廣州地區復雜地層深基坑工程TRD工法的設計與實踐

王一兆，李志利，隋耀華，張思遠，徐世楊，馮德鑾

（1、廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣州 510010；2、廣東工業大學 廣州 510006）

0 引言

TRD（Trench cutting Re-mixing Deep wall）工法，又稱渠式水泥土地下連續墻施工工法，是利用鋸鏈式切削刀具進行渠式等厚度水泥土地下連續墻的施工技術，其主要工藝分為鏈鋸型切削刀具縱向和橫向切削土體、注漿攪拌和水平推進構筑3個主要工序，由此形成無縫連續的渠式等厚度水泥土地下連續墻［1-2］。

TRD 工法技術首先由上海引進，然后在上海地區及華東地區迅速普及，有較多的工程實際應用［3-4］。其中，上海國際金融中心深基坑工程試驗中，坑深達到56 m，通過現場非原位成墻試驗，為TRD 工法在深厚砂質地層中作為止水帷幕的應用提供了堅實依據，另外，TRD 工法已在天津和淮安地區深厚密實堅硬砂層、南昌地區礫砂層和上海軟土地層的多個基坑工程中得到成功應用，因其成墻工效高，墻體隔水性能可靠，取得了顯著的社會經濟效益［5-10］。已有試驗研究成果和現場實施結果表明：在適當的水泥摻量條件下，TRD 水泥土墻體的抽芯試塊的無側限抗壓強度以及抗滲性容易滿足設計要求，對周邊環境的影響可得到有效控制。值得指出，南昌綠地中央廣場工程中使用TRD 工法圍護技術，基坑深度達17.45 m，場地多為沖積層，底部為巖層，其中TRD 墻體實現入巖深度達0.5 m，基坑安全性及止水性能良好，再次驗證TRD 工法圍護技術的地層適應性。此外，TRD 工法安全穩定，連續成墻，接縫極少且內插型鋼回收率達100%，貼合綠色環保施工要求［6］。然而廣州地區地層相對復雜，尤其是軟土地層，更是具有含水率高、有機質含量高、壓縮性高、承載力低、透水性地、變形穩定時間長的“三高兩低一長”的顯著的地域特征，工程性能極差。因此，TRD 工法在廣州地區復雜地層深基坑工程中應用的適用性和優越性需要作進一步的探討。本文以廣州地鐵某停車場基坑工程項目為依托，詳細介紹了TRD 工法的設計方法及工程實踐效果分析，為TRD 工法在粵港澳大灣區的推廣和應用打下堅實的基礎。

1 工程概況

1.1 基坑概況

廣州地鐵某停車場基坑工程位于廣州市番禺區番禺大道南東側，夾于市橋水道與順德水道之間，場地地下水豐富。停車場U 型槽基坑長約260 m，寬約30 m。場地現狀地面標高約為4.6～7.9 m，整平標高為+5.5 m?；由疃葹?～11.3 m?；幽蟼染嚯x番禺大道南路僅4.95 m。

1.2 水文地質概況

停車場U 型槽基坑工程地質條件相對復雜，地層分布及特征如下：

素填土：稍壓實～壓實，未完成自重固結，分層厚度0.30～2.50 m；

淤泥：流塑，主要成分為黏粒、粉粒及有機質，分層厚度0.60～5.10 m；

淤泥質粉細砂：飽和，松散，級配不良，局部夾薄層淤泥，分層厚度1.00～5.10 m；

粉質黏土層（沖積-洪積）：軟可塑～硬可塑，局部含砂粒，分層厚度0.50～8.05 m；

將測得的MIC值與CLSI動物源細菌抗菌藥物敏感性試驗執行標準(2013年第4版)肉湯稀釋法規定的標準菌株(ATCC?25922)MIC值允許范圍(表1)進行比較，判定受試菌對抗菌藥的敏感性。

