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薄墙技术
薄防渗墙施工技术
中国水利水电基础工程局天津市武清县301700
今年入汛以来,长江流域与嫩江、松花江的特大洪水猛烈冲击着抵御洪水的最后屏障——堤防。
在长时间超高水位的作用下暴露出堤防工程防洪标准偏低、堤防基础薄弱的“堤质”问题,如:
堤身土壤干密度低,防渗防浪与排水设施不完善等,其中堤防的防渗处理技术引起人们的普遍关注,成为堤防加固的关键。
我国江河干堤战线长,加固任务重,要求质量高,因此运用先进的施工技术和机具,快速低成本地完成防渗加固任务就迫在眉睫。
薄防渗墙施工技术在这种情况下应运而生而不断完善、发展。
现就薄防渗墙施工技术做一简要介绍。
1.射水法
1.1工作原理
射水法是利用造墙机的水泵及成型器中的射水喷嘴形成高速泥浆切割破坏土层结构。
水土混合回流,泥沙溢出地面(正循环)或者用砂砾泵抽吸出槽孔(反循环),同时利用卷扬机带动成型器上下往返运动进一步破坏土层并由成型器下沿刀具切割修整孔壁形成具有一定规格尺寸的槽孔。
1.2施工机具及工艺
射水法造墙机主要由造孔机、水下砼浇筑机和砼搅拌机组成,造孔机设置在特制轨道上,造墙的成形器内单排并列设置8个高压喷嘴,水压力一般为0.3~0.4MPa,成形器两侧水平布置3个扁形喷嘴,水压为0.3MPa。
导向系统采用电动机械手控制,配电系统250kW。
成形器外形尺寸1500×(1500~2000)×(220~450)mm,重量1.1t。
图一射水法防渗墙施工工艺流程图
造墙机依靠泥浆水破坏土后,成形器外壳导流,保护孔壁,使水的流速控制在小于0.2m/s,采用泥浆固壁。
破土的射流泥浆与破碎的土、砂混合溢出槽孔(正循环),依据不同的地层特性决定不同的水压力、流量、泥浆性质和造孔进尺速度。
1.3墙体连接方式
射水法采用平接技术,在单序号孔浇筑混凝土初凝后,施工双序号孔时由成形器的侧向喷嘴不断冲洗单序号砼槽板的侧面,造孔时侧向喷嘴距砼面8cm,喷阻压力3kg/cm2,反复上下运动,每分钟20~30次,运动幅度50cm左右。
形成两侧冲洗干净的砼面槽孔,浇筑砼后单双序号孔连成墙体。
1.4质量控制
对射水法建造地下连续墙质量控制分为施工阶段检测和墙体质量检测分为两部分。
施工阶段检测内容:
防渗墙轴线位置、槽孔的深度及砼现场搅拌质量等。
墙体质量检测内容:
1随机抽取并开挖防渗墙一侧至检测位置进行砼强度、接缝渗透试验。
2钻机在防渗墙顶部钻孔取砼芯样。
3在已完成的防渗墙边上做围井试验,测定砼墙体与接缝渗透性。
图二射水法围井试验平面图
1.5使用范围及技术经济指标
深水法造孔机主要使用于粒径小于8mm的砂、壤、粘土层。
造墙深度20m,造墙厚度220~450mm,槽宽2000mm,纯钻工效50~70m2/台班,墙体抗渗能力K<10-7cm/s。
工程造价150~200元/m2(220mm厚砼墙体)。
该工法不足之处是墙段采用平接,接缝多,另在地层和深度上均有一定的局限性。
2.多头小直径搅拌桩截渗墙
2.1工作原理
运用特制的多头小直径深层搅拌桩机把水泥浆喷入土体并搅拌形成水泥土墙做为防渗墙。
土体中喷入水泥浆经搅拌后,水泥和土在固化过程中产生水泥的水解和水化反应、离子交换与团粒化反应、硬凝反应和石灰硬化反应,从而形成有一定强度和防渗能力的水泥土。
图三多头小直径搅拌桩截渗墙施工工艺流程图
2.2施工机具及工艺
多头搅拌桩机钻头直径200~300mm,设备用电容量55kW,主机外形尺寸5.5×1.9×18m(长×宽×高),主机自重16t。
施工时通过主机的动力传动装置,带动主机上多个并列的钻杆转动,并以一定的推进力使钻头推进到设计深度,然后通过水泥浆泵将水泥浆由高压输浆管输进钻杆,経钻头喷入土体中,在钻进和提升的同时水泥浆和原土充分拌合形成防渗墙。
2.3墙体连接方式
正常情况下桩与桩之间的搭接长度不小于50mm,随墙深增加而增加搭接长度。
