嵩湖堤除險加固工程射水造墻孔壁穩(wěn)定問題探討

黃鑫

（江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西 南昌 330029）

1 工程概況

嵩湖堤除險加固工程坐落于撫州市臨川區(qū)嵩湖鄉(xiāng)轄區(qū)，位于撫河中游左岸及夢港河下游右岸，整個防護(hù)圈長度13.53 km，圩堤總長12.23 km。其中0+000～5+800堤段位于撫河中游左岸，7+100～13+530堤段位于夢港河下游右岸，兩段堤中間5+800～7+100為大仙嶺山，整個圩堤呈“∩”布置。圩堤（樁號0+000～5+780）位于沖積階地上堤區(qū)地勢較為平坦，巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積層。堤身填筑土主要取自堤內(nèi)、外兩側(cè)地表，成分以壤土、粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、細(xì)中粗砂為主。其中樁號3+400～4+490段通過射水造墻進(jìn)行堤身堤基防滲，墻厚度均值22 cm，射水造墻施工全段堤頂現(xiàn)狀混凝土路面寬4.50 m，路基寬度6 m。

2 射水造墻施工重難點(diǎn)

水利工程中常用的射水造墻施工技術(shù)主要通過pH灰渣泵等輸漿設(shè)備輸送泥漿，泥漿到達(dá)成槽器底部的噴嘴后在高壓作用下形成高速流動的正循環(huán)泥漿流，切割破碎地層砂土卵石結(jié)構(gòu)的同時，施工設(shè)備中的成槽器、鉆桿、管道系統(tǒng)等均會在高速卷揚(yáng)機(jī)的帶動下沿上下向循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，對高速泥漿流切割鑿碎地層土體起到輔助性加速作用。這一過程保證槽孔尺寸符合設(shè)計要求。成槽后，通過混凝土澆筑架上所設(shè)置的電動葫蘆將料斗吊運(yùn)至導(dǎo)管口，通過導(dǎo)管法澆筑水下混凝土平板槽，并借助平接技術(shù)建造地下混凝土連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。射水造墻技術(shù)對于粘性土、砂類土、人工填土以及粒徑不超過100 mm的砂卵石地層均較為適用，當(dāng)前市場上普遍使用的BF-30型、CFS-30型、SQ-30型射水造墻機(jī)結(jié)構(gòu)中的開槽系統(tǒng)與混凝土澆筑系統(tǒng)大多按照一體化思路設(shè)計，與沖擊鉆、薄壁抓斗等同類型施工機(jī)械相比，具有更加穩(wěn)定的工程性能，質(zhì)量相對較輕，對承重要求及路面寬度要求相對不高，施工安全性好，且無需配備專門的混凝土拌和系統(tǒng)，施工成本節(jié)省。射水造墻施工過程中墻體規(guī)整且連續(xù)均勻，抗?jié)B系數(shù)普遍在10-7cm/s以下，如果摻加加氣劑，抗?jié)B系數(shù)還能提升2個數(shù)量級；抗壓強(qiáng)度基本能夠達(dá)到10～30 MPa。

嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 段堤身堤基射水造墻流水作業(yè)的過程中，先澆筑成單塊混凝土槽板，再連接成連續(xù)的防滲墻體，這種雙序法施工方式下，雙序號混凝土槽板澆筑的同時必須和單序號槽板緊密銜接，所以成孔是前提，孔壁穩(wěn)定是成孔的關(guān)鍵。

3 孔壁穩(wěn)定控制措施

3.1 造孔過程控制

造孔是射水造墻施工過程的關(guān)鍵，造孔質(zhì)量直接關(guān)系到成墻及除險加固工程施工質(zhì)量，施工期間必須結(jié)合地質(zhì)條件、地下水埋深，控制噴嘴射流壓力及泥漿水流速、流量及成型器進(jìn)尺速度，保證造孔施工質(zhì)量。如果噴嘴射流壓力過小、泥漿濃度不夠，將影響造孔進(jìn)尺和泥漿挾沙能力，增加孔內(nèi)水滲漏，甚至造成砂土大量回淤及孔壁塌方、埋鉆。如遇孔內(nèi)嚴(yán)重滲漏水，必須通過補(bǔ)水方式保持孔內(nèi)水位穩(wěn)定，并在補(bǔ)水過程中適當(dāng)摻加水泥，借助水泥漿固壁效果控制滲漏。終孔及洗孔時間主要影響回淤量，必須根據(jù)土質(zhì)條件決定。嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 段堤基射水造孔施工參數(shù)控制要求經(jīng)驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 射水造孔施工參數(shù)控制要求表