粉質黏土層（殘積）：硬塑～堅硬，成分以粉粘粒組成，土質不均，分層厚度0.90～7.40 m；

泥質粉砂巖全風化層：巖芯呈現堅硬的土狀，遇水容易軟化崩解，分層厚度0.70～7.20 m；

泥質粉砂巖強風化層：巖芯呈半巖半土狀，碎塊夾土狀，巖質極軟，分層厚度1.20～7.50 m。

本項目的工程地質條件較為復雜，存在較厚的軟弱土層，其最厚深度達10 m，滲透性較大的粉砂層厚度達5 m，因此，長度復雜的水文地質條件對基坑支護結構的剛度和止水效果有嚴格的要求。

2 總體設計方案

2.1 支護結構設計

基坑工程采用內插H 型鋼TRD 工法支護形式，綜合現場周邊環境、地質條件和基坑深度，基坑支護分為4 個區段，如圖1 所示。其中，A 段：基坑深度6.2～11.3 m，采用850 mm 厚TRD 工法墻內插HN700×300×13×24型鋼，型鋼水平間距1.0 m，冠梁采用C30混凝土，截面尺寸為0.8 m×1.2 m，腰梁采用鋼腰梁，設置兩道支撐，第一道為混凝土支撐，截面尺寸為0.8m×0.8 m，水平間距9.0 m；第二道為鋼管支撐，截面為直徑?609 mm和壁厚t=16 mm，水平間距3.0 m。TRD工法基坑支護結構的典型剖面圖如圖2所示。B段：基坑深度4.5～6.2 m，采用850 mm 厚TRD 工法墻內插HN700×300×13×24型鋼，型鋼水平間距1.0 m，冠梁采用C30混凝土，截面尺寸為0.8 m×0.8 m，水平間距9.0 m。C 段：基坑深度1.5～4.5 m，采用850 mm 厚TRD 工法墻內插HN700×300×13×24 型鋼，型鋼水平間距1.0 m，頂部設置0.8 m×1.2 m 的C30 混凝土冠梁，懸臂支護。D 段：基坑深度0～1.5 m，采用1∶2.0放坡支護，坡面采用噴射混凝土防護?；觽缺诎踩燃墳锳段一級，其余二級。

圖1 基坑支護結構平面布置示意圖Fig.1 Plan of Foundation Pit Support Structure

圖2 基坑支護結構剖面（A段）Fig.2 The Section Profile of Foundation Pit Support Structure（Segment A） （mm）

2.2 不同摻量水泥固化土的滲透和無側限抗壓強度試驗

TRD 工法中，等厚水泥土攪拌墻的材料強度和滲透系數對支護結構體系的穩定性和滲透性產生重要影響。同時，場地存在較厚的淤泥質粉細砂層，為此，需要對不同水泥摻量固化土的無側限抗壓強度和滲透性展開分析。

2.2.1 試驗材料

現場各土層的基本物理力學指標如表1所示。試驗所采用的固化劑為普通硅酸鹽水泥，其基本化學成分如表2所示。

表1 土樣的基本物理指標Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of the Soil and Rock Material

表2 水泥的化學成分Tab.2 Elemental Composition of Cement

2.2.2 試驗方法現場取回的土樣經烘干、碾碎、過2 mm篩后置于塑料桶密封備用。無側限抗壓強度試驗試樣直徑39 mm、高度80 mm，滲透試驗試樣直徑61.8 mm，高度40 mm。制備方法為：按一定配比稱取適量干土和水泥，置于配樣桶中，充分混合，對于淤泥質粉細砂，設定水泥摻量為15%、25%、30%和35%，對于粉質黏土，設定水泥摻量為15%、20%、25%、30%和35%，水灰比均為1∶1。根據土體的天然含水量及1∶1的水灰比所需水量取適量水摻入，攪拌均勻。將洗凈的三瓣模組裝好，內壁涂一層薄機油，置于涂有機油的玻璃片上，將土體分3～5 層加入模中搗實、整平、覆蓋玻璃片，放入塑料袋密封，置于底部有少量水的密封箱中，養護至齡期后進行試驗，齡期分別為7 d、14 d和28 d。其中，無側限抗壓強度制備62組試樣，每組3個平行試樣，共186個試樣；變水頭滲透試驗進行6組測試。

