高聚物超薄防滲墻施工設備及工藝改進

郭成超，楊建超,石明生,蔡兵華,李忠超,關 歡

(1.中山大學土木工程學院, 廣東 廣州 510275； 2.鄭州大學水利科學與工程學院, 河南 鄭州 450001；3.武陟裕泰房地產開發有限公司,河南 武陟 454950； 4.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430023；5.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

堤壩是水利樞紐工程中的最重要的建筑物之一，也是涉及水利工程安全的關鍵所在。我國的水利基礎設施大多修建于20世紀50～70年代，由于當時技術受限，加之年久失修，造成目前病險率較高，安全形勢嚴峻[1]。因此，堤壩防滲加固成為國內外的研究熱點，其中垂直防滲技術是最為常用的一種堤壩加固技術，該技術是根據我國堤壩防滲加固的需要，特別是1998年長江、松花江和嫩江特大洪水發生后迫切的防滲加固需求，快速發展起來的防滲加固技術，目前已在堤壩防滲處治上廣泛應用[2-6]。防滲墻加固技術是垂直防滲技術的一種，根據成墻方式的不同，可分為高壓噴漿成墻防滲技術、垂直鋪塑防滲技術、振動沉模板墻防滲技術、水泥土攪拌樁成墻防滲技術、置換成墻防滲技術等[1]。但在實際應用中，尤其是搶險性防滲堵漏中，現有防滲墻加固技術存在形成實際防滲效果的周期長、對堤壩擾動較大、防滲墻自身缺陷等問題，難以滿足病險堤壩防滲加固實際需求。從20世紀60年代開始，以聚氨酯為代表的有機高分子化學注漿材料及相應的注漿技術受到國內外學者和工程師的廣泛關注[7-8]，其中非水反應類高聚物注漿材料以其施工快捷方便、防滲性能優良、材料綠色環保、耐腐蝕、性價比高、抗震抗裂性能好等優點[9]成為水利工程基礎設施防滲加固優先研究發展的高分子化學注漿材料，在實際工程中得到了越來越廣泛的應用[10-12]，然而現行的高聚物注漿施工技術仍然在槽孔垂度、成墻連續性等方面存在著不足。

本文通過對高聚物注漿槽孔垂度、套孔精準度進行控制，采用靜壓成槽方式和提注同步的施工工藝，對高聚物防滲墻的施工設備和工藝進行改造，并對成墻效果進行了檢驗，可為改善高聚物防滲墻設計及施工提供參考。

1 改進前高聚物防滲墻施工設備和工藝

1.1 施工設備

薄型高聚物防滲帷幕技術是一種新型、高效、經濟、實用的堤壩防滲加固方法。由于高聚物材料具有不透水性和良好的韌性，1～3 cm厚的防滲帷幕即可滿足防滲要求，為此研制了側翼板錐頭壓槽板和三錐頭壓槽板2種成孔鉆具(圖1)。

圖1 成孔鉆具

側翼板錐頭壓槽板(圖1(a))是在錐式探頭的基礎上改進而來的。錐式探頭直徑為40～50 mm，錐尖夾角為60°。探頭兩側對稱焊接有刃口的三角形鋼板，根據需要，兩塊鋼板可以與平行面有0°～25°夾角，壓入堤壩中形成V形劈裂孔[13]。

三錐頭壓槽板[14-15](圖1(b))整體寬度為500～1 200 mm，左右鉆桿、中間鉆桿均為圓柱形，直徑分別為30～40 mm、40～80 mm，高度分別為400～600 mm、800～1 000 mm，左右翼板均為等邊梯形，厚度為10～30 mm，梯形斜邊與底邊的夾角為60°～70°。

1.2 施工工藝

由于成孔鉆具的不同，防滲墻的施工工藝存在一定的差異[14]。

采用側翼板錐頭壓槽板形成防滲墻的施工工藝主要包括：設置圓形垂直引導孔；將側翼板錐頭壓槽板壓入土中一定深度，拔出后形成V形孔模；在孔模中置入注漿管進行注漿；重復上述施工工序，并使相鄰V形孔模交叉搭接，注漿完成后即形成搭接連續的超薄高聚物防滲墻。