3.2 射流口紊流控制

射水造墻施工主要通過射流口噴出的高速水流破壞地層，工程所采用的SQ-30 型射水造墻機(jī)有8 個噴嘴，在長2 m、寬0.22 m 的斷面內(nèi)切割地層，期間，噴嘴口紊流必將對切割地層周圍孔壁造成破壞。為此，在成型器設(shè)計時可將噴嘴設(shè)置在成型器箱體結(jié)構(gòu)中，借助箱體結(jié)構(gòu)限制紊流破壞范圍。

3.3 泥漿固壁

泥漿固壁是地基加固處理過程中普遍面臨的施工環(huán)節(jié)，固壁泥漿靜壓力的大小主要取決于泥漿密度以及泥漿水頭等參數(shù)。在射水造孔的過程中一旦孔壁失穩(wěn)，泥漿便會承受因擠壓而產(chǎn)生的壓力，此時，泥漿強(qiáng)度和泥皮粘結(jié)強(qiáng)度便能及時發(fā)揮阻止孔壁滑塌的作用；與此同時，泥漿在流動過程中所產(chǎn)生的向上拖曳力也會為孔壁穩(wěn)定提供幫助。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》，孔內(nèi)泥漿液面應(yīng)控制在導(dǎo)墻頂面以下30～50 cm 的位置?？紤]到射水造孔水流就是泥漿水，將高速流動的泥漿水不斷射入孔內(nèi)破壞地層，孔內(nèi)漿液面較高，故射水造孔施工工藝下固壁泥漿靜壓力明顯提高，并能充分利用泥漿向上流動的拖曳力，孔壁穩(wěn)定更有保證。

固壁泥漿的供應(yīng)必須及時，并保證槽內(nèi)泥漿與槽口齊平。泥漿制備材料優(yōu)先選擇膨潤土粉，根據(jù)施工現(xiàn)場試驗，膨潤土泥漿質(zhì)量比具體見表2。不同施工階段泥漿性能控制指標(biāo)詳見表3。

表2 膨潤土泥漿配合比表

表3 泥漿性能控制指標(biāo)表

3.4 地下水位的影響

嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 堤段地面以下0.50～17.50 m 處為細(xì)砂卵石地層，首次造孔在高出地下水位0.35 m的孔口處進(jìn)行，待造孔至地面以下4 m后反循環(huán)出渣管口出砂量突然增大，但造孔進(jìn)尺卻呈減緩趨勢；5-10 min 后孔口四周約1.50 m范圍內(nèi)便出現(xiàn)一定程度的塌方。翌日地下水位略有下降，孔口高出地下水位0.54 m，在原孔位處重新按照施工方案造孔，所檢測到的孔內(nèi)泥漿密度達(dá)到1.40 t/m3；但是當(dāng)造孔施工進(jìn)行至地下5 m時孔口四周又發(fā)生二次塌方，塌方范圍更大，施工技術(shù)人員通過低標(biāo)號水泥漿將塌方處填筑處理后跳過兩個孔位繼續(xù)造孔，仍存在塌孔問題。10 d后該孔口地下水位降至0.80 m，再次造孔并將孔內(nèi)泥漿密度控制在1.30 t/m3以上，造孔至地面以下7 m時原水泥砂漿填筑地層再次塌陷。技術(shù)人員通過分析認(rèn)為，孔口以下5 m處的水泥砂漿層孔壁較為穩(wěn)定，而造孔深度超出5 m 后便進(jìn)入砂卵石地層，造孔時將孔位內(nèi)砂卵石抽出后四周的砂卵石隨即發(fā)生流動，填補(bǔ)孔位，同時架空水泥砂漿層，引發(fā)斷裂塌陷。3 d后地下水位仍在下降，在孔口比地下水位高出1 m時造孔，泥漿密度至少1.30 t/m3，這次造孔較為成功，此后混凝土澆筑過程中也并未出現(xiàn)意外，單塊混凝土槽板成型良好，且隨著水位的持續(xù)下降，造孔時孔壁穩(wěn)定性也越好。對于孔口比地下水位高出1.50 m及以上的情況，泥漿密度即使為1.20 t/m3，也能成功造孔。

