沈 捷

（廣州地鐵集團有限公司 廣州 510330）

0 引言

TRD（Trench cutting Re-mixing Deep wall）工法，又稱等厚度水泥土攪拌地下連續(xù)墻工法，是2009年從日本引進至國內(nèi)的一種利用鋸鏈?zhǔn)角邢飨溥B續(xù)施工等厚水泥土攪拌墻的施工技術(shù)，其成墻工藝為首先將鏈鋸型切削刀具插入地基，掘削至墻體設(shè)計深度，然后注入固化劑使其在整個墻體設(shè)計深度范圍內(nèi)與原位土體進行充分的攪拌混合，并持續(xù)橫向掘削、攪拌，水平推進，構(gòu)筑成連續(xù)的等厚度水泥土攪拌地下連續(xù)墻［1-2］。

TRD 工法構(gòu)建的等厚度水泥土攪拌地下連續(xù)墻與內(nèi)插型鋼相結(jié)合可作為基坑型鋼水泥土攪拌地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)體系［3-4］。在型鋼水泥土攪拌地下連續(xù)墻組合結(jié)構(gòu)體系，水泥土主要作為止水帷幕、約束H 型鋼發(fā)生側(cè)向變形而失穩(wěn)［5-7］；H 型鋼則因其剛度和抗拉壓強度高而作為主要的受力構(gòu)件。盡管內(nèi)插型鋼TRD工法構(gòu)造相對簡單，然而對于兩種剛度差極大的材料組合體系，其力學(xué)響應(yīng)機理復(fù)雜，特別是其承載變形特性以及型鋼和水泥土相互作用與傳統(tǒng)的樁墻支護體系存在差異，研究尚滯后于工程實踐［8-11］。為此，本文以廣州市番禺區(qū)廣州地鐵某停車場U 型槽基坑（廣州市首個采用TRD 工法的基坑工程）為工程依托，采用Midas∕GTS 有限元軟件建立精細(xì)的三維有限元模型，對TRD工法型鋼水泥土攪拌地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的承載和變形特性進行分析和研究，總結(jié)出相關(guān)經(jīng)驗，為TRD工法在大灣區(qū)尤其是廣州地鐵建設(shè)項目的推廣和應(yīng)用打下堅實的理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 基坑概況

某停車場位于番禺大道北以東，市南路以北，草龍沙河二街以西的地塊內(nèi)，車場呈東西向布置。地塊長約990 m，寬約220 m，停車場永久占地面積約20 公頃。該選址現(xiàn)狀為田地、廠房及少量的村民住宅。綜合樓位于停車場南側(cè)，現(xiàn)狀地面標(biāo)高約為4.6～7.9 m，場地要求初步平整標(biāo)高為5.5 m。出入場線洞口里程為RDK2+840.12，出洞口后設(shè)置U型槽，U型槽深度為0～11.3 m。出入場線U型槽段位于停車場用地紅線以內(nèi)，南側(cè)距離市南路僅4.95 m，周邊已進行征地拆遷，無已建建筑物。

1.2 水文地質(zhì)概況

停車場地質(zhì)相對復(fù)雜，由上到下依次為0.3～2.5 m填土層、0.6～5.1 m 淤泥及淤泥質(zhì)土層、1.0～5.1 m 淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、0.5～8.05 m 粉質(zhì)黏土層、0.9～7.4 m 殘積土層、0.7～7.2 m 泥質(zhì)粉砂巖全強風(fēng)化層、基巖為泥質(zhì)粉砂巖層，地層分布不均。基坑開挖范圍主要為填土、淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層等?；涌拥字饕獮橥翆?，局部為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖土。因此，場地的地質(zhì)條件復(fù)雜，土質(zhì)情況較差，軟弱土層最后深度達(dá)10.0 m，透水粉砂層達(dá)5.0 m，對圍護結(jié)構(gòu)的剛度、止水性和施工工期均有嚴(yán)格的要求。

2 三維有限元模型的建立

2.1 基本情況

基坑開挖深度11.3 m，頂部設(shè)置0.8 m×1.2 m C30混凝土冠梁，設(shè)置兩道支撐，第一道采用0.8 m×0.8 m混凝土內(nèi)支撐，水平間距9.0 m；第二道采用φ609壁厚16 mm 鋼支撐，水平間距3.0 m，與第一道混凝土內(nèi)支撐豎向間距為3.85 m，典型剖面如圖1 所示。TRD 等厚度水泥土攪拌地下連續(xù)墻深度14.5 m，內(nèi)插HN700×300×13×24H型鋼。有限元數(shù)值模擬分別分析TRD 墻體厚度、抗壓強度、內(nèi)插H 型鋼水平間距和內(nèi)插型鋼插入深度4個因素對支護效果的影響。三維有限元模型取90.2 m×16.0 m×25.0 m 的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側(cè)邊限制向基坑方向的水平位移，三維有限元模型如圖2所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面（A段）Fig.1 Profile of Foundation Pit Support Structure（A）（mm）

