戰(zhàn) 博,段玉鳳,曾鵬九

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北石家莊 050021;2.黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘察院,河南洛陽 471002)

振動切噴技術(shù)在重慶草街航電樞紐工程中的應(yīng)用

戰(zhàn) 博1,段玉鳳1,曾鵬九2

(1.華北有色工程勘察院有限公司,河北石家莊 050021;2.黃河設(shè)計(jì)公司地質(zhì)勘察院,河南洛陽 471002)

在振動切刀下部安裝有定噴的噴嘴,振動切槽之前,超前進(jìn)行定噴,將振動切槽與定噴兩種工藝綜合成一種工藝,構(gòu)成一種新的薄防滲墻的施工工藝——振動切噴技術(shù)。介紹了該新技術(shù)在重慶草街航電樞紐工程中的應(yīng)用情況,實(shí)踐證明,此工藝提高了防滲墻的施工效率與成墻質(zhì)量。

振動切噴;振動切槽;定噴;灌注;防滲墻

1 概述

重慶草街航電樞紐工程是在嘉陵江上修建一座低水頭水利工程,一為通航,二為發(fā)電,故稱航電工程。工程分 2部分進(jìn)行,從中修以臨時圍堰,一側(cè)為電廠,一側(cè)為航道。臨時圍堰靠右側(cè),為樞紐的縱向混凝土圍堰和 15孔泄洪閘混凝土底板的干地施工服務(wù)。臨時圍堰軸線長約 1130 m,由上橫堰 287 m、縱堰 660 m和下橫堰 183 m組成。堰頂高程 183～181 m,平均防滲深度約 10 m,總的防滲面積約 111萬m2。

防滲深度內(nèi)的地層自上而下分述如下。

(1)堰體拋填層。厚 2～6 m,主要由右岸邊坡開挖的泥巖和砂巖的大巖塊組成,巖石軟弱,中等硬度。施工設(shè)計(jì)中要求防滲軸線附近拋填只含小塊徑的碎石土,實(shí)際中軸線上有很多大塊徑石塊,特別是在上橫堰和縱堰的龍口段附近。經(jīng)過挖溝換填后,防滲線上的大石塊含量有所減少,僅在較深部位有部分殘存,漏水量極大。

(2)河床砂卵石層。厚 0～7 m,卵石粒徑多在100 mm以內(nèi),150～200 mm以上的漂石也占一定比例。卵石的原巖為石英巖、石英砂巖等堅(jiān)硬巖石,磨圓良好,屬強(qiáng)透水層。

(3)基巖系侏羅紀(jì)的泥巖和砂巖,表面多風(fēng)化,屬軟巖,為弱透水層。在急流和深槽部位,部分堰體直接覆蓋在基巖上。

(4)坡積碎塊石層分布在近岸坡的 50 m內(nèi),尤其是下游岸坡部分分布較厚,透水性極強(qiáng)。

設(shè)計(jì)對防滲墻沒有提供具體參數(shù)與工藝要求,也沒有提供有關(guān)軸線地質(zhì)資料與剖面圖,僅要求基坑最終抽水量 <1500 m3/h。

針對上述情況,要以最短的時間,保證質(zhì)量完成該臨時圍堰防滲墻的施工,采取了優(yōu)勢互補(bǔ),把施工工效最高、質(zhì)量最好的施工方法——振動切噴與可控灌漿結(jié)合、振孔高噴與可控灌漿結(jié)合,歷時 26天,高質(zhì)高效地完成了任務(wù)。

振動切噴技術(shù)適用于標(biāo)貫擊數(shù) N6315≤18的土層,如粘土、砂土、壤土、淤泥、砂壤土、粉質(zhì)粘土、砂層和含少量礫石的松散地層?？山ㄔ爝B續(xù)混凝土防滲墻、塑性混凝土防滲墻或土工模防滲墻。