為保持孔壁穩(wěn)定，固壁泥漿密度理論值應(yīng)采用以下公式計算：

式中：ρ—固壁泥漿密度理論值（t/m3）；r0—地基土干容重（kN/m3）；h—造孔點(diǎn)位地下水位（m）；α—造孔孔口高出地下水位的值（m）；rw—地基土飽和容重（kN/m3）；K—地基側(cè)壓力系數(shù)；H—造孔點(diǎn)位泥漿水深度（m），且H=α+h。

式（1）基于孔壁穩(wěn)定的假設(shè)進(jìn)行造孔過程中某一具體點(diǎn)位固壁泥漿密度計算，不考慮其他影響因素的情況下，該點(diǎn)位固壁泥漿側(cè)壓力與地下水靜壓力和孔壁側(cè)壓力之和相等。對于嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490堤段，應(yīng)用簡易方式所測得的砂卵石層土體干容重和飽和容重分別為20.41 kN/m3和21.98 kN/m3，內(nèi)摩擦角42°。考慮到該工程造孔過程中踏空主要發(fā)生在地面以下5 m處，故選擇地面以下5 m為計算點(diǎn)，根據(jù)《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》的要求，孔口高程應(yīng)比地下水位高2 m，根據(jù)式（1）所得到的射水造孔孔壁穩(wěn)定時固壁泥漿理論密度值為0.77 t/m3。

嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 堤段具體施工過程中影響射水造墻孔壁穩(wěn)定的因素很多，且泥漿密度一般在1.10～1.20 t/m3之間，如果按照1.10 t/m3的最低值以及現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范計算，固壁側(cè)壓力必須大于0.154 MPa的倒壁側(cè)壓力，才能保證孔壁穩(wěn)定。以此為標(biāo)準(zhǔn)繪制不同地下水位條件下固壁側(cè)壓力超出倒壁側(cè)壓力的壓力差和固壁泥漿密度關(guān)系曲線，具體見圖1。

由圖1可知，當(dāng)造孔孔口高出地下水位1 m時［圖1（a）］，固壁泥漿密度應(yīng)至少在1.20 t/m3以上，固壁側(cè)壓力超倒壁側(cè)壓力差才能升高至0.15 MPa 以上。當(dāng)造孔孔口高出地下水位2 m時［圖1（b）］，固壁泥漿密度應(yīng)至少在1.10 t/m3以上，固壁側(cè)壓力超倒壁側(cè)壓力差才能升高至0.15 MPa以上。當(dāng)造孔孔口高出地下水位3 m時［圖1（c）］，固壁泥漿密度即使為1 t/m3（即使用清水），固壁側(cè)壓力超倒壁側(cè)壓力差也能升至0.15 MPa 以上。故實際施工過程中，必須將安全點(diǎn)設(shè)置在固壁側(cè)壓力超倒壁側(cè)壓力差0.15 MPa以上，才能避免塌孔，保持孔壁穩(wěn)定。

圖1 固壁側(cè)壓力超倒壁側(cè)壓力差和固壁泥漿密度關(guān)系曲線圖

根據(jù)以上分析，射水造孔施工過程中孔壁穩(wěn)定受地下水位的影響非常大，規(guī)范中有關(guān)造孔孔口應(yīng)比地下水位高出2 m的規(guī)定是可靠的，但是在射水造墻工程實踐方面，因設(shè)計及施工技術(shù)等方面的差異，在造孔孔口比地下水位高1 m、固壁泥漿密度1.30 t/m3以上時造孔施工也能取得孔壁穩(wěn)定的效果。

4 結(jié)論

綜上所述，射水造墻施工技術(shù)之所以工效高、質(zhì)量事故少，很大原因在于成孔可靠、速度快。通過造孔過程控制、射流口紊流控制、泥漿固壁及地下水位控制等射水造孔護(hù)壁措施的實施，為嵩湖堤除險加固工程樁號3+400～4+490 堤段射水造墻施工過程的安全性及施工質(zhì)量提供了可靠保證。文中的分析也為水利工程防滲墻滲漏加固施工提供了成功經(jīng)驗，射水造墻加固技術(shù)在江河堤防防滲、工民建深基坑開挖地下截水墻、圍堰及水庫除險加固等工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。