導(dǎo)桿式旋切成槽構(gòu)筑薄防滲墻施工技術(shù)研究

梁心寧 ，謝文鵬 ，安凱軍 ，王明森

（1.濟南大學(xué)，山東 濟南 250022；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟南 250013；3.山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250013）

1 研究背景

地下連續(xù)墻防滲技術(shù)［1-2］是在地面上采用挖槽機械開挖出狹長的深槽，清槽后逐段灌筑適當?shù)墓袒牧?，形成一道具有防滲功能的地下墻體施工技術(shù)。該項技術(shù)已成為覆蓋層地基和土石壩工程的主要防滲措施之一，在水利、建筑、交通、市政等行業(yè)得到廣泛地應(yīng)用。但數(shù)量眾多的小型病險水庫［3］由于存在壩頂寬度小、防滲工程量小等客觀條件限制，造成現(xiàn)有連續(xù)墻成槽設(shè)備施工困難、施工單價高、施工臨時工程費用高等現(xiàn)實問題，使得現(xiàn)有防滲技術(shù)在小型水庫壩體防滲設(shè)計中難以采用。隨著國內(nèi)城市建設(shè)規(guī)模步伐的加快，城市綜合體、軌道交通以及地下綜合管廊大量出現(xiàn)，涉及到的基坑工程逐步成“大、深、近”的特點，在基坑的防滲處理過程中也出現(xiàn)了相應(yīng)的問題［4］。

因此，經(jīng)過研究和試驗，研制出新型地下連續(xù)墻成槽設(shè)備——導(dǎo)桿式旋切成槽機［5-6］以及其相應(yīng)工藝技術(shù)。本文結(jié)合已有的研究成果，根據(jù)以上所述存在的問題，重點介紹了該設(shè)備的核心組成、工作原理以及技術(shù)特點和工藝特點。本文可為以后類似地下連續(xù)防滲墻工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 導(dǎo)桿式旋切成槽構(gòu)筑薄防滲墻技術(shù)

2.1 導(dǎo)桿式旋切成槽機設(shè)備組成導(dǎo)桿式旋切成槽機由機臺、動力頭、導(dǎo)桿、切削成槽系統(tǒng)、漿液循環(huán)系統(tǒng)等五部分組成：①機臺：由導(dǎo)軌、鋼結(jié)構(gòu)平臺、履帶行走及牽引卷揚等構(gòu)成。②動力頭：由大功率調(diào)頻電機、減速機及操作系統(tǒng)構(gòu)成；③導(dǎo)桿：雙管單動組合導(dǎo)桿，外層為矩形管，內(nèi)層為厚壁無縫鋼管，內(nèi)管與減速機轉(zhuǎn)軸連接；④切削成槽系統(tǒng)：包括成槽器和無巖心鉆頭（交替布置）；⑤漿液循環(huán)系統(tǒng)：由大流量泥漿泵、管路等組成。詳見圖1。

2.2 導(dǎo)桿式旋切成槽構(gòu)筑薄防滲墻施工旋切成槽：導(dǎo)桿式旋切成槽機采用導(dǎo)桿定位給進，多軸豎向旋切開槽，由動力頭、導(dǎo)桿、成槽器、泥漿泵組成開槽系統(tǒng)。動力頭通過內(nèi)置于導(dǎo)桿內(nèi)的鉆桿提供扭矩給成槽器，帶動無巖心鉆頭組轉(zhuǎn)動。泥漿泵通過漿液管道、槽孔形成漿液循環(huán)，用于護壁和排除鉆渣。導(dǎo)桿沿開槽機機架豎向運動，對成槽器進行定向、加壓、提升，最終形成規(guī)則的槽孔。該設(shè)備成槽寬度在20～40 cm之間，單回次開槽長度1.8～3.4 m，垂直度小于5‰。

墻體澆注型式如下：

（1）固化灰漿連續(xù)墻：在成槽器到達設(shè)計深度后，通過漿液管路注入純水泥漿，成槽器端部的鉆頭組邊旋攪、邊緩慢提升，以實現(xiàn)原位機械攪拌，直至地面完成地下連續(xù)墻澆注；（2）自凝灰漿連續(xù)墻：將泥漿、膨潤土、水泥等材料預(yù)拌制成自凝灰漿原漿，成槽后通過漿液管路注入，成槽器不攪動緩慢提升，將槽內(nèi)泥漿置換成水泥漿，然后水泥漿凝固成墻；（3）混凝土或塑性混凝土連續(xù)墻：槽孔達到設(shè)計深度并經(jīng)清孔檢驗后，成槽器提出地面，下入導(dǎo)管采用水下澆筑混凝土或塑性混凝土成墻。

