深層攪拌與高壓擺噴復合體截滲墻技術(shù)研究與應(yīng)用

萬翔鴻，王 帥

（中國水利水電一局基礎(chǔ)工程分局，遼寧 大連 116041）

1 工程概況

哈達山水利樞紐防護堤防堤軸線長12 km，地層自上而下主要為中砂層、礫質(zhì)粗砂層、細礫層、砂礫卵石含少量粘性土層及粉砂質(zhì)泥巖，透水性強。其中12.5～14.5 m礫質(zhì)粗砂層飽和，中密；14.5～15.5 m細礫層飽和，中密～密實，其中卵石有局部集中現(xiàn)象；15.5～16.8 m的砂礫卵石層，密實；以下為灰綠色粉砂質(zhì)泥巖，泥巖上部0.9～3.9 m為全風化狀態(tài)，以下20～30 cm為強風化狀態(tài)。

防護堤防滲工程原設(shè)計防滲方案為深層攪拌防滲墻，防滲工程量21萬m2，墻體平均深度為17.5 m。原設(shè)計防滲墻技術(shù)指標為：墻體無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa；滲透系數(shù)不大于 i×10-6cm/s（1≤i≤5）；滲透破壞比降不小于100；設(shè)計允許滲透比降為50；成墻最小厚度（有效厚度）不小于200 mm。

施工前進行地質(zhì)復勘，并多次進行工藝驗證性試驗。地質(zhì)復勘結(jié)果表明，地層厚度劃分與設(shè)計劃分相當，但密實度較大，特別是12.5 m以下標貫擊數(shù)較高。在地質(zhì)復勘的同時也進行了工藝性試驗，采用不同功率的設(shè)備分別在不同施工區(qū)段共進行了3次工藝試驗，試驗結(jié)果表明：在地層深度12.5～14 m進行深攪時設(shè)備明顯“吃力”，攪拌頭磨損嚴重，攪拌軸也發(fā)生扭曲，設(shè)備故障頻頻發(fā)生，施工連續(xù)性差，截滲墻質(zhì)量難以保證，14 m以下樁機無法攪拌。為解決上述問題，經(jīng)多次研究討論，確定采用高壓擺噴、深層攪拌復合體截滲墻方案施工。方案確定后，在施工現(xiàn)場進行技術(shù)驗證性試驗論證與實施。

2 深層攪拌工藝成墻分析

深層攪拌防滲墻作為一種新型防滲結(jié)構(gòu)體，墻體結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，施工速度快。深層攪拌防滲墻一般墻厚20～40 cm，墻深一般不宜超過18 m。適用地層為淤泥、壤土層、粉質(zhì)粘土層以及礫石含量少且最大粒徑不超過2～4 cm的砂礫石層等地層密實度較小，允許深攪設(shè)備能夠充分攪拌的地層。

深層攪拌水泥防滲墻施工是采用深攪樁機，以一定的推動力使鉆桿的鉆頭向土層中推進并攪拌土體到設(shè)計深度，然后提升攪拌至孔口。在下沉和提升過程中，通過泥漿泵將水泥漿由高壓輸漿管輸進鉆桿，經(jīng)鉆頭噴入土體內(nèi)，在下沉和提升同時，水泥漿和原狀土充分拌和，形成具有一定強度和抗?jié)B能力的固結(jié)體。攪拌樁機有六頭、三頭、兩頭、單頭，具體視地層條件和設(shè)計墻體參數(shù)選用可行的設(shè)備類型。其成墻工藝主要包括攪拌下沉、噴漿提升攪拌、二次攪拌下沉、二次提升攪拌?，F(xiàn)以三頭攪拌設(shè)備分析成墻原理。

該成墻設(shè)備采用軸距325 cm、鉆頭直徑395 cm，一次成墻825 cm，如此反復，單樁相互搭接，從而形成可靠的、連續(xù)的防滲墻體。這種成墻技術(shù)功效高，單臺達6 000 m2/月，但對地層的要求嚴格，必須是深攪樁機能夠攪動的地層。

