TRD工法与SMW工法技术经济对比分析
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前 言
随着城市内轨道交通、越江隧道、超高层建筑等建设项目不断快速发展,城市发展的空间逐步转向地下空间,并且基坑的施工向着“大、深”的目标发展。由于这些工程项目往往在城市内实施,导致深基坑的施工环境越来越复杂且多变。在以往的深基坑围护施工过程中主要采用SMW工法桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、MJS工法、RJP工法、高压旋喷桩等等工艺,而如今TRD工法的逐步推广和运用又给各种软土地质、超深基坑、周边管线复杂且施工场地狭小的工程带来了更多的围护方式的选择、更好的质量保证措施以及可能更加经济的成本控制。由于从施工原理各方面TRD工法与SMW工法最为接近,故接下来我们就对两者之间的技术经济方面进行简单的对比和比较。
TRD工法与SMW工法技术原理简述
SMW工法连续墙,是Soil Mixing Wall 的缩写, SMW工法是利用专门的多轴搅拌就地钻进切削土体,同时在钻头端部将水泥浆液注入土体,经充分搅拌混合后,在各施工平面之间采取重叠搭接施工,在水泥土混合体未硬之前插入受拉材料(常为H型钢),作为应力加强材料,直至水泥结硬、形成劲性复合围护墙体体,该墙体可作为地下开挖基坑的档土和止水结构。最常用的是三轴型钻掘搅拌机。其主要特点是构造简单,高止水性,工期短,造价低,对周围环境影响小,特别适合城市中的 深基坑工程。
TRD工法(Trench-Cutting& Re-mixing Deep Wall Method)是能在各类土层和砂砾石层中连续成墙的成套设备和施工方法。其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混台原土并灌入水泥浆,形成一定厚度的墙体,以取代目前常用的高压喷射灌浆,单轴和多轴水泥土搅拌桩组成的柱列式地下连续墙。其主要特点是成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好,主要应用在各类建筑工程、地下工程、护岸工程、大坝、堤防的基础加固、防渗处理等方面。
开挖沟槽
利用挖机开挖施工沟槽,沟槽宽度约为1000mm,深度约为1000mm。
吊放预埋箱
用挖掘机开挖深度约3m、长度约2m、宽度约1m的预埋穴,下放预埋箱,然后将切割箱逐段吊放入预埋箱内,待切割箱全部安装完成后,回填预埋穴,回填应密实。
桩机就位
在施工场地一侧架设全站仪,调整桩机的位置。由当班班长统一指挥桩机就位,移动前看清上、下、左、右各方面的情况,发现有障碍物应及时清除,移动结束后检查定位情况并及时纠正,桩机应平稳、平整。
切割箱与主机连接
用指定的履带式吊车将切割箱逐段吊放入预埋穴,利用支撑台固定;TRD主机移动至预埋穴位置连接切割箱,主机再返回预定施工位置进行切割箱自行打入挖掘工序。
安装测斜仪
切割箱自行打入到设计深度后,安装测斜仪。通过安装在切割箱内部的多段式测斜仪,可进行墙体的垂直精度管理,确保1/250的精度。
TRD工法成墙
测斜仪安装完毕后,主机与切割箱连接。在切割箱底部注入挖掘液或固化液,使其与原位土体强制混合搅拌,形成等厚水泥土地下连续墙。
置换土处理
将TRD工法施工过程中产生的废弃泥浆统一堆放,集中处理。
拔出切割箱
在当前施工区段施工结束时,将切割箱拔出,再重新组装切割箱进行后续作业。切割箱的拔出应选择远离架空线的位置进行。
TRD工法与SMW工法工艺对比
首先TRD工法成槽机械与SMW工法机械高度不同,由于市区内实施围护工程时经常碰到设备机械受客观条件限制(比如高架桥梁下、架空线下等情况)净空高度不足等情况发生,同时TRD工法对于施工场地要求灵活,传统的SMW工法或者地下连续墙施工,往往是地下深度越深,地上的设备就得越高,因而既不灵活也不安全,TRD工法的组合式刀箱,从根本上解决了这个难题,连续墙的深度只和组合的刀箱节数有关;另外,由于刀箱位于主机的侧面,施工时主机沿成墙方向侧向移动,所以对工作面的要求降到了最低。
其次由于市区内实施围护过程中,地质情况以及地下障碍物等不明情况较多,采用TRD工法可以利用机械自带的链锯进行普通障碍物的切削,而传统SMW工法则无法处理地质特殊的情况,故TRD工法可以胜任各类土层和砂砾石层地质情况
此外与常规搅拌桩比较,SMW工法要特别注重桩的间距和垂直度。施工垂直度应小于1%,以保证型钢插打起拔顺利,保证墙体的防渗性能。而TRD工法施工精度不受深度影响。通过施工管理系统,实时监测切削箱体各深度X、Y方向数据,实时操纵调节,确保成墙精度。
另外两者工法止水效果分析,TRD工法与SMW工法比较,连续性刀锯向垂直方向一次性的挖掘, 混合搅拌及横向推进, 在复杂地层也可以保证均一质量的地下连续墙,确保墙体高连续性和高止水性。成墙连续、等厚度,是真正意义上的“墙”而绝不是“篱笆”。可在任意间隔插入H型钢等芯材,可节省施工材料,提高施工效率。
TRD工法与SMW造价指标对比
