導(dǎo)桿式開槽機(jī)構(gòu)筑地下連續(xù)墻施工技術(shù)研究

謝文鵬，肖立生

（山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014）

導(dǎo)桿式開槽機(jī)構(gòu)筑地下連續(xù)墻施工技術(shù)研究

謝文鵬，肖立生

（山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014）

導(dǎo)桿式開槽機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了自凝灰漿的改型配比和施工工藝，保證了墻體質(zhì)量的穩(wěn)定，確定的新型技術(shù)和施工工藝取得了參建各方的一致認(rèn)可，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于規(guī)范要求，為此類防滲型式在永久工程的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，對(duì)同類工程有較大借鑒意義。

導(dǎo)桿式開槽機(jī)；自凝灰漿；試驗(yàn)；施工工藝；指標(biāo)

南水北調(diào)棗莊市續(xù)建配套工程尚善水庫(kù)為新建平原水庫(kù)，控制流域面積131.37 km2，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，分上下庫(kù)，上庫(kù)總庫(kù)容340.11萬(wàn)m3，圍壩全長(zhǎng)3.289 km，最大壩高4.8 m；下庫(kù)總庫(kù)容560.09萬(wàn)m3，圍壩全長(zhǎng)4.272 km，最大壩高5.5 m。水庫(kù)為下挖式水庫(kù)，蓄水位與現(xiàn)狀地面基本持平，最大擋水水頭6.0 m，圍壩壩基存在強(qiáng)透水的礫質(zhì)粗砂層，設(shè)計(jì)采用厚度25.0 cm的自凝灰漿防滲墻，成槽深度至庫(kù)底基巖面以下1.0 m，成槽完成后灌注自凝灰漿，漿體凝固后形成垂直防滲墻體。設(shè)計(jì)指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度R28為2～3 MPa；墻體滲透系數(shù)K≤5×10-6cm/s；垂直度≤0.5%；水泥摻入量≥100 kg/m2。防滲面積8.1萬(wàn)m2，防滲軸線全長(zhǎng)7.56 km。

1 導(dǎo)桿式開槽機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

導(dǎo)桿式開槽機(jī)構(gòu)筑地下連續(xù)墻技術(shù)是由山東省水科院研究開發(fā)的一種用于水利工程建造防滲墻的新型技術(shù)，該技術(shù)采用導(dǎo)桿定位跟進(jìn)，多軸豎向回轉(zhuǎn)切削原理進(jìn)行開槽，由動(dòng)力頭、導(dǎo)桿、成槽器、泥漿泵組成開槽系統(tǒng)。動(dòng)力頭通過(guò)內(nèi)置于導(dǎo)桿內(nèi)的鉆桿提供扭矩給成槽器，帶動(dòng)無(wú)巖心鉆頭組轉(zhuǎn)動(dòng)；泥漿泵通過(guò)漿液管道、槽孔形成漿液循環(huán)，用于護(hù)壁和排除鉆渣；導(dǎo)桿沿開槽機(jī)機(jī)架豎向運(yùn)動(dòng)，對(duì)成槽器進(jìn)行定向、加壓、提升，最終形成規(guī)則的槽孔。灌注不同的材料可形成不同類型的防滲帷幕，墻體無(wú)縫連接。

1.1 主要設(shè)備及系統(tǒng)

1）施工平臺(tái)：采用履帶樁機(jī)操作平臺(tái)，用于承載動(dòng)力系統(tǒng)、開槽系統(tǒng)。2）動(dòng)力頭：大功率變頻調(diào)速電機(jī)，頂置式直聯(lián)結(jié)構(gòu)。3）導(dǎo)桿：上聯(lián)動(dòng)力頭，下聯(lián)成槽器，具有傳遞動(dòng)力、定向、導(dǎo)向、提升功能。4）成槽器：由一字排列的多軸無(wú)巖心鉆頭及箱體組成，導(dǎo)桿內(nèi)的鉆桿提供扭矩給成槽器旋切銑槽，最終形成規(guī)則的槽孔。5）漿液循環(huán)系統(tǒng)：由大流量泥漿泵及輸漿管路組成。形成漿液循環(huán)，用于護(hù)壁和排除鉆渣。

1.2 設(shè)備性能指標(biāo)

1）開槽技術(shù)參數(shù)：開槽寬度 25.0～40.0 cm，單次開槽長(zhǎng)度1.8～3.4 m，可連續(xù)或分序開槽，開槽最大深度30.0 m，垂直度0.5%，適用于顆粒直徑小于60.0 mm內(nèi)的各類地層；2）適用防滲墻類型：自凝灰漿防滲墻（小于 1×10-6cm/s）；混凝土防滲墻（小于1×10-7cm/s）；垂直鋪設(shè)復(fù)合土工膜（小于 1×10-9cm/s）。

2 自凝灰漿配比設(shè)計(jì)