振動切噴工藝造墻深度一般在 25 m以內(nèi),厚度8～20 cm,可以說是最薄防滲墻的修筑工藝之一。可廣泛用于堤防防滲墻或水力坡比不大的臨時圍堰防滲墻等。不足之處是對卵石含量高、有大漂石的地層以及基巖 (軟巖可以短距離的切入)等,振動切噴成墻困難較大或不能進(jìn)行封閉。

2 振動切噴防滲墻的施工原理

振動切噴是在振動切槽的切刀下約 015 m的距離,安裝 2個相隔 180°的噴嘴,與切刀在同一軸線上 (見圖 1)。切刀未切入原始土層之前,噴嘴超前先進(jìn)入原始土層,超前對土層進(jìn)行定向噴射切割,可降低切刀切入阻力。

圖 1 振動切噴鉆具圖

槽深達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,通過振管與切刀的通道,由噴嘴向下灌注漿液,灌注的同時提升振管。振管提出槽口,即修筑了一小段灌滿漿液的防滲墻。若干個小槽段地下墻相連,即形成地下連續(xù)的防滲墻。其工作原理如圖 2所示。

圖 2 振動切噴防滲墻施工原理圖

2.1 超前土體定噴切割

由于噴嘴超前切刀,切刀未切入之前,噴嘴先由空氣包裹的漿液進(jìn)行高壓定向噴射,對土體進(jìn)行切割破壞,空氣與部分漿液上返,被切割的土體變得松散,對于密實(shí)土層、礫石層、砂層,能顯著提高成槽效率。

2.2 切刀振動沉入

定噴自身能形成很薄的防滲墻,但有些工程仍需要一定厚度的防滲墻,這個厚度又不是很大,則跟進(jìn)切刀成型是最好的辦法,切刀厚度可根據(jù)防滲墻厚的設(shè)計(jì)要求而定,本工程切刀厚為 15 cm。

切刀的沉入是由振動所控制的,振動使摩擦阻力降低。如果在飽和土中受到振動,振桿的強(qiáng)迫振動頻率與土體的自由振動頻率接近時,土體則會發(fā)生共振,產(chǎn)生液化。土顆粒中的結(jié)合水析出,土顆粒間的粘結(jié)力急劇下降,土體與切刀刃部分表面的摩擦力大大降低,切刀靠振管與振動錘的自重就能很容易沉入土層。

振動切刀擠入有以下 3種作用:

(1)擠密作用。切刀沉入,不排出土渣,完全是擠開土體,向下沉入。故兩側(cè)土體受壓而密實(shí),受擠壓的范圍為墻厚的 2～3倍,使土體孔隙率降低,密度加大,有利于槽壁的穩(wěn)定與墻邊土體的防滲[2]。

(2)振浮作用。切刀通過振動,使周圍土體內(nèi)超孔隙水壓力升高,促使土粒間結(jié)構(gòu)力破壞,形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式。

(3)固結(jié)作用。砂土地層中,在其上覆有效應(yīng)力作用下,超孔隙水壓力消散時,將產(chǎn)生排水固結(jié)壓密。

在上述作用下,提高了墻兩側(cè)土體的防滲能力,增加墻兩側(cè)土體的滲流穩(wěn)定性,使槽壁穩(wěn)定,不易出現(xiàn)塌槽。

2.3 提升定噴灌注

切刀到達(dá)設(shè)計(jì)深度后,提升振管,同時可由振管向槽內(nèi)灌注水泥漿。切刀下有 40 cm沒有切到的土層,但定噴會對土體進(jìn)行切割并注漿,仍可形成封閉墻。

2.4 對漿液的振搗作用

振動切噴無需分序施工,在振動沉入過程中,對上一個槽段已注入的漿液有連續(xù)振搗作用,使墻體內(nèi)漿液充分振搗密實(shí),氣體充分的排出,有利于提高墻體的抗?jié)B性能與強(qiáng)度。

