TRD 工法施工對連續(xù)墻周邊土體的影響研究

趙 乾

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，哈爾濱 150000）

TRD 工法也稱為等厚度水泥土墻施工法[1-2]，該方法的原理是：在垂直的位置安裝鏈鋸式刀具，隨著刀具的移動，會在垂直的位置上旋轉(zhuǎn)，并在旋轉(zhuǎn)的過程中，不斷地把土體和水泥漿混合在一起，最終構(gòu)建出滿足要求的墻壁。近年來，TRD 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種場合，如在特殊的地質(zhì)情況或復(fù)雜的外部環(huán)境中，能為地鐵車站的深基坑提供防洪措施等。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，它的結(jié)構(gòu)較為簡單，并能夠提供良好的抗震能力。在TRD 工法墻的建造過程中，由于切割機的運行和混凝土的流動，加上固化劑的添加和結(jié)硬所花費的時間，都可能引起土體的變形，從而給周圍環(huán)境帶來不利的影響[3-5]，為了減少這種不利的后果，應(yīng)該加強對TRD 工法墻建設(shè)過程中影響機理的探索和分析。

經(jīng)由吳國明、朱莉莉、謝兆良和王衛(wèi)東等的研究[6-9]，對TRD 工法墻的施工周邊環(huán)境的影響進行了詳細地觀察，并對其產(chǎn)生的變形進行了深入地研究，從而揭示出其中的規(guī)律性；此外，他們還運用有限元技術(shù)[9]，對TRD工法施工期間的土體側(cè)向位移和地表沉降進行了仿真，其結(jié)論也基本一致。本文通過有限元模擬，研究了TRD工法墻建設(shè)工地的地面和地下空間的變化情況。通過有限元模擬和監(jiān)測，探究該施工方法對周圍土體的影響。

1 工程概況

杭州富陽區(qū)桂花西路站—秦望廣場站連接通道預(yù)埋工程，出桂花西路站后沿金橋南路向南敷設(shè)，在秦望路與金橋南路交口折向東沿秦望路敷設(shè)至秦望廣場站，隧道側(cè)穿既有綜合管廊、城市花園小區(qū)住宅及山水美廬小區(qū)住宅。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，桂花西路站端區(qū)間頂覆土厚度為12.45 m，秦望廣場站端區(qū)間頂覆土厚度為29.9 m。區(qū)間在秦望路與文教路交叉口左下方地塊左右線各設(shè)置1 口盾構(gòu)檢查井，檢查井施工保護措施為，在檢查井外側(cè)打設(shè)一圈800 mm TRD 加固止水。內(nèi)側(cè)采用Φ800@500 mm 三重管高壓旋噴樁加固土體，加固深度至隧底以下3 m。區(qū)間隧道下穿既有市政通道，盾構(gòu)穿越市政通道800 mm 地下連續(xù)墻。

2 施工方法

2.1 導(dǎo)向鋼板布置

由于施工場地需要硬化道路，在場地硬化前先將止水帷幕的平面位置按照施工圖紙上的坐標(biāo)用全站儀放樣出來并做好點位的保護，然后按照平面位置開挖溝槽。溝槽的寬度要比止水帷幕的寬度要寬，溝槽寬度和深度均為1 m。溝槽開挖完成后進行吊放預(yù)埋箱的位置開挖，吊放預(yù)埋箱開挖尺寸為深度3 m，長度2 m，寬度1 m。

2.2 機械設(shè)備安裝

TRD 樁法機及配套設(shè)備進場后進行組裝，組裝前通知監(jiān)理進行現(xiàn)場監(jiān)督，TRD 樁法機由專業(yè)人員進行組裝，組裝完成后出具合格證書。組裝完成后的樁機包含豎向?qū)蚣堋M向門型框架、背部斜撐、操作室、鏈狀刀具和刀具立柱。樁機組裝完成后進行樁機的調(diào)試和后臺設(shè)備的安裝及調(diào)試。

