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根据庙头站基坑的水文地质条件和周边环境保护要求等, 本工程的围护结构不仅要有良好的止水性能, 还要有一定的强度以防止在基坑开挖时由于围护结构两侧土压力不平衡造成应力集中, 影响围护结构的稳定性。青岛地区目前采用落地式隔水帷幕。隔水帷幕可以考虑高压旋喷桩使原地层与水泥浆液形成水泥土加固体, 互相搭接后形成排桩, 从而用来挡土和止水;也可采用TRD工法构筑连续均质的水泥土搅拌墙。

3.1 高压旋喷桩隔水帷幕

由于地铁车站一般距居民住宅区和商业中心较近, 传统深层搅拌水泥土桩施工会对周围产生振动影响和噪声、扬尘等公害, 且对施工场地要求较高, 目前青岛地区地铁车站深基坑落地式隔水帷幕主要采用高压旋喷桩直接施工至基岩。高压旋喷桩落地式隔水帷幕存在以下问题。

1) 庙头站基坑场地范围内强透水层主要为砂层, 高压旋喷桩在土层中的加固效果好, 但在砂层和砂砾层中成桩困难, 因上述地层自身缺乏黏聚性, 高压旋喷过程中, 难以控制水泥浆喷出范围和密实度。特别当地下水丰富且存在径流时, 成桩较为困难。

2) 车站地下水为潜水和承压水。高压旋喷桩施工后, 强透水层区域内的承压水在压力作用下会对尚未凝固的水泥浆产生冲刷离析作用, 使水泥颗粒随地下水渗流入周边地层中, 降低了旋喷桩的成桩质量。

3) 旋喷桩施工时要求每钻进5m就要用水平尺测量机身水平和立轴垂直1次, 且要求测量放线和确定孔位精确, 操作繁琐复杂, 质量较难控制, 容易因桩位定位不准或垂直度偏差造成咬合不准, 从而使桩间水泥掺量不满足设计要求存在透水区域。

大量的高压旋喷桩工程实践证明, 基坑开挖时旋喷桩咬合处或原地层砂层处仍存在渗透水, 基坑开挖后需在渗透水位置进行二次注浆加固。

3.2 TRD工法

TRD工法作为一种新型围护结构, 目前在我国多个地区深基坑隔水帷幕中得到成功应用, 该工法具有稳定性高、成墙质量好、施工精度高、地层适应性强和成墙品质均一等优点。对于富水砂层, TRD工法水泥土搅拌墙作为隔水帷幕相比于高压旋喷桩具有以下优点。

1) 加固后的水泥土搅拌墙渗透系数与土质无关, 在切削深度方向离散性小, 几乎在同一数量级。

2) 搅拌墙渗透系数与切削方向无关, 且受水泥掺量影响较小。

3) 大量工程实践证明, TRD工法加固后的水泥土搅拌墙渗透系数一般可达10-7cm/s, 满足隔水帷幕的设计要求, 无需进行二次加固。

经过方案比选, 青岛地铁庙头站基坑采用TRD工法水泥土搅拌墙施工至基岩作为落地式隔水帷幕, 并用钻孔灌注桩作为挡土结构 (见图2) 。

图2 基坑围护结构平面

庙头站隔水帷幕为青岛地区首次采用TRD水泥土搅拌墙的基坑防渗工程, 且是TRD工法首次应用于地铁车站, 该工法的工艺参数选取是否适合本工程土层, 直接影响最终成墙质量能否满足隔水帷幕要求。

4.1 TRD工艺参数

水灰比和水泥掺量为TRD工法最关键的工艺参数, 目前国内成功的TRD工法搅拌墙作为基坑隔水帷幕的工程实例, 采用的工艺参数由计算和经验得到, 由于计算时所选取的工艺参数和土层物理力学参数为参考值, 且同一基坑隔水帷幕工程采用相同工艺参数, 导致实际施工时可能存在以下问题。

1) 黏土层渗透系数一般较低, 所以搅拌墙治理重点为富水砂层。不同地区的砂层由于地质构造作用黏性土含量不同, 砂层饱和含水率也不相同, 黏土的胶结作用和地下水的离析冲刷作用均会影响TRD搅拌墙的最终成墙质量。

2) 理论而言, 水灰比越小, 水泥掺入比越高, 地下连续墙止水性越好、强度越高, 但过小的水灰比会导致固化液体系水少, 搅拌过程中液相携带颗粒能力不足, 不利于成墙过程中各土层充分混合, 出现固化液搅拌不均匀的情况, 并且可能影响施工中泥浆泵的输送能力, 影响连续墙强度分布的均匀性。

3) 水泥作为固化液的主剂, 在成墙过程中主要起胶结防渗的作用, 过量的水泥会出现水泥强度组分过剩的问题, 造成材料浪费;且水泥作为一种刚性材料, 泊松比较小, 基坑开挖之后会引起搅拌墙两侧土应力不平衡, 影响基坑安全。

庙头站钻探表明砂层深度和厚度随地层起伏较大, 为达到较好的治理效果, 同时节省工程成本, TRD工法工艺参数还需通过试验进一步确认。

4.2 强度试验

本文采取室内正交试验确定庙头站不同土层参数下搅拌墙最优工艺参数。

4.2.1 原位砂层级配

为获得TRD工法在庙头站砂层中的最优工艺参数, 通过钻孔取样检测庙头站基坑原位砂层颗粒级配与饱和含水率。庙头站砂层试样实测含水率为20.2%, 黏性土含量为14.91%, 控制粒径d60=1.75mm, 有效粒径d10=0.043mm, d30=0.45mm, 不均匀系数Cu=40.7, 曲率系数Cc=2.69, 为级配良好的含细粒土砂, 砂层试样各粒组质量分数如图3所示。

