高噴攪拌技術組合防滲墻在地基處理中的應用

楊慧勤，劉新朋，胡曉輝

（河南省水利第一工程局集團有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著我國水利事業(yè)持續(xù)推進，大批水利工程正處于興建階段，防滲墻設計施工是重要環(huán)節(jié)之一[1]。近些年，相關學者對防滲墻技術已展開研究，張發(fā)林[2]基于小浪底水利樞紐配套工程西霞院反調節(jié)水庫，研究了高壓旋噴灌漿施工技術的可行性；劉海濤[3]等通過研究高填方輸水明渠水泥攪拌樁防滲墻施工技術，發(fā)現(xiàn)水泥攪拌樁施工技術不僅可以用于地基處理，還可以合理滿足明渠防滲、加固作用；汪建[4]等以安徽績溪抽水蓄能電站為例，研究了考慮軟巖基礎的防滲墻施工技術；譚健波[5]以淠河某工程為實例，將摻加膨潤土的低強度塑性混凝土用于防滲墻，并研究其配合比，為防滲墻設計提出了相應的質量控制措施，降低了工程成本。目前，防滲墻主要分為3種：塑性混凝土防滲墻、攪拌防滲墻和高噴防滲墻[6]。本文兼顧三者的優(yōu)點，提出一種新型的防滲墻技術——高噴攪拌技術組合防滲墻，將有效地完成3 種工藝的連接搭建工作，使其能進行復雜地基防滲處理工作。

1 工程概況

1.1 工程簡介

賈魯河綜合治理工程施工5 標包括河道治理和原址拆除重建后曹閘[7]。新建后曹閘位于河道樁號122+820處，屬于開敞式平底板閘，共7孔，單孔凈寬10 m，主要建筑物等級為1 級，100 a 一遇洪水設計流量、200 a 一遇洪水校核標準相應控泄流量均為634 m3/s，閘前正常蓄水位72 m。閘室段豎向防滲采用防滲墻，平均深度為底板以下10 m，墻厚0.4 m[8]。

1.2 工程地質條件

場區(qū)位于黃淮沖積平原區(qū)，地形平坦開闊，閘址附近微地貌屬平原河地貌。場區(qū)地層為黏砂多層結構，由第四系全新統(tǒng)砂壤土、粉砂、輕粉質壤土、細砂和上更新統(tǒng)重粉質壤土、細砂組成，地層分布較穩(wěn)定[9，10]。其中，輕粉質壤土含鈣質結核，最大結核粒徑可達10 cm 以上，且局部較多；細砂層屬于中密～密實狀，偶見3～5 cm 粒徑礫石；重粉質壤土屬于可塑～硬塑狀，局部呈堅硬狀，含少量粒徑1～3 cm 的鈣質結核。

2 防滲墻設計技術比選

賈魯河后曹閘防滲墻長度為168 m，閘底板以下10 m，厚40 cm，工程量約1800 m2，計劃工期1個月。

2.1 塑性混凝土防滲墻

塑性混凝土防滲墻的材料不同于普通混凝土防滲墻，其選用黏土或膨潤土作為柔性墻體材料，使防滲墻變形模量與周圍土體相接近，能更好地適應地基變形。

2.1.1 工期

（1）CFG 影響。后曹閘基礎工程中混凝土防滲墻緊鄰CFG 樁的上游側。塑性混凝土防滲墻施工的液壓抓斗重量在60 t 以上，吊車、挖掘機、混凝土運輸車、土方外運車等設備工作重量很大，來回移動對CFG 樁及周圍地層有影響，一般需CFG 樁養(yǎng)護約14 d后才能進行混凝土防滲墻的施工。

（2）臨時工程影響。塑性混凝土防滲墻施工需制作鋼筋混凝土導墻，導墻需養(yǎng)護14 d 后才能進行主體工程施工，施工需建專用的制漿、儲漿、送漿系統(tǒng)，并且需有專用混凝土排漿溝。臨時工程的施工及達到使用條件，約需1個月。

