高喷搅拌技术组合防渗墙在地基处理中的应用

杨慧勤，刘新朋，胡晓辉

（河南省水利第一工程局集团有限公司，河南 郑州 450000）

随着我国水利事业持续推进，大批水利工程正处于兴建阶段，防渗墙设计施工是重要环节之一[1]。近些年，相关学者对防渗墙技术已展开研究，张发林[2]基于小浪底水利枢纽配套工程西霞院反调节水库，研究了高压旋喷灌浆施工技术的可行性；刘海涛[3]等通过研究高填方输水明渠水泥搅拌桩防渗墙施工技术，发现水泥搅拌桩施工技术不仅可以用于地基处理，还可以合理满足明渠防渗、加固作用；汪建[4]等以安徽绩溪抽水蓄能电站为例，研究了考虑软岩基础的防渗墙施工技术；谭健波[5]以淠河某工程为实例，将掺加膨润土的低强度塑性混凝土用于防渗墙，并研究其配合比，为防渗墙设计提出了相应的质量控制措施，降低了工程成本。目前，防渗墙主要分为3种：塑性混凝土防渗墙、搅拌防渗墙和高喷防渗墙[6]。本文兼顾三者的优点，提出一种新型的防渗墙技术——高喷搅拌技术组合防渗墙，将有效地完成3 种工艺的连接搭建工作，使其能进行复杂地基防渗处理工作。

1 工程概况

1.1 工程简介

贾鲁河综合治理工程施工5 标包括河道治理和原址拆除重建后曹闸[7]。新建后曹闸位于河道桩号122+820处，属于开敞式平底板闸，共7孔，单孔净宽10 m，主要建筑物等级为1 级，100 a 一遇洪水设计流量、200 a 一遇洪水校核标准相应控泄流量均为634 m3/s，闸前正常蓄水位72 m。闸室段竖向防渗采用防渗墙，平均深度为底板以下10 m，墙厚0.4 m[8]。

1.2 工程地质条件

场区位于黄淮冲积平原区，地形平坦开阔，闸址附近微地貌属平原河地貌。场区地层为黏砂多层结构，由第四系全新统砂壤土、粉砂、轻粉质壤土、细砂和上更新统重粉质壤土、细砂组成，地层分布较稳定[9，10]。其中，轻粉质壤土含钙质结核，最大结核粒径可达10 cm 以上，且局部较多；细砂层属于中密～密实状，偶见3～5 cm 粒径砾石；重粉质壤土属于可塑～硬塑状，局部呈坚硬状，含少量粒径1～3 cm 的钙质结核。

2 防渗墙设计技术比选

贾鲁河后曹闸防渗墙长度为168 m，闸底板以下10 m，厚40 cm，工程量约1800 m2，计划工期1个月。

2.1 塑性混凝土防渗墙

塑性混凝土防渗墙的材料不同于普通混凝土防渗墙，其选用黏土或膨润土作为柔性墙体材料，使防渗墙变形模量与周围土体相接近，能更好地适应地基变形。

2.1.1 工期

（1）CFG 影响。后曹闸基础工程中混凝土防渗墙紧邻CFG 桩的上游侧。塑性混凝土防渗墙施工的液压抓斗重量在60 t 以上，吊车、挖掘机、混凝土运输车、土方外运车等设备工作重量很大，来回移动对CFG 桩及周围地层有影响，一般需CFG 桩养护约14 d后才能进行混凝土防渗墙的施工。

（2）临时工程影响。塑性混凝土防渗墙施工需制作钢筋混凝土导墙，导墙需养护14 d 后才能进行主体工程施工，施工需建专用的制浆、储浆、送浆系统，并且需有专用混凝土排浆沟。临时工程的施工及达到使用条件，约需1个月。

