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几种创新基础处理技术介绍

几种创新基础处理技术介绍

张庆生

(深圳市广水建设工程有限公司,总工程师、教授级高级工程师)

【摘  要】本文介绍防渗墙施工中的液压铣槽机成槽技术、塑性砼防渗墙施工技术、岩石灌浆施工中的湿磨细水泥灌浆技术、GIN灌浆法、高喷灌浆施工技术、膏状浆液灌浆技术、沉井施工技术。

【关键词】防渗墙成槽技术;塑性混凝土防渗墙技术;灌浆技术;沉井技术

基础处理的施工技术不断发展,施工设备不断创新,这样为水利行业的基础处理带来了更多的新技术、新设备。为同行更快的了解这些信息,笔者摘编了《水利水电工程施工技术创新实践》一书中有关基础工程内容,供大家在工作中参考。

1、防渗墙施工中的液压铣槽机成槽技术简介

(1) 20世纪80年代,日本、德国等国家开始研究应用液压铣槽机进行防渗墙成槽施工。液压铣槽机是一种能连续不断地开挖防渗墙槽孔的先进设备,与传统的冲击钻等成槽设备相比,其施工质量和效率都大大提高。德国宝峨公司于20世纪8090年代陆续开发出BC20、BC25、BC30、BC33、BC40、BC50等型号的液压铣槽机。图1-1所示为BC30型液压铣槽机结构,图1-2所示为BC30型液压铣槽机铣削头构造。

液压铣槽机的核心构件是底部装有两套铣槽轮的铣削导向架,铣槽轮上装有铣齿。铣槽机工作时,两套铣槽轮作反向旋转,槽中岩土被连续松动、切割、破碎,并与槽内的泥浆混合。混合物通过安装在铣槽轮上方的泥浆泵抽吸,并由排渣管送至地面净化系统,在净化系统里,岩渣与泥浆分离,净化后的泥浆被重新送回槽内使用。表1-1给出了BC30型液压铣槽机的部分技术参数。


(2) 液压铣槽机成槽技术在我国的应用

20世纪90年代末,我国首先在三峡工程二期上游围堰防渗墙施工中引进液压铣槽机成槽技术。将液压铣槽机与液压抓斗、钢丝绳抓斗和冲击反循环钻机等防渗墙成槽设备配合,根据不同施工部位和地层,研究开发了“两钻一铣法”、“两钻三铣法”、“上铣下钻法”、“铣、砸、爆法”等多种防渗墙成槽工法。

   继三峡工程之后,液压铣槽机成槽技术还在冶勒水电站工程、南水北调穿黄工程等工程的防渗墙施工中得到了推广应用。

2、塑性混凝土防渗墙施工技术简介

2.1  塑性混凝土防渗墙优点

塑性混凝土是采用膨润土、黏土等混合材料取代常规混凝土中大部分水泥而配置成的一种柔性工程材料。与常规混凝土相比,塑性混凝土的抗压强度低,一般控制在R28=1.06.0MPa;弹性模量E28=1001000MPa;渗透系数K=1×10-81×10-8cm/s。由于塑性混凝土具有低强度和低弹性模量的特性,能适应地基变形,抗渗性能好,同时还具有节省水泥、降低造价、施工方便等优点,因此非常适宜于用作防渗墙的墙体材料。

2.2 塑性混凝土在国内的应用

塑性混凝土在国内的应用始于1989年水口水电站的围堰防渗工程。此后在十三陵抽水蓄能电站下围堰防渗工程、小浪底水电站上游围堰防渗工程、三峡二期围堰防渗工程、向家坝一期围堰防渗强工程、漫水湾闸坝及土工膜心墙副坝防渗墙工程,以及多个水库除险加固工程、堤防工程中进行推广应用。

2.3 塑性混凝土与常规混凝土的差别

(1)塑性混凝土的配合比与常规混凝土配合比的差别较大。由于塑性混凝土发展的时间不长,缺乏经验配合比,因此在已建工程中塑性混凝土防渗墙的配合比存在较大差异。表1-3给出了国内部分工程塑性混凝土防渗墙配合比及物理力学性能参数。


由表1-3可知,塑性混凝土配合比的特点是水泥用量较少,一般为80180kg/m3,粘土或(和)膨润土的掺量为40130kg/m3,其他材料用量与常规混凝土基本相同。