采用三錐頭壓槽板形成防滲墻的施工工藝主要包括：布置注漿槽孔；將三錐頭壓槽板壓入土中一定深度，拔出后形成單個注漿槽孔；將三錐頭壓槽板左鉆桿對準前次操作中由右鉆桿壓制成型的圓形孔，再次壓入并拔出后形成連續注漿槽孔；在兩個孔模之間的連接孔中，采取布袋注漿的方法封孔，避免漿液串孔；在超薄型孔模中置入注漿管進行注漿；連續重復上述施工工序，注漿完成后即形成連續搭接的超薄高聚物防滲墻。

1.3 成墻效果

側翼板錐頭壓槽板和三錐頭壓槽板的成墻效果如圖2所示，可以看出，采用側翼板錐頭壓槽板形成的墻體在搭接處存在縫隙(圖2(a))，連續性較差，影響實際防滲效果；采用三錐頭壓槽板形成的墻體的連續性明顯得到了改善，搭接處完整性好，但是在局部表面依然存在凹凸不平的現象(圖2(b))，豎向的平整性有待提高，這種現象可能是由于成槽和注漿過程分離造成的。

圖2 兩種成孔鉆具的成墻效果

1.4 存在的問題

現行防滲墻加固技術受施工設備和工藝等諸多條件限制，存在如下幾方面的問題：

a. 鉆具引導桿過短，搭接成槽時難以精準定位，槽孔的垂度難以精準控制；沒有采取有效的垂度控制儀器，難以保證靜力壓槽時的垂直度，影響成墻后的連續性。

b. 如果成槽時采用的鉆具存在初始偏差，則此偏差就會隨著成槽深度的增加而累積，這對高聚物成墻的連續性造成不小的影響，極易導致庫區堤壩、濱江道路等工程中滲漏水災害發生。

c. 成槽和注漿過程分離，先成槽后注漿的施工工藝在鉆具突然提升過程中，極易造成槽孔內部真空，引起土體的二次擾動，極易引起塌孔、縮孔，導致高聚物成墻不連續，難以達到密實勻質成墻的效果。

2 設備與工藝改進

2.1 設備

針對現有設備存在的問題，主要從以下兩方面進行改進。

a. 為了保證靜力壓槽的垂直度，在靜力壓槽機的滑道附近安裝Digi-Pas DWL 1000XY雙軸測柱式電子水平儀，如圖3所示。該電子水平儀具有如下優點：①測量范圍為0°～90°，X、Y軸同步測量；②4個方位圖標指示測量角度(X、Y軸)；③分辨率高達0.1°，0°時最高精度可達±0.05°，在其他角度時，精度為±0.2°；④在0°、90°或指定角度時有聲音提示。利用雙軸測柱式電子水平儀可以對壓槽時鉆具的垂直度進行精確控制，一旦鉆具垂度發生偏差，雙軸測柱式電子水平儀就會及時發出蜂鳴聲提示，便于對鉆具垂度進行調整。

圖3 雙軸測柱式電子水平儀

b. 將現行的三錐頭壓槽板改進為加長引導桿壓槽板(圖4)。具體作了如下改進：①加長引導桿，方便后續槽孔施工時實現準確套孔；②將固定式的錐頭改造為一次性可活動錐頭，與錐頭連接的是可分離式軟質橡膠棒，為了減小該橡膠棒與土體的摩擦，用聚乙烯材料將其包裹，這樣當模具壓入指定深度后開始提升，錐頭脫離，左側的錐頭孔可以實現模具上下部分的氣體交換，避免模具突然提升而產生真空，從而有效地避免塌孔、縮孔；③將現有設備的中間鉆桿由實心結構改為中空結構，以便注漿管穿設和注漿，避免原有施工工藝中成槽后下注漿管過程對孔壁的二次擾動。