（3）施工及檢測影響。塑性混凝土防滲墻的施工及檢測需1.5個月。

綜上，塑性混凝土防滲墻的綜合施工時間需3個月。

2.1.2 成本

（1）塑性混凝土防滲墻施工需修建鋼筋混凝土導墻、具有一定強度的作業(yè)面和制漿、儲漿、送漿、排漿系統(tǒng)，臨時工程費用高。

（2）塑性混凝土防滲墻施工需投入較多重型設備，如液壓抓斗成槽機、挖掘機、裝載機、吊車、渣土車等，且設備進出場需10 余臺板車及大車，設備進出場費用較高。

（3）塑性混凝土防滲墻成槽時，原地層需全部挖掘堆放、裝車外運，抓槽時需不間斷輸送泥漿護壁，土方及廢漿的外運及處置費用高。

綜上，該項目采用塑性混凝土防滲墻設計施工，經(jīng)估算工程綜合單價高。

2.1.3 效果

（1）使用抓斗、沖擊鉆等手段，能適用各種地層及深度。

（2）塑性混凝土防滲墻將原地層全部置換為混凝土，槽段長度一般為6～8 m，均一性、連續(xù)性最好，工程質量最有保證。

2.2 攪拌樁防滲墻

2.2.1 工期

攪拌樁防滲墻施工速度較快，可與CFG 樁同期施工，不占用節(jié)點工期，并且沒有臨時工期，綜合施工時間約需30 d。

2.2.2 成本

攪拌樁防滲墻在施工時沒有臨時工程費用，施工設備進場費用較低，并且由于原地層機械攪拌，不產(chǎn)生廢土及廢漿，沒有土方及廢漿外運及處置費用。此外，攪拌樁防滲墻水泥用量少，綜合單價低。

2.2.3 效果

攪拌樁防滲墻僅適用于軟塑～可塑土層和松散～稍密砂層，適用于15 m以內的深度，然而該工程防滲墻穿越的地層中有中密～密實細砂，局部結核較多，攪拌樁施工困難，局部無法施工。并且，由于攪拌樁防滲墻是原位機械攪拌，無置換、接頭多，因此其均一性及連續(xù)性均較差，強度低，滲透系數(shù)較大。

2.3 高噴防滲墻

2.3.1 工期

高噴防滲墻的綜合施工時間約需40 d。高噴防滲墻施工與攪拌樁防滲墻施工相同，可與CFG 樁同期施工。高噴防滲墻施工可不占用節(jié)點工期，并且沒有臨時工程，放線后即可施工，施工及檢測約需40 d。

2.3.2 成本

高噴防滲墻施工設備進出場僅需3 輛大車，設備進出場費用低，并且其施工產(chǎn)生廢漿較少，廢漿處置費用少。高噴防滲墻的綜合單價低于塑性混凝土防滲墻，高于攪拌樁防滲墻。

2.3.3 效果

高噴防滲墻主要適用于各種土層、砂層、未膠結的礫石層，使用深度一般在20 m 以內，并且由于受地層、巖性、密實度、硬度、黏粒含量、結核及礫石的含量等影響，其均一性、成槽厚度不均一。

2.4 高噴攪拌防滲墻

高噴攪拌防滲墻是在鉆孔、噴射一體機的噴射桿與高噴整流器之間加裝一個直徑0.5 m 的攪拌鉆頭，使其能在各種土層、砂層進行高噴攪拌施工。后曹閘防滲墻工程量小，土層、砂層復雜，采用高噴攪拌防滲墻優(yōu)點如下：①高噴能解決攪拌樁防滲墻鉆進困難的問題；②高噴能解決攪拌樁防滲墻搭接多、連續(xù)性較差的問題；③攪拌能彌補高噴不均一的問題；④攪拌能解決擺噴噴口處墻體較薄的問題，能擴大有效樁徑；⑤機械攪拌與高壓漿攪拌相結合，成槽均一性較好，搭接更有保證，滲透系數(shù)更小，其成墻效果比單一方法好，造價與高噴防滲墻相同；⑥機械選用造孔、高噴、攪拌一體機，省去部分施工環(huán)節(jié)，適應各種土層、砂層、含礫土砂層的地層環(huán)境，可提高施工效率。

3 高噴攪拌技術組合防滲墻試驗設計

高噴攪拌防滲墻可優(yōu)勢互補，針對后曹閘防滲墻工程量小的情況和土層、砂層復雜問題，計劃選用高噴攪拌防滲墻進行試驗。

3.1 試驗計劃

該試驗選定在后曹閘附近相同的地質條件區(qū)域，制作高噴攪拌防滲墻試驗樁。試驗工藝采用單管高壓旋噴攪拌樁、單管高壓擺噴攪拌樁及單管高壓定噴攪拌樁搭接，二管高壓旋噴攪拌樁與二管高壓擺噴攪拌樁、二管高壓定噴攪拌樁搭接，三管高壓旋噴攪拌樁與三管高壓擺噴攪拌樁、三管高壓定噴攪拌樁搭接的方式。

