TRD工法在洞庭湖區(qū)堤防工程中的適用性研究

賓 斌 王導(dǎo)勇 馮志兵

(1.湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117；2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.鐵建重工南通有限公司，江蘇 南通 226007)

湖南省有湘、資、沅、澧四大水系及洞庭湖，共有堤防13000多公里,大小水庫(kù)13000多座。而目前對(duì)于堤身堤基滲漏隱患治理，主要采用高壓旋噴樁、深層攪拌樁、防滲墻等施工工法。但由于各種施工工藝自身的局限性，如樁與樁間連續(xù)性不好、墻體較薄、造價(jià)高等使得每年應(yīng)用于堤基處理的投資額仍然巨大，洪澇災(zāi)害依然較為頻繁。

TRD工法由于穩(wěn)定性好，精度高、施工能力強(qiáng)，止水性強(qiáng)而均勻，連續(xù)墻的厚度均勻；連續(xù)墻沿深度方向密實(shí)度均勻等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于交通、市政工程中[1-3]。趙峰等[4]對(duì)TRD工法的施工機(jī)械性能、組成、成墻原理、施工程序、固化灰漿組成、施工效率、工程造價(jià)等進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。邢政華等[5]通過(guò)系統(tǒng)研究水泥混合土的滲透系數(shù)，討論了土質(zhì)因素對(duì)水泥混合土工程性能的影響，得出混合土質(zhì)水泥土的防滲性能受滲透性強(qiáng)的土質(zhì)含量占比所控制的結(jié)論。察雙元等[6]經(jīng)過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，研究了TRD工法構(gòu)建等厚水泥土連續(xù)墻在青島地區(qū)富水砂土層中的適用性，得出其具有良好的均勻性和整體性，滿足圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗?jié)B性要求的結(jié)論。馮師[7]以硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目4號(hào)工作井工程為背景，介紹了超深工法TRD 70m，為后續(xù)超深基坑工程止水帷幕施工提供了較強(qiáng)的參考和借鑒意義。魏巍[8]以高架下方車站施工為依托工程，采用TRD工法作為圍護(hù)體的止水帷幕，從而克服低凈空施工的難度，而且在降水階段消除或降低基坑降水對(duì)周圍環(huán)境的影響。TRD工法作為一種成墻均勻性好且施工能力高的基礎(chǔ)處理方法已在深基坑工程中得到較為成熟的應(yīng)用，但其在水利工程中的應(yīng)用較少，有關(guān)防滲能力的研究還不足，因此，有必要開(kāi)展TRD工法在堤防工程中的適用性探究。本文以洞庭湖良心堡三標(biāo)防滲工程為依托，在1+660～1+760處100m段進(jìn)行了成墻試驗(yàn)，探究了TRD工法在洞庭湖區(qū)的施工工藝及防滲效果。

1 工程概況

錢糧湖垸蓄洪工程安全建設(shè)一期工程(君山部分)位于湖南省洞庭湖區(qū)東洞庭湖西岸，北臨墨山，南抵藕池河，西靠南山和華容縣護(hù)城大圈，華容河從中穿過(guò)，河道蜿蜒曲折，以近南東向流入東洞庭湖。據(jù)前期地勘資料，該段堤基存在透鏡體狀粉細(xì)砂層，汛期外湖達(dá)到一定水位后，堤內(nèi)存在滲漏隱患。在新建堤防選取典型區(qū)段使用LSJ60-C型TRD設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)歷時(shí)14天，共完成連續(xù)墻50m深墻長(zhǎng)23.6m，35m深墻長(zhǎng)19.1m，總計(jì)成墻面積1849m2。圖1為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)鳥瞰圖。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工鳥瞰圖

1.1 工程地質(zhì)條件

錢糧湖垸工程處于河湖相沖積平原，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，垸內(nèi)中部層山一帶高程為30～36m，其他地面高程為26～38m，垸內(nèi)河流、古河道、水渠、水塘、湖泊眾多。

