砂卵石地層超深防滲墻工藝試驗(yàn)研究

仇正中，孫曉偉，徐彬彬

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

襄陽市東西軸線沉管隧道項(xiàng)目采用“雙軸線”干塢法進(jìn)行管節(jié)預(yù)制，其東汊干塢支護(hù)結(jié)構(gòu)采用“落底式止水帷幕+放坡開挖”方案。干塢面積大，基礎(chǔ)透水性強(qiáng)，防滲墻墻體材料的選擇是施工的一個難點(diǎn)。防滲墻墻體材料主要有柔性防滲墻和非柔性防滲墻兩類，柔性防滲墻優(yōu)點(diǎn)：1）具有與土體相似的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和破壞形式，能很好地適應(yīng)土體的變形；2）和易性、穩(wěn)定性均好于普通混凝土；3）具有良好的抗?jié)B性、抗震性和耐久性；4）施工簡便、成本低、工效高、工期短。柔性止水材料越來越多的被運(yùn)用到防滲墻之中。最常用的2種柔性防滲墻材料為自凝灰漿[1]與塑性混凝土[2-3]。

施工區(qū)域表層以強(qiáng)透水砂卵石地層為主，黏土隔水層深約70 m，止水帷幕需穿越多個土層及多層地下水。在砂卵石地質(zhì)條件下，防滲墻具有槽壁不穩(wěn)定，易塌孔；成槽深度大，垂直度難以保證；超深防滲墻墻體質(zhì)量難以保證等特點(diǎn)，施工安全問題也會隨之出現(xiàn)。因此有必要在施工前進(jìn)行防滲墻工藝試驗(yàn)，確定防滲墻墻體材料及施工工藝。

1 試驗(yàn)概況

1.1 地質(zhì)概況

襄陽市東西軸線沉管隧道項(xiàng)目東汊干塢里程號自K12+563—K13+333，總長770 m，深12 m，塢底寬64.2 m，塢頂寬158.2 m，總開挖量87萬m3。采用“落底式隔水帷幕+放坡開挖”方案，邊坡坡率為1∶3，止水帷幕厚度為1.0 m，底部伸入黏土層不小于5 m。塢口處采用“鎖口鋼管樁+防滲墻”方案，岸堤防護(hù)及污水處理廠處采用格形地連墻。

止水地連墻工藝試驗(yàn)位置位于地質(zhì)詳勘SDGK13孔位樁號隧道軸線附近，里程樁號為K12+900，地質(zhì)縱剖面如圖1所示。落底式止水帷幕地連墻深度70～79 m，需穿越粉砂層、卵石層、圓礫層等易塌孔地層。

圖1 東汊干塢工藝試驗(yàn)槽段處地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological histogram on the process test slot section of the east branch dry dock

1.2 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)共成槽5段，每槽段長度2.8 m，咬合0.4 m，總長12.4 m，成槽順序1-3-5-2-4。其中1號、3號、5號槽墻體材料采用自凝灰漿，2號采用塑性混凝土，4號原計(jì)劃采用塑性混凝土，由于塌孔未能成槽，試驗(yàn)槽布置見圖2。施工區(qū)域地表粉砂層厚約10 m，粉砂層黏結(jié)性差，考慮采用水泥攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，試驗(yàn)工況如表1所示[4]。

圖2 試驗(yàn)槽布置Fig.2 Test slot arrangement

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

2 原材料及配合比

2.1 原材料

P.O42.5水泥，初凝時(shí)間185 min，終凝245 min，比表面積342 m2/kg，燒失量為4.28%，二級粉煤灰，膨脹率為300%～500%的鈉基膨潤土。純堿主要成分為Na2CO3。外加劑為超緩凝聚羧酸系專用高效外加劑，具有抗泥、抗水下離析、減水及緩凝等功效。水采用襄陽地下水，檢測符合要求。

2.2 配合比

2.2.1 自凝灰漿配合比設(shè)計(jì)

國內(nèi)外自凝灰漿配合比差異性較大，對于原材料類型的選用、各材料的摻和比例千差萬別且大多停留在試驗(yàn)室測試階段。根據(jù)試探性試驗(yàn)，提出配合比正交設(shè)計(jì)，用水量1 000 kg。

