curtain can better isolate the hydraulic connection inside and outside of the shield launching reinforcement area, achieving the sound water-proof effect.
近年来随着地铁施工中基坑不断向大、深方向发展,水泥加固土地下连续墙(trench cutting re-mixing deep wall,TRD)工法[1]在隧道施工中用于深层地下水隔断的情况越来越多,相关研究也不断出现。TRD工法起源于日本,中国于2005年引入此项技术,相比较于传统加劲水泥土搅拌墙(soil mixing wall,SMW)工法,它具有造价低、污染小、止水性能良好等优点[2-3]。目前国内对TRD工法的研究主要集中在对大、深基坑或特殊地质条件下,TRD等厚帷幕的应用。对大、深基坑情况,李星等[4]通过分析工程案例总结了TRD等厚帷幕施工控制要点,张世轩等[5-7]通过施工方案对比等方法确定了TRD等厚帷幕的施工参数; 对特殊地质条件下的施工,魏祥等[8-10]通过强度检测、渗透性检测,评估了在软土、砂层条件下TRD等厚帷幕的可靠性。在TRD等厚帷幕的理论研究方面,王卫东等[11-13]通过有限元软件分析、施工监测等方法,研究了TRD等厚帷幕变形规律、力学性质,评估了TRD等厚帷幕施工中对周边环境的影响; 陈晨等[14]通过室内三轴试验,评估了不同水泥土掺量对TRD等厚帷幕渗透系数的影响; 宋兵等[15]根据渗流理论及相关规范,总结了用局部抽水试验方法评价帷幕止水效果的方法。总体而言,目前对TRD等厚帷幕在粉砂层中成墙工艺及其隔水效果的研究尚不多见。
基于上述情况,本文以杭州地铁8号线一期工程SG8-2标段为例,在现场对TRD等厚帷幕隔水效果进行试验研究。采用取芯和抽水等方法对TRD等厚帷幕施工及隔水效果进行分析,提出了在粉砂层条件下 TRD等厚帷幕施工参数及评估其隔水效果的方法。
1 工程概况本工程位于杭州钱塘新区,属杭州地铁8号线一期工程,为单洞双线盾构隧道,隧道全长3 466.149 m,其中过钱塘江段约2.1 km。隧道周边环境复杂,东侧为钱塘江及其江堤,南北两侧为浙江工商大学教学楼和生活区,周边建筑物多,需严格控制地表沉降,施工难度大。
1.1 地质概况拟建场地下部地层主要为第四系中黏性土层,自上而下为杂填土层(0.40～2.30 m)、素填土层(0.20～3.20 m)、砂质粉土层(1.10～3.70 m)、砂质粉土夹粉砂层(1.20～9.50 m)、粉砂层(1.10～8.70 m)、砂质粉土层(0.80～9.00 m)、淤泥质粉质黏土夹粉土层(0.90～16.80 m)、砂质粉土夹淤泥质粉质黏土层(0.80～17.30 m)、淤泥质粉质黏土夹粉土层(1.20～12.00 m)、粉质黏土层(0.70～13.70 m)。本工程TRD等厚帷幕多位于砂质粉土层、粉砂层及各种含粉砂层中,通过钻孔取样试验可得文桥区间粉砂层颗粒级配及含水率:实测含水率ω=24.0%,界限粒径d60=0.157 mm,中间粒径d30=0.026 mm,有效粒径d10=0.008 mm,不均匀系数CU=21.315,曲率系数CC=1.216,为级配良好的细粒粉砂。对工程影响较大的地下水主要位于浅(中)部填土层与砂质土层中的潜水; 地表水为钱塘江,江面宽约2.1 km,江面水位受潮汐的影响,且地表水与地下水存在一定的联系。
1.2 地层加固与地连墙结构参数在工程中为了避免地下水涌出和开挖面坍塌,控制地表沉降,确保盾构机能从始发井安全进入盾构隧道,在始发井前端设置端头加固区,采用三重管法施工。靠风井内侧围挡采用三重旋喷桩加固,直径0.8 m,间距(桩中心距)0.6 m; 内部采用搅拌桩设置加固区,直径0.85 m,间距(桩中心距)0.6 m; 外侧围挡使用0.85 m厚TRD等厚帷幕。加固范围为隧顶以上5 m至隧底以下5 m,宽25 m。TRD等厚帷幕深度为36.658 m,到达隧道底部以下10 m,并进入粉质黏土层,以确保其止水效果。地层分布、加固区及TRD等厚帷幕结构如图1所示。
图1 TRD等厚帷幕、地层柱状图与加固区剖面图(单位:m)
Fig.1 Section of TRD equal thickness curtain, stratum histogram and reinforcement zone(unit: m)
2 TRD施工步骤及施工参数
TRD工法的切削机位于地面以下,整机重心低,并且利用导轨前进,由计算机进行控制,稳定性强,精确度高。该工法适用地层广,在砂砾、硬土、砂质土及黏性土中,均能实现快速掘进。在施工过程中设备连续行进时,可以在适当位置设置H型钢,所成墙体没有接缝,止水性良好且墙体厚度均匀。
本工程施工所处地层主要为粉砂层,粉土层中易塌孔,淤泥质土层中易出现缩径现象。TRD等厚帷幕处于临江富水软弱粉砂层中,由于不同含砂土层的黏土含量、含水量不同,黏土胶结作用和地下水冲刷
图2 施工工艺流程
Fig.2 Construction procedures
