导杆式开槽机构筑地下连续墙施工技术研究

2017-10-18谢文鹏肖立生

山东水利 2017年10期

关键词：杆式灰浆成槽

谢文鹏，肖立生

（山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东济南 250014）

导杆式开槽机构筑地下连续墙施工技术研究

谢文鹏，肖立生

（山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东济南 250014）

导杆式开槽机经过长达半年的现场试验，确定了自凝灰浆的改型配比和施工工艺，保证了墙体质量的稳定，确定的新型技术和施工工艺取得了参建各方的一致认可，其质量标准优于规范要求，为此类防渗型式在永久工程的应用打下了基础，对同类工程有较大借鉴意义。

导杆式开槽机；自凝灰浆；试验；施工工艺；指标

南水北调枣庄市续建配套工程尚善水库为新建平原水库，控制流域面积131.37 km2，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，分上下库，上库总库容340.11万m3，围坝全长3.289 km，最大坝高4.8 m；下库总库容560.09万m3，围坝全长4.272 km，最大坝高5.5 m。水库为下挖式水库，蓄水位与现状地面基本持平，最大挡水水头6.0 m，围坝坝基存在强透水的砾质粗砂层，设计采用厚度25.0 cm的自凝灰浆防渗墙，成槽深度至库底基岩面以下1.0 m，成槽完成后灌注自凝灰浆，浆体凝固后形成垂直防渗墙体。设计指标：抗压强度R28为2～3 MPa；墙体渗透系数K≤5×10-6cm/s；垂直度≤0.5%；水泥掺入量≥100 kg/m2。防渗面积8.1万m2，防渗轴线全长7.56 km。

1 导杆式开槽机技术简介

导杆式开槽机构筑地下连续墙技术是由山东省水科院研究开发的一种用于水利工程建造防渗墙的新型技术，该技术采用导杆定位跟进，多轴竖向回转切削原理进行开槽，由动力头、导杆、成槽器、泥浆泵组成开槽系统。动力头通过内置于导杆内的钻杆提供扭矩给成槽器，带动无岩心钻头组转动；泥浆泵通过浆液管道、槽孔形成浆液循环，用于护壁和排除钻渣；导杆沿开槽机机架竖向运动，对成槽器进行定向、加压、提升，最终形成规则的槽孔。灌注不同的材料可形成不同类型的防渗帷幕，墙体无缝连接。

1.1 主要设备及系统

1）施工平台：采用履带桩机操作平台，用于承载动力系统、开槽系统。2）动力头：大功率变频调速电机，顶置式直联结构。3）导杆：上联动力头，下联成槽器，具有传递动力、定向、导向、提升功能。4）成槽器：由一字排列的多轴无岩心钻头及箱体组成，导杆内的钻杆提供扭矩给成槽器旋切铣槽，最终形成规则的槽孔。5）浆液循环系统：由大流量泥浆泵及输浆管路组成。形成浆液循环，用于护壁和排除钻渣。

1.2 设备性能指标

1）开槽技术参数：开槽宽度 25.0～40.0 cm，单次开槽长度1.8～3.4 m，可连续或分序开槽，开槽最大深度30.0 m，垂直度0.5%，适用于颗粒直径小于60.0 mm内的各类地层；2）适用防渗墙类型：自凝灰浆防渗墙（小于 1×10-6cm/s）；混凝土防渗墙（小于1×10-7cm/s）；垂直铺设复合土工膜（小于 1×10-9cm/s）。

2 自凝灰浆配比设计

2.1 自凝灰浆试验室配比试验

墙体设计28 d抗压强度为2～3 MPa，渗透系数小于5×10-6cm/s。若按照《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL174-2014）对自凝灰浆配比的建议，难以满足设计指标的要求，并且本防渗工程为永久工程，对防渗的耐久性提出了更高的要求，需要对墙体材料配比进行系统的试验研究，因此安排专人进行室内配合比试验。选定正交试验方法，根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的试验组合，试验选取L16（45）正交配合比表格，主要研究浆材的水胶比、当地黏土掺量、膨润土掺量三个因素对凝结体的力学指标和防渗性能的影响规律与机理。每个因素选取4个数值，在现场前期的探索试验的基础上设定水胶比为 0.6、0.64、0.68、0.72；当地黏土掺量为49%、53%、57%、61%；膨润土掺量为 3.4%、3.8%、4.2%、4.6%。

经过试验数据的统计分析，室内配合比最终确定为水胶比为0.67，当地黏土掺量为50%，膨润土掺量为4%。

2.2 施工配合比

现场试验段依照室内配合比进行现场配制，并对试验墙体的不同部位分别进行了3组抗压强度和渗透系数检测，墙体6.0 m处抗压强度和渗透系数平均值分别为：3.3 MPa、2.37×10-7cm/s；墙体8.0 m处抗压强度和渗透系数的平均值分别为：4.2 MPa、1.42×10-7cm/s。

现场试验结果表明室内配合比成墙完全满足墙体设计指标，但施工灰浆黏度过大,泵送时泵的负荷过重，因此在满足成墙指标的范围内略微调整水胶比为0.68、当地土掺量53%、膨润土掺量4.2%，最终确定施工配合比如表1示。其性能指标28 d渗透系数为3.6×10-7cm/s，28 d抗压强度为3.4 MPa。

