王 林 熊麗娜 曾鵬九

（黃河設計公司地質勘探院 洛陽 471002）

振動工藝施工防滲墻的新方法

王 林 熊麗娜 曾鵬九

（黃河設計公司地質勘探院 洛陽 471002）

近年來，新出現的用振動工藝來修筑防滲墻的方法日漸增多，如振孔高壓旋噴（簡稱振孔高噴）、振動切槽、振動沉模、振動沉板、振動切噴等，均取得了高質量、高效率的效果，降低了墻的工程造價，而且可以根據設計需要在同一墻內，施工不同厚度墻體。這些新方法在水利水電防滲墻的施工中得到越來越廣泛的應用，有著廣闊的發(fā)展前景。

防滲墻 振孔高噴 振動沉模 振動沉板 振動切槽 振動切噴

機械振動是一種頻繁的、幅度不大的機械波動，是材料加工和工程施工中使用的一系列高效方法的基礎。

在建筑工程中利用振動，可使被振動的材料獲得新的性質。如振動將大大減弱材料顆粒之間與其插入物之間的摩擦力。在工程施工中經常利用這種效果，如振動沉拔樁機利用振動將預制樁輕松的振入土層；振動壓路機可使各類回填土變得很密實；在混凝土工程中，使用振動棒使混凝土變得密實、不出現空洞等。

振動顯示了其巨大的經濟效果，可成倍十幾倍地提高效率，減輕勞動強度。近年來，在水利水電防滲墻的施工中，利用振動的新方法新工藝得到了飛速發(fā)展，特別是修筑薄防滲墻，有一種在設計可能范圍內替代厚防滲墻的趨勢。使修筑造價大副下降，施工效率大幅提高，顯示了振動方法的強大生命力。

1 振動方法施工墻的基本原理

1.1 振動的效能

樁打入土中，需要克服樁端不大的阻力和樁側面與土體間相當大的摩擦阻力，后者會隨著打入深度的增加而增大。如果用振動沉樁，振動傳給樁時，就克服了土體與樁側面之間的摩擦。如僅有樁頂端的阻力，在樁自重與振動錘自重之和的幾分之一到十幾分之一力的作用下，就能沉入土中。

1.2 振動參數

振動具有激動力，產生振幅，完成振動所要做的功。

振動分強迫振動與自由振動，任何物體自身都有自由振動。自由振動就是物體要保持自身平衡的一種力量。如果自由振動頻率與強迫振動頻率大致相同，便會引發(fā)共振，振幅變得很大。

振動沉拔樁機的強迫振動頻率（fr），與各類土層的自由振動頻率（f0）的比值為1~1.5時，就會形成共振，共振時土顆粒間的結合水析出，土層出現液化，顆粒間的粘聚力急劇降低，使樁表面與土體之間的摩擦力等于“0”，樁靠自重就能很快沉入。因此，振動沉拔樁機的振動頻率應力求與土體的自由振動頻率接近。有關部門已研究出部分土的自由振動頻率，選用轉速1450r/min的耐振電機，一般都能接近土體的共振頻率。

振動產生的振幅可以克服樁側面的摩擦力和粘聚力，其大小由振動頻率和樁的類型、土體的性質而定，一般在2～20mm范圍內變化。

振動也帶來了一些不利，它會使緊固件松脫、機器構件強度降低。因此在非振動機械中，要盡量設法減振。而振動成墻工藝則充分利用了振動的有利一面。

2 振孔高噴防滲墻

振孔高噴是在普通高壓旋噴的基礎上發(fā)展起來的一種新工藝。普通旋噴由鉆機成孔，護好孔壁后，再由旋噴機重新安裝定位，下噴漿管進行噴射灌漿。成孔與噴灌為各自獨立的工藝（當然也可由同一臺鉆機、兩套管路系統(tǒng)來進行，但工藝仍各自獨立）。

振孔高噴將成孔與噴射灌漿有機地聯系在一起，振動鉆桿即是旋噴漿管，振孔方法是采用頂驅式振動器與液壓動力頭以振動回轉的工藝成孔，成孔到設計深度以后，振動器即停止運轉，振管即轉換為噴漿管，提升振管而形成旋噴灌漿（見圖1、圖2）。