图3 砂层级配曲线

4.2.2 正交试验

按照实际施工中对搅拌墙成墙质量产生影响的因素, 将其设计为四因素五水平正交试验。4个因素分别为砂层含水率、砂层黏土含量、水灰比以及水泥掺量;其中水灰比和水泥掺量的水平选取依据相应规程及实际施工条件, 水灰比为1.0~1.8, 水泥掺量≥16%, 具体参数如表2所示。

为与实际施工情况保持一致, 试块制作时采取以下措施。

1) 在材料搅拌混合时, 分别按照设计砂层参数充分搅拌原状砂、黏土和水, 再加入按照设计配合比混合搅拌的固化液。

2) TRD搅拌墙成墙时将固化液与原位地层混合搅拌后静置养护, 试块成型时将配置材料填入模具时, 仅刮平试块表面以减少强度测试时试块表面不平整对测试结果的影响, 而不采用分层压实。

表2 正交试验方案及强度结果

试块制作完成后放入提前制作好的砂箱中养护, 砂箱中提前分层放入原状地层砂土, 并加水至饱和, 然后将试块放入砂箱中确保试块完全处于饱和含水率砂土中, 使试块始终处于和原状地层相同的环境中养护。

4.2.3 试验结果分析

本次试验采用28d无侧限抗压强度表征水泥土试块的力学性能, 试验结果表明:不同地层采用不同的工艺参数对搅拌墙成墙质量影响较大, 试块强度最小只有0.44MPa, 无法满足搅拌墙28d强度≥0.8MPa的设计要求;最大可达10.05MPa, 强度过剩, 会造成材料成本的极大浪费。

正交试验强度检测结果分析如表3所示, 通过分析可以得到:试验选取的4个因素对搅拌墙成墙质量的影响大小依次为砂层含水率>水泥掺量>水灰比>砂层黏土含量, 因此在确定TRD工法关键工艺参数时应确定原状砂层含水率。

4.3 庙头站TRD搅拌墙工艺参数确定

通过正交试验结果分析得出影响搅拌墙墙身强度的最主要因素为原位砂层饱和含水率, 适合庙头站砂层的TRD工法最优工艺参数还需进一步补充试验得出。

表3 正交试验结果分析

注:表中K_i为任一列水平号为i时所对应的试验结果之和, k_i为任一列因素取水平i时所得试验结果的算术平均值, R为极差

庙头站砂层所对应的黏性土含量与含水率是确定值, 在进行TRD工法工艺设计时需要调整的参数只有水灰比和水泥掺量2个参数。为了得到使水泥土搅拌墙达到最优力学性能的水灰比及水泥掺量, 进行水灰比及水泥掺量对水泥土搅拌墙性能影响的全面试验。试验所用砂层为原状砂, 试块制作和养护条件与正交试验相同。试块养护28d后强度测试结果如图4所示。分析试验结果可得如下结论。

1) 水灰比一定时, 随着水泥掺量的增加, 强度增长;水泥掺量增加到24%后, 强度增加幅度减小, 并且水泥掺量分别为24%, 28%, 32%时强度区别不大。为避免水泥土强度组分过剩, 节省材料用量, 庙头站TRD搅拌墙水泥掺量确定为24%。

2) 水泥掺量一定时, 随着水灰比的增加, 强度减小;水灰比分别为1.4和1.6时, 强度区别明显, 水灰比分别为1.2和1.4时, 强度区别不大。考虑到施工时泥浆管线的泵送能力, 同时确保搅拌墙强度≥0.8MPa的设计要求, 庙头站TRD搅拌墙水灰比确定为1.4。

通过补充试验确定庙头站TRD工法关键工艺参数:水泥掺量为24%, 水灰比1.4, 试验墙身强度可达1.2MPa, 满足隔水帷幕强度的设计要求。

为检验TRD工法新型工艺的可行性以及工艺参数能否满足隔水帷幕强度的设计要求, 还需要试成墙检验。

图4 强度变化趋势

1) 试成墙方案 本次原位试成墙长6.0m, 搅拌墙成墙厚度为850mm (见图5) , 墙底进入基岩层≥0.5m。成墙采用先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌三工序施工工艺, TRD主机机型采用LSJ60型连续墙设备进行施工。链式切割箱沿设计墙深, 垂直逐节打入切割箱, 同时在切割箱底注入挖掘液先将地层挖掘松动后切削至设计深度, 沿设计成墙位置水平挖掘推进。

图5 试成墙及钻孔取芯位置

成墙搅拌时由切割箱底注入固化液, 然后与原位土体充分混合搅拌, 形成连续均质的水泥土搅拌连续墙。

2) 强度检测 成墙养护28d后通过地质钻机钻取墙深范围内的芯样, 并对钻孔位置芯样进行无侧限抗压强度检测, 钻孔深度20m。

强度检测结果如表4所示, 结果表明TRD水泥土搅拌墙在深度和长度方向强度连续性好, 水泥搅拌均匀、胶结程度好, 能够满足隔水帷幕强度设计要求。

3) 工程实践 根据搅拌墙成墙实际施工及检测结果, TRD工法搅拌墙成墙质量高、完整性好, 平均强度和渗透系数满足隔水帷幕的要求。基坑开挖阶段从暴露面观察, 钻孔灌注桩、桩间土体及基坑侧壁喷射混凝土面无渗漏水现象, 水泥土搅拌墙墙身隔水效果良好。

表4 钻孔取芯强度检测结果

在青岛地区深大基坑隔水帷幕工程中, TRD水泥土搅拌墙较旋喷桩止水性及连续性优势明显, 且可先行施工, 缩短施工工期, 可作为青岛地区落地式隔水帷幕的首选。

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