李家梁水庫雙輪銑水泥土攪拌墻成墻技術研究

白成偉

（榆林市榆陽區紅石峽水庫服務中心,陜西 榆林 719000）

0 引言

水庫大壩作為重要的水利基礎設施,在居民用水、防洪抗澇、農業灌溉等方面發揮著至關重要的作用。在水庫工程中,防滲墻的建設是工程質量的關鍵,一旦發生漏水事故,會嚴重威脅當地的人民財產安全[1-2]。目前,我國基坑地下防滲墻工程的施工方式主要有鋼板樁法、咬合樁、地下連續墻、渠式切割水泥土攪拌墻（TRD）以及型鋼水泥土攪拌墻（SMW）等,但存在造價高、地層適用面窄、施工效率低,墻體質量不均等缺點[3-5]。因此,采用合適的技術對防滲墻進行施工,變得尤為重要。本文以榆林市李家梁水庫工程為例,對雙輪銑水泥土攪拌墻的成墻效果進行系統研究。

1 施工技術

1.1 SMC 工法原理

SMC 工法是德國BAUER 公司研發的通過雙輪液壓銑削機進行工作的施工技術。該工法將傳統深層攪拌和液壓雙輪銑槽機相結合,通過兩個銑輪實現地層的旋轉切削,利用注漿系統向地層注入漿液并與現場土壤均勻混合形成水泥土攪拌墻。向下銑削土體時兩個銑輪相向旋轉,并注入固化劑或銑削液；銑削至設計深度后提升銑輪并注入固化劑與土體攪拌混合。如果施工時間短,施工深度淺,則在向下和向上銑削和攪拌均注入固化液[6]；如果施工時間長,施工深度深,向下切削時僅注入銑削液以避免水泥漿固化,向上銑削過程注入固化液與現場土體拌合形成防滲性能好、整體性強、墻體均質的水泥土攪拌墻。

1.2 施工工藝

SMC 工法水泥土攪拌墻的施工分為施工準備階段和施工造墻階段兩部分。施工流程圖見圖1。其中,施工準備階段包括確定芯材安裝位置、開溝鋪板安裝調試、測量放線、清場備料等工序[7]。施工造墻階段包括：（1）銑削攪拌,該階段中銑削攪拌土體,并注入漿液與原位土體拌合。（2）墻體搭接。墻體搭接分為濕法搭接和干法搭接。。

圖1 施工流程圖

1.3 工藝優點

（1）施工可視性高。攪拌銑頭內部安裝監測裝置,能夠實時采集數據供操作人員分析修正。

（2）地層適應性強,削掘性能高。導桿采用卷揚加壓系統,銑頭為合金材料,扭矩高達100 kN/m,能夠削掘密實的粉砂、粉土等硬質地層,并在砂卵礫石層中切削掘進。

（3）攪拌性能墻高。銑頭由多排刀具組成高速旋轉削掘土體,同時注入高壓空氣,具有優良的混合攪拌性能。

（4）設備穩定性高。鉆具底端設置有重量較大的銑頭和驅動裝置,穩定性高,整體重心較低。

（5）適應場地性能更加靈活。雙輪銑攪拌墻機械均采用履帶式主機,占地面積小,移動靈活。其可以將刀頭部分旋轉90°施工,而其它深層攪拌機械只能垂直于樁位施工（樁位至樁基尾部距離在13 m 以上）。雙輪銑攪拌墻樁機的施工空間最小可以在8 m 的范圍內施工。

2 SMC 工法試驗概況

李家梁水庫工程位于榆林市西北約40 km 的孟家灣鄉曹家梁附近,庫區地形平坦,域內土層主要物理力學參數及分布見表1。①粉土：層厚0.79 m～1.78 m,粉粘粒含量不均,黃褐色,可塑,含植物根；②裂隙粘土：層厚1.15 m～5.43 m,粘性較強,淺紅棕色,可塑,裂隙發育；③粉土：層厚0.62 m～6.89 m,粘粒含量低,黃褐色,松散；④粘土：層厚0.42 m～5.88 m,有機質含量高,灰色,粘性強,軟塑-可塑狀態；⑤粉土：層厚0.69 m～5.68 m,稍密,黃褐色；⑥粉質粘土：層厚2.93 m～10.15 m,含少量姜石灰,粉粒含量較高,可塑,黃褐色,灰褐色；⑦粉土：層厚1.71 m～9.12 m,局部相變為粉砂,粉粒含量高,稍密,黃褐色；⑧粉砂：層厚1.71 m～9.12 m,級配不良,稍密,黃色；⑨粉質粘土：層厚2.72 m～17.86 m,粘粒含量高,可塑,黃褐色；⑩粘土：層厚3.77 m～13.25 m,含粉質粘土、粉土,粘粒含量高,硬塑,黃褐色；?粉土：厚度0.42 m～12.79 m,局部相變為粉砂；粉粒含量高,黃褐色。

