杭州七格污水厂TRD工法应用

1 工程概况

杭州市七格污水处理厂位于杭州市东北角江千区下沙乡七格村,紧邻钱塘江江堤,距下沙开发区1km,距杭州市区约19 km。七格污水处理厂已建一、二、三期工程总规模为120×10*4 m3/d, 其中三期工程规模为60×10*4 m3/d。三期提标改造工程位于已建三期工程厂区范围内及沿江大道北侧绿化带,总用地为14914×10*5 m2,工程内容包括新建污水深度处理单元、相应配套设施以及局部污水处理设施的改造。新建深床滤池池体长为60m,宽为70m, 深为6~10 m,半地下式,拟采用长螺旋钻孔灌注桩抗浮。鉴于厂区地下水水位较高,并且周边与原三期工程距离较短,在附属设备间基坑开挖及结构施工过程中,需要对北侧已建的三期二沉池、东侧已建的三期储泥池，以及西侧已埋的2xD2400mm进厂主千管(深度为5.5m)进行特别保护。

2 地质概况

根据勘探资料,本工程拟建区域表层①填士层性质差且不均匀,②层为钱塘江冲海积新近沉积的

粉性土,性质差异较大,其中

②1砂质粉土呈稍密状,性质一般;  

②2砂质粉土呈稍密(松散)状,性质较差。 

③层为钱塘江冲海积沉积的粉、砂性土,性质差异较大;  

③1粉砂呈稍密-中密状,工程性质一般;

③2粉砂呈中密状,工程性质较好,适宜利用为一般荷载下的桩端持力层; 

③2夹砂质粉土呈稍密状,工程性质一般;

③3粉砂夹砂质粉土层中夹有10~20cm厚度不等的软塑状粉质粘土,工程性质较不稳定。

整体②、③层在无支护无降水条件下的开挖条件自稳定性差,在基坑开挖前应做好降水工作;整体②、③层土层属渗透性土层,在一定的渗透力作用下易产生流土、管涌现象。中下层土层的⑤、⑦、⑨层为浅海相或滨海相沉积淤泥质土(灰色粘土)层性质差,压缩性高,为软土层。勘探期间测得场地地下水埋深为0. 10 ~3.50m,对应高程为2.30~5. 97 m,场地地下水与地表水系有密切的水力联系,水位随季节气候动态变化明显,根据区域水位地质资料,年水位变幅约1m,场地年平均最高地下水位可按地表下0.5 m考虑,对应高程为5.50m左右,场地内水位比较丰富,透水性特别强。

3 基坑围护方案选择

由于本场地周边有运行中的三期工程构筑物管线需要特别保护,排除了放坡开挖及土钉墙劫掠的可能性,又因基坑周边下一步还有较多管线需要埋设安装,该构筑物围护施工不能对这些管道安装造成障碍。其次由于地处钱塘江边,砂质粉土层透水性强,开挖过程如处理不当容易产生流砂、管涌现象,危及工程和环境安全。结合场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度等因素,经过综合比选,对本工程采用TRD工法结合一层钢管内支撑进行围护。

采用该法主要基于下列考虑:

①TRD连续墙施工,防渗能力强,能有效控制坑外地下水变化,防止三期构筑物及管道由于地下水位变化引起变形,同时也能杜绝流砂、管涌现象发生;

②施工不扰动邻近 土体,辅以预应力型钢内支撑结构,能使周边土体变形得到有效控制,确保环境安全;

③工法中内插 的型钢在围护完成后拔出预应力支撑拆除后可重复利用，这样消除了本次围护对今后场地使用的影响,同时较传统的钻孔灌注桩结合水泥搅拌桩止水、用钢筋混凝士做支撑梁的围护方法大致可节省造价约20% ~ 30% ,达到经济环保目的;

④工期比其他围护方法大大缩短,工法桩施工及预应力支撑安装、拆除较钻孔灌注桩施工及钢筋混凝土支撑梁施工拆除等能大大缩短工期,对本工程而言尤显重要。

4 支护结构设计

与传统工法相比,TRD工法和预应力型钢支撑有以下优点:

①机械高度低,稳定性能良好。与传统工法比较,机械的高度和施工深度没有关联(约为10m) ,稳定性高,通过性好。

②连续墙厚度均匀,具有横向连续性。与传统工法比较,搅拌更均匀,连续性施工,不存在咬合不良,确保墙体高连续性和高止水性。

③施工精度高。 与传统工法比较,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。

④适应性强。与传统工法比较,适应地层范围更广。可在砂、粉砂、粘土、砾石等–般土层及N值超过50的硬质地层施工。

⑤成墙品质均-一。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。

5 TRD水泥连续墙设计

TRD搅拌桩要求14天起无限侧压抗压强度9q2x≥1.5 MPa。水泥土设计抗压强度取f. =qax/2, 设计抗剪强度取T=qa/6。渠式切割型钢水泥士连续墙中相邻型钢的净距不宜小于200mm,宜等间距布置,中心距应符合下式规定:

L≤2(l+h) +B- 200  (1)

式中

L — 相邻型钢之间的中心距 , mm

t — 渠式切割水泥土连续墙厚度,850 mm

h — 型钢高度 ,700 mm

B — 型钢的翼缘宽度 ,300 mm

本工程中相邻型钢之间的中心距宜小于3200mm,实际工程取为1200 mm和900 mm。本工程经验算满足规范要求。

5.1 内插型钢的截面承载力验算

内插型钢的截面承载力验算应符合下列规定”。

①作用于型钢水 泥土连续墙的弯矩应全部由型钢承担,并按下式验算型钢抗弯强度:

式中

y —支护结构重要性系数,按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120)有关规定取值,但yo不应小于1.0

M —型钢水泥土连续墙墙身的最大计算弯矩标准值,N . mm 

w —型钢沿弯矩作用方向的截面模量，mm’

f — 钢材 的抗弯强度设计值, N/mm2

本工程经验算满足规范要求。

②作用于型钢水泥土连续墙的剪力应全部由型钢承担,并按下式验算型钢的抗剪强度:

式中

V —型钢水泥 土连续墙的剪力标准值,N

S —型钢计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩, mm^3

I —型钢沿弯矩作用方向的毛截面惯性矩，mm^4

I — 型钢腹板厚度, mm

f,一 钢材的抗剪强度设计值,N/ mm2

本工程经验算满足规范要求。

5.2 渠式切割水泥土连续墙的厚度

渠式切割水泥土连续墙的厚度应符合下列规定。

①型钢无拼接时,应取下列公式结果较大值:

②型钢有拼接时,除应满足第1款要求外,尚应符合下列公式规定:

式中1型

钢水泥土连续墙厚度,为850mm

h-型钢高度,为 700 mm

h,一型钢拼接处 的最大高度,mm

L,一型钢长度 ,mm

L一型钢顶部至最下一个拼接点的长度 ,

mm

经验算满足规范要求。

③应控制型钢水泥 土连续墙中内插型钢的应力水平及变形,使墙体在工作状态下的有效截面能满足基坑防渗截水要求,并有利于型钢的回收和重复利用。

5.3错动抗剪承载力

型钢水泥土连续墙中水泥土之间的错动抗剪承载力可按下列公式进行验算:

式中τ型钢与水泥土之间的错动剪应力设计值,N/mm2

Vn-一型钢与水泥土之间单位深度范围内的错动剪力标准值, N/ mm

q -一型钢水泥土连续墙计算截面处的侧压力强度标准值, N/mm2

L,- – 相邻型钢翼缘之间的净距, mm

d,一 型钢翼缘处水泥土墙体的有效厚度，mm

r一水 泥土抗剪强度设计值, N/ mm2

Ta一水泥土抗剪强度标准值,N/mm2,

可取水泥土28 d龄期无侧限压抗压强度标准值的1/3计算示意图见图1。经验算满足规范要求。

图1 连续墙局部水泥土抗剪力计算示意、

5.4 型钢起拔力验算

型钢回收起拔时,应根据型钢长度、土层条件、支护结构变形控制值等验算型钢起拔力Pm,L为型钢中心距,L为型钢净距,26为水泥土宽度。经验算满足要求。TRD搅拌桩采用日本进口设备施工,墙宽为850mm、水泥掺人量为搅拌土体质量的25% ,水灰比约1.0~2.0,搅拌桩28 d龄期无侧限压抗压强度达到1.5 MPa,要求墙体偏差不超过50mm,墙体垂直度偏差不超过1/200。在施工转角采用各自两边外推500mm以保证施工连续性和止水效果。施工过程中出现冷縫,则在接缝处对已成墙(长度为1000mm)重新切割搅拌。