通過(guò)鉆孔取芯，試驗(yàn)區(qū)堤基地層自老至新分布如下：

人工堆積(Qs)：主要為堤身土，成分為黃褐、灰黃色粉質(zhì)黏土間夾少量粉細(xì)砂及碎石等，呈可塑～硬塑狀，厚度2.0～7.0m。

1.2 水文地質(zhì)條件

據(jù)場(chǎng)地附近水質(zhì)分析結(jié)果，工程區(qū)地下水化學(xué)類型分別為碳酸硫酸鈣型水和硫酸鈣型水，pH值為7.6～7.7，河水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性。

1.3 TRD工法施工工藝流程

TRD施工工序分為切割箱自行打入挖掘工序、水泥土攪拌墻建造工序、切割箱拔出分解工序。

1.3.1 測(cè)量放線

施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和業(yè)主提供的坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，精確計(jì)算出防滲墻中心線角點(diǎn)坐標(biāo)，利用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行放樣，并進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)核，同時(shí)，做好護(hù)樁，并通知相關(guān)單位進(jìn)行放線復(fù)核。

1.3.2 開(kāi)挖溝槽

根據(jù)TRD工法設(shè)備重量，防滲墻中心線放樣后，對(duì)施工場(chǎng)地采取鋪設(shè)路基箱板等加固處理措施(如施工深度超過(guò)60m需采用槽壁加固措施)，確保施工場(chǎng)地滿足機(jī)械設(shè)備對(duì)地基承載力的要求，確保樁機(jī)的穩(wěn)定性。用挖掘機(jī)沿圍護(hù)墻中心線平行方向開(kāi)挖工作溝槽，槽寬約1.2～1.5m(根據(jù)成墻厚度適度調(diào)整)，溝槽深度大于1.0m(見(jiàn)圖2)。

圖2 開(kāi)挖溝槽

1.3.3 吊放預(yù)埋箱

用挖掘機(jī)開(kāi)挖深度約5m、長(zhǎng)度約2.5m、寬度約1.5m的預(yù)埋孔，利用吊車并將預(yù)埋箱吊放入預(yù)埋孔內(nèi)(見(jiàn)圖3)。

圖3 吊放預(yù)埋箱

1.3.4 主機(jī)就位

由當(dāng)班班長(zhǎng)統(tǒng)一指揮主機(jī)就位，移動(dòng)前看清上、下、左、右各方向的情況，發(fā)現(xiàn)有障礙物應(yīng)及時(shí)清除，移動(dòng)結(jié)束后檢查定位情況并及時(shí)糾正，主機(jī)應(yīng)平穩(wěn)、平正(見(jiàn)圖4)。

圖4 主機(jī)就位

1.3.5 切割箱與主機(jī)連接

用指定的履帶式吊車將切割箱逐段吊放入預(yù)埋孔，利用支撐臺(tái)固定；TRD主機(jī)移動(dòng)至預(yù)埋孔位置連接切割箱(見(jiàn)圖5)，然后再返回預(yù)定施工位置進(jìn)行切割箱自行打入挖掘。

圖5 連接切割箱與主機(jī)

1.3.6 安裝測(cè)斜儀

切割箱自行打入到設(shè)計(jì)深度后，安裝測(cè)斜儀。通過(guò)安裝在切割箱內(nèi)部的多段式測(cè)斜儀，可進(jìn)行墻體的垂直精度管理，通?？纱_保1/250以內(nèi)的精度。

1.3.7 TRD工法成墻

測(cè)斜儀安裝完畢后，主機(jī)與切割箱連接。進(jìn)行“三步成墻法”或者“一步成墻法”施工(見(jiàn)圖6、圖7)。其中“三步成墻法”的施工方法為：先行挖掘、回撤挖掘、成墻攪拌，即鋸鏈?zhǔn)角懈钕溷@至預(yù)定深度后，首先注入挖掘液先行挖掘、松動(dòng)土層一段距離，然后回撤挖掘至原處，再注入固化液向前推進(jìn)攪拌成墻。

