導桿式開槽機構筑地下連續墻施工技術研究

謝文鵬，肖立生

（山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014）

導桿式開槽機構筑地下連續墻施工技術研究

謝文鵬，肖立生

（山東省水利科學研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟南 250014）

導桿式開槽機經過長達半年的現場試驗，確定了自凝灰漿的改型配比和施工工藝，保證了墻體質量的穩定，確定的新型技術和施工工藝取得了參建各方的一致認可，其質量標準優于規范要求，為此類防滲型式在永久工程的應用打下了基礎，對同類工程有較大借鑒意義。

導桿式開槽機；自凝灰漿；試驗；施工工藝；指標

南水北調棗莊市續建配套工程尚善水庫為新建平原水庫，控制流域面積131.37 km2，工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，分上下庫，上庫總庫容340.11萬m3，圍壩全長3.289 km，最大壩高4.8 m；下庫總庫容560.09萬m3，圍壩全長4.272 km，最大壩高5.5 m。水庫為下挖式水庫，蓄水位與現狀地面基本持平，最大擋水水頭6.0 m，圍壩壩基存在強透水的礫質粗砂層，設計采用厚度25.0 cm的自凝灰漿防滲墻，成槽深度至庫底基巖面以下1.0 m，成槽完成后灌注自凝灰漿，漿體凝固后形成垂直防滲墻體。設計指標：抗壓強度R28為2～3 MPa；墻體滲透系數K≤5×10-6cm/s；垂直度≤0.5%；水泥摻入量≥100 kg/m2。防滲面積8.1萬m2，防滲軸線全長7.56 km。

1 導桿式開槽機技術簡介

導桿式開槽機構筑地下連續墻技術是由山東省水科院研究開發的一種用于水利工程建造防滲墻的新型技術，該技術采用導桿定位跟進，多軸豎向回轉切削原理進行開槽，由動力頭、導桿、成槽器、泥漿泵組成開槽系統。動力頭通過內置于導桿內的鉆桿提供扭矩給成槽器，帶動無巖心鉆頭組轉動；泥漿泵通過漿液管道、槽孔形成漿液循環，用于護壁和排除鉆渣；導桿沿開槽機機架豎向運動，對成槽器進行定向、加壓、提升，最終形成規則的槽孔。灌注不同的材料可形成不同類型的防滲帷幕，墻體無縫連接。

1.1 主要設備及系統

1）施工平臺：采用履帶樁機操作平臺，用于承載動力系統、開槽系統。2）動力頭：大功率變頻調速電機，頂置式直聯結構。3）導桿：上聯動力頭，下聯成槽器，具有傳遞動力、定向、導向、提升功能。4）成槽器：由一字排列的多軸無巖心鉆頭及箱體組成，導桿內的鉆桿提供扭矩給成槽器旋切銑槽，最終形成規則的槽孔。5）漿液循環系統：由大流量泥漿泵及輸漿管路組成。形成漿液循環，用于護壁和排除鉆渣。

1.2 設備性能指標

1）開槽技術參數：開槽寬度 25.0～40.0 cm，單次開槽長度1.8～3.4 m，可連續或分序開槽，開槽最大深度30.0 m，垂直度0.5%，適用于顆粒直徑小于60.0 mm內的各類地層；2）適用防滲墻類型：自凝灰漿防滲墻（小于 1×10-6cm/s）；混凝土防滲墻（小于1×10-7cm/s）；垂直鋪設復合土工膜（小于 1×10-9cm/s）。

2 自凝灰漿配比設計

2.1 自凝灰漿試驗室配比試驗

墻體設計28 d抗壓強度為2～3 MPa，滲透系數小于5×10-6cm/s。若按照《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術規范》（SL174-2014）對自凝灰漿配比的建議，難以滿足設計指標的要求，并且本防滲工程為永久工程，對防滲的耐久性提出了更高的要求，需要對墻體材料配比進行系統的試驗研究，因此安排專人進行室內配合比試驗。選定正交試驗方法，根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的試驗組合，試驗選取L16（45）正交配合比表格，主要研究漿材的水膠比、當地黏土摻量、膨潤土摻量三個因素對凝結體的力學指標和防滲性能的影響規律與機理。每個因素選取4個數值，在現場前期的探索試驗的基礎上設定水膠比為 0.6、0.64、0.68、0.72；當地黏土摻量為49%、53%、57%、61%；膨潤土摻量為 3.4%、3.8%、4.2%、4.6%。

經過試驗數據的統計分析，室內配合比最終確定為水膠比為0.67，當地黏土摻量為50%，膨潤土摻量為4%。

2.2 施工配合比

現場試驗段依照室內配合比進行現場配制，并對試驗墻體的不同部位分別進行了3組抗壓強度和滲透系數檢測，墻體6.0 m處抗壓強度和滲透系數平均值分別為：3.3 MPa、2.37×10-7cm/s；墻體8.0 m處抗壓強度和滲透系數的平均值分別為：4.2 MPa、1.42×10-7cm/s。

現場試驗結果表明室內配合比成墻完全滿足墻體設計指標，但施工灰漿黏度過大,泵送時泵的負荷過重，因此在滿足成墻指標的范圍內略微調整水膠比為0.68、當地土摻量53%、膨潤土摻量4.2%，最終確定施工配合比如表1示。其性能指標28 d滲透系數為3.6×10-7cm/s，28 d抗壓強度為3.4 MPa。

