TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻在基坑工程中的應用分析

鄧友濤

(中國水利水電第七工程局，四川 成都 610000)

0 引 言

在城市的發展進程中，人口向城區集聚，地表修建了越來越多的建筑物，地上空間日益緊張，于是城市規劃和建設人員將目光投向了地下，去尋找更為廣闊的發展空間，因此修建了大量的地鐵、地下商場、地下停車場等，以滿足居民的出行和購物等需求[1]。然而，修建地下空間需要對土體進行開挖，盡管目前的開挖圍護技術已經發展出了鉆孔灌注樁、地下連續墻和SMW工法等各種圍護技術，但是受到各種地質條件和工程建設環境的影響，每種圍護結構都有各自的局限性，因此對于新型圍護結構研發和利用的腳步一直未停歇。TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻就是近年來受到熱捧的一種新型圍護結構，其充分利用了鋼材和水泥的物理力學特性，具有良好的止水性能和抗彎剛度，因而得到了廣泛的應用。

1 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的施工工藝及應用

在現有的基坑圍護墻中，根據成墻方法以及工程特性的不同，可以分為鉆孔灌注樁圍護墻、地下連續墻、重力式擋土墻、高壓旋噴樁、MJS樁以及SMW工法，并在此基礎上發展出了具有高穩定性以及低滲透性的TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法。與其他的成墻方法相比，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻是通過液壓驅動帶有鏈鋸的切割箱機械設備對土體進行攪動切割，形成渠式混合土，并向渠內噴射水泥漿液，使得土體與水泥漿液發生一系列的理化反應，黏土中的小顆粒與水泥膠體固化在一起，形成具有一定強度的水泥土墻，同時為了提高墻體的剛度，在渠內可以插入任意間距的型鋼，可以大大減少設計的工作量。由于在成渠過程中鏈鋸的運動是上下循環的，這迫使不同層位的土體顆粒充分混合、攪拌，形成性質均勻的墻體，改變了以往SMW工法中自上而下的柱狀回旋噴射混凝土成孔，同時由于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法的鋸鏈切割箱是具有固定寬度的，因此在成墻方式上，避免了鉆孔灌注樁柱列式厚度不等的缺點，形成的墻體厚度一致、表面平整、墻體力學性質均勻且連續無接縫。另外，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法的成墻能力大，最大深度可以達到60 m，同時TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻采用的液壓驅動，具有強大的鉆進和削切能力，相較于采用電動式驅動的高壓旋噴樁等大大提高了其土層的適應性，可以廣泛應用于從淤泥質土至堅硬全強風化花崗巖地層的成墻。

TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法的具體施工操作流程如圖1所示。在正式切削土體施作墻體之前，為了保證等厚度水泥土攪拌墻的施工參數保持一致，比如水泥摻量、削切速率等，應該在同一場地進行試驗成墻。在正式成墻過程中，先放出墻體控制邊線，在長度方向挖出施工溝槽，溝槽的寬度與墻體寬度一致，寬度為1.3 m、深度為1.0 m，并在溝槽兩側放置鋼板，以避免設備的碾壓造成槽壁坍塌影響切割箱的垂直度。隨后挖出預埋穴以放置預埋箱，預埋穴的尺寸為3 m×2 m×1 m。將第一節切割箱放入預埋穴并與切割箱主機連接，移動主機至設定的成墻位置，驅動切割箱對土體在全深度范圍內做整體上下回轉切割，并噴漿攪拌形成等厚度水泥土墻體。在墻體完成凝固前打入型鋼以形成具有抗彎和抗滲的墻體。

由于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻工法具有諸多優點，其在國內外基坑工程或者防滲地下墻體工程中得到廣泛的應用。在國外，最早使用該工法的國家是日本。20世紀90年代初期，日本的東京地下工程、橫濱OM大樓的施工中就采用了該工法，此后逐步發展形成了多種機械設備，分別為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，設備的成墻深度也從最初的10 m發展到了60 m，隨后諸多發達國家引進了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術，并在美國、加拿大和新加坡等國家積累了大量的經驗。我國杭州大通建筑工程有限公司在2005年關注到了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術的發展，總結出其具有安全性高、止水性強、施工精度高、掘削能力強、成墻質量高和施工深度深6大特點，并在2007年將TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術引進國內，在杭州市下沙等地過程中成功試驗，隨后TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻技術被應用于南昌綠地廣場項目、武漢復地漢正街一期工程、蘇州市軌道交通2號線天竺路站等工程中。