圖6 “三步成墻法”施工工藝流程

圖7 “一步成墻法”施工工藝流程

1.3.8 測(cè)試漿液流動(dòng)度與切割箱拔提

通過(guò)測(cè)試混合泥漿的流動(dòng)度進(jìn)行成墻品質(zhì)的管理(見(jiàn)圖8)；將等厚度型鋼水泥土攪拌墻施工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄泥漿統(tǒng)一堆放，集中處理。一段工作面施工結(jié)束后，利用TRD主機(jī)將切割箱分段拔出(見(jiàn)圖9)。

圖8 漿液流動(dòng)度測(cè)試

圖9 拔出切割箱

1.4 TRD工法施工材料配合比

整個(gè)場(chǎng)地的試驗(yàn)分為A、B、C、D、E、F、G共7段進(jìn)行。成墻深度為穿透第④層粉細(xì)砂層后，進(jìn)入粉質(zhì)黏層中。分段長(zhǎng)度、成墻厚度及固化劑添加量見(jiàn)表1。

表1 材料配比

2 TRD工法連續(xù)成墻質(zhì)量研究

TRD工法連續(xù)墻質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)相關(guān)研究采取測(cè)試芯樣強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其效果受鉆孔取芯影響較大；另一種方法是用固化液和地層充分混合后的漿液制作試塊，留樣養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行強(qiáng)度和抗?jié)B性的測(cè)試。然而這兩種方法均無(wú)法真實(shí)反映TRD工法連續(xù)墻墻體的完整性和均勻性。本文在取芯檢測(cè)連續(xù)墻強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采取鉆孔內(nèi)變水頭壓水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)對(duì)TRD工法的成墻質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 堤基土層物理力學(xué)指標(biāo)

本次野外取原狀土樣31組，進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)23次。依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)及野外標(biāo)貫試驗(yàn)參數(shù)，類比已建同類工程經(jīng)驗(yàn)，推薦力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

2.2 鉆孔檢測(cè)分析

施工結(jié)束28天后，對(duì)墻體進(jìn)行鉆孔取芯。對(duì)芯樣進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)試和抗壓強(qiáng)度測(cè)試。施工5個(gè)檢查孔，各區(qū)均布一個(gè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，確定檢查孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)(見(jiàn)表3)。

表3 TRD試驗(yàn)項(xiàng)目檢查孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)

結(jié)果表明：“三步成墻法”與“一步成墻法”成墻后的注水試驗(yàn)結(jié)果相近，除孔偏或壓水破壞段，數(shù)據(jù)主要集中于(1～5)×10-6cm/s之間。

采用“三步成墻法”與“一步成墻法”攪拌后的土體，未添加水泥，注水試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)主要集中于(0.8～2.0)×10-5cm/s之間。相比原狀土，滲透系數(shù)有所減小。且在加入水泥后，對(duì)滲透系數(shù)的降低有明顯的效果。

由檢查孔芯樣抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4、圖10)可知，28天取芯抗壓強(qiáng)度為0.1～0.22MPa之間，防滲墻28天強(qiáng)度偏低。水泥土在深度范圍5～15m之間時(shí)，表觀密度為1.537～1.68g/cm3，上部相比下部要??；隨水泥添加量增加，水泥土的平均表觀密度降低，而防滲墻強(qiáng)度變化不明顯。這是因?yàn)樵谔岣咚鄵搅窟^(guò)程中水泥土黏聚力增加，塑限增大，槽內(nèi)漿體黏滯阻力大，為防止刀箱被溝槽抱死，需加入大量水降低漿體比重，漿體含水率高，同時(shí)產(chǎn)生大量的廢棄漿體，廢棄漿里帶走了大量水泥，以至于槽內(nèi)實(shí)際水泥摻量較少，水泥土的固化速度慢，自然沉積時(shí)間長(zhǎng)，所以下部比重相比上部要大，而防滲墻整體強(qiáng)度較低。由此可見(jiàn)，在黏粒含量較高的地層很難通過(guò)增加水泥摻量達(dá)到提高防滲墻墻體強(qiáng)度的目的。

表4 鉆孔取芯28天抗壓強(qiáng)度

圖10 檢查孔芯樣抗壓強(qiáng)度豎向分布(單位：MPa)