圖1 振孔高噴施工原理

圖2 振孔高噴振動錘施工

振動鉆桿下部安有特殊的球齒合金鉆頭，振動成孔時管壁摩擦力非常小，只有孔底存在阻力，遇有卵石或大塊石，可發(fā)揮球齒合金鉆頭的作用，用激振力的沖擊功將卵石擊碎而穿透，無需泥漿護壁或者是跟進套管。

振動成孔到達設計深度后，通過一種裝置，可將底孔堵塞，讓沖洗液的漿液從側向的噴嘴噴出（此曾為日本專利，而我國自主研發(fā)成功）。然后停止振動，提高泵壓與泵量，旋轉提升，即構成旋噴（也可構成定噴或擺噴）。

振孔高噴的施工參數比普通旋噴高出很多，空氣壓力由普通高噴的0.7MPa提高到1MPa，空氣量由普通高噴的1m3/min提高到2~3m3/min。漿液噴射壓力由普通高噴的20MPa提高到35MPa。水泥漿作為能量載體直接噴向土層，保證了射流能量所作用到的范圍內，水泥成分擴散均勻。三峽三期圍堰防滲墻與電源電站防滲墻采用此方法施工，單排墻，孔距0.6m，墻厚達1.2m，后將孔距改為0.8m。各項指標完全達到設計要求。在工期緊迫的情況下，提前完成了施工任務。

振孔高噴新二管法施工的特點是成孔效率高、鉆灌一體化、大漿壓、大漿量、大風壓、大風量、不分序、孔距密、快速提、質量高、效率高。三峽業(yè)主對這種工藝給與了很高的評價?！霸摷夹g在三峽三期臨時下游土石圍堰防滲墻施工中，以優(yōu)質高效的突出優(yōu)勢，首次在大型水利工程中獲得成功應用?！?/p>

振孔高噴已于20世紀90年代獲得國家科技進步二等獎，并列為國家“八五”科技成果重點推廣項目。

工程實例有長江三峽三期圍堰防滲墻、長江三峽電源電站圍堰防滲墻等。

3 振動切槽防滲墻

振動方法可以成孔，同樣可以將一矩形切刀，振動切入土層，此工藝可將防滲墻修筑得很薄，獲得較好的經濟效益。

切刀通過振管連接頂驅振動器，通過振動將切刀沉入土層（沒有回轉），將松散顆粒擠向兩側，形成槽段（見圖3），達到設計深度后，即可提升切刀。在切刀沉入與提升過程中，均向槽內灌注漿液，待切刀提出槽口，即修筑了一小段灌滿漿液的防滲墻。若干個相連小槽段的墻，即形成地下連續(xù)防滲墻。沒有護壁工藝，如果遇到膨潤性土層，槽段產生縮徑，則可在切刀上部安裝數把刮刀，多次提升刮削土層，排出槽外，整個槽段就可連續(xù)。

圖3 振動切槽防滲墻施工原理

振動切槽雖與振動沉模有某些相似之處，但仍有很大的區(qū)別，振動切槽是將一矩形切刀（高不過0.5m，寬約1m）振動切入土中（見圖4），由于切刀與土層接觸面積小，摩擦阻力小，提升注漿時不需振動，因而較振動沉?？晒?jié)約50%以上的能源。

圖4 振動切槽施工

這種工藝具有構思很新穎、工序簡單、成墻質量好、效率高、成本低、對環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點，開創(chuàng)了建造地下薄防滲墻的新途徑。

該技術只適用于標貫N≤18的土層（63.5kg）。如砂土、壤土、淤泥、砂壤土、粉質粘土、砂層和含少量礫石的松散地層。

振動切槽工藝造墻深度一般在25m以內，厚度以為8～20cm，可以說是最薄的防滲墻修筑工藝之一，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。

2000年4月由國內著名專家學者鑒定時，該工藝創(chuàng)始研究不到10年，就已經完成了約20萬m2的工作量，均獲得了所有業(yè)主的好評。以馬云良為主任委員，陳文斌、蔣振中為副主任委員的鑒定委員會一致認為；“該項技術工藝成熟，技術含量高，設備較為完善，適用于我國國情?！薄霸擁椆に嚰霸O備為國內首創(chuàng)，達到國際先進水平”（鑒定書摘錄）。給與了很高的評價。