2.5 漿液護(hù)壁作用

振動切噴因切刀要比振管寬很多,切刀寬 017～019 m,振管直徑一般不超過切刀厚度。切刀過后,其上部擠出的槽段空間,漿液會立即填入,起到護(hù)壁作用 (因漿液密度在 1135 g/cm3以上),而無需另采用專門泥漿護(hù)壁。

2.6 墻體的連續(xù)性

第一個切噴槽段完成后,槽內(nèi)充滿了漿液,此時可立即進(jìn)行第二個序槽的切噴,為使各切噴槽段有完好的連接性,在切刀上安裝一導(dǎo)向刀,當(dāng)?shù)诙€序槽切刀下沉?xí)r,導(dǎo)向刀即在已形成的槽段內(nèi)起著導(dǎo)向連接作用,而且切刀與上槽段重疊 10 cm,確保墻體不開叉。每一切噴槽段所需工時很短,一般僅為5～8 min,灌注到槽內(nèi)的漿液還沒初凝就連續(xù)完成了另外多個切噴槽段,定噴壓力達(dá) 20～35 MPa,其影響半徑比切刀大。當(dāng)?shù)谝粋€槽孔灌注之后,往下槽孔定噴的影響范圍,幾乎可以串過 1～2個切刀段,使單個切刀槽孔能有效的連接起來,保證墻體的連續(xù)性,每個槽段內(nèi)的漿液都得到了振動攪拌密實(shí),均能混為一體。

3 施工設(shè)備

3.1 振動切噴機(jī)

振動切噴機(jī)與振動切槽機(jī)只需略加變更便可以通用,振動切噴機(jī)的機(jī)架較高,可達(dá) 30 m,一根噴管即可到設(shè)計(jì)深度。機(jī)上有主副 2個卷揚(yáng),并有液壓系統(tǒng),可使振動切噴機(jī)自身爬行。本工程采用的DY-90型振動切噴 (槽)機(jī)主要技術(shù)性能見表 1。

表 1 DY-90型振動切噴 (槽)機(jī)性能表

(1)振動錘是切槽機(jī)上的重要構(gòu)件,對切槽效率有著重要的影響。該機(jī)選用的是 DZJ型雙動力中心孔垂直定向振動錘,根據(jù)墻深與土體情況,功率可在 60、90、120 kW之間選用。振動錘利用滾輪在高架的導(dǎo)桿上滑行。

(2)振動切刀與振管:振動切刀由厚 10 mm鋼板焊接而成,振管選用 DZ型厚壁鋼管,規(guī)格為“108、127、159 mm三種 ,可根據(jù)不同墻厚、墻深以及振動錘功率大小選用。

3.2 空壓機(jī)

根據(jù)施工條件、工程量的大小以及技術(shù)要求進(jìn)行選用。以 112 MPa的高壓空壓機(jī)為首選。

3.3 高壓泥漿泵

優(yōu)選天津產(chǎn) XPB-90E型高壓泥漿泵,壓力 45 MPa,流量 95 L/min,采用調(diào)速電機(jī)控制流量。

4 施工工藝

4.1 施工前的試驗(yàn)

振動切噴在施工前,應(yīng)在防滲墻附近或線上作施工試驗(yàn),以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性,并提出切實(shí)可行的施工參數(shù),提出試驗(yàn)報(bào)告后,修正業(yè)主的施工設(shè)計(jì)與施工單位提出的施工組織設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括:成墻方法的可行性、成墻材料試驗(yàn)配比、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、墻體質(zhì)量、滲透試驗(yàn)與合理的工藝參數(shù)等,并由監(jiān)理工程師批準(zhǔn)執(zhí)行。

4.2 施工工藝流程

振動切噴施工工藝流程如圖 3所示。

4.3 開導(dǎo)槽

以防滲墻中心線為準(zhǔn)挖寬 20～30 cm、深 40～50 cm的施工導(dǎo)槽,長約 20 m隔槽一次 (即在槽中每 20 m設(shè)置一小隔墻,以防止大面積跑漿)。