若施工中出现因故停浆时,再次喷浆时,则应和前一根桩进行对接,待水泥土墙具有一定强度后,先在接头处用工程钻机钻孔,然后再灌注水泥砂浆或用粘土连接处理。
图四搅拌桩单元施工顺序图
2.4使用范围及技术经济指标
适用地层较广,主要是粘土、淤泥、砂土和含少量砾石的砂砾层。
成墙最大深度13m,成墙厚度100~300mm,墙体渗透系数(1~10)×10-6~(1~10)×10-8cm/s,墙体抗压强度大于0.3MPa,渗透破坏比降大于200。
纯钻工效13~18m2/台时,水泥用量40~60kg/m2,工程造价70~90元/m2。
此工法技术特点:
不需开槽,可避免开槽出现的塌孔,工效高,节约水泥(水泥掺合比12%),施工场地占用小,4m宽度即可。
不足之处是处理深度较小,且在深度较大时钻孔孔斜不易监测和控制,墙体下部连续性难以检测。
3液压开槽机连续墙
3.1工作原理
由液压开槽机液压系统提供动力,使液压缸的活塞杆做垂直运动,带动工作装置刀杆作上下往复运动,力杆上的刀排紧贴工作面切削和剥离破坏土体,被剥离切削掉的土体及切屑由反循环排渣出槽。
开槽机沿墙体轴线方向全断面连续切削,不断前移,直至形成连续的槽孔。
3.2施工机具及工艺
开槽机主要由排渣系统、起重设施、电气系统和工作装置刀杆组成(见图五)。
开槽机性能指标:
开槽宽度0.18~0.4m,切削行程0.4~0.8m,排渣粒径小于8cm,排渣方式反循环,起重能力150KN。
液压开槽机沿轴线方向连续成槽,然后使用隔离体将槽孔分成开槽段和砼浇筑段,开槽和砼浇筑循环进行直至墙体末端。
图五液压开槽机示意图
图六液压开槽机施工工艺流程图
3.3墙体连接方式
墙体采用分段隔离浇筑工艺。
当液压开槽机成槽一定长度后,在预先确定的位置处下入槽孔隔离体把槽孔分成浇筑段和开挖段,对隔离体的要求是,在砼浇筑期内能抵抗混凝土的侧压而不发生滑动移位,同时堵住正在浇筑的砼使其不流入开挖段。
槽孔浇筑长度可视情况而定。
图七液压开槽机防渗墙浇筑隔离示意图
3.4使用范围及技术经济指标
使用于粉质粘土、砂壤土地层。
墙体厚度220mm,成墙深度一般可达20m左右,墙体渗透系数1×10-7cm/s,砼强度10MPa。
纯挖工效50m2/台班。
工程造价150元/m2。
工艺技术特点,采用隔离浇筑工艺,在槽孔稳定的前提下,槽孔浇筑长度可尽量延长,减少隔离体下设,浇筑和开槽可同时进行提高工效。
与液压开槽机类似的连续开槽机,还有悬臂式链条开槽机、锯槽机等,施工工艺大同小异不再赘述。
不足之处在地层较复杂时或深度较大时,分段隔离困难,工效降低较多。
4振动切槽成墙法
4.1工作原理
用大功率振动器将切头送至设计深度,在切入的同时向切成的槽内注入成墙材料,振动切槽是直接挤压成形,没有废渣和废浆。
4.2施工工艺
振动切槽机边切入,边注入普通砼、塑性砼或其它浆材,而后提出切头,完成第一段槽后再接着切第二槽段,相邻槽之间保持一定的重复段,切头上有特制的测斜和纠斜装置,可保持成墙的垂直度,保证墙体的连续性。
4.3适用地层及技术经济指标
振动切槽法使用于松散的壤土、砂、砂粒地层。
每次成槽长度0.4~0.8m,槽宽0.15~0.30m,深度可达15m。
墙体质量强度2~30MPa,K<1×10-6cm/s。
对近墙地层有压密效果。
成墙的综合成本100元/m2左右。
此工法尚未大规模的使用,仍处于试验阶段。
5.薄型液压抓斗防渗墙
5.1工作原理
薄型抓斗属抓斗式设备,,主机采用柴油机驱动,使用液压活塞缸推拉斗蚌在地层中抓土成槽,同时补以泥浆固壁,全槽完成后,浇筑墙体材料。
5.2施工机具及工艺
1施工机具
1抓斗
2导向板
3导杆
4铰盘
5回转机构
6导架
7横伸臂
8连接架
9调节臂
10动力站
图八液压抓斗结构图
a.薄型抓斗;闭斗宽2200mm,开斗宽2400mm,斗容0.26m3,斗重5100kg。
设计工作压力16MPa,油缸合斗力170KN。
为了保持成槽的垂直度,一般在抓斗上部安装导向板或钢制导杆,这样既保证掘进方向,又增加斗体自重,而提高对土体的切入能力.