自凝灰漿配合比正交試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 自凝灰漿配合比正交試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test and results of mix proportion of self-setting mortar

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，自凝灰漿需滿足7 d抗壓強(qiáng)度≤1 MPa、28 d抗壓強(qiáng)度≤2 MPa、滲透系數(shù)≤i×10-6cm/s（i為1～10之間的常數(shù)），初凝時(shí)間≥48 h且終凝時(shí)間≤75 h等要求，選取6號配合比進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)[5]。

2.2.2 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)

通過塑性混凝土綜合性能優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合混凝土性能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，最終確定3組塑性混凝土配合比，塑性混凝土配合比與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 塑性混凝土配合比與試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mix proportion and results of plastic concrete

根據(jù)SL 174—2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》[6]，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度1～5 MPa，滲透系數(shù)≤i×10-6cm/s，密度≥1.8 g/cm3。經(jīng)過多次的配合比比對試驗(yàn)及綜合性能驗(yàn)證，止水地連墻塑性混凝土1號配合比滲透系數(shù)較大，抗?jié)B保證率偏低；3號配合比強(qiáng)度較小，且外加劑摻量較高，經(jīng)濟(jì)性不理想；2號配合比所有性能滿足塑性混凝土設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，故選用2號配合比作為理論配合比指導(dǎo)現(xiàn)場施工[7-8]。

3 結(jié)果

3.1 水泥攪拌樁

試驗(yàn)槽采用液壓抓斗成槽，機(jī)械重力會對導(dǎo)墻沉降產(chǎn)生影響，監(jiān)測各槽導(dǎo)墻沉降量見圖3。

圖3 試驗(yàn)槽導(dǎo)墻累計(jì)沉降量Fig.3 Cumulative settlement of guide wall in test slot

試驗(yàn)槽4號未采用水泥攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，距離試驗(yàn)槽1.5 m處發(fā)生塌孔，孔徑約0.5 m，孔深達(dá)1.9 m，底部向?qū)Ψ较蜓由欤恢靡妶D2。粉砂層地質(zhì)成槽時(shí)，導(dǎo)墻下部應(yīng)進(jìn)行水泥攪拌樁槽壁加固。由圖3可知，試驗(yàn)槽2號、3號槽導(dǎo)墻加固深度為11 m，穿透地表粉砂層，監(jiān)測11 d累計(jì)沉降量約為5 mm；試驗(yàn)槽1號、5號槽導(dǎo)墻加固深度為3 m，未穿透粉砂層，監(jiān)測11 d累計(jì)沉降量約為11 mm，遠(yuǎn)大于試驗(yàn)槽2號、3號。故止水地連墻成槽時(shí)，導(dǎo)墻下部需采用水泥攪拌樁加固，且加固深度應(yīng)穿透地表粉砂層。

3.2 導(dǎo)墻

試驗(yàn)槽導(dǎo)墻根據(jù)設(shè)計(jì)建議呈倒“L”形，采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻深1.9 m，寬1.5 m，厚0.2 m，兩側(cè)導(dǎo)墻間距1.24 m，墻頂高程和施工平臺齊平，頂板鋼筋和施工平臺鋼筋進(jìn)行連接。

導(dǎo)墻處布置6個監(jiān)測點(diǎn)，位置如圖2所示。試驗(yàn)槽成槽10 d后進(jìn)行監(jiān)測，1號～6號點(diǎn)往機(jī)械方向分別偏移2.3 cm、2.2 cm、4.3 cm、0.2 cm、2.8 cm及0.7 cm，導(dǎo)墻偏移較大。其原因：1）由于導(dǎo)墻頂部為松散粉砂土，土質(zhì)差，且施工過程無法壓實(shí)，倒“L”導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)不能自穩(wěn)，移位較大；2）抓斗進(jìn)入導(dǎo)墻口時(shí)，對漿液形成強(qiáng)力擾動，槽內(nèi)漿液沖刷作用下，可能導(dǎo)致導(dǎo)墻底部脫空，形成偏移。