圖2 Midas/GTS有限元模型Fig.2 Midas/GTS Fem Model

2.2 基本假定

該模型建立的基本假定主要如下：

⑴土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)體系本構(gòu)模型采用線性彈性模型，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical Parameters of Materials in Finite Element Model

⑵假定各土層都為成層均質(zhì)水平分布；

⑶不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響；

⑷不考慮開挖過程中的時間因素。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 TRD墻體厚度對支護結(jié)構(gòu)體系承載變形性狀影響

Midas∕GTS 有限元模型中，分別設(shè)置TRD 墻體厚度為0.85 m、1.2 m 和1.4 m，TRD 墻體的水泥土無側(cè)限抗壓強度設(shè)計值為qu=1.8 MPa，對應(yīng)彈性模量取qu的100倍，即180 MPa，TRD 墻體厚度對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 TRD墻體厚度對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總Fig.3 Summary of the Effect of the Thickness of the TRD Wall on the Deformation Behavior of the Supporting Structure

3.1.2 TRD 墻體水泥土抗壓強度對支護結(jié)構(gòu)體系承載變形性狀影響

在Midas∕GTS有限元模型中，分別設(shè)置TRD墻體水泥土無側(cè)限抗壓強度為qu=0.8 MPa、1.8 MPa和2.4 MPa，對應(yīng)的彈性模量取qu的200倍，即分別為160 MPa、360 MPa和480 MPa，TRD 墻體水泥土剛度（彈性模量）對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 TRD墻體水泥土彈性模量對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總Fig.4 Summary of Simulation Results of the Effect of TRD Wall Cement-soil Elastic Modulus on Supporting Deformation Behavior of Supporting Structure

3.1.3 內(nèi)插H 型鋼水平間距對支護結(jié)構(gòu)體系承載變形性狀影響

Midas∕GTS有限元模型中，分別設(shè)置TRD墻體厚度為0.85 m，TRD 墻體的水泥土應(yīng)彈性模量為180 MPa，內(nèi)插型鋼水平間距分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m，內(nèi)插H 型鋼水平間距對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 內(nèi)插H型鋼水平間距對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總Fig.5 Summary of the Simulation Results of the Effect of Interpolating the Horizontal Spacing of H-shaped Steel on the Load-bearing Deformation of the Supporting Structure

3.1.4 內(nèi)插型鋼插入深度對支護結(jié)構(gòu)體系承載變形性狀影響

Midas∕GTS有限元模型中，分別設(shè)置TRD墻體厚度為0.85 m，TRD 墻體的水泥土應(yīng)彈性模量為180 MPa，內(nèi)插型鋼水平間距為1.0 m，內(nèi)插型鋼插入坑底深度分別為TRD 墻體深度H 的60%、75%、85%和95%，內(nèi)插H 型鋼插入深度對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總?cè)鐖D6所示，其中H為TRD墻體深度。

圖6 內(nèi)插H型鋼插入深度對支護結(jié)構(gòu)承載變形性狀影響模擬結(jié)果匯總Fig.6 Summary of the Simulation Results of the Influence of the Insertion Depth of H-beam on the Bearing Deformation of the Supporting Structure

3.2 結(jié)果分析

隨著TRD墻體厚度和強度的增加，TRD墻體分擔(dān)的彎矩明顯增加，但對支護結(jié)構(gòu)的位移以及TRD墻體分擔(dān)的應(yīng)力無明顯影響，由TRD墻體和型鋼的力學(xué)性能可知，TRD 墻體不宜分擔(dān)較大的彎矩，故建議TRD墻體厚度不宜超過0.85 m。同時，TRD 的墻體厚度并非由支護體系的位移和應(yīng)力控制，而是由對內(nèi)插型鋼的約束和防止型鋼對水泥土的壓壞以及TRD 墻體抗?jié)B性控制，因此TRD墻體水泥土的無側(cè)限抗壓強度也無必要過高，一般大于1.0 MPa即可。

