TRD临近运营隧道微扰动施工方法研究

摘要：TRD水泥土连续墙因连续成墙、止水效果好，在地铁旁侧项目中应用较为广泛，但其施工过程中的变形控制方法亟待研究。依托杭州地铁旁侧某项目，对TRD“一步法”施工方法进行探索，并对施工过程中的旁侧土体及隧道变形进行了监测，总结出TRD“微扰动”施工的方法。施工完成后，旁侧土体位移约3.28mm，隧道平均水平位移约0.14mm，竖向位移约0.38mm，土体位移随时间增长缓慢增长。采用二维有限元软件对TRD施工过程中产生的泥浆重度影响进行分析，发现泥浆重度对土体及隧道变形影响较大，特别是泥浆较稀时，变形会随着重度变化呈指数级变化，泥浆重度控制在17.2kN/m3以上，可以达到微扰动施工的效果。TRD泥浆重度、推进速度、早期强度对土体及隧道变形均有较大影响。

关键词：TRD；隧道变形；基坑工程；微扰动

▍0 引 言

随着城市地铁网络不断完善，临近地铁的工程项目越来越多，地铁旁侧基坑工程施工对地铁隧道、车站会有多大的影响就成了人们关心的问题，在长期实践中也积累了一定的经验及做法。例如，因为TRD工法（Trench-cutting Re-mixing Deep Wallmethod,TRD）具有连续成墙、厚度一致、墙体均匀性好等特点，止水效果已得到广泛认可，杭州地铁隧道旁侧基坑就常常采用TRD作为止水帷幕或槽壁加固。

目前，地铁隧道有严苛的变形控制要求，其变形控制通常是毫米级，隧道的水平、竖向位移和径向收敛一般要求控制在10～20mm以内，杭州市则一般要求控制在5mm以内。然而，TRD传统的施工工艺为三步法，即“清水切割、快速回撤、喷浆搅拌”，这种方法会产生泥浆比重难以控制、施工速度过快等问题，造成周边土体及地铁隧道产生较大的变形。例如，王卫东等就曾指出：TRD成墙过程中，TRD旁2m左右土体会产生向槽壁方向的变形约8mm；而何平等则指出TRD施工期间旁侧土体实测最大变形可达45mm。可见，TRD施工期间会造成周边环境变形，需要采取恰当的施工方法控制施工变形，TRD“微扰动”施工是亟待解决的问题。

本文依托杭州地区某项目，提出了TRD“微扰动”施工的工艺方法，进一步分析TRD“微扰动”施工的关键因素，可为类似变形控制要求严格的项目提供参考。

▍1 工程地质概况

杭州钱塘江两岸场地属冲海积平原地貌，地形平缓。地层浅部一般（顶面约1～3m深，厚度约8～20m）以粉土、粉砂为主，力学性能较好，渗透系数较高；地层浅中部一般（顶面约10～18m深，厚度约14～25m）为淤泥质土，流塑状，力学性能较差。杭州地铁隧道埋深一般为8～20m，故而钱塘江两岸的地铁隧道一般位于粉土、淤泥质土中，对止水帷幕质量要求较高，且隧道对旁侧基坑施工及开挖极为敏感。

本项目基坑影响范围内土体主要为：①杂填土、②粉质黏土夹粘质粉土、③粉土、④淤泥质粉质黏土、⑤粉质黏土、⑥卵石。典型土层分布如图1所示，土体主要力学参数如表1所示。

▍2 基坑工程概况

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杭州东部某项目紧邻运营地铁隧道及车站，地铁结构10～25m范围内为项目北区，设置二层地下室，基坑挖深为9.7m；地铁结构25m范围外为项目南区，设置三层地下室，基坑挖深为14.1m。项目临地铁侧采用0.7m厚、33m深的TRD水泥土连续墙作止水帷幕，TRD采用P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺量25%，水灰比0.8~2.0，膨润土含量90kg/m3，添加生石膏粉（18kg/m3)、SN201-A型（0.7kg/m3)。

采用ϕ1000的钻孔灌注桩作挡土构件，采用ϕ800高压旋喷桩对桩间土体进行加固，其他侧采用0.85m厚TRD内插型钢作止水帷幕兼挡土构件。TRD距地铁隧道最近处约10m，项目概况如图1所示，围护结构与隧道典型关系如图1、图2所示。

 ▍3 施工关键控制参数

TRD采用“三步法”施工时，一般第一步清水切割时会产生较大变形，因此时清水切割时泥浆比重一般为1.3~1.5、且会采用较大气体压力来辅助切割，可能会造成槽壁变形甚至坍塌。

TRD采用“一步法”施工，TRD刀排缓慢向前切割土体的同时进行喷浆搅拌，这种方法在成槽过程中可以造出浓稠的泥浆，观感类似于低强度的混凝土（图3)，泥浆比重可维持在1.7以上，

浓稠的泥浆在槽壁上产生浓厚的泥皮，使槽壁十分稳定，且大比重的泥浆可以为槽壁提供较大的支撑力，减小成槽造成的土体变形。TRD施工过程中掺入一定比例的生石膏粉及SN201可以有效提高水泥土的早期强度。同时，为了减少连续墙施工过程中的空间效应，TRD推进速度维持在7m/d。