(2)塑性混凝土防渗墙的施工方式与常规混凝土防渗墙的施工方式,无本质区别。但根据塑性混凝土防渗墙墙体材料的特点,可采取一些专门措施。如在塑性混凝土中掺加膨润


土时,若直接将膨润土与水泥、砂石料干拌,再加水进行搅拌,则容易形成粒径1030mm团块,不能形成泥浆,从而降低了膨润土在塑性混凝土中的作用,甚至导致塑性混凝土的弹性模量和强度增大。最好是先将膨润土在浆池中充分搅拌,并配制成一定的浓度,然后加入砂石骨料和水泥进行拌和。这样施工,膨润土分散较均匀,并可随时控制膨润土的浓度,充分发挥膨润土的作用。

2.4  塑性混凝土防渗墙施工的成槽方式

塑性混凝土防渗墙施工的成槽方式与常规混凝土防渗墙施工基本相同,也可根据防渗墙所在地基的特点,采用以下方法:

(1)射水成槽法

射水成槽法施工的主要机械是射水成墙机。该设备一般由各自安装在独立平台上的正反循环泵组、成墙器、混凝土浇筑机和混凝土搅拌机等几部分组成。各个平台均安装有滚轮,并布置在墙体一侧的钢轨上,钢轨与防渗墙轴线平行,作业面宽3.54.0m。射水成槽法施工设备布置及成墙原理见图1-4.

射水成槽法的工作原理是:利用成墙器射水孔形成的高速泥浆射流切割破坏土层结构,成墙器反复上下运动切削修正孔形,同时通过泥浆的正循环固壁,反循环排渣,以形成规格的槽孔,然后进行水下混凝土浇筑形成单元墙段,各墙段链接后即形成连续的防渗墙。射水成槽施工的防渗墙厚度由成墙器的厚度决定,一般为20875px,成墙深度一般不超过30m。该法适用于粉土、砂土和砂砾石(粒径≤5mm)的地层。

(2)薄型抓斗挖槽法

抓斗挖槽机(简称抓斗)是一种先进高效的防渗墙施工机械。薄型抓斗的厚度为290mm,因此,使用薄型抓斗挖掘槽孔,再应用导管进行水下混凝土浇筑,可形成厚度为750px的防渗墙。抓斗挖槽法对地层的适应性较广,该法适应细颗粒地基,也能适应卵砾石地层。

(3)锯槽法

锯槽法成墙技术是通过锯槽机上的锯管进行反复运动锯削地层,从而达到挖掘槽孔的目的。施工时以泥浆的正循环固壁,反循环排渣,并采用导管进行水下混凝土浇筑。成墙厚度一般为201000px,成墙深度一般不超过500px。锯槽法适用于粉土、砂土地层。

3、岩基灌浆施工中的湿磨细水泥灌浆技术简介

湿磨细水泥灌浆技术是指在施工现场将预拌的普通水泥浆,经湿磨机进一步磨制成细水泥浆后再进行灌浆的技术。这一技术不仅能有效解决水利水电工程坝基细微裂缝灌浆问题,而且能解决混凝土坝工程接缝灌浆中,由于缝面张开度小导致的灌浆困难的问题。

湿磨细水泥灌浆技术的关键设备是湿磨机,我国长江科学院岩基研究所于20世纪90年代研制出的GSM系列湿磨机,已在多个水利水电工程中得到推广应用,图1-5所示为GSM-Ⅲ型湿磨机构造。该湿磨机的上部是1个圆筒式料斗,中间为磨腔及磨头,磨头内有特制的定齿和转齿,下部是电动机和磨座,侧面还装有排浆口及循环管路。

其工作原理是:电动机直接驱动转齿作相对高速转动,当普通水泥浆通过其间隙时,不仅受到很大的剪切力、摩擦力、离心力的作用,而且受到动盘转动过程中产生的振动作用,从而使水泥颗粒高效地被粉碎、分散和搅拌,达到进一步细化颗粒的目的。该湿磨机出料的最大粒径小于40μm,平均粒径为10μm,生产能力约为1m3/h。以湿磨机为核心设备的湿磨细水泥灌浆技术已在湖南五强溪、江西万安、湖北隔河岩及三峡等工程中得到应用,并取得良好的效果。

