徐利劍,謝為江,劉 達(dá)

(江西省水利科學(xué)院,南昌 330029)

0 引 言

防滲墻是地下連續(xù)墻的一種,在不同工程領(lǐng)域發(fā)揮著各種重要作用。在水利水電行業(yè),防滲墻的作用主要是水工建筑物(堤、壩、閘等)基礎(chǔ)截滲,保護(hù)堤壩及水閘等水工建筑物的安全;在建筑行業(yè),防滲墻的作用主要是基坑截滲及基坑支護(hù),保護(hù)基坑安全;在環(huán)保行業(yè),防滲墻的作用主要是垃圾填埋場封場,防止?jié)B濾液外泄污染地下水;在礦山行業(yè),防滲墻的作用主要是防止尾礦庫廢水外泄或防止突水事故等。無論在任何行業(yè),防滲墻都是主體工程,其工程質(zhì)量涉及人民群眾生命財產(chǎn)安全[1-2]。

近年來,各種不同的施工工藝運用于防滲墻施工,常見的工藝主要有液壓抓斗法、射水造墻法、沖擊鉆法、深層攪拌法、高壓噴射灌漿(簡稱“高噴”)等。其中液壓抓斗法、射水造墻法、沖擊鉆法屬于全置換工藝,即須把原始地層中的土砂石等物質(zhì)置換出地面,然后回灌混凝土材料成墻;而深攪法和高噴法則不需要全部置換,就地切割、攪拌地層,并充填水泥漿液,讓原始地層物料與水泥漿液就地固結(jié)成墻,因此這兩種工藝工序較簡單,且充分利用原始地層物料成墻,造價較低廉。需指出的是,深攪法僅適應(yīng)于黏土及粉細(xì)砂地層,而難以適用含有卵石的粗顆粒地層;高噴法采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束,沖擊、切割、破碎地層土體,并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中,形成樁柱或板墻狀的凝結(jié)體,達(dá)到提高地基防滲或承載能力的目的[3]。因而高噴法既可適用于黏土及粉細(xì)砂地層,又可適應(yīng)于粗砂及卵石等粗顆粒地層。由于高壓流體的發(fā)生裝置(高壓漿泵和空壓機(jī))能遠(yuǎn)程發(fā)力(即通過管路將流體遠(yuǎn)距離輸送到噴頭,將切割地層的能量傳遞到孔內(nèi),且能量衰減較小),減少了作業(yè)面上主臺車的負(fù)荷,因此設(shè)備體型相對較小,可適應(yīng)于較狹窄的作業(yè)場地。正是因為該工法對地層和場地的適應(yīng)能力較好,工藝優(yōu)勢明顯,因此,近年來,高噴法造防滲墻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于防滲墻施工。

目前防滲墻工程中普遍使用的施工工藝包含射水造墻、液壓抓斗、傳統(tǒng)高噴工藝、TRD工法、雙輪銑深攪等,各種工藝雖然基本能夠滿足工程建設(shè)需要,但仍存在一些亟待解決的問題,主要有以下3個方面:

1)噴漿時噴桿提升速度慢(≥15cm/min),施工效率較低:施工時噴桿不能提升過快,一旦提升快了,切割范圍就會減小,難以連續(xù)成墻?？s小孔距也不行,因為一旦縮小孔距,就意味著增加鉆孔數(shù)量,傳統(tǒng)的高噴鉆孔機(jī)械,鉆進(jìn)效率較低,增加鉆孔數(shù)量,總體效率反而更低。因此,現(xiàn)有高噴技術(shù),大多選擇0.8m以上的大孔距施工,噴桿提升速度慢,效率較低。

2)水泥耗量大,成本較高:旋噴工藝,由于直徑大,浪費水泥較多;傳統(tǒng)的擺噴與定噴工藝,由于孔距大,為了達(dá)到較大噴射范圍,往往提升速度慢,很多水泥漿液返出孔口流失,造成浪費[4-6]。

3)不能適用于漂石地層施工:現(xiàn)有技術(shù)(無論是旋噴、擺噴還是定噴),一旦遇到漂石地層,往往鉆不動,難以成孔,即使成孔,在噴射時遇到漂石,因噴桿無退讓空間,容易擋住噴嘴,難以成墻。