2.3 漿液制作

漿液拌制采用全自動拌漿設(shè)備，可根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況進行配合比的調(diào)整，以最佳的漿液質(zhì)量進行施工。為預(yù)防水泥漿液產(chǎn)生離析現(xiàn)象，在拌制水泥漿時嚴(yán)格按照水灰比進行拌制，水泥漿液拌制使用檢驗合格的水泥及干凈的水，水泥漿拌制時不得出現(xiàn)停頓拌漿要連續(xù)。壓漿階段輸漿管道不能堵塞，不允許發(fā)生斷漿現(xiàn)象，如由于機械故障出現(xiàn)斷漿，應(yīng)立即組織人員進行搶修，并及時對漿液加強攪拌，防止?jié){液離析，影響工程質(zhì)量。漿液出現(xiàn)離析，必須立即分析原因并采取加強攪拌、加入添加劑等相應(yīng)措施，如離析嚴(yán)重，經(jīng)過處理后漿液仍然達不到相關(guān)要求時，該罐漿液必須廢棄。

2.4 樁機挖掘

在硬化完成的路面上放樣出止水帷幕的結(jié)構(gòu)邊線并做好標(biāo)記及保護，并在TRD 主機行駛側(cè)放置定位型鋼。用吊車將切割箱逐段吊放入預(yù)埋穴，利用支撐臺固定。TRD 主機移動至預(yù)埋穴位置連接切割箱，在進行切割箱連接時將測斜儀安裝在切割箱內(nèi)。

樁機與切割箱連接直至帶有隨動輪的鏈狀刀具節(jié)抵達止水帷幕地標(biāo)高時，進行土體先行挖掘與切割。若開始切割位置有已完成的墻體，切割時需與墻體搭接30～50 cm。樁機沿溝槽方向橫向移動，樁機移動速度控制在30～60 min/1.2 m。沒有型鋼位置最大移動長度不超過9.6 m，有型鋼位置最大移動長度不超過7.2 m。在移動過程中根據(jù)現(xiàn)場情況選擇向上或向下的切割方式，在切割過程中由刀具底部噴射切割液，漿液噴射壓力控制在1～2 MPa 內(nèi)。切割至指定位置后停止切割，然后進行后撤挖掘。

先行挖掘至指定位置時停止噴漿，然后按30～50 min/1.2 m的速度進行后撤切割攪拌，在后撤攪拌時不需要噴射切割液。后撤至先行切割位置后停止攪拌，然后進行固化液的注入。

2.5 攪拌成墻

后撤切割攪拌至先行挖掘處時停止切割攪拌，然后進行固化液的注入施工。在注入固化液前，對水泥漿液進行檢測，滿足要求后方可進行固化液注入攪拌成墻作業(yè)。固化液注入時樁機移動速度控制在34～69 min/1.2 m，噴漿時噴漿壓力控制在8～10 MPa，噴漿速率控制在2.27～4.62 min/t，水泥施工過程中一旦出現(xiàn)冷縫則在接縫處對已成墻重新切割攪拌，切割攪拌搭接的長度不少于1 m 以確保止水效果。

2.6 切割箱拔出

切割箱拔出分為墻內(nèi)拔出和墻外拔出，檢查井TRD 加固第3 段、第7 段采用外拔，其余的采用內(nèi)拔。鏈狀刀具拔出過程中，要控制固化液的填充速度和鏈狀刀具的上拔速度，保持固化液、混合泥漿液面平穩(wěn)，避免液面下降或泥漿溢出。鏈狀刀具拔出后用高壓清洗機對刀具進行清洗。

3 有限元模擬

近年來，隨著計算機科學(xué)的飛速進步，許多新的分析方法也被引入到了巖土領(lǐng)域。其中，有限元法是一個重要的分析方法，它不僅適合處理非線性、多樣化的物理現(xiàn)象，而且還適合分析多樣的邊緣結(jié)構(gòu)，因此，有限元法在巖土領(lǐng)域的研究中具有重要的意義。通過使用Abaqus 軟件，可以通過模擬和實際測量來評估TRD 工法墻的施工所帶來的土壤和地表的變化，從而更好地了解其如何影響到周圍的環(huán)境。