該工藝技術在2000年8月獲得第九屆中國專利新技術新產品博覽會特別金獎。工程實例如下：

a.湖北黃崗的黃州堤段和安徽同馬大堤的皖河北場等堤段防滲墻。

b.1999年1~5月江西省九江市長江于堤梁公堤采用振動切槽工藝施工，經歷了1999年長江特大洪水考驗，被評為優(yōu)質工程。

c.1999年江西省九江市濟益公堤防滲墻采用振動切槽工藝施工，質量優(yōu)良。

d.2000年4~6月哈爾濱市城防堤防滲墻采用振動切槽工藝施工，總工程量20000m2，經開挖檢查和墻體取樣測定，各項指標均滿足設計要求，被評為優(yōu)質工程。

4 振動沉模防滲墻

利用振動將一種矩形空心模板沉入土層，強力振動下沉到設計深度后，漿液可通過空心模板向槽底注漿。一邊注漿，一邊振動提升模板。漿液從模板底端注入槽內，迅速填滿模板上拔而騰出的空間，從而澆筑墻體，成槽與澆注有機地聯系在一起，無須護壁。

國外開發(fā)振動沉模比較早，如德國的寶峨公司（BAUE）于20世紀70年代在多瑙河河道整治及來茵河堤防防滲處理中應用，共累計建成200萬m2超薄防滲墻，是一項成熟的防滲技術。法國的威寶公司（PIC）也較早地開發(fā)應用了振動沉模技術。

寶峨公司與威寶公司的振動沉模技術都采用大功率的液壓振動錘，功率300～600kW，整機耗能在900kW以上，成墻工效可達56m2/h。機械化程度很高，并可由電腦進行操作。成墻厚度一般為10～30cm，成墻深度在20m。

國內已有中國華水水電開發(fā)總公司山東公司研制成功振動沉模防滲墻設備，施工防滲墻達7萬多m2，最大成墻深度17m，成墻厚度15～30cm。長江水利委員會也成功研發(fā)了此類設備，在“九五”期間已被國家列為科技成果重點推廣項目，并獲得國家5項專利。國內外振動沉模機的主要性能差異見下頁表。

該技術主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥質土及砂礫石地層，對有卵石含量的地層沉入困難。

4.1 振動沉模工藝

振動沉模有兩種工藝，一種是雙模板法（見圖5），一是單模板法（見圖6）。雙模板有公母制約槽口，保證墻體不會開叉，有完整的連續(xù)性。單模板法是靠引入導向板，可靠性比雙模板法差，但工藝簡單，效率要比雙模板高，多用于施工深度在10m以內的防滲墻。

國內外振動沉模成墻機性能表

圖5 振動沉模雙模板成墻原理

圖6 振沉單模板成墻原理

工程實例如下：

a.長江水利委員會于1990年引進德國寶峨公司振動沉模防滲墻技術，1999年4月～2000年8月在監(jiān)利縣長江土干堤南河口三支角段共施工防滲墻3.9km，均取得了成功。

b.山東萊州市王河地下水庫為防止海水入侵攔截上游地下潛流，地表以下15m采用振動沉模防滲墻，振動成模成墻效率為100～200m2/臺班，工程造價150元/m2左右，在壤土與細砂中施工工速度很快，成墻質量好，第一期工程提前了1個月，總工程費用節(jié)省1000萬元以上。

c.交通部第二航務工程局在洪湖套口防滲墻施工中采用振動沉模單模板工藝，墻深18m，墻厚20cm，墻長800m。成墻28天后滲透系數K<10-7cm/s，抗壓強度大于6.0MPa，效率200m2/臺班以上。

4.2 振動沉板防滲墻

振動沉板工藝方法基本與振動沉模相似，所不同的是振動沉板的模板不是空心的，而是由型鋼做成的，在型鋼上焊有漿管、水管，在振動沉入有困難時，可在底部進行水力噴射。在沉板到達設計深度后，由輸漿管注入漿液，振動起拔。進行第二個插板墻段時，型鋼的頭部重疊已成墻的尾部，來保持墻體的連續(xù)性，腹板為墻的最薄部分，可到7cm。