2.1 自凝灰漿試驗(yàn)室配比試驗(yàn)

墻體設(shè)計(jì)28 d抗壓強(qiáng)度為2～3 MPa，滲透系數(shù)小于5×10-6cm/s。若按照《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL174-2014）對(duì)自凝灰漿配比的建議，難以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，并且本防滲工程為永久工程，對(duì)防滲的耐久性提出了更高的要求，需要對(duì)墻體材料配比進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，因此安排專人進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)。選定正交試驗(yàn)方法，根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的試驗(yàn)組合，試驗(yàn)選取L16（45）正交配合比表格，主要研究漿材的水膠比、當(dāng)?shù)仞ね翐搅俊⑴驖?rùn)土摻量三個(gè)因素對(duì)凝結(jié)體的力學(xué)指標(biāo)和防滲性能的影響規(guī)律與機(jī)理。每個(gè)因素選取4個(gè)數(shù)值，在現(xiàn)場(chǎng)前期的探索試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)定水膠比為 0.6、0.64、0.68、0.72；當(dāng)?shù)仞ね翐搅繛?9%、53%、57%、61%；膨潤(rùn)土摻量為 3.4%、3.8%、4.2%、4.6%。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，室內(nèi)配合比最終確定為水膠比為0.67，當(dāng)?shù)仞ね翐搅繛?0%，膨潤(rùn)土摻量為4%。

2.2 施工配合比

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段依照室內(nèi)配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配制，并對(duì)試驗(yàn)墻體的不同部位分別進(jìn)行了3組抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)檢測(cè)，墻體6.0 m處抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)平均值分別為：3.3 MPa、2.37×10-7cm/s；墻體8.0 m處抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)的平均值分別為：4.2 MPa、1.42×10-7cm/s。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明室內(nèi)配合比成墻完全滿足墻體設(shè)計(jì)指標(biāo)，但施工灰漿黏度過(guò)大,泵送時(shí)泵的負(fù)荷過(guò)重，因此在滿足成墻指標(biāo)的范圍內(nèi)略微調(diào)整水膠比為0.68、當(dāng)?shù)赝翐搅?3%、膨潤(rùn)土摻量4.2%，最終確定施工配合比如表1示。其性能指標(biāo)28 d滲透系數(shù)為3.6×10-7cm/s，28 d抗壓強(qiáng)度為3.4 MPa。

表1 自凝灰漿施工配合比

2.3 自凝灰漿灌注

本次固化灰漿成墻施工也是采用成槽后灌注自凝灰漿的方式，成槽質(zhì)量、入巖、殘?jiān)穸鹊染凑找?guī)范要求執(zhí)行。所不同的是成槽采用山東省水科院研制的導(dǎo)桿式開槽機(jī)銑槽，清孔完成后采用成槽機(jī)械自槽底開始灌注，且有攪拌功能，保證了墻體的均勻性，消除了泥皮，可以與周圍土體實(shí)現(xiàn)更好的銜接。

3 自凝灰漿施工

3.1 施工工藝流程

工程開工前首先進(jìn)行三通一平（通水、通電、通路以及場(chǎng)地平整），其后為自凝灰漿以及泥漿的拌制、儲(chǔ)備、運(yùn)輸修建與之配套的水泥與膨潤(rùn)土儲(chǔ)備場(chǎng)、泥漿池、自凝灰漿儲(chǔ)備池等配套設(shè)施，并將運(yùn)來(lái)的成槽設(shè)備進(jìn)行組裝、調(diào)試，確保其正常工作；一切準(zhǔn)備就緒后放線定位、開挖導(dǎo)槽進(jìn)行一期槽段的開挖，終孔驗(yàn)收后使用正循環(huán)法進(jìn)行清孔，清孔結(jié)束后灌注自凝灰漿漿液，并按規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)漿；待一期槽段內(nèi)灰漿凝固后按同樣方法進(jìn)行二期槽段的開挖與灌注。

3.2 主要工序及技術(shù)要求

1）成槽。防滲墻施工采用分槽段施工和切削套打法搭接，根據(jù)墻體總長(zhǎng)度，劃分為Ⅰ期槽和Ⅱ期槽，其中Ⅰ期槽長(zhǎng)度等于銑槽機(jī)鉆具箱長(zhǎng)度3.4 m，Ⅱ期槽長(zhǎng)度與一期槽搭接40 cm。施工順序：先開挖相鄰一期槽，待一期槽內(nèi)固化灰漿達(dá)到3天齡期后開挖其間二期槽，成槽沿一個(gè)方向進(jìn)行，順序?yàn)椋孩佟邸荨凇摺堋?/p>

