TRD工法在软土地层深基坑工程中的几种应用形式

引言
等厚度水泥土搅拌墙简称TRD工法，是日本于20世纪90年代初发明的新工艺，是一种依靠插入地下的链锯型切割箱横向移动来挖掘、搅拌并注入固化液形成的等厚、原位混合搅拌成墙的工法，主要用于地铁、隧道、水库、垃圾填埋场等大型工程的防渗、挡土施工领域。
我国自2009年首次引进该工法机，并首次在杭州某深基坑工程支护中试验应用，与相类似的高压旋喷桩、三轴搅拌桩以及SMW等工法相比，TRD工法搅拌墙具有安全性高、掘削能力强、止水性好、连续性强、墙体均质性好、质量可靠以及适应性广等诸多优点，引入我国近几年来TRD工法不断完善和改进，已成功在天津、上海、武汉、南昌等地区的20多个深基坑工程中得到应用，TRD工法以其不可比拟的优势已被工程界所认可，逐步广泛地应用在基坑支护、隔水帷幕、隔离墙、地下连续墙槽壁加固以及深层土体加固等施工中。
本文结合具体工程实践以及与类似工法的对比分析，将TRD工法在沿海地区软土基坑中几种常用的工程应用形式从适用性、难点特点和施工关键控制点等方面进行深入阐述、分析，为后续相类似的深基坑工程设计、施工提供参考。
1TRD工法在基坑支护中的应用
基于TRD工法搅拌墙施工连续性强、有效墙体均质等厚、能任意间距插H型钢、强度差异小、受力性能好且渗漏水风险小等特点，该工法搅拌墙内插H型钢后可用于10m深度以内的基坑支护墙，其与传统SMW工法的对比如图1所示。


目前在软土地层深基坑中已成功应用的工程实例有上海奉贤中小企业总部项目，该工程基坑挖深11.85m，考虑到地下2层区域基坑不满足第⑤t层微承压水稳定性要求，围护形式设计为800mm厚TRD工法搅拌墙嵌入下部⑥层隔水层隔断承压水，并内插H型钢形成等厚度型钢水泥土搅拌墙支护结构，从基坑开挖效果看，墙面平整、无渗漏水现象，开挖卸载期间墙体刚度较好、变形较小，达到了设计的预期效果。
TRD搅拌墙内插型钢做基坑支护施工中的主要控制要点为:
1)确定合理的成墙厚度和水泥掺量，确保插入H型钢后受力均匀，联合抵抗坑外水、土压力的效果最佳。
2)根据试成墙试验确定合适的插入H型钢的时间，尽可能依靠H型钢自重下放到位。
3)量测准确内插H型钢的间距，尤其是转角处的间距控制，保证等间距插放到位。
4)准确量测切割箱的节数和长度，尤其是地面以上的外露高度，保证成槽深度满足设计要求。
5)TRD工法搅拌墙垂直度的控制除利用自身切割箱体内的多段式高精度测斜仪监测外，在切割箱下放、前进过程中多次用激光经纬仪量测墙体中心是否与设计理论值一致。
2TRD工法止水帷幕的应用
TRD工法搅拌墙可用于超深基坑隔水帷幕，主要基于其挖掘能力强、施工深度大，成墙品质均匀，连续搭接、隔水性好、质量可靠等特点。例如，成功应用于上海国际金融中心工程的超深TRD工法搅拌墙隔水帷幕，工程基坑面积48600m2，周长总计960延米，开挖深度普遍在地下28m左右，塔楼底板正好位于上海地区⑦层承压水顶部，且本工程缺失第⑧层隔水层，第1承压水⑦层与下部的第2承压水⑨层连通，总厚度达100多m的承压含水层。原设计为55m超深地下连续墙、接缝采用超深MJS工法加固的基坑围护体系，后经设计优化、比选，最终选用700mm厚、53m超深TRD工法搅拌墙围基坑一周做悬挂式隔水帷幕，TRD墙进入⑦层承压含水密实砂层约20m，从而将原设计的地下连续墙减短至46m，且取消了接缝MJS加固，节省了工程造价，如图2所示。