▍4 TRD施工期间土体及地铁结构变形情况

为监测TRD施工期间土体及隧道变形，在TRD外侧1.5m处布置了若干土体测斜点，并对隧道的水平位移、竖向位移、收敛进行了自动化监测。监测点布置如图1所示。由图4可知，TRD采用“一步法”施工时，旁侧土体的变形最大约3.28mm，20～25m处变形均接近最大变形，说明TRD施工过程中淤泥质土会产生较大的侧向变形。TRD施工完成后1个月（基坑正施工围护桩及工程桩），土体测斜最大值基本保持不变，但部分曲线呈往坑外发展的趋势，这可能与基坑后续施工有关系，如桩间高压旋喷桩施工就有可能挤压土体。

由图5可知，TRD施工完成后，地铁隧道产生向基坑方向的水平变形平均值约0.14mm，最大约1.0mm；TRD施工完成后1个月，地铁隧道产生向基坑方向的水平变形，平均值约0.38mm，最大约1.6mm。TRD施工完成后，地铁隧道还产生了竖向沉降（图6)，平均值约0.75mm，最大约1.0mm；TRD施工完成后1个月，地铁隧道产生的竖向沉降平均值约1.0mm，最大约1.8mm。

▍5 TRD泥浆比重对变形影响的有限元分析

为分析TRD施工过程中泥浆比重对土体及隧道变形的影响，采用二维有限元软件对TRD成墙过程进行模拟，计算模型宽度为80m，深50m，TRD成槽深度为33m。土体采用HSS模型，并对力学性能相似的土层进行合并，具体参数如表1所示。

隧道采用板单元模拟，模型底部边界设置竖向约束，左右两边边界设置水平约束，模型共2035个单元，17066个节点，有限元模型和网格划分见图7。

TRD施工过程中的泥浆按线荷载考虑，荷载按深度递增，取σ=k0γ泥浆h+γwh，由式可知泥浆的侧压力系数k0取值十分关键。γ泥浆根据现场实测结果取17.2kN/m³，γwh取330kPa。“一步法”施工过程中，槽内的泥浆变化可分为三个阶段：①机械切割搅拌土体，原状土体转化为水泥土浆液，部分土体在施工过程中被置换出去，且刀排在槽内喷浆、加压，对槽壁扰动较大，这一过程的k0可认为接近于1；②切割搅拌完成后，槽内泥浆由初凝到终凝，泥浆由液态逐渐转为半固态，这一过程一般需要18～30h，k0可认为接近于1；③水泥终凝完成到水泥土达到设计强度，这一过程较为缓慢，与土体性质也存在较大关联，但一般28d均能达到设计强度，k0则逐渐减小至远小于原状土的k0。可见，k0的取值是关键且复杂的，有关文献也对k0取值进行了一定探索，本文参照相关文献，采用反分析法，即取线荷载为170kPa时，计算结果与监测结果较为吻合，因此考虑k0=170/(33×7.2)=0.715。

图8为线荷载取170kPa时的土体位移云图，可见泥浆比重为17.2kN/m³时，土体位移达4.1mm，以水平向变形为主，出现在淤泥土层中部，竖直向沉降μy最大约1.13mm；采用软件中横截面曲线功能对坑外1.5m处横截面的土体变形进行分析，土体最大位移约3.8mm；地铁隧道处于TRD施工的影响范围内，发生约1.1mm的位移，水平向位移μx约1.0mm，竖向沉降μy为0.5mm。有限元模拟数据与实际较为吻合，说明模型选取参数合理，可以做进一步分析使用。

为进一步分析泥浆比重对土体及隧道的影响，泥浆重度γ泥浆分别取16.2、16.7、17.2、17.7kN/m3，即线荷载分别取146.4、158.2、170、181.8kPa，取各计算结果坑外1.5m处土体位移及隧道位移进行分析。

泥浆重度γ泥浆为16.2 kN/m³时，土体测斜达29.3mm，这与何平等指出的土体变形是较为相符的，由此造成的隧道位移可达10.2mm，超过杭州地区的隧道变形控制值。

泥浆重度γ泥浆为16.7kN/m3时，土体位移为7.0mm，隧道位移可控制在3.1mm，可在TRD施工期间控制隧道变形小于杭州地区隧道变形控制值以内，但考虑到基坑工序繁多，如降水、开挖、拆换撑等工序均可能会造成隧道不同程度的变形，泥浆重度控制在16.7kN/m3对工程施工仍是不利的。

泥浆重度γ泥浆为17.7kN/m3时，土体位移为1.9mm，隧道位移可控制在0.32mm，由泥浆重度造成的隧道变形已趋近于0。

综上所述，土体及隧道位移对泥浆比重较为敏感，特别是泥浆比重较稀时，土体及隧道的位移会呈指数级变化，在杭州东部典型地层中，采用“一步法”施工，泥浆重度γ泥浆控制在17.2~17.7kN/m3时，TRD施工可以很好地控制旁侧土体及隧道变形，达到微扰动施工的效果。

▍6 结 论

本文依托杭州东部某项目，对TRD采用“一步法”施工进行探索，总结出TRD微扰动施工的方法，主要得出如下结论：

(1)TRD采用“三步法”施工若控制不当，可能会造成很大的施工变形，采用“一步法”施工，泥浆重度控制在17.2kN/m3时，实测旁侧土体变形约3.2mm，隧道水平变形平均值约0.14mm，最大约1.0mm，竖向沉降平均值约0.75mm，最大约1.0mm。

(2)TRD泥浆重度对施工变形有着较大影响，施工期间须严格控制泥浆重度在17.2kN/m3以上，才能达到“微扰动”施工的效果。

(3)TRD推进速度、早期强度对土体及隧道变形均有较大影响，杭州东部地区典型地层中TRD推进速度控制在7m/天，对变形控制是有利的。