表1 土層主要物理力學參數及分布

庫區內地下水埋深較淺,80 m 深度內沒有連續、統一、穩定的相對隔水層,土層水利聯系密切,透水性較強,需對壩基以下進行防滲處理。壩基截滲通過水泥土攪拌墻進行加固,采用雙輪銑水泥土攪拌墻施工技術進行施工,防滲墻軸線位于壩軸線上游7 m,技術指標如下：墻體材料為P.O42.5 普通硅酸鹽水泥,單幅墻體寬2800 mm,水泥摻量25%,墻厚700 mm,深度為45 m,墻體間搭接300 mm,墻體最大施工深度35 m,向下銑削和提升銑削階段水灰比分別為1.4 和1.2,注漿壓力分別控制在0.65 MPa～0.85 MPa 和0.95 MPa～1.15 MPa,各深度內段漿量見表2。

表2 典型槽段施工段漿量統計表

典型槽段銑頭施工位置隨施工時間的變化曲線見圖2,可以看出,通過兩個銑輪實現地層的旋轉切削,其中,向下銑削的速度略慢于向上銑削的速度,土層切割得更均勻,銑削至設計深度后提升銑輪并注入固化劑與土體攪拌混合。

圖2 銑頭深度隨時間變化曲線

防滲墻施工完成后,從墻頂開挖1 m～3 m,檢查成墻效果并進行后續施工。成墻施工完成28 d 后使用地質鉆機進行鉆芯取樣,制成高徑比為1∶1 的試樣后進行滲透試驗和無側限抗壓強度試驗。根據JGJ/T 199-2010 的規定,考慮到巖芯鉆探和取樣過程中對巖芯樣品的破壞,巖芯樣品的強度乘以1.3作為水泥土攪拌墻的強度。采用柔性壁三軸滲透儀（圍壓為350 kPa,滲透壓為300 kPa）進行滲透試驗,滲透系數計算公式如下：

式中：A 為試樣截面積,cm2；P 為滲透壓,kN；g 為重力加速度,10 N/kg；t 為測試時間,s；h 為試樣高度,cm；Q 為單位時間t 內的滲透流量,cm3；kt為水溫t℃下試樣的滲透系數,cm/s；η20為20℃時水的動力粘滯系數,kPa·s；ηt為t℃時水的動力粘滯系數,kPa·s ；k20為20℃時水的滲透系數,cm/s。

3 試驗結果與分析

3.1 無側限抗壓強度

成墻后芯樣的無側限抗壓強度試驗結果見圖3。可以看出,無側限抗壓強度最高為3.51 MPa,對比發現芯樣的強度略有異常,主要是SMC 施工過程中會不可避免的出現攪拌不均勻現象。但是SMC 工法水泥土攪拌墻強度均遠遠高于JGJ/T 199-2010 中規定的0.5 MPa。SMC 工法由上下抱夾對銑頭施加向下的驅動力,使其具有更強的攪拌能力,且深層土體中攪拌墻的強度略高于淺層土體中的強度。主要是由于SMC工法施工機械的切削工具為實心銑輪,攪拌能力較強,相同的旋轉角速度下平均切削線速度高于傳統攪拌樁,另外下部土層強度較高,也會導致芯樣強度較高。噴漿方式為向下噴漿,易產生泛漿現象,同時銑輪夾帶的泥塊會堆積在墻體上部,導致上部土層內強度有所降低。因此,施工過程中要嚴格控制噴氣、噴漿壓力,并在上部土層內進行復攪,提高攪拌混合的均勻性。

圖3 無側限抗壓強度試驗結果

各土層中雙輪銑水泥土攪拌墻的強度平均值及變異系數見表3。可以看出：④粘土層和②裂隙粘土中芯樣強度低于鄰土層強度,兩處芯樣中夾有未攪拌均勻的粘土塊。主要是采用傳統的雙輪銑施工機械,兩銑輪間在粘土中攪拌存在盲區,導致防滲墻強度有所降低。因此,需延長粘土層中的攪拌時間,尤其是向下銑削攪拌的施工時間；或使用改進銑頭,使銑輪表面夾雜的粘土及攪拌盲區粘土得以破碎。

表3 無側限抗壓強度統計

3.2 滲透系數

滲透系數試驗結果見圖4。可以看出,該防滲墻滲透系數均小于10-5cm/s,最低為10-10數量級。考慮到運輸及取樣的擾動,滲透系數的實際數值應該更低,滿足防滲技術要求。

圖4 滲透系數試驗結果

各土層內芯樣的滲透系數統計見表4。可以看出,上部土層的滲透系數略大于深層土體,這與芯樣無側限抗壓強度試驗結果類似,主要是SMC 工法在上部土層中切削不均所導致的。分析發現,部分土層中變異系數較大,其原因如下：一是在運輸取樣過程中受到較大擾動,導致芯樣內部存在裂縫。二是施工過程中攪拌不均,土塊與水泥漿液未充分混合形成有機整體,易產生滲水通道。

表4 滲透系數統計表

4 結論

在總結大量工程應用實例的基礎上,以雙輪銑水泥土攪拌墻為研究對象,結合水庫防滲墻工程,通過現場取芯、室內無側限抗壓強度以及滲透試驗,對SMC 施工技術、成墻效果進行了系統的研究。該次試驗成墻效果良好,具有較好的均勻性,無側限抗壓強度均在3 MPa 以上最高達3.91 MPa；整體抗滲性有較大提升,滲透系數均10-5cm/s 數量級以下,墻體內部與搭接處強度基本一致。本文成墻試驗的順利實施為后續的規模化施工提供了技術支撐,亦為以后類似工程提供了可供參考的工程實例和寶貴的借鑒經驗。