3 TRD工法在堤防工程中的適用性分析

3.1 設(shè)備適用性分析

本次試驗(yàn)采用LSJ60-C型TRD工法機(jī)進(jìn)行，該機(jī)有自走能力，在場(chǎng)地內(nèi)可通過(guò)自身動(dòng)力行走，場(chǎng)外需通過(guò)平板車運(yùn)輸。TRD施工機(jī)安裝刀具等需借助起重機(jī)械，且鏈條、刀片板、刀具箱等需分開(kāi)裝箱，按件運(yùn)輸。其他機(jī)械或設(shè)備，如水泥筒倉(cāng)、注漿設(shè)備等，可通過(guò)平板車運(yùn)輸。施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)場(chǎng)地要求較高，需要修筑施工臨時(shí)道路，遇暗浜、低洼地等不良地質(zhì)條件時(shí)，需采取抽水、清淤、回填素土并分層夯實(shí)的手段，確保現(xiàn)場(chǎng)道路的承載力滿足樁機(jī)和起重機(jī)械平穩(wěn)行走的要求?，F(xiàn)有TRD設(shè)備難以適應(yīng)堤壩頂部寬度6～8m的場(chǎng)地施工，需要研制一款適用于堤壩工程的輕量化TRD成套設(shè)備。

3.2 工藝適用性分析

本次TRD工法試驗(yàn)，試驗(yàn)了50m和35m不同深度，試驗(yàn)了6%～15%水泥和固化劑不同摻量，試驗(yàn)了“一步成墻法”和“三步成墻法”施工工藝，其中“三步成墻法”試驗(yàn)深度50m時(shí)，試驗(yàn)日進(jìn)尺達(dá)8延米；“一步成墻法”試驗(yàn)深度35m時(shí)，日(20h)進(jìn)尺達(dá)16.7延米，日成墻面積達(dá)580m2。在施工工效方面，達(dá)到了預(yù)期效果；在成墻均勻性方面，“一步成墻法”和“三步成墻法”均可形成完整均勻的防滲墻，但墻體強(qiáng)度和抗?jié)B性有待進(jìn)一步提高。

通過(guò)本次施工，驗(yàn)證了TRD工法施工的如下特點(diǎn)：TRD工法成墻深度大，墻身連續(xù)無(wú)接頭；原地加入切削液、固化劑，切削攪拌一次成墻，成墻施工工序較少，速度較快；成墻機(jī)械化程度高；施工過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿和廢漿量較大，需要提前制定泥漿處理措施；對(duì)于黏粒含量較高的地層，難以通過(guò)提高水泥摻量增加墻體的強(qiáng)度和抗?jié)B性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依托湖南省洞庭湖區(qū)錢糧湖垸蓄洪工程安全建設(shè)一期工程三標(biāo)防滲工程，首次在水利堤防工程中采用TRD工法進(jìn)行防滲加固處理試驗(yàn)，研究其在水利工程中防滲處理的可行性、適用性，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后得出以下結(jié)論：

TRD工法可用于堤防工程防滲處理，成墻連續(xù)完整、均勻，深度可施工50m以上，厚度可達(dá)550mm，是一種經(jīng)濟(jì)有效的防滲施工工藝。

水泥土連續(xù)墻芯樣28天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度偏低，而留樣測(cè)試的強(qiáng)度與墻體強(qiáng)度有較大差異，但試樣的整體強(qiáng)度都不高。對(duì)于黏粒含量較高的地層，難以通過(guò)增加水泥摻量提高墻體強(qiáng)度，如何有效減少?gòu)U棄漿量，提高水泥土連續(xù)墻的強(qiáng)度是后續(xù)需要重點(diǎn)解決的難題。

鉆孔取芯、注水試驗(yàn)等檢測(cè)方法能綜合考慮防滲墻的強(qiáng)度、滲透系數(shù)、完整性、均勻性等指標(biāo)，能較為全面地評(píng)價(jià)等厚地下連續(xù)墻的成墻質(zhì)量，可推廣應(yīng)用。