1)传统SMW工法成槽过程中隔一插一造价指标为800元/m3,但是常规深度最深为30米左右且还需在外侧增加高压旋喷桩止水帷幕(止水帷幕造价指标为800元/m3),而如采用地下连续墙满足深度要求,则30米左右深度地下连续墙造价指标约为2500元/m3,而TRD工法考虑H型钢插二挑一造价指标约为1500元/m3,不难看出如采用深度不深的围护施工时,TRD工法与传统的SMW工法(加上止水帷幕费用)造价指标相差不大,但是与地下连续墙工艺造价比较的话要节约不少费用;
结合两种工法使用的各种情况下,得出如下经济指标分析图例
2)此外在常规SMW工法实施过程采用三轴搅拌桩居多,由于搅拌桩机械成槽工艺的特殊性在水泥浆液加固过程中为三根一组,每组之间存在一定程度的搭接。而TRD工法采用切割箱钻至预定深度后即开始注入固化液向前推进挖掘搅拌成墙,两者相比较则TRD工法对于水泥浆液的使用上比SMW工法更加经济合理。如下图所示具体水泥加固工程量差异:
SMW工法三轴搅拌桩搭接示意图
以三轴850搅拌桩为例,搭接250mm,两根之间的搭接面积为S=0.1037㎡
S=F×2
F=1/2×(R×0.017453×α×R—C×(R-h)),
其中R(半径)=0.425m,h(搭接)=0.125m
从上述公式中计算得出一组850搅拌桩(加固延长米为2.05m)加固土体面积为:
三根850截面积+两处搭接面积=0.567×3+0.1037×2=1.91㎡
同等情况下TRD工法桩加固土体面积为
TRD工法桩加固面积为:
A(等同于SMW工法桩延长米为2.05m)×B(850mm)=1.74㎡
通过上述两组图例不难看出同等深度下TRD搅拌桩所需要的水泥加固面积小于SMW工法桩的面积,并且随着SMW工法桩加固延长米越长则存在的组数之间以及每组内部的搭接也是越来越多。当然已成型的TRD序墙与后成型的TRD序墙需搭接50cm左右,但是该部分搭接数量比SMW搭接数量小很多。同时根据上述图例SMW工法在加固过程中布置方式上特别是转角或特殊位置还需重复布桩才能满足基坑围护要求,而TRD工法为50mm模数布置在桩位上更加经济合理。
由此可以说明在同等加固掺量前期之下,则选用TRD工法对于水泥材料的成本控制更为有利。
3)前面文章中提到TRD的工艺施工时由于采取了切割箱的工艺,可以使用于砂石土层及普通地下障碍物的工况,而如果采用SMW工法时则搅拌桩桩基无法清理原有地质中存在的石头等坚硬土层且容易造成桩机损坏等情况。以市场上清障施工较多的全回转清障机以及铣槽机举例,全回转清障机基本以日本进口设备为主,在传统SMW工法造价指标上增加清障造价指标基本为2000元/m3,而铣槽机基本上在地下连续墙造价指标上增加1500元左右/m3;
5)在工期方面,特别是普通地质、深度不深以及场地不受限制情况下采用SMW工法,由于SMW工法构造简单,成槽速度较快。在工期方面可以比TRD工法节约一定工期。但是总体工期时间差异不大,如考虑机械降效费用为机械费的20%考虑,则两者工法之间全费用造价指标还是基本差不多;
结 论
一般不超过13m,较传统设备拥有极高的安全性。
施工深度可达60m。
包括粘性土、砂土、砂砾及砾石层,在标贯值30击以上的密实砂层以及无侧限抗压强度不超过10MPa的软岩中也具有良好的适用性。
使用插入式倾斜计对挖掘成墙状况进行实时监测,墙体垂直度可达1/250。
墙厚550~850mm,按50mm模数调整。
墙体连续无冷缝,内插H型钢等芯材间距可均匀布置。
多段式切割箱沿墙体垂直方向整体混合搅拌,通过横向挖掘搅拌,形成均质的水泥土搅拌墙。
TRD工法在搅拌成墙过程中喷注水泥浆液过程中压力比SMW工法较小,特别是基坑围护紧邻保护建筑物或者管线时候,对于周边土体影响较小。
造价指标上面如在淤泥与淤泥质土、粉性土、素填土、黏性土及无流动地下水的饱和松散砂土软土地基、深度为30米以内地下基坑围护工程中,TRD工法造价指标与SMW工法造价指标接近,但是如遇上砂土或坚硬土层、地下障碍物情况存在、30米以上深度的地下基坑围护工程,则选用TRD工法技术经济指标优于SMW工法。
TRD工法
TRD工法(Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method),又称等厚度水泥土地下连续墙工法,其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混合原土并灌入水泥浆,形成一定强度和厚度的墙。
TRD工法通过水平横向运动成墙,可形成没有接口的等厚连续墙体,其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固,其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全,与传统柱列式地下连续墙相比隔渗,经济性好。
TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层,在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。
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