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SMW工法和TRD工法如何选用最经济!不同情况下差别很大

303 2020-11-13 11:42:03
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一、前言
        随着上海市城市内轨道交通、越江隧道、超高层建筑等建设项目不断快速发展,城市发展的空间逐步转向地下空间,并且基坑的施工向着“大、深”的目标发展。由于这些工程项目往往在城市内实施,导致深基坑的施工环境越来越复杂且多变。在以往的深基坑围护施工过程中主要采用SMW工法桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、MJS工法、RJP工法、高压旋喷桩等等工艺,而如今TRD工法的逐步推广和运用又给上海这种软土地质、超深基坑、周边管线复杂且施工场地狭小的工程带来了更多的围护方式的选择、更好的质量保证措施以及可能更加经济的成本控制。由于从施工原理各方面TRD工法与SMW工法最为接近,故接下来我们就对两者之间的技术经济方面进行简单的对比和比较。


二、TRD工法与SMW工法技术原理简述
        1、SMW工法连续墙,是Soil Mixing Wall 的缩写, SMW工法是利用专门的多轴搅拌就地钻进切削土体,同时在钻头端部将水泥浆液注入土体,经充分搅拌混合后,在各施工平面之间采取重叠搭接施工,在水泥土混合体未硬之前插入受拉材料(常为H型钢),作为应力加强材料,直至水泥结硬、形成劲性复合围护墙体体,该墙体可作为地下开挖基坑的档土和止水结构。最常用的是三轴型钻掘搅拌机。其主要特点是构造简单,高止水性,工期短,造价低,对周围环境影响小,特别适合城市中的 深基坑工程。

        SMW工法大致工作原理图如下(图1):
 
图1

        2、TRD工法(Trench-Cutting& Re-mixing Deep Wall Method)是能在各类土层和砂砾石层中连续成墙的成套设备和施工方法。其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混台原土并灌入水泥浆,形成一定厚度的墙体,以取代目前常用的高压喷射灌浆,单轴和多轴水泥土搅拌桩组成的柱列式地下连续墙。其主要特点是成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好,主要应用在各类建筑工程、地下工程、护岸工程、大坝、堤防的基础加固、防渗处理等方面。

TRD工法大致工作原理图如下(图2、图3):
    
图2                                                         图3


TRD工艺大致施工方法如下:
        1)开挖沟槽
        利用挖机开挖施工沟槽,沟槽宽度约为1000mm,深度约为1000mm。
        2)吊放预埋箱
        用挖掘机开挖深度约3m、长度约2m、宽度约1m的预埋穴,下放预埋箱,然后将切割箱逐段吊放入预埋箱内,待切割箱全部安装完成后,回填预埋穴,回填应密实。
        3)桩机就位
        在施工场地一侧架设全站仪,调整桩机的位置。由当班班长统一指挥桩机就位,移动前看清上、下、左、右各方面的情况,发现有障碍物应及时清除,移动结束后检查定位情况并及时纠正,桩机应平稳、平整。
        4)切割箱与主机连接
        用指定的履带式吊车将切割箱逐段吊放入预埋穴,利用支撑台固定;TRD主机移动至预埋穴位置连接切割箱,主机再返回预定施工位置进行切割箱自行打入挖掘工序。
        5)安装测斜仪
        切割箱自行打入到设计深度后,安装测斜仪。通过安装在切割箱内部的多段式测斜仪,可进行墙体的垂直精度管理,确保1/250的精度。
        6)TRD工法成墙
        测斜仪安装完毕后,主机与切割箱连接。在切割箱底部注入挖掘液或固化液,使其与原位土体强制混合搅拌,形成等厚水泥土地下连续墙。
        7)置换土处理
        将TRD工法施工过程中产生的废弃泥浆统一堆放,集中处理。
        8)拔出切割箱
        在当前施工区段施工结束时,将切割箱拔出,再重新组装切割箱进行后续作业。切割箱的拔出应选择远离架空线的位置进行。
        TRD工艺大致施工工序图如下(图4、图5):


 

图5


二、TRD工法与SMW工法工艺对比

        首先TRD工法成槽机械与SMW工法机械高度不同,由于市区内实施围护工程时经常碰到设备机械受客观条件限制(比如高架桥梁下、架空线下等情况)净空高度不足等情况发生,同时TRD工法对于施工场地要求灵活,传统的SMW工法或者地下连续墙施工,往往是地下深度越深,地上的设备就得越高,因而既不灵活也不安全,TRD工法的组合式刀箱,从根本上解决了这个难题,连续墙的深度只和组合的刀箱节数有关;另外,由于刀箱位于主机的侧面,施工时主机沿成墙方向侧向移动,所以对工作面的要求降到了最低。如下图所示两者机械高度的差异(图6):
 
