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幾種創新基礎處理技術介紹

幾種創新基礎處理技術介紹

張慶生

(深圳市廣水建設工程有限公司,總工程師、教授級高級工程師)

【摘  要】本文介紹防滲墻施工中的液壓銑槽機成槽技術、塑性砼防滲墻施工技術、巖石灌漿施工中的濕磨細水泥灌漿技術、GIN灌漿法、高噴灌漿施工技術、膏狀漿液灌漿技術、沉井施工技術。

【關鍵詞】防滲墻成槽技術;塑性混凝土防滲墻技術;灌漿技術;沉井技術

基礎處理的施工技術不斷發展,施工設備不斷創新,這樣為水利行業的基礎處理帶來了更多的新技術、新設備。為同行更快的了解這些信息,筆者摘編了《水利水電工程施工技術創新實踐》一書中有關基礎工程內容,供大家在工作中參考。

1、防滲墻施工中的液壓銑槽機成槽技術簡介

(1) 20世紀80年代,日本、德國等國家開始研究應用液壓銑槽機進行防滲墻成槽施工。液壓銑槽機是一種能連續不斷地開挖防滲墻槽孔的先進設備,與傳統的沖擊鉆等成槽設備相比,其施工質量和效率都大大提高。德國寶峨公司于20世紀8090年代陸續開發出BC20、BC25、BC30、BC33、BC40、BC50等型號的液壓銑槽機。圖1-1所示為BC30型液壓銑槽機結構,圖1-2所示為BC30型液壓銑槽機銑削頭構造。

液壓銑槽機的核心構件是底部裝有兩套銑槽輪的銑削導向架,銑槽輪上裝有銑齒。銑槽機工作時,兩套銑槽輪作反向旋轉,槽中巖土被連續松動、切割、破碎,并與槽內的泥漿混合?;旌衔锿ㄟ^安裝在銑槽輪上方的泥漿泵抽吸,并由排渣管送至地面凈化系統,在凈化系統里,巖渣與泥漿分離,凈化后的泥漿被重新送回槽內使用。表1-1給出了BC30型液壓銑槽機的部分技術參數。


(2) 液壓銑槽機成槽技術在我國的應用

20世紀90年代末,我國首先在三峽工程二期上游圍堰防滲墻施工中引進液壓銑槽機成槽技術。將液壓銑槽機與液壓抓斗、鋼絲繩抓斗和沖擊反循環鉆機等防滲墻成槽設備配合,根據不同施工部位和地層,研究開發了“兩鉆一銑法”、“兩鉆三銑法”、“上銑下鉆法”、“銑、砸、爆法”等多種防滲墻成槽工法。

   繼三峽工程之后,液壓銑槽機成槽技術還在冶勒水電站工程、南水北調穿黃工程等工程的防滲墻施工中得到了推廣應用。

2、塑性混凝土防滲墻施工技術簡介

2.1  塑性混凝土防滲墻優點

塑性混凝土是采用膨潤土、黏土等混合材料取代常規混凝土中大部分水泥而配置成的一種柔性工程材料。與常規混凝土相比,塑性混凝土的抗壓強度低,一般控制在R28=1.06.0MPa;彈性模量E28=1001000MPa;滲透系數K=1×10-81×10-8cm/s。由于塑性混凝土具有低強度和低彈性模量的特性,能適應地基變形,抗滲性能好,同時還具有節省水泥、降低造價、施工方便等優點,因此非常適宜于用作防滲墻的墻體材料。

2.2 塑性混凝土在國內的應用

塑性混凝土在國內的應用始于1989年水口水電站的圍堰防滲工程。此后在十三陵抽水蓄能電站下圍堰防滲工程、小浪底水電站上游圍堰防滲工程、三峽二期圍堰防滲工程、向家壩一期圍堰防滲強工程、漫水灣閘壩及土工膜心墻副壩防滲墻工程,以及多個水庫除險加固工程、堤防工程中進行推廣應用。