表1 自凝灰浆施工配合比

2.3 自凝灰浆灌注

本次固化灰浆成墙施工也是采用成槽后灌注自凝灰浆的方式，成槽质量、入岩、残渣厚度等均按照规范要求执行。所不同的是成槽采用山东省水科院研制的导杆式开槽机铣槽，清孔完成后采用成槽机械自槽底开始灌注，且有搅拌功能，保证了墙体的均匀性，消除了泥皮，可以与周围土体实现更好的衔接。

3 自凝灰浆施工

3.1 施工工艺流程

工程开工前首先进行三通一平（通水、通电、通路以及场地平整），其后为自凝灰浆以及泥浆的拌制、储备、运输修建与之配套的水泥与膨润土储备场、泥浆池、自凝灰浆储备池等配套设施，并将运来的成槽设备进行组装、调试，确保其正常工作；一切准备就绪后放线定位、开挖导槽进行一期槽段的开挖，终孔验收后使用正循环法进行清孔，清孔结束后灌注自凝灰浆浆液，并按规定进行补浆；待一期槽段内灰浆凝固后按同样方法进行二期槽段的开挖与灌注。

3.2 主要工序及技术要求

1）成槽。防渗墙施工采用分槽段施工和切削套打法搭接，根据墙体总长度，划分为Ⅰ期槽和Ⅱ期槽，其中Ⅰ期槽长度等于铣槽机钻具箱长度3.4 m，Ⅱ期槽长度与一期槽搭接40 cm。施工顺序：先开挖相邻一期槽，待一期槽内固化灰浆达到3天龄期后开挖其间二期槽，成槽沿一个方向进行，顺序为：①→③→⑤→②→⑦→④。

2）灰浆拌制与灌注。成槽过程中，将正循环排出的槽内泥浆首先收集于1号泥浆池初沉；然后用泥浆泵送入泥浆净化系统去除大粒径颗粒，并通过添加水或当地黏土调整其比重为1.15~1.25；处理达标的新鲜泥浆一部分作为成槽循环泥浆使用，一部分湿掺充分溶胀的膨润土作为拌制自凝灰浆的原料泥浆，添加膨润土后的泥浆比重控制在1.25~1.35；定量膨润土掺加完毕、搅拌均匀并检测指标合格后泵送入灰浆搅拌站，按防渗墙每平方米不少于100 kg水泥添加水泥，最终拌和均匀制成灌注用自凝灰浆的比重控制在1.4~1.5。

清孔验收合格后，将钻具箱下沉至槽孔最底部，然后通过钻具箱内的多个出浆喷嘴进行灰浆灌注。灌注时首先按照注浆流量的计算在槽底静喷一段时间，使灰浆漫过钻具箱，试验时约1 min；然后按照计算提钻速度进行匀速提钻灌注，试验时速度为0.85 m/min，同时利用灰浆与泥浆的密度差，将槽内泥浆置换出槽外。由于孔内灰浆会泌水沉降，因此利用黏土将孔口周围加高并进行超量灰浆灌注。待槽孔内自凝灰浆经过泌水沉淀，并排出孔口泌水后，进行补浆。补充浆液拌制与自凝灰浆拌制要求相同。补浆间间隔不宜小于6.0 h、不应大于24.0 h。补浆完成且待灰浆稍作凝结后须用0.3 m厚湿土覆盖槽孔。

4 成墙质量评价

4.1 墙体防渗性

利用原位试验测定墙身的渗透系数。2016年9月尚善水库防渗墙项目外检部在已达28 d龄期的 0+741.5～1+048.7、1+454.1～1+647.7、3+258.4～3+349.6段，按50m一组的间隔进行了原位测试，本次检测按照《水利水电工程注水试验规程》（SL345—2007）相关规定，采用钻孔常水头注水试验法检测28 d龄期的固化灰浆防渗墙，试验方法如下：

在试验防渗墙轴线处钻孔并下入套管后，用量筒向套管内注入清水，将套管内水位维持于套管口，测量出套管口水位与地下水位的水头差H。试验初期，每隔5 min向套管注一次清水使管内水位维持于管口，并记录下注水量，连续进行5次注水测量；然后每隔20 min注入1次清水并记录注水量，至少进行6次注水测量；当连续2次注入流量的差小于或等于最后一次注入流量的10%时，视作渗流稳定，停止试验。

经计算墙体渗透系数范围为1.36×10-6～9.0×10-8cm/s，且渗透系数较多集中在10-7这一数量级，表明墙体不但完全满足设计防渗要求且具有较好的均一性。

4.2 墙体墙抗压强度和连续性

项目施工过程中每50 m随机抽取一组抗压试件送外检部检测，所检试块均达到设计要求。项目外检部利用超高密度直流电法仪对已完工的防渗墙桩号0+745.6~1+600、2+034~2+600进行连续性检测，检测结果表明所有检测段防渗墙整体连续性良好，完全符合项目设计要求。