（3）施工及检测影响。塑性混凝土防渗墙的施工及检测需1.5个月。

综上，塑性混凝土防渗墙的综合施工时间需3个月。

2.1.2 成本

（1）塑性混凝土防渗墙施工需修建钢筋混凝土导墙、具有一定强度的作业面和制浆、储浆、送浆、排浆系统，临时工程费用高。

（2）塑性混凝土防渗墙施工需投入较多重型设备，如液压抓斗成槽机、挖掘机、装载机、吊车、渣土车等，且设备进出场需10 余台板车及大车，设备进出场费用较高。

（3）塑性混凝土防渗墙成槽时，原地层需全部挖掘堆放、装车外运，抓槽时需不间断输送泥浆护壁，土方及废浆的外运及处置费用高。

综上，该项目采用塑性混凝土防渗墙设计施工，经估算工程综合单价高。

2.1.3 效果

（1）使用抓斗、冲击钻等手段，能适用各种地层及深度。

（2）塑性混凝土防渗墙将原地层全部置换为混凝土，槽段长度一般为6～8 m，均一性、连续性最好，工程质量最有保证。

2.2 搅拌桩防渗墙

2.2.1 工期

搅拌桩防渗墙施工速度较快，可与CFG 桩同期施工，不占用节点工期，并且没有临时工期，综合施工时间约需30 d。

2.2.2 成本

搅拌桩防渗墙在施工时没有临时工程费用，施工设备进场费用较低，并且由于原地层机械搅拌，不产生废土及废浆，没有土方及废浆外运及处置费用。此外，搅拌桩防渗墙水泥用量少，综合单价低。

2.2.3 效果

搅拌桩防渗墙仅适用于软塑～可塑土层和松散～稍密砂层，适用于15 m以内的深度，然而该工程防渗墙穿越的地层中有中密～密实细砂，局部结核较多，搅拌桩施工困难，局部无法施工。并且，由于搅拌桩防渗墙是原位机械搅拌，无置换、接头多，因此其均一性及连续性均较差，强度低，渗透系数较大。

2.3 高喷防渗墙

2.3.1 工期

高喷防渗墙的综合施工时间约需40 d。高喷防渗墙施工与搅拌桩防渗墙施工相同，可与CFG 桩同期施工。高喷防渗墙施工可不占用节点工期，并且没有临时工程，放线后即可施工，施工及检测约需40 d。

2.3.2 成本

高喷防渗墙施工设备进出场仅需3 辆大车，设备进出场费用低，并且其施工产生废浆较少，废浆处置费用少。高喷防渗墙的综合单价低于塑性混凝土防渗墙，高于搅拌桩防渗墙。

2.3.3 效果

高喷防渗墙主要适用于各种土层、砂层、未胶结的砾石层，使用深度一般在20 m 以内，并且由于受地层、岩性、密实度、硬度、黏粒含量、结核及砾石的含量等影响，其均一性、成槽厚度不均一。

2.4 高喷搅拌防渗墙

高喷搅拌防渗墙是在钻孔、喷射一体机的喷射杆与高喷整流器之间加装一个直径0.5 m 的搅拌钻头，使其能在各种土层、砂层进行高喷搅拌施工。后曹闸防渗墙工程量小，土层、砂层复杂，采用高喷搅拌防渗墙优点如下：①高喷能解决搅拌桩防渗墙钻进困难的问题；②高喷能解决搅拌桩防渗墙搭接多、连续性较差的问题；③搅拌能弥补高喷不均一的问题；④搅拌能解决摆喷喷口处墙体较薄的问题，能扩大有效桩径；⑤机械搅拌与高压浆搅拌相结合，成槽均一性较好，搭接更有保证，渗透系数更小，其成墙效果比单一方法好，造价与高喷防渗墙相同；⑥机械选用造孔、高喷、搅拌一体机，省去部分施工环节，适应各种土层、砂层、含砾土砂层的地层环境，可提高施工效率。

3 高喷搅拌技术组合防渗墙试验设计

高喷搅拌防渗墙可优势互补，针对后曹闸防渗墙工程量小的情况和土层、砂层复杂问题，计划选用高喷搅拌防渗墙进行试验。

3.1 试验计划

该试验选定在后曹闸附近相同的地质条件区域，制作高喷搅拌防渗墙试验桩。试验工艺采用单管高压旋喷搅拌桩、单管高压摆喷搅拌桩及单管高压定喷搅拌桩搭接，二管高压旋喷搅拌桩与二管高压摆喷搅拌桩、二管高压定喷搅拌桩搭接，三管高压旋喷搅拌桩与三管高压摆喷搅拌桩、三管高压定喷搅拌桩搭接的方式。