b.50t履带式液压起重机,抓斗和液压站均安装在该机上,可灵活作业,功率150kW。
c.液压站:
为抓斗提供动力,其容量30kW,输出压力16MPa.
②施工工艺(参见附图)
薄墙采用分序抓取法,即将防渗墙分成相间隔的Ⅰ、Ⅱ期槽孔,先施工Ⅰ期槽孔,再施工Ⅱ期槽孔,Ⅰ、Ⅱ期槽孔可用1、3、5……抓成槽,槽长2.5~10.5m,一般为6.5m。
抓取时采用泥浆护壁,浇筑采用泥浆下直升导管法。
墙体材料主要有:
砼、塑性砼、固化灰浆、自凝灰浆等。
图九薄型抓斗成墙施工工艺流程图
5.3墙体连接方式
接头管法。
在Ⅰ期槽孔成槽后,将接头管置入槽孔两端,下设时涂抹脱模剂,然后在孔口固定。
砼浇筑时,依据砼初凝时间、浇筑速度、气温及导管底部砼静止时间等因素确定起拔时间,全部拔出后形成槽接头孔,待Ⅱ期槽孔浇筑时,嵌入连接成墙。
接头管下设与起拔用吊车即可。
5.4适用地层和技术经济指标
薄形抓斗使用地层广泛,粘土层、砂层、砂砾石层,较大的砂卵石层均能成槽,施工深度可达40m。
墙体最小厚度300mm。
墙体抗压强度:
塑性砼大于2MPa,自凝灰浆0.2~0.1MPa,固化灰浆0.5~1.5MPa。
弹性模量值:
塑性砼200~1000MPa,自凝灰浆30~60MPa,固化灰浆50~100MPa。
墙体渗透系数均在10-6~10-7cm/s之间。
纯挖工效一般在50~80m2/台班。
工程造价约为200~280元/m2
5.5技术特点
薄型抓斗防渗墙成墙工艺施工深度大,对地层适应性强,且可按现有防渗墙施工规范施工,质量有充分的保证,所形成的墙体厚度均匀,连续性好。
不足之处是造价略高,且一次性投资较大。
6超薄型板式塑性混凝土防渗技术
6.1工作原理
超薄型板式塑性混凝土防渗墙是利用组装在塔架上的重型高频液压振动锤的振动冲击功将连接于其下部的工型钢梁快速钻入地层中,至要求深度后,利用主机的强力起拔能力将整套工型钢梁安全拔出,与此同时通过钢梁内部的特设管路,以一定的压力向钢梁底部灌注合适配比的水泥—膨润土浆液。
随着钢梁的拔出,坝体内就形成了一段长60~80cm,最小厚度为80mm的墙体。
6.2板型防渗墙施工工艺及机具
6.2.1工艺流程:
主要施工程序如下:
a.起重机就位后,起动液压振动锤,并结合水冲或气冲,将H型钢梁沿着所标记的中心线垂直振动贯入坝体中。
b.当钢梁震到设计深度时,由钢梁内部预置的管路向底部喷入水泥/膨润土浆液。
c.起拔钢梁,同时向工型槽内注满水泥/膨润土浆液。
d.钢梁全部拔出后,移动起重机,沿轴线前进或后退60或80cm,就位下一个槽段。
e.将H型钢梁一端顺着前一个槽段的翼缘部分震入坝体中,形成槽与槽之间的切接,从而保证连续墙的整体性。
80
f.依次震冲成槽、灌浆,形成完整的地下连续墙,由此所形成的墙体,其平面形状示意图见图十。
图十板型防渗墙平面形状示意图
对于深度不超过20m的防渗墙,施工时可采用常规喷射方法灌注浆液,如果深度加大,改用大功率的振动、起拔设备,并且在拔出H型钢梁时进行高压喷射。
6.2.2板型防渗墙施工设备机具
对处理深度为20m的设备,其基本配置为:
a.100吨液压起重机:
功率不小于600kW,给液压振动锤提供动力;或国产三点式桅杆,配大功率柴油机与液压动力站,国产卷扬机并铺设轨道在堤面施工。
b.液压振动锤、夹具和冷却器:
由法国PTC公司制造的HD60、HD100两种型号,一套液压软管长度不少于45m。
c.工型钢梁:
内预置两根灌浆管,长度21m,宽度有600和800mm两种。
d.导架:
导架长度约为26.5m,安装液压振动锤、夹具及冷却器,配备电子测斜仪、孔深、压力及流量记录仪。
e.搅拌机:
能连续制浆,可移动式。
f.灌浆机:
一般为中压或高压泵。
g.灌浆软管:
可承受相当的压力。
6.3质量检查方法
防渗墙的力学特性、抗渗性(渗透系数)、整体性(连续性)、均匀性、形状尺寸等指标,一般通过室内试验、钻孔取芯压水试验和围井渗透试验等方法进行检查。
a.室内试验