1 施工技術(shù)原理及工藝流程

1.1 施工技術(shù)原理

“刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻施工技術(shù)”是一種新型防滲墻施工技術(shù)。其技術(shù)原理為:采用高壓水泥漿液(或高壓水)、壓縮空氣形成高速噴射流速,協(xié)同機(jī)械刨銑作用,沖擊、切割、破碎、銑削地層土體,并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混(或換填)其中,形成板墻狀的凝結(jié)體,用以提高地基防滲或承載能力的施工技術(shù)。刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻施工設(shè)備擬選用特種長臂挖機(jī)來進(jìn)行高噴施工。特種長臂挖機(jī)是在傳統(tǒng)的長臂挖機(jī)的基礎(chǔ)上,把挖斗換成銑具(耙斗或松土器),并在銑具上安裝噴嘴(包括漿嘴和氣嘴),同時,對長臂進(jìn)行相應(yīng)改造,并在臂上布設(shè)高壓流體管路,高壓水泥漿液、壓縮空氣通過管路輸送至噴嘴,形成高速噴射流束,對地層進(jìn)行預(yù)切割,協(xié)同銑具的刨銑動作,共同沖擊、破碎、銑削地層,水泥漿液在作業(yè)過程中既起護(hù)壁作用,又與原始地層中物料摻混后自行凝結(jié),從而形成具有良好防滲性、連續(xù)式的高噴防滲墻[7-9]。

1.2 施工步驟

“刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻施工技術(shù)”的主要施工步驟如下:

1)測量放樣:依據(jù)設(shè)計圖標(biāo)示防滲墻軸線;每隔一段距離設(shè)立一個軸線控制樁,標(biāo)定樁號位置,并做好記錄及維護(hù)工作。

2)場地平整:開工前先把路堤背水坡一側(cè)的導(dǎo)流通道位置確定,放樣劃線,并填渣、壓實、鋪平;以此推導(dǎo)確定防滲墻施工軸線,并放樣劃線,再以此為準(zhǔn),推算出挖機(jī)作業(yè)的寬度范圍,對于寬度不足堤段,可在導(dǎo)漿槽開挖時,順便將干土填筑、拓寬、壓實。

3)挖機(jī)就位及高壓流體系統(tǒng)布置:沿作業(yè)方向分別布置特種長臂挖機(jī)和普通挖機(jī)。選擇合適位置作為制漿平臺,為減少轉(zhuǎn)場次數(shù),宜將制漿平臺布置在施工段中部較寬闊地帶,以方便水泥卸車為原則。通過高壓流體管路將高壓泵和噴嘴連通。

4)漿液配制:配制并攪拌水泥漿液(配合比可根據(jù)工程具體情況設(shè)計);根據(jù)配合比和攪拌桶容積推算出每一攪拌桶材料用量。制漿時每桶均先放水到計算用量,加入外加劑,稍加溶解和攪拌,然后加入水泥,每桶攪拌≥2min。漿液隨配隨用,為防止水泥漿液離析,須不斷攪動,同時把拌制好的漿液輸送到二次攪拌儲漿容器。

5)導(dǎo)漿槽開挖及噴射、刨銑:先采用普通挖機(jī)挖出一定長度的導(dǎo)漿槽,然后采用特種長臂挖機(jī)進(jìn)行刨銑作業(yè),同時噴射漿、氣,并保持一定的漿液高度(一般情況下不低于地面以下100cm)護(hù)壁。典型的做法是,導(dǎo)漿槽開挖后,先將長度約6～8m軸線范圍內(nèi)所有地層物料挖除,此時可不進(jìn)行高壓噴射(改為低壓注漿),挖至基巖,水泥漿液護(hù)壁,然后展開特種長臂挖機(jī)的銑具,自上而下進(jìn)行刨銑噴射作業(yè)(相當(dāng)于以大臂根部為圓心劃弧),單程刨銑厚度約50cm(軸線方向,刨銑厚度可根據(jù)具體地質(zhì)情況調(diào)整),直至入巖。入巖后提出銑具,挖機(jī)履帶前進(jìn)約50cm(軸線方向),又進(jìn)行自上而下的刨銑噴射作業(yè),如此循環(huán),分層推進(jìn),形成連續(xù)式高噴防滲墻。墻深須按設(shè)計要求進(jìn)入目的地層,主要判斷標(biāo)準(zhǔn)為摳出目的地層碎塊,結(jié)合先導(dǎo)孔成果,由現(xiàn)場技術(shù)人員作出判斷和認(rèn)定。墻體深度可利用挖機(jī)臂的上余量來測量,墻軸線方向每隔5m測一次深度,并做好記錄[10-11]。

6)固結(jié)成墻:根據(jù)具體的地質(zhì)條件和作業(yè)情況,可采用長臂挖機(jī)在溝槽中大范圍反復(fù)扒動或搓動,將原始地層中的物料與水泥漿液充分拌合,將粗顆粒往后方挪移,同時驗證墻體連續(xù)完整性。

施工工藝流程如圖1所示:

圖1 刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻的施工工藝流程圖

2 刨銑法施工效果分析

2.1 工程背景

井岡山航電樞紐工程地處贛江中游河段,江西省吉安市境內(nèi),壩址右岸位于萬安縣窯頭鎮(zhèn),左岸位于萬安縣韶口鄉(xiāng)與泰和縣馬市鎮(zhèn)交界處。其庫區(qū)防護(hù)工程中的重點是防滲墻工程。防滲墻工程原設(shè)計工藝為射水造墻,經(jīng)前期的射水造墻施工試驗發(fā)現(xiàn),由于地層中存在成片塊石,且地層孔隙率大,在造槽過程中容易發(fā)生坍塌,施工效率和質(zhì)量保證度低,因此,射水造墻工藝難以適應(yīng)本項目地質(zhì)條件。經(jīng)各參建單位討論,采用“刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻施工技術(shù)”進(jìn)行施工試驗。