                                              图6
        其次由于市区内实施围护过程中,地质情况以及地下障碍物等不明情况较多,采用TRD工法可以利用机械自带的链锯进行普通障碍物的切削,而传统SMW工法则无法处理地质特殊的情况,故TRD工法可以胜任各类土层和砂砾石层地质情况,以下是TRD机械几种类型图片(图7):
 
 
 
                                         图7
        此外与常规搅拌桩比较,SMW工法要特别注重桩的间距和垂直度。施工垂直度应小于1%,以保证型钢插打起拔顺利,保证墙体的防渗性能。而TRD工法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。TRD工法施工精度控制原理图如下(图8):
 
           多段式测斜仪实时监控墙体垂直度(电脑显示画面)
                                                图8
        另外两者工法止水效果分析,TRD工法与SMW工法比较,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,确保墙体高连续性和高止水性。成墙连续、等厚度,是真正意义上的“墙”而绝不是“篱笆”。可在任意间隔插入H型钢等芯材,可节省施工材料,提高施工效率。
        SMW工法与TRD工法大致工作对比原理图如下(图9):
 
                                                   图9


三、TRD工法与SMW造价指标对比
        1)传统SMW工法成槽过程中隔一插一造价指标为800元/m3,但是常规深度最深为30米左右且还需在外侧增加高压旋喷桩止水帷幕(止水帷幕造价指标为800元/m3),而如采用地下连续墙满足深度要求,则30米左右深度地下连续墙造价指标约为2500元/m3,而TRD工法考虑H型钢插二挑一造价指标约为1500元/m3,不难看出如采用深度不深的围护施工时,TRD工法与传统的SMW工法(加上止水帷幕费用)造价指标相差不大,但是与地下连续墙工艺造价比较的话要节约不少费用;
        结合两种工法使用的各种情况下,得出如下经济指标分析图例(图10):
 
                                   图10
        2)此外在常规SMW工法实施过程采用三轴搅拌桩居多,由于搅拌桩机械成槽工艺的特殊性在水泥浆液加固过程中为三根一组,每组之间存在一定程度的搭接。而TRD工法采用切割箱钻至预定深度后即开始注入固化液向前推进挖掘搅拌成墙,两者相比较则TRD工法对于水泥浆液的使用上比SMW工法更加经济合理。如下图所示具体水泥加固工程量差异:
        SMW工法三轴搅拌桩搭接示意图(图11、图12):
 
                                                 图10
        以三轴850搅拌桩为例,搭接250mm,两根之间的搭接面积为S=0.1037m2
 
                                    图11
        S=F×2
        F=1/2×(R×0.017453×α×R—C×(R-h)),其中R(半径)=0.425m,h(搭接)=0.125m
        从上述公式中计算得出一组850搅拌桩(加固延长米为2.05m)加固土体面积为:
        三根850截面积+两处搭接面积=0.567×3+0.1037×2=1.91m2。
        同等情况下TRD工法桩加固土体面积为(图12):
 
                                                  图12
        TRD工法桩加固面积为:
        A(等同于SMW工法桩延长米为2.05m)×B(850mm)=1.74m2。
        通过上述两组图例不难看出同等深度下TRD搅拌桩所需要的水泥加固面积小于SMW工法桩的面积,并且随着SMW工法桩加固延长米越长则存在的组数之间以及每组内部的搭接也是越来越多。当然已成型的TRD序墙与后成型的TRD序墙需搭接50cm左右,但是该部分搭接数量比SMW搭接数量小很多。同时根据上述图例SMW工法在加固过程中布置方式上特别是转角或特殊位置还需重复布桩才能满足基坑围护要求,而TRD工法为50mm模数布置在桩位上更加经济合理。       
        由此可以说明在同等加固掺量前期之下,则选用TRD工法对于水泥材料的成本控制更为有利。  
        3)前面文章中提到TRD的工艺施工时由于采取了切割箱的工艺,可以使用于砂石土层及普通地下障碍物的工况,而如果采用SMW工法时则搅拌桩桩基无法清理原有地质中存在的石头等坚硬土层且容易造成桩机损坏等情况。以市场上清障施工较多的全回转清障机以及铣槽机举例,全回转清障机基本以日本进口设备为主,在传统SMW工法造价指标上增加清障造价指标基本为2000元/m3,而铣槽机基本上在地下连续墙造价指标上增加1500元左右/m3;
        4)另外TRD工法桩由于机械设备收净空高度限制较小且施工场地面较小,同时利用泥浆处理系统(全自动拌浆后台)比传统SMW工法桩安全文明、环境影响较小,现场泥浆外运及清洁等间接措施费用上比SMW传统工法要低;但是TRD工法比SMW工法桩增加吊车直接费用,主要增加的原因如下所示(图13):
 