湿磨机制浆的功力流程为:先用高速搅拌机将普通水泥和水按0.5或0.6的配比拌制成水泥浆,然后输送到湿磨机进行加工细化;湿磨机配置有浆液循环管道,可根据对水泥细度的要求确定研磨时间,磨细后的浆液再输送到低速搅拌机,必要时加水调配成灌浆所需的水灰比进行灌浆。单机灌浆时湿磨细水泥的制浆工艺流程如图1-6所示。


通过对比试验,湿磨前后水泥浆的基本性能的比较见表1-9

由表1-9所知,普通水泥经湿磨后,细度大大提高;浆液黏度有所增大,且水灰比越小,黏度增长幅度越大,但不影响可灌性。浆液的凝结时间与水灰比有关,当水灰比大于2:1时,初凝时间和终凝时间均延长,尤其是终凝时间延长较多;当水灰比等于2:1时,初凝时间缩短,终凝时间延长;当水灰比小于2:1时,初凝时间和终凝时间均缩短。在自由析水硬化后,水泥浆结石的强压强度相对磨前有所降低,水灰比越大,降低的幅度越大,反之则越小。湿磨后水泥浆结石的抗渗性能优于湿磨前。

4、岩基灌浆施工中的GIN灌浆法简介

GIN(Grouting IntensityNumber)含义为灌浆强度值。GIN灌浆法由瑞士灌浆专家隆巴迪提出,其基本概念是:对任意孔段的灌浆,都是一定能量的消耗,这个能量消耗的数值近似等于该孔段的灌浆压力p(MPa)和单位灌浆量V(L/m)的乘积pV, pV称为灌浆强度值,即GIN=Pv。通常,在对岩体裂隙进行灌浆时,大裂隙的单位灌浆量大而是使用的灌浆压力小,细裂隙则单位灌浆量小而使用的灌浆压力高。GIN灌浆法的原理就是:在特定地质条件下,将GIN值设定一个常数,即在灌浆过程中保持孔段上能量消耗一致,以此来调节孔段的灌浆压力和单位灌浆量,从而获得均匀的灌浆帷幕。

为了控制过大的灌浆压力和过多的灌浆量,需要规定一个允许最大灌浆压力pmax和一个允许最大单位灌浆量Vmax,这样就形成了一条对灌浆过程进行控制的GIN包络曲线。在灌浆

过程中,操作人员根据灌浆过程曲线调整灌浆压力和单位灌浆量,使其逼近GIN曲线或pmax、Vmax。只要灌浆过程曲线与上述三条线相同,即可认为该段灌浆结束。

GIN灌浆法的技术要点如下:

(1)采用单一配比的稳定浆液,灌浆过程中不变浆。

(2)用选定的GIN包络线控制灌浆压力和单位灌浆量。

(3)用电子计算机检测盒控制灌浆过程,实时地控制灌浆压力和单位灌浆量,绘制p-V过程曲线,掌握灌浆结束条件。

GIN灌浆法较全面地考虑了岩体地质条件的实际不规则性,使得沿帷幕体的灌浆量合理分布,减少水泥用量,节省了投资,并简化了灌浆工艺。GIN灌浆法在国外许多工程中得到了成功的应用。我国于20世纪90年代初引进该项技术,曾在江垭大坝、三峡水电站等工程中进行过灌浆试验。黄河小浪底工程则在充分进行灌浆试验的基础上,提出了以孔口封闭法为基础,嫁接GIN法,取二者之长,并在防渗帷幕工作中应用,取得了良好的效果。

5、高压喷射灌浆施工技术

高压喷射灌浆施工技术于20世纪80年代开始在我国水利行业得到推广应用,目前已被


广泛应用于覆盖层地基和全、强风化基岩的防渗及加固处理。

常规高压喷射灌浆的工作原理是:先利用钻机造孔,再把带有喷头的灌浆管下至地基预定位置,然后利用高压设备把3050MPa的高压射流从特制喷嘴中喷射出,以冲击、切割土体。当能量大、速度高、呈脉动状态的射流动压超过土体的强度时,土粒便从土体上削落下来,一部分细小的土粒随浆液冒出地面,简称冒浆。其余土粒在射流的作用下,与同时灌入的浆液混合,在地基中形成质地均匀、密实连续的板墙或柱桩等凝结体,从而达到防渗和加固地基的目的。常规高压喷射灌浆施工设备及组装布置情况如图1-9所示。