3.1 本構(gòu)模型選取

本研究旨在探討TRD 工法墻施工過程中土體本構(gòu)模型的應(yīng)用，其中摩爾庫倫模型、修正劍橋模型和Plaxis Harding Soil 模式均可作為有效的參考，為巖土工程中的土體變形研究提供有效的理論支撐。摩爾庫倫斷層理論認為，如果施加的應(yīng)力大于特定位置的抗拉能力，那么這個位置將不可避免地受到損傷。Abaqus模擬采用了一種新的斷層理論，基于傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb 斷層理論，并考慮了黏結(jié)力的不均勻分布以及材料的彈塑性變形。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 計算模型的建立

杭州富陽區(qū)桂花西路站—秦望廣場站基坑TRD 工法墻的墻深10.5 m，墻厚0.85 m。根據(jù)工程現(xiàn)場的勘察資料可知，土層情況見表1，以粉土和粉質(zhì)黏土為主。

表1 土層計算參數(shù) m

1）有限元模型。如圖1 所示，建立了一個60.85 m×50 m 的二維模型，其中豎直深度為50 m，沿墻厚方向取值為60.85 m×50 m，并且根據(jù)表1，將TRD 工法墻放置在模型的中心位置，以便更好地分析和研究土體結(jié)構(gòu)。

圖1 有限元模型圖

2）有限元模型網(wǎng)格。有限元計算的準(zhǔn)確性取決于網(wǎng)格的精確度，而精確度的選擇又取決于網(wǎng)格的寬窄，若是太寬，則可能會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，而太窄則可能增加計算成本，從而降低模擬的可靠性。為了更好地探索地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)該將網(wǎng)格依據(jù)不同地質(zhì)條件精確劃分，以便更好地捕捉地質(zhì)構(gòu)造的特征。特別是，應(yīng)該更加關(guān)注地質(zhì)構(gòu)造的中心部分，以及周邊的地質(zhì)構(gòu)造。本文有限元模擬中使用了CPE8R 單元。在進行網(wǎng)格劃分的過程中，從密集到稀疏，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

3）始應(yīng)力場的模擬。確立一個合理的初始應(yīng)力值對于數(shù)值模擬分析至關(guān)重要，這樣才能夠有效地模擬出自然界中的地應(yīng)力特征，包括由于地應(yīng)力特征的作用，地表的變化和沉淀，還有地表的扭曲和變化，以減少由于地應(yīng)力特征的作用，對于數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確度和可信度造成的負面影響。因此，為了進行TRD 工藝的有限元模擬，必須首先進行地應(yīng)力平衡，這可能包括使用重力來進行平衡。根據(jù)實際情況來調(diào)整地應(yīng)力，并且可能會改變地面的位置。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，使用Geostatic 進行地應(yīng)力的平衡。

3.2.2 地表沉降結(jié)果及分析

為了與實測結(jié)果進行更好地比較，選取模型中距離距離墻體（槽段）1、3、5 m 處的地表沉降與對應(yīng)沉降實測點DB1、DB2、DB3 的實測值對比，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 地表沉降模擬與實測值對比曲線圖

由圖3 可知，由數(shù)值模擬得到的地表沉降與實測值的變化趨勢基本相同，3 個點均是先隆起再逐漸回落，距離墻體（槽段）越遠，地表隆起和回落越小。DB1、DB2、DB3 三個沉降實測點的最大隆起值分別為7.1、7.02、5.65mm，相對應(yīng)的模擬值依次為3.06、1.74、1.64mm，由于在模擬過程中對部分條件進行簡化，使得模擬地表沉降值總體上比實測值略小。

4 結(jié)論

本文簡要介紹了TRD 工法墻的施工方法，并利用Abaqus 有限元軟件模擬計算了TRD 工法墻施工引起的周邊土體變形，進行了模擬值與實測值的對比分析。主要結(jié)論如下：

1）通過Abaqus 對TRD 施工過程模擬的結(jié)果分析，可以看出，體側(cè)向位移和地表沉降的模擬值與實測值較為吻合，變化趨勢基本相同，數(shù)值模擬能較為準(zhǔn)確反映土體變形的規(guī)律，說明本次采用的計算模型是合理的，符合實際工程情況。

2）從整體數(shù)據(jù)看，深層土體水平位移的模擬值偏大，地表沉降的模擬值偏小，這是由于TRD 工法墻施工會受很多復(fù)雜因素的影響，數(shù)值模擬時一些條件進行了簡化，因此會對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。