3 高壓擺噴工藝成墻分析

高壓噴射防滲板墻施工技術(shù)是20世紀80年代初引入我國，現(xiàn)被廣泛用于江河、水庫防滲與加固工程。該技術(shù)成墻原理是利用射流作用切割和攪拌地層，同時灌入水泥漿形成凝結(jié)體，借以達到加固地基和基礎(chǔ)防滲的目的。高壓噴射灌漿工藝就是利用鉆機造孔，然后把帶有噴頭的灌漿管下至土層的預定位置，用高壓設(shè)備把30 MPa左右的高壓射流從噴嘴中噴射出來，用該射流沖擊和破壞底層土體，與灌入漿液摻攪混合，在土體中形成凝結(jié)體。其形狀與噴射形式和噴嘴一動方向及持續(xù)時間密切有關(guān)。噴射時一面提升，一面擺動，則形成平面上似亞玲體豎向板墻，施工過程中分兩個次序，每個次序孔均包括先鉆孔再噴漿2個工序，中間為鉆孔，兩側(cè)亞鈴體為噴漿形成。先施工某一防滲區(qū)間內(nèi)的I序孔，再施該區(qū)間內(nèi)的II序孔，如此反復，相互搭接，形成連續(xù)的防滲體。由于高壓擺噴防滲技術(shù)適合的地層廣，施工的深度也較大，因此在多種防滲工程中被應(yīng)用，但工程造價相對較高。

4 深層攪拌與高壓擺噴復合體截滲墻技術(shù)成墻分析

4.1 技術(shù)可行性分析

該技術(shù)是先在設(shè)計防滲墻軸線上，采用深層攪拌技術(shù)施工地層上部適合深攪設(shè)備作業(yè)范圍內(nèi)的截滲墻，待上部截滲墻體形成一定強度后，在該墻體上游側(cè)40～50 cm范圍內(nèi)施工深攪截滲墻以下的高噴截滲墻。在平面位置上，這兩種墻體軸線存在一定的距離，易發(fā)生滲漏。為此采用旋噴技術(shù)，將擺噴截滲墻與深攪截滲墻完全連接成一個整體。見圖1。

圖1高噴防滲墻與水泥土截滲墻搭接示意圖

圖1 中水泥土墻在下游側(cè)，高壓擺噴墻在上游側(cè)，中間是高壓旋噴墻體，從剖面上看，地層0～12.5 m為深攪截滲墻，12～16.5 m為高壓擺噴截滲墻，12～12.5 m為高壓旋噴連接防滲墻，其中高壓擺噴截滲墻入巖50 cm。高壓擺噴孔孔距為1.3 m，高壓旋噴與高壓擺噴為同一鉆孔，在高壓擺噴噴至預定深度后改用旋噴噴至要求深度，由此可見，在從地面到基巖的所有強透水地層中形成自上而下相對封閉的截滲墻。上部地層適合深攪技術(shù)施工，下部地層適合高壓擺噴技術(shù)施工，兩種技術(shù)相互結(jié)合，通過高壓旋噴技術(shù)使其形成一個整體，從而達到設(shè)計要求的防滲目的，因此在技術(shù)上是可行的。

4.2 經(jīng)濟上合理分析

按照該工藝在哈達山防護區(qū)現(xiàn)有地層條件，以預算定額作為費用計算基礎(chǔ)，計算的深攪截滲墻、高壓擺噴截滲墻、高壓旋噴灌漿、高噴孔鉆孔的單價，以常規(guī)高壓擺噴孔距1.3 m估算各個方案的費用見表1。從表1可知方案一（深攪方案）工程造價最低，但不適于該地層，方案二（高壓擺噴截滲墻）造價最高，比方案三（復合體截滲墻）工程造價多1 937萬。由此可見，采用復合體截滲墻方案在適合于該工程地層的截滲墻方案中工程造價是最低的，在經(jīng)濟上是最可行的。

4.3 工期合理性分析

按照該工藝在哈達山防護區(qū)現(xiàn)有地層條件，以國內(nèi)普通設(shè)備的功效，計算的深攪截滲墻、高壓

擺噴截滲墻、復合體截滲墻的施工功效見表1。

表1 不同工法工程造價對比表

從表1中可知，在設(shè)備功效方面分析，3種工法的工效相當，復合體截滲墻先施工上部地層的深攪，后施工下部地層的高噴，雖工序較多，只要組織得當，工效能夠充分發(fā)揮。從設(shè)備的普遍性方面分析，深攪截滲墻施工設(shè)備不普遍，工期緊時難以找到更多的設(shè)備，工期難以保證；高噴墻施工設(shè)備最普遍，工期緊時容易找到同類設(shè)備，工期容易保證；復合體截滲墻采用高噴設(shè)備彌補深攪設(shè)備的不足，也容易保證工期。