2）灰漿拌制與灌注。成槽過(guò)程中，將正循環(huán)排出的槽內(nèi)泥漿首先收集于1號(hào)泥漿池初沉；然后用泥漿泵送入泥漿凈化系統(tǒng)去除大粒徑顆粒，并通過(guò)添加水或當(dāng)?shù)仞ね琳{(diào)整其比重為1.15~1.25；處理達(dá)標(biāo)的新鮮泥漿一部分作為成槽循環(huán)泥漿使用，一部分濕摻充分溶脹的膨潤(rùn)土作為拌制自凝灰漿的原料泥漿，添加膨潤(rùn)土后的泥漿比重控制在1.25~1.35；定量膨潤(rùn)土摻加完畢、攪拌均勻并檢測(cè)指標(biāo)合格后泵送入灰漿攪拌站，按防滲墻每平方米不少于100 kg水泥添加水泥，最終拌和均勻制成灌注用自凝灰漿的比重控制在1.4~1.5。

清孔驗(yàn)收合格后，將鉆具箱下沉至槽孔最底部，然后通過(guò)鉆具箱內(nèi)的多個(gè)出漿噴嘴進(jìn)行灰漿灌注。灌注時(shí)首先按照注漿流量的計(jì)算在槽底靜噴一段時(shí)間，使灰漿漫過(guò)鉆具箱，試驗(yàn)時(shí)約1 min；然后按照計(jì)算提鉆速度進(jìn)行勻速提鉆灌注，試驗(yàn)時(shí)速度為0.85 m/min，同時(shí)利用灰漿與泥漿的密度差，將槽內(nèi)泥漿置換出槽外。由于孔內(nèi)灰漿會(huì)泌水沉降，因此利用黏土將孔口周圍加高并進(jìn)行超量灰漿灌注。待槽孔內(nèi)自凝灰漿經(jīng)過(guò)泌水沉淀，并排出孔口泌水后，進(jìn)行補(bǔ)漿。補(bǔ)充漿液拌制與自凝灰漿拌制要求相同。補(bǔ)漿間間隔不宜小于6.0 h、不應(yīng)大于24.0 h。補(bǔ)漿完成且待灰漿稍作凝結(jié)后須用0.3 m厚濕土覆蓋槽孔。

4 成墻質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 墻體防滲性

利用原位試驗(yàn)測(cè)定墻身的滲透系數(shù)。2016年9月尚善水庫(kù)防滲墻項(xiàng)目外檢部在已達(dá)28 d齡期 的 0+741.5～1+048.7、1+454.1～1+647.7、3+258.4～3+349.6段，按50m一組的間隔進(jìn)行了原位測(cè)試，本次檢測(cè)按照《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》（SL345—2007）相關(guān)規(guī)定，采用鉆孔常水頭注水試驗(yàn)法檢測(cè)28 d齡期的固化灰漿防滲墻，試驗(yàn)方法如下：

在試驗(yàn)防滲墻軸線處鉆孔并下入套管后，用量筒向套管內(nèi)注入清水，將套管內(nèi)水位維持于套管口，測(cè)量出套管口水位與地下水位的水頭差H。試驗(yàn)初期，每隔5 min向套管注一次清水使管內(nèi)水位維持于管口，并記錄下注水量，連續(xù)進(jìn)行5次注水測(cè)量；然后每隔20 min注入1次清水并記錄注水量，至少進(jìn)行6次注水測(cè)量；當(dāng)連續(xù)2次注入流量的差小于或等于最后一次注入流量的10%時(shí)，視作滲流穩(wěn)定，停止試驗(yàn)。

經(jīng)計(jì)算墻體滲透系數(shù)范圍為1.36×10-6～9.0×10-8cm/s，且滲透系數(shù)較多集中在10-7這一數(shù)量級(jí)，表明墻體不但完全滿足設(shè)計(jì)防滲要求且具有較好的均一性。

4.2 墻體墻抗壓強(qiáng)度和連續(xù)性

項(xiàng)目施工過(guò)程中每50 m隨機(jī)抽取一組抗壓試件送外檢部檢測(cè)，所檢試塊均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。項(xiàng)目外檢部利用超高密度直流電法儀對(duì)已完工的防滲墻樁號(hào)0+745.6~1+600、2+034~2+600進(jìn)行連續(xù)性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明所有檢測(cè)段防滲墻整體連續(xù)性良好，完全符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

以導(dǎo)桿式成槽機(jī)為基礎(chǔ)的新型施工工法，在保證墻體質(zhì)量的前提下大大提高了成槽效率。與傳統(tǒng)自凝灰漿相比，該新型自凝灰漿的墻體指標(biāo)有了顯著提高，墻體均勻性好、防滲性能穩(wěn)定、耐久性顯著提高，可以用于低水頭永久工程。與混凝土防滲墻相比，價(jià)格降低40%以上，在建造低水頭防滲墻方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（責(zé)任編輯 遲明春）

TU753

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1009-6159（2017）-10-0044-02

謝文鵬（1979—），男，高級(jí)工程師