圖1 導(dǎo)桿式旋切成槽機設(shè)備

2.3 設(shè)備技術(shù)、工藝特點（1）設(shè)備購置費用低、場地條件要求低，綜合施工單價低。導(dǎo)桿式旋切成槽機全套設(shè)備購置費用僅為進口和國產(chǎn)液壓抓斗成槽主機購置費用的1/5～1/4；此外，成槽機配套附屬設(shè)備少，場地條件要求低、配套臨建工程量小，其綜合施工單價比目前采用液壓抓斗工法的施工單價降低20%～40%，具有更好的價格競爭優(yōu)勢。

（2）依靠成槽裝置自重和鉆頭組旋切共同作用成槽，施工相對簡單，地層擾動小、槽孔穩(wěn)定性好。采用多軸豎向旋切成槽工藝，相比抓切成槽來說對地層擾動小，有利于槽孔的穩(wěn)定，減少了發(fā)生塌槽埋鉆事故的幾率。

（3）澆筑材料選擇多樣化、工效高。該工法可澆筑混凝土、塑性混凝土、固化灰漿、自凝灰漿等墻體材料［8］。若采用固化灰漿澆筑工藝，其最大特點就是連續(xù)墻可一次成槽、成墻，相鄰兩槽孔之間省去接頭管［9］插拔的銜接過渡，即旋切成槽后，通過導(dǎo)桿內(nèi)導(dǎo)管向槽底注入固化漿液，開槽器前端的鉆頭組邊旋轉(zhuǎn)、邊緩慢提升，將固化漿液與槽內(nèi)泥漿進行充分摻攪形成水泥固化凝結(jié)體，施工簡單，工效得到明顯提升。在相同條件下施工，采用導(dǎo)桿式旋切成槽工藝的連續(xù)墻比采用液壓抓斗［10］工期縮短10%～20%。

2.4 適用范圍該工法主要適用于粉土、粉砂、砂壤土、壤土、黏土等粒徑≤60 mm的第四系覆蓋層，目前最大施工深度30 m?？蓾M足防滲墻入巖深度要求（膠結(jié)礫巖、風(fēng)化巖、砂巖、泥巖等）。

3 工程研究實例

3.1 工程概況某地鐵車站位于劉長山路與臘山西路交叉路口以東，站位敷設(shè)于劉長山路下方呈東西向布置，為地下兩層島式車站，車站中心里程SK2+007.185，主體規(guī)模208.5 m×18.3 m（內(nèi)徑），車站基坑長約210.1 m，寬19.3 m，基坑深16.7 m。本工程施工場地狹窄，站位北側(cè)地塊為施工板房區(qū)域，南側(cè)為在建（已封頂）高層商業(yè)公寓樓和規(guī)劃待建高層商業(yè)辦公樓。車站主體基坑附近主管線復(fù)雜，有交通信號管、飲用水管、光纖、天然氣管、供電管等管道。

區(qū)域由老到新依次出露有太古代泰山巖群；古生界寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系；新生界新近系及第四系。場區(qū)屬山前沖洪積傾斜平原地貌單元，地形相對平坦，地勢變化不大，地面標高44.10～45.70 m，勘探范圍內(nèi)地層自上而下可分為8層，各層物理力學(xué)指標見表1。

場區(qū)地下水分為第四系孔隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水兩種類型。

第四系孔隙水包含上層滯水和孔隙承壓水。上層滯水主要賦存于①層人工填土層以及⑧層黃土層中，埋深在10.20～14.30 m之間，其水位變化較大，為季節(jié)性水，主要靠大氣降水補給；孔隙承壓水位于與灰?guī)r接觸的粉質(zhì)黏土層中，具有微承壓性，富水性一般，主要接受下部的裂隙巖溶水的頂托補給。

碳酸鹽巖巖溶裂隙水，具有承壓性。水對第四系孔隙水有頂托補給作用，補給方式主要有大氣降水入滲補給、河床滲漏集中補給及第四系松散巖類孔隙水滲透補給等。各主要土層室內(nèi)試驗滲透系數(shù)見表1。