圖 3 振動切噴工藝流程圖

4.4 施工移位放樣

由于有導(dǎo)槽,切刀孔位無法放在防滲墻軸線上布置,只能從旁側(cè)輔助定位線引導(dǎo)過來 (見圖 4)。

圖 4 振動切噴輔助線定位放樣圖

4.5 調(diào)整振動切噴機(jī)的垂直度

切噴機(jī)到位后,利用 4個垂直油缸,將高架調(diào)垂直,用經(jīng)緯儀進(jìn)行校正。然后將高架上的水準(zhǔn)氣泡調(diào)中,再移動孔位時,只須用垂直油缸調(diào)整水準(zhǔn)氣泡居中,高架就能垂直。保證槽孔的垂直度。

4.6 泵漿試驗(yàn)

開機(jī)之前,需配制好漿液。按水灰比攪拌控制好,并測試漿液密度,一般控制在 1135～115 g/cm3。

4.7 振動切噴成槽

開機(jī)前,地面試噴以檢查管路與噴嘴是否通暢(圖 5),向槽內(nèi)送漿后,需保持槽口漿液面,以保槽段不坍塌。振動切入速度可根據(jù)土層地質(zhì)情況與槽口供漿量控制。

圖 5 振動切噴地面試噴圖

4.8 提升切刀定噴注漿

振動切噴到設(shè)計(jì)深度后,停止振動,提升切刀,通過振管不停地向槽內(nèi)注漿,第一個槽孔,切刀是滿眼成槽的,提升速度≯30 cm/min,第二個槽段開始,由于與上個槽段相通,則可以提高提升速度到 1 m/min,只須槽口能保證漿面的高度即可。

4.9 第二個槽段的振動切噴

第二個槽段施工前,需重新安裝導(dǎo)向頭。位移到第二個槽孔時,除將導(dǎo)向頭完全置于第一個槽段內(nèi),還需將切刀長度的 10 cm左右也置于第一個槽段內(nèi),以保證相連槽段不開叉。振動切噴常用技術(shù)參數(shù)可參考表 2。

振動切噴進(jìn)入第二槽段,當(dāng)墻深≯10 m時,可不安裝導(dǎo)向管,但要保證切刀不會轉(zhuǎn)動,定噴流與切刀縱中心線重合,確保防滲墻的連續(xù)性。

5 施工特殊情況的處理

5.1 遇卵石、大塊石

表 2 振動切噴常用技術(shù)參數(shù)

施工中經(jīng)常遇到塊石與卵石,此時振管會有明顯的跳動,必須立即減壓,降低切刀沉入速度。因?yàn)閺?qiáng)烈的振動有可能損壞切刀與噴嘴頭,還可能擠開塊石卵石,造成槽孔的偏斜。在反復(fù)穿越不成功后,采用移位繞行的措施,同樣可以保證防滲墻的封閉。

5.2 縮徑槽段

如有縮徑地段,則需觀察注漿量的大小,當(dāng)注漿量小于槽的容積時,說明縮徑,應(yīng)立即采取措施。安裝多片刮刀,反復(fù)穿越,將刮下的縮徑土提出槽口,用振動將刮刀上的土體振下,然后再進(jìn)行刮削。