考虑弯矩全部由型钢承担,型钢应力需满足:σ=M/W≤[σ] ,M计算弯矩(kN . mm) ,为型钢抵抗矩( mm’),[σ]为型钢允许应力(kN/mm2)。型钢采用H700x300x13x24,根据不同剖面,间距按“密插”及“插一跳一.”处理。经验算型钢强度满足要求。型钢长度计算:型钢入土深度主要由基坑变形、抗隆起稳定、围护墙内力不超过允许值等条件决定。经计算,本工程根据不同开挖深度,所用型钢长度分别为12、15 m。

型钢插入前,需清除表面污垢及铁锈,涂减摩剂。型钢插人左右误差≤30 mm,垂直度偏差≤1/100。型钢在构筑物地下部分施工完成，且构筑物外墙与围护桩间空隙填充完成后采用专用夹具、千斤顶以圈梁为反梁结合吊机起拔回收。型钢拔出后空隙用黄沙冲水倒流填充。

5.5 圈梁设计

型钢顶部搅拌桩清除后,用10mm厚泡沫包裹好型钢,再施工一道截面积尺寸为1200mmx600mm的圈梁以加强围护结构整体性及为围护结束后型钢拔除提供反力平台。

5.6 预应力型钢支找 设计

若不加支撑,围护墙体水平位移较大,对已建构筑物及周边管线十分不利。支撑钢材采用Q345b焊条采用E50型、内支撑采用H350 x350x12x19型钢,钢围檩采用双拼H400 x400x13x21型钢。钢围檩上应设置加劲板,筋板的间距≤3 000 mm,与对撑连接范围的筋板间距加密至500mm。支撑拼装完成后,施加预应力总量的50%,后期根据基坑开挖变形情况逐步施加预应力,累计不得超过预应力的100%。钢支撑施加预应力之后，再次拧紧松弛的螺栓。型钢组合式内支撑在围檩安装后要进行变形量监测,首先在施加预应力之前进行监测,然后在施加预应力之后进行监测,监测频率为每天-次。开挖阶段增加至一天两次或三次。

5.7 降水设计

由于总体上场地地下水位较高,基坑开挖深度范围内土层以粉土及砂性土为主,透水层性较强,其特性为饱水振动易液化,极易坍塌变形、稳定性差，易产生流砂现象,且局部土层存在中等~严重液化势,基坑开挖过程中采用坑内自流深井进行连续降水。本项目围护结构非完全止水,降水井按完整井考虑,坑内共设直径800mm的自流深井28口。

5.8 监测设计

为保证基坑开挖过程安全有序地进行,实行信息化施工,对基坑围护系统变形进行实时监测。监测项目包括坑外管线上方地表及构筑物沉降、坑外土体深层水平位移、型钢支撑内力坑内外地下水位观测等。监测工作由专业单位承担。

5.9 围护体系受力和稳定分析

TRD工法属于板式支护体系,其稳定分析按板式支护有关公式计算。经过整体稳定、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗管涌、抗倾覆等验算均满足规范安全要求。

图2 围护设计平面布置

图3 预应力型钢支撑平面图

图4 支护结构剖面图

5.10 环境监测分析

经过基坑开挖,构筑物施工到型钢回收围护工程结束，历时近六个月。各监测项目实际观测结果与计算值基本相符(见表1),基坑开挖也未对二期构筑物、已安装管线等产生影响,围护施工达到了目的。

表1 监测成果

基坑开挖过程中,坑内坑外地下水位最低值分别为-6.39、-3.3 m,满足了基础底部-4.40 m标高的开挖要求。

6 结语

TRD工法作为一种较新的施工工艺,因其具有围护墙抗渗、施工工期短(本工程缩短工期一个月)、材料可重复利用、对环境污染小等优点，在基坑围护工程中具有较大技术、经济优势。尤其对深度在10m左右,周围有建(构)筑物、市政管线等要重点保护,环保要求高的区域进行基坑围护优势更加明显,该工法值得进一步推广。

现场施工视频