2.2.3 試驗結果

⑴不同配比條件下水泥固化土的無側限抗壓強度試驗結果如圖3所示。

圖3 不同配比條件下水泥固化土的無側限抗壓強度試驗結果Fig.3 Unconfined Compressive Strength of Solidified Soil with Different Cement Content

⑵不同配比條件下水泥固化土的滲透試驗結果如圖4所示。

圖4 TRD等厚度水泥土攪拌地下連續墻取芯檢測結果Fig.4 Unconfined Compressive Strength of the TRD Cement-soil Mixing Wall

2.2.4 試驗結果分析

由圖3?可知，對于淤泥質粉細砂，其固化土土樣的無側限抗壓強度隨水泥摻量和齡期的增加而增加，當水泥摻量大于30%時，水泥固化土的28 d抗壓強度可滿足設計要求；由圖3?可知，對于粉質黏土，其固化土土樣的無側限抗壓強度隨水泥摻量和齡期的增加而增加，當水泥摻量大于15%時，水泥固化土的28 d抗壓強度可滿足設計要求；由圖3?可知，對于淤泥，其固化土土樣的無側限抗壓強度隨水泥摻量和齡期的增加而增加，當水泥摻量大于30%時，水泥固化土的145 d 抗壓強度可滿足設計要求，但對于28 d 齡期，當水泥摻量達到35%時，其無側限抗壓強度為1.62 MPa，仍然小于設計要求的1.8 MPa；這樣高水泥摻量低抗壓強度的現象可能是由于淤泥中含有一定的有機質引起，考慮到TRD墻體的現場抽芯抗壓強度測試均大于2.4 MPa，與試驗測定的1.62 MPa 有較大差異（水泥土墻體的抽芯抗壓強度測試結果見圖4），故此，經分析勘察報告，按照報告揭示的淤泥與淤泥質粉細砂的層厚比例，制備了淤泥+淤泥質粉細砂的固化土試樣，并測定了其無側限抗壓強度，結果如圖3?所示；由圖3?可知，對于淤泥+淤泥質粉細砂，當水泥摻量大于30%時，水泥固化土的28 d抗壓強度可滿足設計要求；由圖3可知，水泥固化土的無側限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增加，但當水泥摻量超過30%后，水泥摻量的增加對水泥固化土強度提高的貢獻不再明顯。

由圖5可知，當水泥摻量大于15%時，水泥固化淤泥質粉細砂7 d 齡期的滲透系數滿足設計要求，其中設計要求為水泥土攪拌墻的滲透系數小于1.0×10-7cm/s。

圖5 水泥摻量與滲透系數關系Fig.5 Relationship between Cement Content and Permeability Coefficient of the Solidified Soil

因此，工程實際中水泥摻量為30%可滿足水泥土TRD墻體的強度和滲透性設計要求。

2.3 TRD工法等厚度水泥土地下連續墻的設計

本項目TRD 墻體的設計厚度為850 mm，采用P.O.42.5 級普通硅酸鹽水泥，其中，水泥摻量為30%，水灰比為1.0，TRD 主機鋸鏈式切削刀具掘進時的挖掘液采用鈉基膨潤土拌制，膨潤土摻量為10%。設計要求TRD 墻體的28 d 無側限抗壓強度標準值不小于1.8 MPa。TRD墻體采用TRD-E型的TRD主機進行成墻施工，采先行挖掘、回撤挖掘、成墻攪拌的施工工藝。設計要求TRD 墻體的垂直度不大于1/250，墻位偏差不大于15 mm，墻深偏差不得大于50 mm，成墻厚度偏差不得大于20 mm。TRD 等厚度水泥土地下連續墻的墻身強度采用28 d齡期后鉆抽取芯來判定。