表1 各層土物理力學(xué)指標一覽表

3.2 工程處理設(shè)計基坑分東、西端頭井和標準段三部分，東端頭井基坑深度約18.53 m；西端頭井基坑深度約17.92 m；標準段基坑深度約16.59 m。原防滲方案全部采用支護樁間高壓旋噴樁止水型式［11-12］，但在先期施工的相鄰地鐵車站基坑開挖過程中，出現(xiàn)大范圍漏水點、滲水量遠遠大于設(shè)計預(yù)期的情況。后經(jīng)組織專家對該連續(xù)墻施工新技術(shù)進行現(xiàn)場考察和技術(shù)論證，將該車站基坑作為防滲新工藝試驗站點，采用導(dǎo)桿式旋切成槽機構(gòu)筑地下連續(xù)墻方案，試驗段軸線長476 m（防滲面積9000 m2），采用固化灰漿澆筑工藝［13］，防滲墻墻體有效厚度不小于25 cm，止水帷幕底部深入坑底以下4.0 m，水泥摻入比25%，墻體滲透系數(shù)K≤i×10-7cm/s，單軸無側(cè)限抗壓強度為R28=2.0～5.0 MPa。具體施工參數(shù)和要求如下：

（1）成槽速度：0.1～0.2 m/min（0.3-0.6 m2/min），成槽泥漿密度 1.25～1.35 g/cm3；

（2）鉆頭組成槽旋轉(zhuǎn)速度：100～150 r/min，原位攪拌旋轉(zhuǎn)速度：50～100 r/min；

（3）P.O42.5水泥與水比為0.8：1，泵送流量：800～1000 L/min；

（4）灌注提升速度：1.5 m/min；

（5）垂直度：≤5‰。

工程剖面圖見圖2，導(dǎo)桿式旋切成槽固化灰漿連續(xù)墻見圖3。

圖2 工程剖面圖

圖3 導(dǎo)桿式旋切成槽固化灰漿連續(xù)墻

3.3 固化灰漿配比試驗根據(jù)地層情況和工藝特點，兼顧便于施工和降低造價，地下連續(xù)墻澆筑材料采用固化灰漿替代塑性混凝土。為驗證固化灰漿成墻后是否滿足設(shè)計指標，需要進行材料配比試驗研究。

參照《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL174-2014）及《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T233-2011），根據(jù)工程等別及類似工程經(jīng)驗［14］，水泥摻入比取25%，水泥漿水灰比取0.8，造槽泥漿取用銑槽置換出的材料，比重控制在1.25～1.35（比重過小，混合漿液中土顆粒含量偏低，影響成墻質(zhì)量。比重過大易發(fā)生堵管堵泵，無法正常灌注，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，泥漿比重控制在上述指標范圍內(nèi)）。基準配合比計算表見表2。

以此配合比的水泥摻入比為基準值，另外兩個配合比的水泥摻入比宜比基準值分別增加和減少3%。三個配合比進行試配對比物理力學(xué)指標，選用滿足設(shè)計性能要求，較小水泥摻入比對應(yīng)的配合比見表3。

3.4 施工工藝（1）成槽器型式：箱體長3.3 m，寬25 cm，箱體端部上下交替設(shè)置直徑為360 mm、315 mm的“V”型無芯鉆頭各1排，間距190 mm，共計17組鉆頭。動力經(jīng)減速機、鉆桿、齒輪箱傳遞至鉆頭組，轉(zhuǎn)速控制在100～150 r/min。槽型見圖4。

表2 基準配合比計算表

表3 施工推薦配合比

圖4 成槽示意圖

為防范槽壁坍塌以及清孔換漿，優(yōu)先選用膨潤土固壁泥漿，制備膨潤土需經(jīng)溶脹12 h后方可經(jīng)強制式灰漿攪拌機制漿，固壁泥漿配比采用膨潤土：水=0.2：1（重量比），泥漿密度控制在1.15～1.25 g/cm3范圍內(nèi)。

槽段劃分與接頭處理：槽段劃分為Ⅰ、Ⅱ期槽分序進行施工，槽孔長由成槽器的長度確定，采用單孔一次成槽。二期槽孔施工時，采用“套打法”與Ⅰ期槽段連接，即二期槽對一期槽墻體接頭部位進行銑削套打，搭接長度為20 cm。套打接頭時，為保證接頭質(zhì)量，接頭側(cè)注漿管采用側(cè)噴形式洗刷接縫處，保證Ⅰ、Ⅱ期槽段連接良好。Ⅰ、Ⅱ期槽段施工時間間隔不應(yīng)小于48 h，不宜大于120 h。

（3）清孔：槽段開挖至設(shè)計深度后，即進行清孔換漿。一般采用正循環(huán)清孔，清孔換漿時間不小于20 min，清孔換漿質(zhì)量標準：槽底沉碴厚度≤100 mm。槽內(nèi)泥漿密度控制在1.25～1.35 g/cm3間，利用泥漿比重計進行測控。

（4）灰漿灌注：每槽段灰漿連續(xù)灌注，固化灰漿灌注量應(yīng)滿足計算要求。灌注灰漿完成后，孔口設(shè)置蓋板，防止其它雜物散落槽孔內(nèi)。在灰漿澆筑時，認真做好測量、觀察記錄。