作用会影响TRD等厚帷幕成墙质量,导致墙体自上而下强度不均匀。此外,浇筑混凝土过程中形成露筋、夹泥、鼓包、接缝不严密等问题,墙槽稳定性和垂直度不易控制,施工质量控制难度大。因此,TRD工法施工时切割箱沿侧墙横向移动,采用“先行挖掘,回撤挖掘,成墙搅拌”三步成墙工艺,具体施工流程如图2所示。三步成墙过程中均应注入水泥浆液,并根据切割箱移动速度匹配相应的注浆速度和泥浆泵流量,注浆参数见表1。
表1 注浆参数表
Table 1 Grouting parameters
本工程通过施工参数的控制来保证TRD等厚帷幕的强度及隔水效果。墙体采用42.5级的普通硅酸盐水泥,水泥掺量25%,水灰质量比为1:1.5,泥浆相对密度1.4～1.5。切割箱到达设计深度之后,使用斜测仪以确保垂直度偏差≤0.3%。
3 TRD应用效果检测TRD等厚帷幕成墙后,在现场通过xy-100型岩芯液压钻机钻取水泥土芯,在室内加工成标准试件,然后采用无侧限抗压强度试验,测出试件破裂时的极限强度,判定TRD的强度是否符合设计要求。通过抽水试验评估TRD等厚帷幕的隔水效果。首先在工作井的坑内和坑外布置降水井,然后对坑内降水井进行3次抽水试验,每次抽水后待水位恢复到稳定位置,再观察坑内外降水井水位变化,以评估TRD等厚帷幕的隔水效果。最后通过水平探孔试验验证抽水试验结论的可靠性:经过28 d待加固区完全成形后,根据洞门点位布置进行探孔试验,观察钻探后点位是否有水渗出。
图3 取出的土芯
Fig.3 Soil core
3.1 强度检测
取芯检测深度为33.96 m,现场抽取芯样完整率大于80%,各地层芯样均连续、完整、呈柱状,土芯如图3所示。观察土芯可见土体均匀,表明TRD法施工地连墙水泥与地层拌和均匀。无侧限抗压强度试验结果见表2。由表2可知,地连墙上段平均强度为1.14 MPa,中段为1.10 MPa,下段为1.17 MPa,根据土芯完整程度和强度均值,选取强度代表值为1.10 MPa,大于设计要求的1.0 MPa。可见地下连续搅拌的土体均匀性良好,满足强度要求。
表2 无侧限抗压强度试验结果
Table 2 Test results of unconfined compressive strength
图4 管井布置平面图
Fig.4 Layout of tube well
3.2 降水试验
TRD等厚帷幕内侧布置2口降水井,记为N1、N2,帷幕外侧设4口水位观测井,记为W1、W2、W3、W4,如图4所示。降水井外径700 mm,内径300 mm,深度30.5 m。采用3次降水试验法,水泵放入深度29 m,在抽取过程中测定水位,以确定TRD等厚帷幕内外侧的水力联系。
N1降水井抽水情况见图5,第一阶段抽水后井管内水位降至地面下28 m,随后进入第一个水位恢复阶段,恢复后水位为16.2 m。第二阶段抽水2 h,水位降为28.2 m,随后进入第二个水位恢复阶段,恢复后水位为24.5 m。第三阶段抽水约2 h,抽至水位基本上稳定,为27.9 m,6 h后水位恢复到27.4 m,水位基本上达到稳定状态。N2降水井结果如图6所示,情况与图5
图5 N1管井水位变化情况
Fig.5 Variation of water table in N1 tube well
图6 N2管井水位变化情况
Fig.6 Variation of water table in N2 tube well
图7 W1管井水位变化情况
Fig.7 Variation of water table in W1 tube well
一致,稳定水位为27.3 m。这说明降水井N1与N2位于同一性质土层中,地下水存在流通性,两口井的试验数据相互印证,试验结果可靠。
对TRD等厚帷幕外侧4口水位观测井W1、W2、W3、W4的24 h水位变化监测结果表明,在帷幕内侧抽水井3次抽水期间,水位基本上稳定,为0.95 m左右,水位最大波动为0.03 m,如图7所示。比较图5～7可知,在帷幕内侧降水井排水时,内侧水井水位变化显著,外侧水井水位基本上没有变化,这表明TRD等厚帷幕切断其内外的水力联系,止水效果良好。
3.3 水平探孔试验在洞门位置取9个点位,设置9个直径为60 mm的水平探孔,深度为6 m,点位布置如图8所示。经过3 d的观测,探孔均未发现有水流出(图9),这表明TRD等厚帷幕止水效果良好,抗渗性较强。
图8 点位布置图(单位:m)
Fig.8 Point layout(unit: m)
图9 探孔情况
Fig.9 Prospecting of hole
4 结 论
通过强度检测和降水试验对TRD等厚帷幕应用效果进行评估,我们得出如下结论:
1)TRD等厚帷幕成墙后取芯完整度较高、坚硬、均匀,在粉砂层中成墙情况良好,强度在1.10～1.17 MPa,大于设计值1.0 MPa,满足设计要求。
2)盾构始发加固区域内每口井水位稳定在27.3 m左右,始终低于洞门1 m以下。外侧观测井水位稳定在0.95 m左右,水位基本上无变化,帷幕内外水位差约为26 m。这说明TRD等厚帷幕较好地隔断盾构始发加固区内外的水力联系,隔水效果良好。
3)设置的水平探孔3 d后无水流出,说明TRD等厚帷幕止水效果良好,抗渗性较强,抽水试验结果可靠。
4)水灰质量比为1:1.5,水泥掺量25%的材料配比,以及相关施工工艺可以在临江深厚粉砂层中形成隔水效果良好的TRD等厚帷幕,保证了始发过程中盾构施工的安全。
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