根據(jù)試驗(yàn)情況，將導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)形式由倒“L”更改為正“L”，每個槽段施工前采用C12槽鋼及鋼板焊接成矩形卡槽，進(jìn)行支撐加固。正“L”導(dǎo)墻本身可以自穩(wěn)，同時(shí)采用正“L”導(dǎo)墻，導(dǎo)墻處松散粉砂土易壓實(shí)，輔助矩形卡槽，可以確保導(dǎo)墻穩(wěn)定。該導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)在東汊干塢防滲墻得到應(yīng)用，取得良好效果。

3.3 成槽

試驗(yàn)槽采用抓斗單抓成槽法，在抓斗挖掘同時(shí)向槽孔內(nèi)注入填充材料原漿，槽孔內(nèi)的漿液面高度保持在孔口以下10～50 cm范圍以內(nèi)，保持水頭高度，防止孔壁坍塌，槽孔到達(dá)20 m左右，對槽壁進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，糾正槽孔垂直度；到達(dá)終孔深度后，進(jìn)行孔斜、孔深的檢查和驗(yàn)收工作。每槽段開挖結(jié)束后，檢查槽位、槽深、槽寬及槽壁垂直度，進(jìn)行超聲波垂直度檢測，槽段垂直度允許偏差0.3%，槽段寬度偏差﹤50 mm。

經(jīng)超聲波監(jiān)測，試驗(yàn)槽1號、2號、3號、5號槽壁垂直度最大偏差為0.19%，滿足設(shè)計(jì)要求。槽壁設(shè)計(jì)寬度為1.2 m，波形分析槽壁寬度均達(dá)到1.5 m以上，擴(kuò)孔超過30 cm，平均擴(kuò)孔系數(shù)約1.2～1.3，自凝灰漿及塑性混凝土用量為設(shè)計(jì)值的1.7～1.8倍。

3.4 防滲性能

在試驗(yàn)槽段施工齡期滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，在試驗(yàn)槽段2、3不同深度處進(jìn)行了鉆芯取樣分析，并進(jìn)行了降水滲透性試驗(yàn)檢測，取樣材料見圖4，防滲性能見表4。

圖4 試驗(yàn)槽鉆芯取樣Fig.4 Core sampling in test slot

表4 墻體材料防滲性能Table 4 Impermeability of cut-off wall material

試驗(yàn)槽3芯樣分析，雖然自凝灰漿墻體材料滲透系數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但是自凝灰漿成槽存在墻體材料分布不均的情況，芯樣完整性較差，且難以連續(xù)，還有部分材料未完全凝結(jié)，處于半塑性狀態(tài)。主要原因有：1）成槽深度過深，成槽周期較長，施工過程中填充材料凝結(jié)時(shí)間較難控制，槽段坍塌風(fēng)險(xiǎn)較大；2）自凝灰漿材料自身的特性決定了其強(qiáng)度較低，難以滿足實(shí)際施工強(qiáng)度要求；3）地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抓斗成槽施工過程中，對相鄰槽體擾動大，對墻體材料指標(biāo)要求較高；4）試驗(yàn)室結(jié)果與試驗(yàn)槽3施工情況存在較大差異，尤其是凝結(jié)時(shí)間一致性較差，膨潤土漿及自凝灰漿制備中技術(shù)指標(biāo)難以控制。

試驗(yàn)槽2芯樣分析，墻體材料于各深度處均勻良好，芯樣完整且連續(xù)，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及施工要求。東汊干塢超深防滲墻選用塑性混凝土作為墻體材料。

4 結(jié)語

1）砂卵石地層防滲墻施工時(shí)，導(dǎo)墻下部需采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固，且加固深度應(yīng)穿透地表粉砂層。

2）為便于導(dǎo)墻自穩(wěn)及砂土壓實(shí)，砂卵石地層防滲墻應(yīng)采用正“L”結(jié)構(gòu)形式，并輔助矩形卡槽，確保導(dǎo)墻穩(wěn)定。

3）采用抓斗單抓成槽法能滿足槽壁垂直度的要求；砂卵石地層成槽，平均擴(kuò)孔系數(shù)約1.2～1.3，墻體材料實(shí)際用量約為設(shè)計(jì)值的1.7～1.8倍。

4）自凝灰漿和塑性混凝土作為防滲墻墻體材料均能滿足防滲要求，相比于自凝灰漿，塑性混凝土沿深度方向質(zhì)量均勻良好，更適用于超深防滲墻。