虽然TRD工法最大深度可达60m，但像国金中心工程如此大规模、大体量、超深的TRD工法搅拌墙做隔水帷幕在软土地层深基坑中应用尚属首次，即使在日本也无成熟的经验可循。对设备的性能、施工能力、功率和施工工艺的可行性等都是极大挑战。
正式施工之前现场结合地下连续墙试成槽试验进行了1组56m深、11m长的非原位试验墙，先按照“三工序”成墙方法施工TRD工法搅拌墙，待墙体达到设计强度后，在距TRD工法墙80cm间距处“抓铣结合”施工地下连续墙成槽作业。根据取芯检测和现场监测结果看，墙体均质性好、对砂性土的渗透性改善明显，在合理的间距下，先施工TRD工法搅拌墙，后施工地下连续墙成槽，对周边环境、相互之间的影响均较小，可以大范围实施。
现场在地下连续墙外侧施工超深TRD工法搅拌墙隔水帷幕的关键控制点主要有以下几点。
1)TRD工法搅拌墙和地下连续墙的施工先后次序、合理间距以及间隔施工的时间控制。
2)上部黏性土层和下部的密实砂性土层中挖掘液的密度、黏度、流动性的参数调整以及TRD工法机设备的行进速度、功率、喷浆压力等技术指标的合理控制。
3)TRD工法搅拌墙施工过程垂直度和工效控制，减小后期地下连续墙成槽施工的相互影响，软土地层施工能力一般为6～8m/d，确保超深水泥土搅拌的均匀性和抗渗性能。
4)在上部黏性土层较厚的情况下应选择切割箱上的刀板合适间距和刀齿长度，及时清除链锯刀具上附着粘住的黏土，确保充分搅拌和减小行进阻力。
5)应确保TRD工法搅拌墙顶部的充分搅拌和喷浆量足够，尤其是地下连续墙的导墙底标高范围，防止浅层土体被扰动造成后期地下连续墙成槽时塌方。
6)根据基坑形状和周边邻近的围墙、建(构)筑物的位置，提前确定工法搅拌墙的转角形式，合理确定切割箱的内拔、外拔方式，做好拔出切割箱过程中的注浆补填，防止浅层土体塌方影响墙体均匀性，减小转角、搭接处的渗漏水风险。
3TRD工法槽壁加固的应用
TRD工法搅拌墙可用于地下连续墙的槽壁加固，主要基于其成墙品质均匀、连续性好、墙体垂直度好、精度高(垂直度1/250)、挤土效应小且能够临近建(构)筑物施工等特点。
目前上海地区的轨道交通10号线海伦路地块综合开发项目已成功将TRD工法搅拌墙应用在槽壁加固。该地块紧邻地铁4号线车站和区间隧道，考虑到对运营中的地铁隧道保护，将紧邻区域的槽壁加固由原设计的三轴搅拌桩加固调整优化为TRD工法搅拌墙加固。工法搅拌墙厚850mm、深48m，墙身垂直度误差≤1/250，固化液采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1.5，水泥掺量30%(540kg/m3)，挖掘液水灰比为5，实际通过试桩效果调整。
本工程TRD工法采用先行挖掘、回撤挖掘、再注入固化剂搅拌的三循环成墙工艺;先行挖掘速度控制在0.5m/h内，成墙搅拌速度控制在1m/h内。经对原位试验成墙的效果检测，距离TRD工法搅拌墙3m处的最大土体位移不超过4mm，隆起不超过3mm，由此可分析认为，TRD工法搅拌墙在临近地铁设施区域内施工对地铁变形影响较小。现场施工中主要的关键控制点有:
1)TRD工法搅拌墙和地下连续墙的合理间距控制，掘进稳定液必要时可添加适量增黏剂和分散剂，保证护壁效果，防止TRD工法搅拌墙侵入地下连续墙范围内。
2)TRD工法搅拌墙垂直度的高精度控制，尤其在下放切割箱体、移动工法机过程中的垂直度动态监控和调整，另外优先选用步履式工法机，且TRD工法机行走路线的硬化和足够的地耐力也是确保垂直度的主要因素。
3)做好工法搅拌墙和地下连续墙的施工间隔时间以及固化液水泥掺量的控制，防止TRD工法搅拌墙体强度过高造成成槽困难或由于槽壁两侧工法搅拌墙强度不均产生成槽偏斜。
4)根据地下连续墙的实际走向以及周边影响的建(构)筑物的位置关系，提前确定TRD工法搅拌墙在转角处的搭接方式和内拔切割箱或外拔切割箱的预判，如图3所示。