主要是浆液配方试验和钻孔取芯的物理力学性能试验。
b.开挖检查
当凝结体具有一定强度时,即可开挖检查。
这种方法可直接目视观察和用回弹仪、测波仪、声波仪等仪器进行相应测试,但因受开挖条件所限,常用于浅部检查。
c.钻孔检查
在钻孔内进行压水、注水试验,测定其渗透系数;在墙体上、下游两侧设测压管,进行水位或抽水观测,通过喷射灌浆前后的水位变化分析其防渗效果。
d.围井检查
围井试验是检查高喷板墙防渗性能的常用方法之一,围井是结合原板墙体,在其一侧施工一个多边型墙体并连接成围井,对此围井进行抽水、压水或注水试验,该结果基本代表该施工段的质量。
6.4技术经济指标
本工艺所喷射的浆液一般为普通水泥—膨润土浆液,浆液配合比根据试验和设计要求确定。
浆液材料主要由普通水泥、粘土、磨细的坚硬石粉、增塑剂等组成防渗墙体渗透系数达10-6~10-7cm/s,可允许产生一定范围的裂缝,但不会漏水。
施工自就位、震冲贯入、喷浆、起拔钢梁至全部拔出完成为一循环。
一个循环用时约20min,成墙10~14m2(两个循环之间套阶10cm)。
若施工连续进行,则一台班(八小时)可完成240~336m2墙体。
振贯成薄墙施工的直接成本约为150~200元/m2,其中墙体材料费约占1/5~1/6。
6.5技术特点
本工艺施工速度快,施工工艺简单,直接成本低,墙体质量可靠。
不足之处:
施工设备一次性投入大,施工设备的自重较大,对施工场地的要求较高。
7高压定喷灌浆防渗技术
7.1高压喷射灌浆作用原理
高压喷射灌浆借助高速流动的液流,冲、掺所及地层,浆液主要在射流直接作用到的范围内与原地层颗粒进行置换、搅拌、混合和充填,从而使浆液与土体颗粒混合,地层成份产生变化,同时辅以浆液渗透凝结作用后,地基得到防渗加固。
7.2高喷防渗墙施工工艺与机具
7.2.1施工程序
高压喷射灌浆的施工顺序见工艺流程图:
7.2.2主要施工设备与机具
总结目前国内普遍使用的三管定喷法施工设备情况,基本配置为:
a.高压水泵:
天津生产的3D2-S型,额定压力50MPa,排量75L/min;
b.泥浆泵:
一般用两缸或单缸低压泥浆泵,排量不小于80L/min;
c.空压机:
一般用3~6m3/min的低压空气压缩机;
d.搅灌机:
由螺旋输送机和高速搅拌机组成,可连续制浆;
e.高喷台车:
主要实现旋、定、摆和提升、下置喷管等功能,性能较为先进的有SGP300-6型等,全液压操作、步履式行走。
其它机具有引孔钻机、送液器、喷头、高压管路等。
7.3质量检查方法
高喷防渗墙的力学特性、抗渗性(渗透系数)、整体性(连续性)、均匀性、形状尺寸等指标,一般通过室内试验、钻孔取芯压水试验和围井渗透试验等方法进行检查。
a.室内试验
主要是浆液配方试验和钻孔取芯的物理力学性能试验。
b.开挖检查
当凝结体具有一定强度时,即可开挖检查。
这种方法可直接目视观察和用回弹仪、测波仪、声波仪等仪器进行相应测试,但因受开挖条件所限,常用于浅部检查。
c.钻孔检查
在钻孔内进行压水、注水试验,测定其渗透系数;在墙体上、下游两侧设测压管,进行水位或抽水观测,通过喷射灌浆前后的水位变化分析其防渗效果。
d.围井检查
围井试验是检查高喷板墙防渗性能的常用方法之一,围井是结合原板墙体,在其一侧施工一个多边型墙体并连接成围井,对此围井进行抽水、压水或注水试验,该结果基本代表该施工段的质量。
7.4技术经济指标
定喷后凝结体的指标:
抗压强度可达5~15MPa,弹模达100~1000MPa;在粘土中形成的凝结体相当于水泥土,抗压强度1~5MPa,弹模100MPa以内,抗拉强度较低,不到抗压强度的1/6。
凝结体的渗透系数一般可达10-5~10-7cm/s。
7.5技术特点
高压喷射灌浆技术在许多工程中得到了成功应用。
它具有施工速度快,施工设备简便、灵活,机具震动小,噪音低且所成墙体具有较好的防渗止水性能等优点。
对于江河的两岸堤防,由于其承受水头较低,一般采用成墙厚度较小的定喷法建筑防渗墙体。