高压喷射灌浆按喷射方式可分为旋(转)喷、定(向)喷、摆(动)喷三种。不同的喷射方式所形成的凝结体的形状也不同,如图1-10所示。

高压喷射灌浆按施工方法可分为单管法、二管法、三管法和多管法等。

5.1  单管法

单管法是利用高压泥浆泵装置,以20MPa左右的压力,把浆液从喷嘴中喷射出去,以冲击破坏土体,同时借助于注浆管的旋转和提升,使浆液与土体中崩落下来的土粒搅拌混合,经过一定时间的凝固,便在地基中形成圆柱状凝结体,也可改变喷射方式形成板墙状凝结体。桩径一般可达0.50.9m,板状体单侧长度可达1.02.0m

5.2  二管法

二管法是利用双通道的注浆管,通过在底部侧面的同轴双重喷嘴,同时喷射出高压浆液和压缩空气,使两种介质射流冲击破坏土体。内喷嘴中的浆液喷射压力一般为1025MPa,外圈坏绕的高压气流压力为0.70.8MPa。在两种介质的共同作用下,破坏土体的能量显著增大;与单管法相比,在相同条件下,其形成的凝结体的直径和长度可增加1倍左右。凝结体形状也可由喷射方式的不同而改变。

5.3  三管法

三管法是使用分别输送水、气、浆三种介质的三管(或三重管)注浆管,在压力达到3050MPa的超高压水喷射流周围环绕一股压力为0.70.8MPa的圆筒状气流,利用水、气同轴喷射冲切土体,再由泥浆泵注入压力为0.20.7MPa、浆量为70100L/min的稠浆进行填充。浆液比重可达1.61.8,多用水泥浆或黏土水泥浆。由于高压水泵可使用较高的压力,因此其形成的凝结体较前两种方法的几何尺寸都要大。

5.4  多管法

多管法须先在地面上钻设一个导孔,然后置入多重管,用超高压水射流逐渐向下运动旋转,切削破坏四周的土体,经高压水冲切下来的土石,伴随着泥浆用真空泵立即从多重管中抽出。如此反复地抽,便可在地层中形成一个较大的空间。装在喷嘴附近的超声波传感器可及时测出空间的直径和形状,最后根据需要选用浆液、砂浆、砾石等材料填充,于是在地层中形成较大直径的柱桩凝结体。在砂性土中最大直径可达4m。此法属于用浆液等填充材料全部填充空间的全置换法。

高压喷射灌浆的施工质量、工效和造价,不仅受工程类型、喷射方式、地质地层条件等的影响,更重要的是取决于工艺技术参数,其主要参数有:

(1)高压射流压力。高压射流压力是指高压水和高压浆液的压力,是产生破坏力的主要因素。压力越大,其冲切破坏效果越好;国内高压喷射灌浆使用的喷射压力一般为2050MPa。选用压力时应根据地层结构的强弱情况、孔距、设备状况及喷射方式等综合考虑。

(2)提升速度与旋转速度。提升速度与旋转速度是决定射流冲击切割地层时间长短的两大因素,二者的配合至关重要,一般控制在每旋转一周提升0.531.25px。如果是定喷,则提升速度仅根据孔距及地层情况选取。

(3)其他参数。其他参数,如介质流量与喷嘴直径等,与喷射压力密切相关。一般来说,流量越大,压力也越大;喷嘴直径越小,压力也越大。浆液流量与压力应根据地层孔隙及渗


透性合理选用。高压喷射灌浆常用的工艺技术参数见表1-19。

在工程实践中,高压喷射灌浆技术在不断地改进和创新,如在初期的单管法、二重管法和三重管法的基础上,开发了新二管法和新三管法。新二管法提高了压缩空气的压力,新三管法则以高压水和高压浆两次切割地层。此外,还开发了能减少钻孔和喷射灌浆两道工序之间间隔时间的“振孔高喷”和“钻喷一体化”工艺,以加快高压喷射灌浆施工的进度。

6、膏状浆液灌浆技术

膏状浆液是一种牙膏状的浆液,在外力的挤压作用下可以流动,而没有外力时仅靠自重作用不会流动。《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》SL62-1994中将膏状浆液定义为“塑性屈服强度大于20Pa的混合浆液”。膏状浆液又称高稳定性浆液。普通浆液流动度大,易流失,在灌注堆石体、大溶洞等大孔隙地层时,材料消耗量大,而膏状浆液具有较高的屈服强度、较大的塑性黏度及良好的触变性能,在大孔隙地层的扩散范围具有良好的可控性,因此,膏状浆液适用于大孔隙地层等复杂地层的灌浆施工。