2.3 塑性混凝土與常規混凝土的差別

(1)塑性混凝土的配合比與常規混凝土配合比的差別較大。由于塑性混凝土發展的時間不長,缺乏經驗配合比,因此在已建工程中塑性混凝土防滲墻的配合比存在較大差異。表1-3給出了國內部分工程塑性混凝土防滲墻配合比及物理力學性能參數。


由表1-3可知,塑性混凝土配合比的特點是水泥用量較少,一般為80180kg/m3,粘土或(和)膨潤土的摻量為40130kg/m3,其他材料用量與常規混凝土基本相同。

(2)塑性混凝土防滲墻的施工方式與常規混凝土防滲墻的施工方式,無本質區別。但根據塑性混凝土防滲墻墻體材料的特點,可采取一些專門措施。如在塑性混凝土中摻加膨潤


土時,若直接將膨潤土與水泥、砂石料干拌,再加水進行攪拌,則容易形成粒徑1030mm團塊,不能形成泥漿,從而降低了膨潤土在塑性混凝土中的作用,甚至導致塑性混凝土的彈性模量和強度增大。最好是先將膨潤土在漿池中充分攪拌,并配制成一定的濃度,然后加入砂石骨料和水泥進行拌和。這樣施工,膨潤土分散較均勻,并可隨時控制膨潤土的濃度,充分發揮膨潤土的作用。

2.4  塑性混凝土防滲墻施工的成槽方式

塑性混凝土防滲墻施工的成槽方式與常規混凝土防滲墻施工基本相同,也可根據防滲墻所在地基的特點,采用以下方法:

(1)射水成槽法

射水成槽法施工的主要機械是射水成墻機。該設備一般由各自安裝在獨立平臺上的正反循環泵組、成墻器、混凝土澆筑機和混凝土攪拌機等幾部分組成。各個平臺均安裝有滾輪,并布置在墻體一側的鋼軌上,鋼軌與防滲墻軸線平行,作業面寬3.54.0m。射水成槽法施工設備布置及成墻原理見圖1-4.

射水成槽法的工作原理是:利用成墻器射水孔形成的高速泥漿射流切割破壞土層結構,成墻器反復上下運動切削修正孔形,同時通過泥漿的正循環固壁,反循環排渣,以形成規格的槽孔,然后進行水下混凝土澆筑形成單元墻段,各墻段鏈接后即形成連續的防滲墻。射水成槽施工的防滲墻厚度由成墻器的厚度決定,一般為20875px,成墻深度一般不超過30m。該法適用于粉土、砂土和砂礫石(粒徑≤5mm)的地層。

(2)薄型抓斗挖槽法

抓斗挖槽機(簡稱抓斗)是一種先進高效的防滲墻施工機械。薄型抓斗的厚度為290mm,因此,使用薄型抓斗挖掘槽孔,再應用導管進行水下混凝土澆筑,可形成厚度為750px的防滲墻。抓斗挖槽法對地層的適應性較廣,該法適應細顆粒地基,也能適應卵礫石地層。

(3)鋸槽法

鋸槽法成墻技術是通過鋸槽機上的鋸管進行反復運動鋸削地層,從而達到挖掘槽孔的目的。施工時以泥漿的正循環固壁,反循環排渣,并采用導管進行水下混凝土澆筑。成墻厚度一般為201000px,成墻深度一般不超過500px。鋸槽法適用于粉土、砂土地層。

3、巖基灌漿施工中的濕磨細水泥灌漿技術簡介

濕磨細水泥灌漿技術是指在施工現場將預拌的普通水泥漿,經濕磨機進一步磨制成細水泥漿后再進行灌漿的技術。這一技術不僅能有效解決水利水電工程壩基細微裂縫灌漿問題,而且能解決混凝土壩工程接縫灌漿中,由于縫面張開度小導致的灌漿困難的問題。

濕磨細水泥灌漿技術的關鍵設備是濕磨機,我國長江科學院巖基研究所于20世紀90年代研制出的GSM系列濕磨機,已在多個水利水電工程中得到推廣應用,圖1-5所示為GSM-Ⅲ型濕磨機構造。該濕磨機的上部是1個圓筒式料斗,中間為磨腔及磨頭,磨頭內有特制的定齒和轉齒,下部是電動機和磨座,側面還裝有排漿口及循環管路。