高压喷射成墙施工的不足之处,一是水泥浆液浪费严重,大量浆液从孔口流出后不能全部回收;二是墙体质量难以在施工时实施有效控制,不可避免地出现墙体不连续、空洞、均质性差等缺陷。
审定
蒋振中
批准
编写张树宸黄灿新
目录
1射水法………………………………………………………………………1
1.1工作原理………………………………………….…………………………1
1.2施工机具及工艺………………………………….…………………………1
1.3墙体连接方式………………………………….……………………………2
1.4质量控制………………………………….…………………………………3
1.5使用范围及经济技术指标……………….…………………………………3
2多头小直径搅拌桩截渗墙……………….…………………………………4
2.1工作原理………………………………….…………………………………4
2.2施工机具及工艺………………………….…………………………………4
2.3墙体连接方式………………………….……………………………………5
2.4使用范围及技术经济指标…………….……………………………………5
3液压开槽机连续墙…………….……………………………………………5
3.1工作原理…………….………………………………………………………6
3.2施工机具及工艺…….………………………………………………………6
3.3墙体连接方式…….……….…………………………………………………7
3.4使用范围及技术经济指标.……………………………………….…………8
4振动切槽成墙法…………………………..…………………………………8
4.1工作原理………………………….…………………………………………8
4.2施工工艺………………………………….…………………………………8
4.3适用地层及技术经济指标………………...…………………………………9
5薄型液压抓斗防渗墙……………………...…………………………………9
5.1工作原理………………...………………………….…………………………9
5.2施工机具及工艺……………….………………………………………………9
5.3墙体连接方式…………….…………………..………………………………11
5.4适用地层和技术经济指标……………………………………………………11
5.5技术特点…………….………………………………...………………………11
6超薄型板式塑性混凝土防渗技术…………………...………………………11
6.1工作原理…………….………………………………...………………………11
6.2板型防渗墙施工工艺及机具………………………...………………………12
6.3质量检查方法……….………………...………………...……………………13
6.4技术经济指标……….………………...………………...……………………14
6.5技术特点……….……………………...………………...……………………14
7高压定喷灌浆防渗技术……………...………………...……………………14
7.1高压喷射灌浆作用原理……………...………………...……………………14
7.2高压喷射灌浆施工工艺与机具...………………...…………………………14
7.3质量检查方法..……………………………….…...…………………………16
7.4技术经济指标………………………………...…...…………………………16
7.5技术特点…………………………………..….…...…………………………16
薄防渗墙施工技术
中国水利水电基础工程局
一九九九年元月
图1射水法造墙工艺流程图图2围井试验平面图
图3施工工艺流程图图4墙体连接示意图
图5液压开操机示意图图6施工工艺流程图
图7墙体连接示意图图8薄型液压抓斗
图9施工工艺流程图
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