各參建單位通過現(xiàn)場踏勘,選定夏坪村堤段作為試驗段施工,試驗段長度30m?，F(xiàn)場采用特種長臂挖機(jī)進(jìn)場,并進(jìn)行設(shè)備組裝調(diào)試,以及高壓流體系統(tǒng)布置和調(diào)試,導(dǎo)漿槽開挖進(jìn)行刨銑法施工試驗。

2.2 防滲墻施工質(zhì)量檢測

試驗段完工后,建設(shè)單位委托了檢測單位分別對試驗墻體進(jìn)行了試坑開挖檢查、鉆芯法檢測,檢測數(shù)據(jù)顯示墻體連續(xù)完整,成墻質(zhì)量良好,芯樣抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)均滿足設(shè)計要求[4]。

3 結(jié)論與建議

刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻施工工藝,采用特種長臂挖機(jī)來進(jìn)行高噴施工,協(xié)同刨銑作業(yè),形成近似等厚的高噴防滲墻。這種新技術(shù)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下4個方面:

3.1 施工質(zhì)量更好

1)不會出現(xiàn)開叉現(xiàn)象。由于本工藝采用水泥漿液護(hù)壁,無需分序(分幅)施工,不會出現(xiàn)開叉現(xiàn)象。而“開叉”這種質(zhì)量缺陷,是大多數(shù)傳統(tǒng)工藝的通病。

2)不存在“漏噴”的質(zhì)量缺陷。即使遇粗顆粒障礙物阻擋噴嘴,可被銑具(挖斗)撥動移位,刨銑和噴射的共同作用可讓原始地層的物料充分被水泥漿液包裹,不留任何“死角”,所以,不存在“漏噴”的質(zhì)量缺陷。

3)沒有墻底沉渣的質(zhì)量缺陷。因為本工藝在造墻過程中采用水泥漿液護(hù)壁,原始地層物料與水泥漿液固結(jié)成墻體材料,不像傳統(tǒng)開槽工藝的沉渣呈松散狀而成為滲漏通道。

4)不存在離析斷墻的質(zhì)量缺陷。傳統(tǒng)的混凝土防滲墻工藝,由于在水下混凝土澆筑時,容易產(chǎn)生導(dǎo)管拔脫,使混凝土“洗澡”,產(chǎn)生離析斷墻,形成滲漏通道,而本工藝省去了水下混凝土澆筑環(huán)節(jié),不存在離析斷墻現(xiàn)象。

3.2 施工成本較低

1)機(jī)械成本較低。由于采用長臂挖機(jī)成槽,比傳統(tǒng)的成槽設(shè)備便宜很多。當(dāng)前,我國防滲墻成槽機(jī)大多被國外機(jī)械巨頭壟斷,液壓抓斗、銑槽機(jī)等,少則四五百萬,甚至一兩千萬。

2)人工成本較低。傳統(tǒng)的工藝,由于工序較多,耗工較多,如射水造墻工藝每個臺班約需工人10個,而本工藝僅需4人。

3)原材料成本低。新技術(shù)充分利用原始地層中的物料作為墻體材料,無需另行外購砂卵石或商品混凝土,大大地節(jié)約了材料成本。

3.3 節(jié)約工期

由于采用挖機(jī)作業(yè),靈活高效,可大大地節(jié)約工期。比如,同一個防滲施工項目采用傳統(tǒng)的射水造墻工藝。可能需要6個月工期,而采用本技術(shù)施工,僅需3個月即可完工。

3.4 具有良好的環(huán)境效益

傳統(tǒng)的防滲墻施工技術(shù),往往需要消耗大量混凝土、膨潤土等原材料,并產(chǎn)生大量的棄漿或棄渣。而本技術(shù)充分利用原始地層中的物料作為墻體材料,無需外購砂卵石或商品混凝土,且不產(chǎn)生大量的棄漿棄渣,節(jié)能減排,具有良好的環(huán)境效益。

刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻施工技術(shù)因其施工成本低、工期短、施工質(zhì)量好、環(huán)境效益高等優(yōu)勢必將在水利工程施工中擁有十分廣闊的前景,但是受制挖機(jī)臂長度,存在適應(yīng)地層深度不足的技術(shù)難題,因此,刨銑法連續(xù)式高噴防滲墻技術(shù)可以作為傳統(tǒng)防滲墻施工方法的一種補(bǔ)充,通過科學(xué)配置、合理優(yōu)化取得良好的施工工效。