其工作原理是:電動機直接驅動轉齒作相對高速轉動,當普通水泥漿通過其間隙時,不僅受到很大的剪切力、摩擦力、離心力的作用,而且受到動盤轉動過程中產生的振動作用,從而使水泥顆粒高效地被粉碎、分散和攪拌,達到進一步細化顆粒的目的。該濕磨機出料的最大粒徑小于40μm,平均粒徑為10μm,生產能力約為1m3/h。以濕磨機為核心設備的濕磨細水泥灌漿技術已在湖南五強溪、江西萬安、湖北隔河巖及三峽等工程中得到應用,并取得良好的效果。

濕磨機制漿的功力流程為:先用高速攪拌機將普通水泥和水按0.5或0.6的配比拌制成水泥漿,然后輸送到濕磨機進行加工細化;濕磨機配置有漿液循環管道,可根據對水泥細度的要求確定研磨時間,磨細后的漿液再輸送到低速攪拌機,必要時加水調配成灌漿所需的水灰比進行灌漿。單機灌漿時濕磨細水泥的制漿工藝流程如圖1-6所示。


通過對比試驗,濕磨前后水泥漿的基本性能的比較見表1-9

由表1-9所知,普通水泥經濕磨后,細度大大提高;漿液黏度有所增大,且水灰比越小,黏度增長幅度越大,但不影響可灌性。漿液的凝結時間與水灰比有關,當水灰比大于2:1時,初凝時間和終凝時間均延長,尤其是終凝時間延長較多;當水灰比等于2:1時,初凝時間縮短,終凝時間延長;當水灰比小于2:1時,初凝時間和終凝時間均縮短。在自由析水硬化后,水泥漿結石的強壓強度相對磨前有所降低,水灰比越大,降低的幅度越大,反之則越小。濕磨后水泥漿結石的抗滲性能優于濕磨前。

4、巖基灌漿施工中的GIN灌漿法簡介

GIN(Grouting IntensityNumber)含義為灌漿強度值。GIN灌漿法由瑞士灌漿專家隆巴迪提出,其基本概念是:對任意孔段的灌漿,都是一定能量的消耗,這個能量消耗的數值近似等于該孔段的灌漿壓力p(MPa)和單位灌漿量V(L/m)的乘積pV, pV稱為灌漿強度值,即GIN=Pv。通常,在對巖體裂隙進行灌漿時,大裂隙的單位灌漿量大而是使用的灌漿壓力小,細裂隙則單位灌漿量小而使用的灌漿壓力高。GIN灌漿法的原理就是:在特定地質條件下,將GIN值設定一個常數,即在灌漿過程中保持孔段上能量消耗一致,以此來調節孔段的灌漿壓力和單位灌漿量,從而獲得均勻的灌漿帷幕。

為了控制過大的灌漿壓力和過多的灌漿量,需要規定一個允許最大灌漿壓力pmax和一個允許最大單位灌漿量Vmax,這樣就形成了一條對灌漿過程進行控制的GIN包絡曲線。在灌漿

過程中,操作人員根據灌漿過程曲線調整灌漿壓力和單位灌漿量,使其逼近GIN曲線或pmax、Vmax。只要灌漿過程曲線與上述三條線相同,即可認為該段灌漿結束。

GIN灌漿法的技術要點如下:

(1)采用單一配比的穩定漿液,灌漿過程中不變漿。

(2)用選定的GIN包絡線控制灌漿壓力和單位灌漿量。

(3)用電子計算機檢測盒控制灌漿過程,實時地控制灌漿壓力和單位灌漿量,繪制p-V過程曲線,掌握灌漿結束條件。

GIN灌漿法較全面地考慮了巖體地質條件的實際不規則性,使得沿帷幕體的灌漿量合理分布,減少水泥用量,節省了投資,并簡化了灌漿工藝。GIN灌漿法在國外許多工程中得到了成功的應用。我國于20世紀90年代初引進該項技術,曾在江埡大壩、三峽水電站等工程中進行過灌漿試驗。黃河小浪底工程則在充分進行灌漿試驗的基礎上,提出了以孔口封閉法為基礎,嫁接GIN法,取二者之長,并在防滲帷幕工作中應用,取得了良好的效果。