5)成墙过程中，分别取墙体表层和墙顶下一定深度的膨润土稳定液进行黏度、密度和流动性等参数的测定，确保成墙的质量指标满足设计要求。
4TRD工法坑中坑加固的应用
TRD工法搅拌墙可用于超深、超大基坑中电梯井、集水坑等局部落低深坑(简称“坑中坑”)的土体加固或围护体，主要基于该工法挖掘能力强、施工深度大、墙体均匀性好，挡土防渗性能高、设备总高度低、安全稳定性好等特点。
常规深基坑中坑中坑的加固采用高压旋喷桩、大直径双高压旋喷桩或超深三轴搅拌桩，但是当坑中坑开挖达到30m以上时，坑中加固或围护将达到40m左右，常规的高压旋喷桩在30m以下喷浆成桩效果极差;大直径双高压旋喷桩虽然效果比常规高压旋喷桩稍好，但造价会比较高，且在坑底的桩体搭接效果不能完全保证，开挖坑中坑时渗漏水、突涌的风险较大;超深三轴搅拌桩虽然能够通过预钻孔、接杆达到设计深度，但是三轴机架高达30多m，机械本身的稳定性、安全性较差，且施工工效一般。
TRD工法搅拌墙凭其施工深度大、隔水性好、稳定性好且施工效率高的优势将会逐步在坑中坑的加固或围护施工中得到推广。
5TRD工法隔离墙的应用
当深基坑周边有较敏感的建(构)筑物、重要市政管线、地铁车站、区间隧道等需要保护时，常规设计将会考虑在基坑与被保护建筑之间施工隔离桩或隔离墙，减小因基坑卸载或抽降承压水对邻近建筑的沉降、变形影响。
基于TRD工法搅拌墙无挤土效应、噪声低、泥浆少、隔断水力联系效果好以及插入芯材后刚度大、挠度小、抗剪能力强等特点，该工法也可应用于类似的超深基坑外侧的隔离墙，如图4所示。


与常规的钻孔隔离桩、树根桩相比，该工法能够形成连续、等厚封闭的隔断墙，受力更均匀，尤其是插入芯材后刚度大增，能较好地截断基坑内、外水力联系，将基坑卸载、降水造成的沉降变形影响降至最低。
6TRD工法隔断承压水做挡土防渗墙的应用
如果基坑开挖不是特别深，且坑底有隔水层，在TRD工法搅拌墙施工深度能力范围内能够完全截断承压水时，TRD工法搅拌墙也可以应用于隔断承压水的防渗墙。
在临近海边、江边或防汛墙处的废弃物处理场、储水构筑物、地下水坝附近，或河川堤防、坝的加固等，用TRD工法搅拌墙施工隔水防渗墙不失为一个理想的方法，如图5所示。


7结语
TRD工法作为深基坑施工中一种新形式的施工工法，在基坑支护方面有比常规SMW工法桩更均匀等厚、抗渗性好、能任意间距插入芯材且施工周期短的优势;在基坑止水帷幕和落低深坑加固方面，有比高压旋喷和三轴搅拌桩在整个深度连续无冷缝搭接、隔水效果好、施工深度大且墙体强度离散性小等方面的优势;在地下连续墙槽壁加固方面，比常规三轴搅拌桩在对周边环境扰动小、能够近距离临建建(构)筑物施工方面有优势;在隔离墙方面，比常规树根桩、钻孔隔离桩在墙体均质等厚、插入芯材刚度大、抗剪能力强、能有效隔离或隔断基坑内外水力联系。
总之，与常规的深基坑围护、加固施工工法相比，TRD工法搅拌墙不仅在工程安全性、经济效益、社会效益方面更胜一筹，在绿色环保施工方面也毫不逊色。在临近铁路、地铁、交通要道、保护建筑和重要管线区域，尤其是工程周边环境比较敏感或施工高度、时间段有严格限制的情况下，TRD工法更是优势明显，建议在工程造价允许、基坑比较规则的情况下可优先考虑TRD工法。
目前TRD工法的大范围推广应用尚存在诸如工程造价稍高、不规则基坑施工转角较多、切割箱拔插次数多、大规模长距离施工尚需解决故障率较高等亟待改进的地方，但是在不影响使用功能和造价允许的情况下通过对基坑形状优化以及随着TRD工法机械设备、维修零配件逐步国产化，TRD工法的应用将会更加广泛。