表1 自凝灰漿施工配合比

2.3 自凝灰漿灌注

本次固化灰漿成墻施工也是采用成槽后灌注自凝灰漿的方式，成槽質量、入巖、殘渣厚度等均按照規范要求執行。所不同的是成槽采用山東省水科院研制的導桿式開槽機銑槽，清孔完成后采用成槽機械自槽底開始灌注，且有攪拌功能，保證了墻體的均勻性，消除了泥皮，可以與周圍土體實現更好的銜接。

3 自凝灰漿施工

3.1 施工工藝流程

工程開工前首先進行三通一平（通水、通電、通路以及場地平整），其后為自凝灰漿以及泥漿的拌制、儲備、運輸修建與之配套的水泥與膨潤土儲備場、泥漿池、自凝灰漿儲備池等配套設施，并將運來的成槽設備進行組裝、調試，確保其正常工作；一切準備就緒后放線定位、開挖導槽進行一期槽段的開挖，終孔驗收后使用正循環法進行清孔，清孔結束后灌注自凝灰漿漿液，并按規定進行補漿；待一期槽段內灰漿凝固后按同樣方法進行二期槽段的開挖與灌注。

3.2 主要工序及技術要求

1）成槽。防滲墻施工采用分槽段施工和切削套打法搭接，根據墻體總長度，劃分為Ⅰ期槽和Ⅱ期槽，其中Ⅰ期槽長度等于銑槽機鉆具箱長度3.4 m，Ⅱ期槽長度與一期槽搭接40 cm。施工順序：先開挖相鄰一期槽，待一期槽內固化灰漿達到3天齡期后開挖其間二期槽，成槽沿一個方向進行，順序為：①→③→⑤→②→⑦→④。

2）灰漿拌制與灌注。成槽過程中，將正循環排出的槽內泥漿首先收集于1號泥漿池初沉；然后用泥漿泵送入泥漿凈化系統去除大粒徑顆粒，并通過添加水或當地黏土調整其比重為1.15~1.25；處理達標的新鮮泥漿一部分作為成槽循環泥漿使用，一部分濕摻充分溶脹的膨潤土作為拌制自凝灰漿的原料泥漿，添加膨潤土后的泥漿比重控制在1.25~1.35；定量膨潤土摻加完畢、攪拌均勻并檢測指標合格后泵送入灰漿攪拌站，按防滲墻每平方米不少于100 kg水泥添加水泥，最終拌和均勻制成灌注用自凝灰漿的比重控制在1.4~1.5。

清孔驗收合格后，將鉆具箱下沉至槽孔最底部，然后通過鉆具箱內的多個出漿噴嘴進行灰漿灌注。灌注時首先按照注漿流量的計算在槽底靜噴一段時間，使灰漿漫過鉆具箱，試驗時約1 min；然后按照計算提鉆速度進行勻速提鉆灌注，試驗時速度為0.85 m/min，同時利用灰漿與泥漿的密度差，將槽內泥漿置換出槽外。由于孔內灰漿會泌水沉降，因此利用黏土將孔口周圍加高并進行超量灰漿灌注。待槽孔內自凝灰漿經過泌水沉淀，并排出孔口泌水后，進行補漿。補充漿液拌制與自凝灰漿拌制要求相同。補漿間間隔不宜小于6.0 h、不應大于24.0 h。補漿完成且待灰漿稍作凝結后須用0.3 m厚濕土覆蓋槽孔。

4 成墻質量評價

4.1 墻體防滲性

利用原位試驗測定墻身的滲透系數。2016年9月尚善水庫防滲墻項目外檢部在已達28 d齡期 的 0+741.5～1+048.7、1+454.1～1+647.7、3+258.4～3+349.6段，按50m一組的間隔進行了原位測試，本次檢測按照《水利水電工程注水試驗規程》（SL345—2007）相關規定，采用鉆孔常水頭注水試驗法檢測28 d齡期的固化灰漿防滲墻，試驗方法如下：

在試驗防滲墻軸線處鉆孔并下入套管后，用量筒向套管內注入清水，將套管內水位維持于套管口，測量出套管口水位與地下水位的水頭差H。試驗初期，每隔5 min向套管注一次清水使管內水位維持于管口，并記錄下注水量，連續進行5次注水測量；然后每隔20 min注入1次清水并記錄注水量，至少進行6次注水測量；當連續2次注入流量的差小于或等于最后一次注入流量的10%時，視作滲流穩定，停止試驗。

經計算墻體滲透系數范圍為1.36×10-6～9.0×10-8cm/s，且滲透系數較多集中在10-7這一數量級，表明墻體不但完全滿足設計防滲要求且具有較好的均一性。

4.2 墻體墻抗壓強度和連續性

項目施工過程中每50 m隨機抽取一組抗壓試件送外檢部檢測，所檢試塊均達到設計要求。項目外檢部利用超高密度直流電法儀對已完工的防滲墻樁號0+745.6~1+600、2+034~2+600進行連續性檢測，檢測結果表明所有檢測段防滲墻整體連續性良好，完全符合項目設計要求。

5 結語

以導桿式成槽機為基礎的新型施工工法，在保證墻體質量的前提下大大提高了成槽效率。與傳統自凝灰漿相比，該新型自凝灰漿的墻體指標有了顯著提高，墻體均勻性好、防滲性能穩定、耐久性顯著提高，可以用于低水頭永久工程。與混凝土防滲墻相比，價格降低40%以上，在建造低水頭防滲墻方面有明顯的優勢。

（責任編輯 遲明春）

TU753

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1009-6159（2017）-10-0044-02

謝文鵬（1979—），男，高級工程師