                                             图13
        TRD工法在成槽之前需50t履带吊车将预埋箱吊放入预埋穴内,此外成槽过程中以及成槽完毕后需利用吊车将切割箱逐段吊入或吊出。所以TRD工法在实施过程中需现场常备一台吊车。
        5)在工期方面,特别是普通地质、深度不深以及场地不受限制情况下采用SMW工法,由于SMW工法构造简单,成槽速度较快。在工期方面可以比TRD工法节约一定工期。但是总体工期时间差异不大,如考虑机械降效费用为机械费的20%考虑,则两者工法之间全费用造价指标还是基本差不多;
        6)余土外运方面,TRD工法与SMW工法均存在一定程度置换土的工作内容,由于两种工法均使用喷水泥浆之后与原有土体搅拌成墙的做法,并且加固方式上大致相同。所以TRD工法与SMW工法(三轴搅拌桩)所产生的余土外运基本上大致相同,大约为成槽方量的20%至30%左右;
        7)如遇到上方空间受限情况,比如高架桥梁下方、高压线下方进行基坑围护实施过程中,则传统SMW工法桩搅拌桩机械无法满足。在城市内实施此类工程时候往往采用MJS水平旋喷桩进行地基加固以此来满足工程实施和保护原有构筑物,而目前市场上MJS价格基本上为1500元/m3,在水泥加固单价上就基本上TRD工法持平,同时还不包括插拔型钢或者是钻孔桩等工程费用。而MJS基本上以单轴单根进行地基加固,故在水泥加固工程量上存在与SMW工法相同的情况即存在大量搭接的问题。在这一方面TRD工法则在水泥加固成本方面更加经济合理。
        8)周边构筑物、管线保护方面,由于TRD工法喷浆过程中压力较小所以对基坑安全等级保护范围内周边构筑物或者管线影响较小,如选用SMW工法则有可能造成周边管线需临时搬迁、悬吊保护等措施,不管从施工进度筹划以及费用控制方面均是TRD工法有着明显优势。
        9)止水费用方面,由于TRD工法实施完成之后为连续性连续墙且墙体品质均匀,如果采用止水帷幕保护的话则TRD工法所需要的相关措施及费用比SMW工法要少,尤其是应对上海城市地区内高水位等不利地质情况下,往往在基坑围护中为了考虑隔断承压水以及止水保护时候选用钻孔灌注桩+高压旋喷桩、地下连续墙+RJP工法或者硬法咬合桩的施工工艺,我们从本节第一条已经分析过其他围护形式造价经济指标都高于或者等于TRD工法造价指标。所以在止水费用和保护方面TRD工法也较优于SMW工法。


四、结论
        总体而言TRD工法较常规SMW工法桩具有以下特点:
        (1)设备高度低,一般不超过13m,较传统设备拥有极高的安全性。
        (2)施工深度大,施工深度可达60m。
        (3)适应地层广泛,包括粘性土、砂土、砂砾及砾石层,在标贯值30击以上的密实砂层以及无侧限抗压强度不超过10MPa的软岩中也具有良好的适用性。
        (4)墙体垂直度高,使用插入式倾斜计对挖掘成墙状况进行实时监测,墙体垂直度可达1/250。
        (5)成型墙体等厚度,墙厚550~850mm,按50mm模数调整。
        (6)墙体连续无冷缝,内插H型钢等芯材间距可均匀布置。
        (7)深度方向墙体品质均一,多段式切割箱沿墙体垂直方向整体混合搅拌,通过横向挖掘搅拌,形成均质的水泥土搅拌墙。 
        (8)TRD工法在搅拌成墙过程中喷注水泥浆液过程中压力比SMW工法较小,特别是基坑围护紧邻保护建筑物或者管线时候,对于周边土体影响较小。
        (9)造价指标上面如在淤泥与淤泥质土、粉性土、素填土、黏性土及无流动地下水的饱和松散砂土软土地基、深度为30米以内地下基坑围护工程中,TRD工法造价指标与SMW工法造价指标接近,但是如遇上砂土或坚硬土层、地下障碍物情况存在、30米以上深度的地下基坑围护工程,则选用TRD工法技术经济指标优于SMW工法。


        参考文献:
        [1]上海隧道工程股份有限公司,上海市轨道交通14号线工程土建10标(黄陂南路站、大世界站、长乐路中间风井、黄陂南站路~大世界站盾构区间,                 .
        [2]上海隧道工程股份有限公司,上海长江西路越江隧道工程        .
 

稿源:《工程建设标准化》

作者:严嘉敏

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