圖4 加長引導桿壓槽板

2.2 工藝

針對原有工藝先用模具靜壓成槽后下注漿管注漿的缺陷，對高聚物注漿成墻工藝進行了改進，提出提注同步的高聚物防滲墻施工工藝(圖5)，即在提升成槽板的同時進行高聚物注漿，通過導管提升設備[13]控制提升速率及注漿壓力，有效地避免了原來設備工藝因為拔出模具造成的真空，同時利用了高聚物發生化學反應產生的膨脹力，迅速填滿槽孔，防止了塌孔、縮孔的發生，使墻體更加密實均勻。

圖5 提注同步高聚物注漿施工工藝

改進后的施工工藝關鍵在于提升-注漿的一體化，在施工中應注意：①利用靜壓成槽設備將三錐頭槽板模具壓入土體；②注漿管深度大于槽孔深度(包含槽孔外加長部分)；③采用導管提升設備控制注漿導管提升速率；④采用靜力壓槽機提升槽具，槽具提升后再利用注漿控制系統進行注漿，形成“注漿—提升—注漿”的循環操作，漿液自下而上通過化學反應體積膨脹，填滿槽孔，形成片狀高聚物防滲體(圖6)。

圖6 高聚物防滲墻

2.3 成墻效果

高聚物防滲墻施工執行DB41/T 712—2011《高聚物防滲墻技術規范》，對改進后的設備和工藝的成墻效果進行檢驗。

2.3.1直觀效果

施工完成后高聚物成墻效果如圖7所示，目測墻體不僅勻質密實，而且搭接連續，達到預期的成墻效果。與改進前的成墻效果(圖2)對比發現，采用改進后的設備及工藝形成的防滲墻在搭接孔位置更加均勻密實，表面凹凸不平的現象幾乎沒有，即豎向表面的平整性得到提高，固化后的高聚物墻體整體連續性得到明顯改善。因此，從直觀效果上可直接反映出設備和工藝改進前后成墻效果的區別，說明設備和工藝改進后的先進性。

圖7 成墻效果

圖8 高聚物防滲墻現場滲透試驗

2.3.2防滲效果

選取一段進行開挖注水試驗(圖8(a))，在防滲墻一側開挖長3.5 m，深2.5 m，寬1.2 m的矩形水槽，為了保持相對較高的水位，并防止貯水槽坍塌，槽內放置1.5 m的透水砂層，采取恒水位注水試驗，觀察防滲墻有無滲漏情況。為防止注水之后墻體坍塌，在探槽內對墻體進行支撐。在注水槽與高聚物防滲墻之間預留15 cm的保護土層，加透水砂，然后注水，保持2.5 m恒水位。試驗后期，由于土體浸水時間較長，開挖水槽邊的土體出現裂縫剝落，支撐木板受壓發出響聲，此時進行抽水，試驗結束。

從試驗結果(圖8(b))可知，經過恒水位滲透試驗，深槽內部未出現水漬、潮濕等狀況，高聚物防滲墻將注水槽中水全部阻擋在注水槽中，水分子無法穿過防滲墻進入到深槽中，這說明防滲墻體阻水性好，防滲效果達到規范要求。

3 結 論

a. 雙軸測柱式電子水平儀的應用改進了原有的注漿設備及工藝基礎，使錐頭板更加精準地實現套孔，避免由于套孔不連續導致墻體搭接不連續。

b. 加長引導桿及活動式錐頭的應用，實現了快速的套孔操作，提高了履帶式靜壓成槽的效率；錐頭部分搭接的改進，避免了布袋的應用，使搭接孔部分黏結更加均勻，保證了垂度及連續性，有效地實現了防滲功能。

c. 提注一體化施工工藝，不僅加快了工程進度，提高了施工效率，而且利用了高聚物化學反應膨脹固化，提升同時填充了下部槽孔，避免了因為錐頭板提升導致的真空，防止槽孔因為真空可能出現的塌孔、縮孔，使墻體的均勻性、連續性、密實性得到保障，為高聚物防滲墻的應用推廣提供了技術支持。