插板用型鋼多采用“H”字與“工”字型。規(guī)格多采用高30～80cm、翼板寬15～40cm的“工”字鋼做主板，底端加焊鋼板，在翼板與腹板的交角焊兩根灌漿管。為防止板沉入時泥土堵塞管口，在管口上可堵以木塞或鉚釘，當插板上拔灌漿時，塞子便可以自行脫落。

5 振動切噴防滲墻

振動切噴是振動切槽派生出來的一種工藝，最適宜修筑薄防滲墻，可薄到8cm。它是在振動切槽的基礎上，將噴嘴安裝在切刀下部，在振動切槽的同時，進行定噴（見圖7），能有效地提高振動切槽效率，大幅度提高切刀提升速度，成墻效率的提高幅度很大。

圖7 振動切噴防滲墻施工原理

振動切噴是在切刀下部約40cm處，安裝有相對180°兩個噴嘴，與切刀在同一軸線上，不回轉。切刀在振動切入的同時，噴嘴進行定噴。可形成以下功能：

a.超前切割土體。由于噴嘴超前切刀，所以切刀未切入之前，噴嘴先進行由空氣包裹的漿液高壓噴射，對土體進行切割破壞，使土體變得松散，切刀很容易沉入。尤其是對密實土層、砂層等，能顯著提高切刀沉入效率。

b.提升切刀定噴灌注。噴嘴到達設計深度后，切刀下有40cm沒有切到，但由于有定噴對土體切割，漿液攪拌就可以成墻。切刀提升騰出空間時，定噴就會向槽內灌滿水泥漿。等于是兩種成墻工藝同時進行作業(yè)，使墻的連續(xù)性可靠。

c.槽內定噴質量穩(wěn)定。定噴的影響半徑比切刀大，定噴漿壓達35MPa，其影響半可以超過1個切刀段，使單個切刀槽孔能有效地連接起來，保證墻體的連續(xù)性、防滲性。

工程實例如下：

重慶市北碚區(qū)草街航電樞紐工程，在嘉陵江右側修建臨時圍堰，其防滲墻的修筑采用了三種工藝：振孔高噴、振動切噴、可控灌漿。各自發(fā)揮優(yōu)勢，取長補短，20天完成1萬m2的防滲工程。經過11天的試抽和補充性防滲工作，同時約15萬m2基坑內近30萬m3的坑內積水全部抽干，圍堰總滲透量降至1000m3/h以下。實現了大型水電工程圍堰防滲墻施工少見的高速度。

6 振動施工防滲墻的優(yōu)缺點

6.1 優(yōu)點

a.各種振動施工方法均可共用同一高架桅桿與振動錘，只需更換成槽工具，切斷或是連接回轉動力頭，就可以形成各種不同的成墻振動工藝，靈活方便，增加了設備應用的廣泛性與靈活性。

b.用振動方法成孔或成槽，效率極高，經濟效益好。

c.振動方法成墻，除振孔高噴在旋噴過程中有攪拌和置換外，其他方法均用充填灌注成墻。所有的方法均不用泥漿護壁，降底了成本。沒有了泥漿的污染。

d.振動工藝成墻連續(xù)可靠，混凝土等成墻材料在槽內經過多次振動，使墻體密實而無空洞，墻的連續(xù)性好,墻的防滲性能與固結強度得到保證。

6.2 缺點

a.桅桿架的高度為防滲墻的設計深度，所以桅桿架很高，在成槽機位移時，4t多重的振動錘懸掛在頂部，安全性顯得非常重要。

b.目前，國內均使用電動振動錘，這種振動錘在啟動與停車時，由于振動頻率的由高而低、由低而高的變化，引起與成槽機短時間的共振，造成很大的振幅與噪聲。工業(yè)發(fā)達國家已有一種可調式液壓振動錘，可避免這個缺點。當前，我國也已研制成功可調式液壓振動錘，并已批量生產。

7 結語

根據防滲墻的不同設計與不同的地層，采用振動方法施工一般均可收到很好的效果?；蛘呖梢岳谜駝映煽椎母咚?，與其他一些有優(yōu)勢的施工方法相結合，來構成整個工程的施工方案，能收到較好的經濟效益。振動高桅桿一機多用，適用性廣，非常適合我國國情，應用前景廣闊，有很好的應用與研究價值。