①水泥漿攪拌、輸送：將比例為0.8：1的水泥與水進行攪拌之后利用泥漿泵將水泥漿輸送至待灌機臺處的儲漿罐。

②灌注：成槽機臺泥漿泵的吸漿管切換至水泥漿罐，將成槽器下至設(shè)計深度，利用開槽的循環(huán)管路把水泥漿輸送至槽底，邊攪拌邊提升鉆具，注漿過程中鉆具箱出漿口埋入固化灰漿漿液中的最小深度不宜小于2 m，則成槽器下至設(shè)計深度后應(yīng)開泵保持灌注1～2 min，待槽底固化漿液面上升并滿足最小埋入深度后，再緩慢提升鉆具，鉆具提升速度應(yīng)控制在1.5 m/min。原位機械攪拌轉(zhuǎn)速控制在50～100 r/min，注漿泵流量控制在800 L/min。

（5）泌水后補漿：槽孔內(nèi)固化灰漿經(jīng)過泌水沉淀后，排出孔口泌水，進行補漿。補漿時間不宜大于6 h。補充漿液拌制與固化灰漿拌制要求相同。補漿完成后須用0.3 m厚濕土覆蓋槽孔。

3.5 防滲效果檢測施工過程中對齡期已滿14 d的墻體進行現(xiàn)場鉆孔取芯檢查，取芯結(jié)果顯示凝結(jié)體連續(xù)性、均勻性較好，芯樣采取率在95%以上；在相鄰Ⅰ、Ⅱ期槽段搭接處均成功取芯。芯樣室內(nèi)養(yǎng)護至28 d進行室內(nèi)抗壓、滲透試驗，抗壓強度和滲透系數(shù)符合設(shè)計要求，具體試驗數(shù)據(jù)見表5。在完成基坑帷幕封閉后，對基坑分段進行開挖?；幼畲笸谏?6.7 m，實測坑外地下水位埋深約為8.0 m，基坑內(nèi)水位降深為18.0 m，開挖過程中試驗段未發(fā)現(xiàn)集中漏水點，基坑內(nèi)壁基本保持干燥狀態(tài)，基坑止水帷幕的防滲效果明顯優(yōu)于相鄰車站樁間旋噴樁止水帷幕。鉆孔取芯和防滲墻墻芯見圖5。

表4 室內(nèi)抗壓、滲透試驗結(jié)果一覽表

圖5 鉆孔取芯和防滲墻墻芯

室內(nèi)試驗結(jié)果分析：

單軸無側(cè)限抗壓強度：最大值R28max=4.82 MPa，最小值R28min=2.21 MPa，平均抗壓強度R28=3.45 MPa，均滿足設(shè)計要求的強度指標R28=2.0～5.0 MPa；

抗?jié)B系數(shù)：最大值K28max=8.17×10-7cm/s，最小值K28min=1.18×10-7cm/s，平均滲透系數(shù)K28=4.31×10-7cm/s，均滿足設(shè)計要求的抗?jié)B指標K28≤i×10-7cm/s（i=1-9）。

4 結(jié)論

（1）新型導(dǎo)桿式旋切成槽防滲技術(shù)在此深基坑工程中取得了良好的防滲效果，并為地下連續(xù)墻技術(shù)增添了新的施工工法。該技術(shù)是在導(dǎo)桿定向給進條件下，通過鉆頭組回旋切削破碎地層的成槽工藝。與水利行業(yè)傳統(tǒng)的沖擊鉆進、射水成槽、抓斗挖槽和垂直多頭回轉(zhuǎn)鉆成槽工法相比，該工法具有工藝簡單、設(shè)備廉價、輔助設(shè)備少、施工工效高、綜合施工單價低、場地適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點。利用該工法構(gòu)建的防滲體在防滲可靠性、墻體連續(xù)性、材料均勻性等方面，以及在粒徑≤60 mm的第四系覆蓋層成槽效率上具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。

（2）該項技術(shù)適用于普通混凝土、塑性混凝土、自凝灰漿和固化灰漿等多種材料澆筑成墻。此基坑防滲采用該項技術(shù)經(jīng)防滲效果檢測，能夠滿足深基坑帷幕在防滲可靠性方面的要求，為類似深基坑構(gòu)筑防滲體系提供了較為理想的選擇。

（3）該項技術(shù)目前仍有改進的空間，今后將在動力配置優(yōu)化、傳動結(jié)構(gòu)效率、鉆具密封型式、墻體防滲材料等方面做進一步提升改進研究。