膏状浆液的组成成分主要有水泥、黏土或膨润土、粉煤灰以及外加剂等,水泥可选用普通硅酸盐水泥。通常,水和干料的质量比为1:1.81:2.4

20世纪80年代,德国一些工程中使用过膏状浆液灌浆技术。我国于1986年开始进行膏状浆液灌浆技术的研究,并先后在红枫水电站木斜墙砌石坝的防渗加固工程和小湾水电站围堰防渗帷幕工程中应用,效果良好。

7、沉井施工技术

沉井施工是一种应用范围很广的地基加固施工技术,广泛用于各类地下构筑物、桥梁的墩台、设备基础、取排水构筑物以及船坞首等工程。在水利水电工程中,沉井施工技术还用于泄洪闸消力池和围堰基础的加固。2007年4月,向家坝水电站大型沉井群成功下沉到位,标志着沉井施工技术已经发展到一个新的水平。

沉井是一种井筒状的结构物,通常为钢筋混凝土结构,其施工原理是从井内挖土、依靠自重克服井壁与外侧土体的摩阻力,下沉到设计标高,然后采用混凝土封底并填塞井孔,使其成为建筑物的基础。由于沉井基础埋置深度大(可达3050m)、整体性强、稳定性好、有较大的承载面积,因此能承受较大的垂直载荷和水平载荷。沉井既是基础,又可作为施工时的挡土和挡水的围堰结构物,图1-15所示为某工程沉井的结构。

沉井施工的主要工序包括沉井制作、沉井下沉、沉井封底等。

7.1  沉井制作

沉井通常较深,一般采用分节制作,每节高度不宜超过沉井的短边或直径的尺寸,一般为36m,最高不超过12m。特殊情况下允许加高,但要有可靠的数据并采取必要的技术措施,不致失稳发生。沉井通常是在原位制作,制作第一节刃脚时,按刃脚下的支垫形式,分为有垫木施工法和无垫木施工法。

有垫木施工法是先在沉井刃脚施工场地铺设一定厚度的砂垫层,并在砂垫层上对称地铺设枕木,再在垫木之间填实砂土,然后按照设计的尺寸立模并浇筑混凝土。枕木数量、砂垫层厚度由计算确定。对于小型沉井施工,有垫木施工法是较常用的施工方法。

无垫木施工法是在砂垫层上浇筑一层混凝土垫层,以代替枕木。混凝土垫层位于刃脚的下方,其作用是保证沉井在制作过程中和开始下沉时处于垂直方向。混凝土垫层和砂垫层厚度由计算确定,无枕木施工法多用于大型沉井施工。

7.2  沉井下沉

沉井下沉就是通过在沉井内用机械或人工的方法均匀除土,以消除或减少沉井刃脚下土

的正面阻力。有时也采用减小井壁与外侧土体的摩阻力的方法,使沉井依靠自身的重量,逐


渐地从地面沉入地下。其下沉施工方法有排水下沉、不排水下沉或中心岛式下沉等。究竟采取什么样的下沉施工方法,要根据沉井所处的位置和沉井穿过土层的情况来决定。对于深度较深、平面尺寸较大的沉井,在下沉后期,沉井外壁的摩阻力将增大很多,或者因沉井井壁较薄、自重较轻,造成沉井下沉困难,甚至可能沉不下去。因此,在设计和制作沉井前,应采取在井壁外侧设置泥浆润滑套等措施,帮助沉井下沉到位。

7.3  沉井封底

当沉井下沉至设计标高后,经沉降观测,其沉降率在允许范围内,即8h内沉井自沉累计不大于10mm时,进行沉井封底施工。沉井封底有排水法封底(干封底)和不排水法封底(水下封底)两种施工方法。若采用排水法封底,通常可采用分格浇筑混凝土法,在浇筑混凝土前,应在井底设置集水井和排水沟,以便在施工过程中排水;若采用不排水法封底,则在浇筑混凝土前,应先清除井格中的泥渣,再清除与混凝土所有接触部位的泥渣。浇筑水下混凝土需确保连续不断地供应混凝土,当水下混凝土强度满足设计要求后方可抽水。

【本文摘录自《水利水电工程施工技术创新实践》—-顾志刚、刘武、王章忠编著】