5.3 病險(xiǎn)堤壩防滲墻的澆灌

堤壩有滲漏、管涌和地下洞穴。盡管無壓注漿,耗漿量也很大。此時,可摻入 1%～3%的水玻璃,并采用反復(fù)灌漿與間歇灌液,直至反漿為止。

6 施工效率

2005年秋季正逢嘉陵江水大,圍堰戧堤進(jìn)占自2005年 11月 2日和 5日分別從上游和下游兩端開始,11月 20日在樁號 0+850附近合攏,當(dāng)施工平臺部分完成后,第一臺振動切噴機(jī)于 11月 26日在縱堰的 0+440附近開始振動切噴施工,第二臺振孔高噴機(jī)于 11月 29日開始振孔高噴施工。11月 26日起可控灌漿從縱堰全面展開。至 12月 10日總量約 1萬m2的防滲工程全部完成,基坑開始試抽水。經(jīng)過 11天的試抽和補(bǔ)充性防滲工作,于 12月 21日圍堰閉氣,同時約 15萬 m2基坑內(nèi)近 30萬 m3的坑內(nèi)積水全部抽干,圍堰總滲透量降至 1000 m3/h以下。防滲工程開始至基坑內(nèi)積水抽干,歷時 26天,共使用一臺振孔高噴機(jī),一臺振動切噴機(jī) (僅工作20天),二臺可控灌漿設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了大型水電工程圍堰防滲施工少見的高速度[1]。

7 墻體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

8 振動切噴防滲墻的施工特點(diǎn)

工程實(shí)踐證明,振動切噴防滲墻施工具有以下特點(diǎn)。

(1)質(zhì)量可靠。振動切噴建成的墻體連續(xù)性好,無接縫,無橫向開叉。墻面平整,厚度均勻,同時不會出現(xiàn)斷墻斷樁。

(2)施工方法簡單。施工方法簡單,操作容易,當(dāng)切刀沉入設(shè)計(jì)深度后,送漿量加大的同時,切刀向上提升,提出槽口,即成段墻,不需置換與專門的澆注。

(3)可施工最薄的防滲墻。切刀厚度即是防滲墻的厚度,所以非常適于修筑薄防滲墻,最薄可達(dá) 8 cm。在低水頭壩防滲墻和堤壩防滲墻的施工中有廣闊的市場。

(4)施工效率高。振動切噴的成墻效率很高,平均成墻效率在 500 m2/d左右,最高連續(xù)成墻效率可達(dá) 1500～2000 m2/d。

(5)無污染。振動切噴無需護(hù)壁,成墻漿液也始終不出槽口,這種優(yōu)越性只有振動切槽、振動切噴與振動沉模的成墻方法所具有,其它的施工方法無法比擬。

(6)造墻成本低,設(shè)備少,投入低。比高壓旋噴造墻成本低約 30%,比薄壁抓斗造墻成本低約20%。

9 結(jié)語

該工藝構(gòu)思新穎、工序簡單,開創(chuàng)了建造地下薄防滲墻的新途徑。其有很強(qiáng)的適用性,應(yīng)大力推廣應(yīng)用。

[1] 曾鵬九.防滲墻的施工技術(shù)最新模式[J].水力發(fā)電,2008,(1):60-63.

[2] 孫靈慧,李云崖,王開蘭.切槽成墻技術(shù)在堤防工程中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2001,(2):8-9.

Application of Vibration Cutter with Jetting in Navigation-power Junction of Chongqing

ZHAN Bo1,DUAN Yu-feng1,ZENG Peng-jiu2(1.North China Engineering Investigation Institute Limited Company,Shijiazhuang Hebei 050021,China;2.Yellow River Consulting Co.,Ltd.,Geological Survey Institute,Luoyang Henan 471002,China)

Directional jetting nozzles are under the vibrating cutters,directional jetting is carried before vibrating cutting for trenching.Vibrating cutting and directional jetting are combined into one technology;a new construction technology for thin cutoffwallwas for med.The paper introduced the application of vibrating cutting technology in navigation-power junction of Chongqing,which improved the construction efficiency and quality.

vibration cutterwith jetting;vibrating trenching;directional jetting;grouting;cutoffwall

TV543+182

A

1672-7428(2010)01-0049-04

2009-06- 23;

2009-11-26

戰(zhàn)博(1981-),男(漢族),吉林琿春人,華北有色工程勘察院有限公司天津市場開發(fā)部主任、助理工程師,勘察技術(shù)與工程專業(yè),從事巖土工程工作,河北省石家莊市匯通路 39號,zhanbo121@126.com。