通過以上分析，在優(yōu)化施工工藝后采用復合體截滲墻，技術(shù)上合理，能夠達到設(shè)計防滲要求，節(jié)約工程造價明顯，工期不受影響，比原方案更容易保證，因此優(yōu)化后的復合體截滲墻方案是可行的。這項方案的論證也曾召開有關(guān)專家進行專門論證通過。

5 深層攪拌與高壓擺噴復合體截滲墻技術(shù)成墻試驗驗證

優(yōu)化方案確定后，為進一步驗證該方案在該工程中的可行性，于2009年9—11月在設(shè)計截滲墻軸線外側(cè)附近部位進行復合體截滲墻的深攪截滲墻、高噴防滲墻的搭接試驗，試驗孔采用圍井的形式布置，圍井入巖0.5 m，圍井完成后進行井注水試驗和淺部開挖、墻體取樣檢查，檢查結(jié)果為墻體強度及抗?jié)B均滿足設(shè)計要求，井內(nèi)注水計算的滲透系數(shù)也滿足設(shè)計指標。

為直觀地檢驗復合體截滲墻在深部2種工法的墻體結(jié)合是否可靠，于2010年4月，在設(shè)計截滲墻軸線外側(cè)、基巖埋深較淺部位進行深攪截滲墻與高噴截滲墻的搭接試驗。試驗孔采用直線型布置，試驗完成后采取降水大開挖的形式進行檢查，開挖發(fā)現(xiàn)兩種工法的墻體搭接可靠，無孔洞、縫隙等。并通過以上兩次試驗確定了復合體截滲墻的施工參數(shù)。

其中深攪施工參數(shù)為：水泥摻入比12%、漿液水灰比1.7∶1～1.9∶1、攪拌頭直徑不小于 390 mm、一次成墻長度0.97 m、樁間搭接長度不小于70 mm、下沉速度不大于50 cm/min,提升速度不大于94 cm/min、中粗砂容重取1.96 g/cm3。高壓擺噴采用“三管法”，施工參數(shù)為：孔距1.3 m、提速中砂15 cm/min，細礫層10 cm/min，泥巖8 cm/min、水壓不低30 MPa。

6 深層攪拌與高壓擺噴復合體截滲墻施工技術(shù)實際應(yīng)用

通過一系列的理論分析、專家論證、現(xiàn)場試驗論證，確定復合體截滲墻工藝可行后，設(shè)計下發(fā)變更通知單進行正式施工。正式施工于2010年6月全線展開，至11月底完成大部分工程量，只留部分搭接高噴于2011年年初完成施工。2010年6月25日—2010年11月17日（含墻體檢查及處理時間），共投入18臺深層攪拌設(shè)備、12臺高壓擺噴設(shè)備，投入386名施工人員，共完成水泥土截滲墻120 631.30 m2，高噴鉆孔158 751.50 m，高壓擺噴灌漿49 262.42 m，高壓旋噴6 085.56 m。

復合體截滲墻墻體施工完成后進行全線（軸線長12 000 m）雷達無損檢查，無損檢查合格率95%，另外對檢查部位發(fā)現(xiàn)的薄弱地段進行了驗證孔取芯檢查，其中深攪墻地質(zhì)雷達檢測后驗證孔做了8孔，平均孔深10.5 m，合格率100%；高噴墻高密電法檢測后驗證孔做了14孔，平均孔深16.7 m，合格率100%；針對深攪墻體開挖檢查28孔，外觀質(zhì)量全部合格，合格率100%。常規(guī)防滲墻全線深攪鉆孔取芯檢查46孔，深攪鉆孔取芯檢查46孔，深攪與高噴墻搭接部位檢查6孔。只有局部由于機械設(shè)備故障出現(xiàn)搭接不可靠，絕大多數(shù)墻體滿足設(shè)計要求。對于檢查發(fā)現(xiàn)的問題采取補樁處理，處理后再檢，全部達到設(shè)計要求。芯樣抗壓強度均滿足設(shè)計指標。