2 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的力學性能及變形特征

為了掌握TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的受力承載機理及其變形演變規律，有必要對其進行受力分析和變形計算。目前，應用最為廣泛的TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻承載力計算方法有極限平衡法和彈性抗力法。前者采用的靜力平衡的原理，將墻背的被動土壓力和坑底的主動土壓力均視為達到極限，墻體在靜定結構下進行極限受力平衡計算，因此計算過程為最終的極限狀態，無法考慮開挖過程以及基坑回填過程對受力和變形的影響。但是，由于采用的是極限狀態分析方法，忽略了墻體已產生的水平位移對支撐力的作用，因此面對深度大、面積大且多支點的軟土基坑時，采用極限平衡法計算的結果與真實結果偏離較大。而彈性抗力法則考慮了土體的變形對支撐的影響，將墻體背部的土體理想化為彈簧，在彈性階段服從溫克爾彈性地基梁假定，并隨著逐步開挖加支撐以及逐步回填的過程中，將側向土壓力逐步地施加于墻體進行受力和變形計算，反映了施工過程的變化，計算結果更為精確和符合實際。

在實際的受力與變形計算過程中，由于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻使用了兩種不同性質的材料，一種是水泥土，另一種是鋼材，兩種材料之間彈性模量差異巨大，需要采用等效原理將型鋼與水泥土進行組合計算，等效的慣性矩和抗彎剛度分別如公式(1)和公式(2)所示。

(1)

(2)

在TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻中，要達到型鋼材料的極限承載力之前，墻體就因為型鋼與水泥土發生剪切位移而受到破壞，因此在計算過程中型鋼與水泥土之間的抗剪強度十分重要。其計算原理仍然是型鋼翼緣處水泥土墻體有效厚度的直接剪切，計算方法如公式(3)、公式(4)所示。

(3)

(4)

對于TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的變形，可以與鉆孔灌注樁、地下連續墻、SMW工法等圍護結構的變形計算一樣，采用有限元法求解偏微分方程，如公式(5)、公式(6)所示。

(5)

(6)

3 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻與SMW工法的對比分析

以成都地鐵30號線某地鐵車站的施工為例，該工程的圍護結構使用了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻施工，施工設備在常用的TRD60D型成槽機械與TRD80E型成槽機械之間進行比選(表1)，最終選擇TRD80E型成槽機械，其擁有630 kVA的電容量，最大切削深度達到86 m，切割箱的箱體寬度增加到600 mm，具有強大的油缸行程和驅動壓力。

施工場區的地層主要有11層，土層的抗剪強度較低，受到開挖卸載作用后容易產生大變形。地層從上至下分別為②粉質黏土層，③淤泥質粉質黏土夾黏質粉土層、④淤泥質黏土層、⑤1黏土層、⑤2黏質粉土夾粉質黏土層、⑤3粉質黏土層、⑤3a砂質粉土夾粉質黏土層、⑦2粉細砂層、⑧21粉質黏土與粉砂互層、⑨粉細砂層、粉細砂層。各地層的滲透系數見表2。

表1 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的施工設備比選

表2 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻施工地層的滲透系數

運用有限元模擬軟件對比分析SMW工法與TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的變形與受力，計算結果如圖2和圖3所示。

圖2 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的墻身水平位移

從圖2中可以看出，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的墻身位移分布較為協調，位移峰值主要集中在坑底附近，深度范圍在8.5 m和14 m范圍，表明墻身水泥土與型鋼之間的協調工作較密切，達到了位移的有效控制，而SMW工法的位移相對較高而且在上部(支撐位置)出現較為明顯的位移峰值，不利于SMW工法中型鋼與水泥土樁的協同工作，導致SMW工法樁的型鋼滑移，出現位移破壞。

圖3 TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的墻身彎矩分布

從圖3中可以看出，SMW工法與TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的彎矩分布形式較為一致，在深度范圍內的峰值位置也較為相近，但在峰值大小上，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的彎矩比SMW工法有進一步的降低，表明TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻充分利用了水泥土的強度，型鋼與水泥土之間能夠統一協調地承載，達到型鋼水泥土應力分布的均勻分布，提高了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的抗彎能力。

4 結 論

TRD 等厚度型鋼水泥土攪拌墻作為一種新型地下工程圍護結構，基于良好的止水效果和抗彎剛度，在地下防滲以及地下隔離結構中得到日益廣泛的應用。與傳統的鉆孔灌注樁、SMW工法和地下連續墻相比，TRD 等厚度型鋼水泥土攪拌墻形成的墻體均勻、等厚度，且可在其內部任意位置插入H型鋼，極大地降低了施工難度和設計難度，同時又保證了結構的穩定性。與傳統的工法相比，等厚度型鋼水泥土攪拌墻的成墻機理、成墻施工方法以及其受力特征和變形特性均具有明顯的不同。本文結合實際工程案例，分析了TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的施工工藝以及應用范圍，在此基礎上針對TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的承載受力機理以及變形規律進行分析，并將其與SMW工法進行了對比分析。研究結果表明，TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻能夠充分利用水泥土和型鋼兩種材料的工作性能，統一協調地承擔荷載和降低位移的峰值，進而提高TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻的抗彎強度和剛度。研究成果可為TRD等厚度型鋼水泥土攪拌墻在基坑工程以及地下隔離工程中的應用提供技術參考。