3 TRD工法工程實施效果分析

3.1 TRD 工法等厚度水泥土地下連續墻現場實施

TRD 工法等厚度水泥土地下連續墻現場施工過程安全、順利、施工效率較高，成墻效率達到8～12 m/d，水平掘進速率為0.4～1.0 m/h，挖掘和回撤速率為5～8 m/h，攪拌成墻速率為2.0～2.5 m/h，養護28 d 后對TRD 等厚度水泥土攪拌地下連續墻進行抽芯檢測，抽芯孔位如圖1 所示。TRD 等厚度水泥土地下連續墻抽芯檢測結果如圖4 所示。TRD 工法構筑的水泥土地下連續墻體質地均勻、芯樣強度較高、防滲性能良好。鉆孔抽芯試樣的平均無側限抗壓強度標準值均大于2.4 MPa，可以滿足設計要求（1.8 MPa）。在開挖過程中，基坑內側坑壁干燥，無滲漏水現象，說明TRD工法構筑的等厚度水泥土攪拌地下連續墻的止水可靠性，現場實拍如圖6所示。

圖6 基坑圍護體側壁現場Fig.6 Site of the Side Wall of the Foundation Pit

3.2 監測結果

基坑各段TRD 工法等厚度水泥土攪拌地下連續墻內插H 型鋼支護結構的墻體水平位移和周邊環境沉降監測結果分別如圖7、圖8 所示?；訉嵤┻^程中，整個基坑TRD 墻體的最大水平位移出現在C 段的墻體頂部，最大位移量為17.5 mm，該段支護體系為懸臂的TRD 墻體內插型鋼；對于帶內支撐體系的區段，最大水平位移出現在坑底附近，為10.0 mm；整個基坑周邊最大沉降量為36.8 mm?；又ёo結構水平位移和周邊地面沉降均在《建筑基坑支護技術規程：JGJ 120—2012》［11］規定的限值之內。采用內插型鋼的TRD 工法作為基坑支護結構對控制基坑和周邊環境的變形有很好的效果。

圖7 基坑各段TRD墻體的水平位移監測結果Fig.7 Horizontal Displacement Monitoring Results of Each Section of the Foundation Pit

圖8 基坑各段地表沉降監測結果Fig.8 Monitoring Results of Surface Settlement in Each Section of Foundation Pit

由基坑工程的現場實施情況和監測結果可以看出，內插H 型鋼TRD 工法的擋土止水效果良好。因此，采用內插H 型鋼TRD 工法作為基坑支護結構對地下水位控制和周邊環境保護是有效的。

4 結論

本工程是廣州地區首個采用內插H 型鋼TRD 工法作為支護結構和止水帷幕的基坑工程，工程場地地層復雜，地質條件較差，地下水豐富，對基坑的擋土結構和止水帷幕的可靠性提出了較高的要求，基坑工程采用內插H 型鋼TRD 工法作為支護結構，確保了基坑工程的順利實施，得到的主要的結論如下：

⑴TRD 工法構筑的等厚度水泥土攪拌地下連續墻墻體均勻性和連續性好，水泥土膠結良好，芯樣平均無側限抗壓強度均不小于2.4 MPa，基坑內壁無滲漏情況，止水效果良好。

⑵對于淤泥質粉細砂，其固化土的無側限抗壓強度隨水泥摻量和齡期的增加而增加，當水泥摻量大于30%時，水泥固化土的28 d抗壓強度和滲透性可滿足設計要求。

⑶基坑的實施過程和監測結果表明，基坑支護結構的深層水平位移和周邊地面沉降均處于合理可控范圍，采用內插H 型鋼TRD 等厚度水泥土攪拌地下連續墻作為擋土止水結構對基坑位移和周邊地面沉降的控制是安全可靠的，可為同類工程項目提供借鑒與參考。