該試驗共9種施工工藝、3類組合，每類組合分3個不同的提升速度施工，共9 組，每組4 根樁，共36根樁。其中，單管法高壓旋噴攪拌樁鉆孔深度10 m、樁長10 m，其余試驗樁鉆孔深度6 m、樁長6 m。工藝試驗流程，如圖1所示。

圖1 工藝試驗流程

3.2 試驗目的

試驗目的主要包括以下5個方面：①確定合理的施工設備和施工工藝；②確定臺車提升速度、灌漿壓力、水灰比、流量等施工參數(shù)；③驗證施工技術和資源配備是否滿足工程質量和施工工期要求；④驗證高噴攪拌樁的成樁直徑、均勻性、完整性、連續(xù)性、搭接厚度是否滿足設計指標和標準要求等；⑤高噴攪拌樁的抗壓強度、滲透系數(shù)能否滿足設計要求。

4 高噴攪拌防滲墻工藝試驗方案及結果分析

4.1 試驗位置及參數(shù)

該試驗于后曹閘附近進行，2 個旋噴攪拌樁左右兩側各對應1 個擺噴攪拌樁、1 個定噴攪拌樁，每組4孔，試驗樁示意如圖2所示。單管法高壓旋噴攪拌樁鉆孔深度10 m，其余試驗樁鉆孔深度6.0 m。試驗主設備選用鉆孔、高噴、攪拌一體機。先施工旋噴攪拌樁，再施工定噴攪拌樁，最后施工擺噴攪拌樁。

圖2 試驗樁示意

根據(jù)相關規(guī)范及設計要求，灌漿水灰比1∶1，水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，用量約300 kg/m，以3種提升速度分別為0.10、0.15、0.20 m/min進行試驗。試驗參數(shù)配置，詳見表1。

表1 試驗參數(shù)配置

4.2 高噴攪拌樁工藝試驗施工

高噴攪拌樁工藝試驗施工共分為4 個步驟：①進行施工準備，按照試驗方案樁位進行放樣定位，測放高噴攪拌樁灌漿孔軸線位置，并按擬定間距確定鉆孔中心位置；②進行設備安裝，安裝臺車、高壓泵、輸漿管、壓力表等設備，并檢查高壓設備、管路系統(tǒng)，特別是管路規(guī)格是否符合設計要求且連接密封完好；③進行鉆孔噴漿，首先將臺車平置于牢固堅實的地方，鉆桿對準孔位中心，卷尺測量偏差均不超過50 mm，再借助水平十字尺和吊錘調整臺車，垂直度控制在0.5%以內；④采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥作為注漿材料進行制漿，水灰比采用1∶1，配制完成的漿液使用密度計測得漿液密度為1.53 g/cm3，符合設計要求。隨后，為使注漿管順利置入預定位置，進行攪拌鉆孔。最后進行高噴攪拌注漿，檢查注漿流量、壓力和提升速度等參數(shù)并在現(xiàn)場進行記錄。高噴攪拌樁工藝試驗流程，如圖3所示。

圖3 高噴攪拌樁工藝試驗流程

4.3 高噴攪拌樁試驗成果

測得的單管法、雙管法、三管法高噴攪拌樁具體試驗參數(shù)，詳見表2—4。

表2 單管法高噴攪拌樁具體試驗結果

表3 二管法高噴攪拌樁具體試驗結果

表4 三管法高噴攪拌樁具體試驗結果

根據(jù)高壓旋噴攪拌樁初步試驗成果，經(jīng)過開挖檢查和檢測數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)不同的提升速度對成樁直徑、樁身的完整性、均勻性均有不同程度的影響。其中，三管法成樁直徑最大，抗壓強度最低，滲透系數(shù)最大；單管法成樁直徑最小，抗壓強度最高，滲透系數(shù)最小，同時采用0.5 m樁間距成樁搭接處成墻厚度最大、抗壓強度最高、滲透系數(shù)最小。通過施工期檢查驗收評定，單管法高壓旋噴攪拌樁采用0.5 m樁間距施工能有效保證成墻搭接厚度、成樁直徑、抗壓強度、滲透系數(shù)滿足設計要求。

5 結語

綜上，高噴攪拌技術組合防滲墻施工技術具有較高的實用性，在賈魯河綜合治理工程后曹閘施工中得到了成功應用。試驗及實踐證明，高噴攪拌技術組合防滲墻能解決攪拌防滲墻鉆進困難及搭接多、連續(xù)性較差等方面的問題，并具有成槽均一性較好、搭接可靠性強、成墻效果好、滲透系數(shù)小、施工速度快等特點，值得向工程領域推廣，對同類工程的地基處理具有一定的參考價值。