该试验共9种施工工艺、3类组合，每类组合分3个不同的提升速度施工，共9 组，每组4 根桩，共36根桩。其中，单管法高压旋喷搅拌桩钻孔深度10 m、桩长10 m，其余试验桩钻孔深度6 m、桩长6 m。工艺试验流程，如图1所示。

图1 工艺试验流程

3.2 试验目的

试验目的主要包括以下5个方面：①确定合理的施工设备和施工工艺；②确定台车提升速度、灌浆压力、水灰比、流量等施工参数；③验证施工技术和资源配备是否满足工程质量和施工工期要求；④验证高喷搅拌桩的成桩直径、均匀性、完整性、连续性、搭接厚度是否满足设计指标和标准要求等；⑤高喷搅拌桩的抗压强度、渗透系数能否满足设计要求。

4 高喷搅拌防渗墙工艺试验方案及结果分析

4.1 试验位置及参数

该试验于后曹闸附近进行，2 个旋喷搅拌桩左右两侧各对应1 个摆喷搅拌桩、1 个定喷搅拌桩，每组4孔，试验桩示意如图2所示。单管法高压旋喷搅拌桩钻孔深度10 m，其余试验桩钻孔深度6.0 m。试验主设备选用钻孔、高喷、搅拌一体机。先施工旋喷搅拌桩，再施工定喷搅拌桩，最后施工摆喷搅拌桩。

图2 试验桩示意

根据相关规范及设计要求，灌浆水灰比1∶1，水泥采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，用量约300 kg/m，以3种提升速度分别为0.10、0.15、0.20 m/min进行试验。试验参数配置，详见表1。

表1 试验参数配置

4.2 高喷搅拌桩工艺试验施工

高喷搅拌桩工艺试验施工共分为4 个步骤：①进行施工准备，按照试验方案桩位进行放样定位，测放高喷搅拌桩灌浆孔轴线位置，并按拟定间距确定钻孔中心位置；②进行设备安装，安装台车、高压泵、输浆管、压力表等设备，并检查高压设备、管路系统，特别是管路规格是否符合设计要求且连接密封完好；③进行钻孔喷浆，首先将台车平置于牢固坚实的地方，钻杆对准孔位中心，卷尺测量偏差均不超过50 mm，再借助水平十字尺和吊锤调整台车，垂直度控制在0.5%以内；④采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥作为注浆材料进行制浆，水灰比采用1∶1，配制完成的浆液使用密度计测得浆液密度为1.53 g/cm3，符合设计要求。随后，为使注浆管顺利置入预定位置，进行搅拌钻孔。最后进行高喷搅拌注浆，检查注浆流量、压力和提升速度等参数并在现场进行记录。高喷搅拌桩工艺试验流程，如图3所示。

图3 高喷搅拌桩工艺试验流程

4.3 高喷搅拌桩试验成果

测得的单管法、双管法、三管法高喷搅拌桩具体试验参数，详见表2—4。

表2 单管法高喷搅拌桩具体试验结果

表3 二管法高喷搅拌桩具体试验结果

表4 三管法高喷搅拌桩具体试验结果

根据高压旋喷搅拌桩初步试验成果，经过开挖检查和检测数据比对，发现不同的提升速度对成桩直径、桩身的完整性、均匀性均有不同程度的影响。其中，三管法成桩直径最大，抗压强度最低，渗透系数最大；单管法成桩直径最小，抗压强度最高，渗透系数最小，同时采用0.5 m桩间距成桩搭接处成墙厚度最大、抗压强度最高、渗透系数最小。通过施工期检查验收评定，单管法高压旋喷搅拌桩采用0.5 m桩间距施工能有效保证成墙搭接厚度、成桩直径、抗压强度、渗透系数满足设计要求。

5 结语

综上，高喷搅拌技术组合防渗墙施工技术具有较高的实用性，在贾鲁河综合治理工程后曹闸施工中得到了成功应用。试验及实践证明，高喷搅拌技术组合防渗墙能解决搅拌防渗墙钻进困难及搭接多、连续性较差等方面的问题，并具有成槽均一性较好、搭接可靠性强、成墙效果好、渗透系数小、施工速度快等特点，值得向工程领域推广，对同类工程的地基处理具有一定的参考价值。