由圖5可知，隨著內(nèi)插型鋼水平間距的增加，支護結(jié)構(gòu)的水平位移迅速增加，但對型鋼的彎矩和應(yīng)力分擔(dān)無明顯影響，故調(diào)整內(nèi)插型鋼的水平間距能有效地控制支護結(jié)構(gòu)的水平位移。由圖6 可知，隨著內(nèi)插型鋼插入深度的減小，支護結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增加，型鋼分擔(dān)的彎矩和應(yīng)力也相應(yīng)增加，當(dāng)內(nèi)插型鋼的插入深度小于TRD墻體深度的85%時，支護結(jié)構(gòu)體系的水平位移迅速增加，因此，建議內(nèi)插型鋼的插入深度不宜小于TRD 墻體厚度的85%。型鋼分擔(dān)總彎矩和總應(yīng)力的比例與各變量因素之間的關(guān)系如圖7 所示，可知，型鋼是分擔(dān)支護結(jié)構(gòu)體系彎矩和應(yīng)力的主要構(gòu)件，隨著TRD 墻體的墻體厚度和彈性模量的增加，型鋼分擔(dān)的彎矩逐漸減小，但型鋼分擔(dān)的彎矩仍占75%以上；當(dāng)內(nèi)插型鋼水平間距小于1.0 m 時，型鋼分擔(dān)彎矩的比例隨型鋼水平間距的增加而減小，但當(dāng)內(nèi)插型鋼水平間距大于1.0 m 時，型鋼分擔(dān)彎矩的比例不再隨型鋼水平間距的增加而變化；內(nèi)插型鋼的插入深度對型鋼的彎矩和應(yīng)力分擔(dān)無明顯影響。不同模擬條件下，型鋼分擔(dān)的應(yīng)力比例均大于95%。

圖7 型鋼分擔(dān)總彎矩和總應(yīng)力的比例與各變量因素之間的關(guān)系Fig.7 The Relationship between the Proportion of the Total Bending Moment and Total Stress Shared by the Section Steel and Various Variable Factors

4 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較

廣州地鐵某停車場U 型槽基坑工程TRD 工法支護體系進行了型鋼應(yīng)力和墻體深層位移等項目的監(jiān)測，基坑設(shè)計理正計算結(jié)果、Midas∕GTS 計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比Fig.8 Comparison of Calculation Results and Monitoring Results

由圖8 可知，TRD 墻體的實測水平位移比理正計算結(jié)果和有限元模擬結(jié)果均小很多。對于理正計算結(jié)果，理正計算時是不考慮TRD墻體抗彎剛度的影響的，但由圖9 可知，當(dāng)TRD 墻體的彈性模量（與抗壓強度相關(guān)）較大時，TRD 墻體的抗彎剛度可達(dá)支護體系的25%，此時，若忽略TRD 墻體對抗彎剛度的影響，設(shè)計上是保守的。由現(xiàn)場TRD 墻體水泥土抽芯試驗結(jié)果可知，TRD 墻體的水泥土130 d 無側(cè)限抗壓強度大部分可達(dá)4.0 MPa 以上，二者均比有限元中設(shè)定的1.8 MPa 大，因此，TRD 墻體本身抗彎剛度實際工程中也會有較大發(fā)揮，而TRD 內(nèi)插H 型鋼支護體系的實際位移比理正計算結(jié)果和有限元模擬結(jié)果小。

圖9 TRD墻體水泥土抗壓強度Fig.9 Cement Soil Compressive Strength of TRD Wall

5 結(jié)論

廣州地鐵某停車場U 型槽基坑工程是廣州地區(qū)首個采用TRD 工法的基坑工程，工程場地地層復(fù)雜，對基坑的擋土結(jié)構(gòu)和止水帷幕的可靠性提出了極高的要求，基坑工程采用的內(nèi)插H 型鋼TRD 等厚度水泥土攪拌地下連續(xù)墻作為擋土止水結(jié)構(gòu)，確保了基坑工程的順利實施并有效地保護了周邊環(huán)境，得到的主要結(jié)論如下：

⑴從承載性能方面來看，TRD 工法在廣州地區(qū)復(fù)雜地層中的應(yīng)用是可行的。

⑵TRD 內(nèi)插型鋼支護結(jié)構(gòu)的位移隨型鋼水平間距的增加和插入深度的減小而增加，隨TRD墻體彈性模量的減小而增加。當(dāng)型鋼插入深度小于TRD 墻體深度的85%時，支護結(jié)構(gòu)體系的水平位移迅速增加。

⑶ 型鋼是分擔(dān)彎矩和應(yīng)力的主要構(gòu)件，隨著TRD 墻體彈性模量的增加，型鋼分擔(dān)的彎矩逐漸減小，但型鋼分擔(dān)的彎矩仍是主導(dǎo)的；型鋼分擔(dān)的應(yīng)力逐漸減小，但型鋼分擔(dān)的應(yīng)力仍占95%以上。

⑷TRD 的墻體厚度并非由支護體系的位移和應(yīng)力控制，而是由對內(nèi)插型鋼的約束和防止型鋼對水泥土的壓壞以及TRD墻體抗?jié)B性控制。

⑸ 當(dāng)現(xiàn)場TRD 墻體水泥土的抗壓強度大于1.8 MPa 時，可適當(dāng)考慮TRD 墻體的抗彎剛度對支護體系整體抗彎剛度的貢獻。