5、高壓噴射灌漿施工技術

高壓噴射灌漿施工技術于20世紀80年代開始在我國水利行業得到推廣應用,目前已被


廣泛應用于覆蓋層地基和全、強風化基巖的防滲及加固處理。

常規高壓噴射灌漿的工作原理是:先利用鉆機造孔,再把帶有噴頭的灌漿管下至地基預定位置,然后利用高壓設備把3050MPa的高壓射流從特制噴嘴中噴射出,以沖擊、切割土體。當能量大、速度高、呈脈動狀態的射流動壓超過土體的強度時,土粒便從土體上削落下來,一部分細小的土粒隨漿液冒出地面,簡稱冒漿。其余土粒在射流的作用下,與同時灌入的漿液混合,在地基中形成質地均勻、密實連續的板墻或柱樁等凝結體,從而達到防滲和加固地基的目的。常規高壓噴射灌漿施工設備及組裝布置情況如圖1-9所示。

高壓噴射灌漿按噴射方式可分為旋(轉)噴、定(向)噴、擺(動)噴三種。不同的噴射方式所形成的凝結體的形狀也不同,如圖1-10所示。

高壓噴射灌漿按施工方法可分為單管法、二管法、三管法和多管法等。

5.1  單管法

單管法是利用高壓泥漿泵裝置,以20MPa左右的壓力,把漿液從噴嘴中噴射出去,以沖擊破壞土體,同時借助于注漿管的旋轉和提升,使漿液與土體中崩落下來的土粒攪拌混合,經過一定時間的凝固,便在地基中形成圓柱狀凝結體,也可改變噴射方式形成板墻狀凝結體。樁徑一般可達0.50.9m,板狀體單側長度可達1.02.0m。

5.2  二管法

二管法是利用雙通道的注漿管,通過在底部側面的同軸雙重噴嘴,同時噴射出高壓漿液和壓縮空氣,使兩種介質射流沖擊破壞土體。內噴嘴中的漿液噴射壓力一般為1025MPa,外圈壞繞的高壓氣流壓力為0.70.8MPa。在兩種介質的共同作用下,破壞土體的能量顯著增大;與單管法相比,在相同條件下,其形成的凝結體的直徑和長度可增加1倍左右。凝結體形狀也可由噴射方式的不同而改變。

5.3  三管法

三管法是使用分別輸送水、氣、漿三種介質的三管(或三重管)注漿管,在壓力達到3050MPa的超高壓水噴射流周圍環繞一股壓力為0.70.8MPa的圓筒狀氣流,利用水、氣同軸噴射沖切土體,再由泥漿泵注入壓力為0.20.7MPa、漿量為70100L/min的稠漿進行填充。漿液比重可達1.61.8,多用水泥漿或黏土水泥漿。由于高壓水泵可使用較高的壓力,因此其形成的凝結體較前兩種方法的幾何尺寸都要大。

5.4  多管法

多管法須先在地面上鉆設一個導孔,然后置入多重管,用超高壓水射流逐漸向下運動旋轉,切削破壞四周的土體,經高壓水沖切下來的土石,伴隨著泥漿用真空泵立即從多重管中抽出。如此反復地抽,便可在地層中形成一個較大的空間。裝在噴嘴附近的超聲波傳感器可及時測出空間的直徑和形狀,最后根據需要選用漿液、砂漿、礫石等材料填充,于是在地層中形成較大直徑的柱樁凝結體。在砂性土中最大直徑可達4m。此法屬于用漿液等填充材料全部填充空間的全置換法。

高壓噴射灌漿的施工質量、工效和造價,不僅受工程類型、噴射方式、地質地層條件等的影響,更重要的是取決于工藝技術參數,其主要參數有:

(1)高壓射流壓力。高壓射流壓力是指高壓水和高壓漿液的壓力,是產生破壞力的主要因素。壓力越大,其沖切破壞效果越好;國內高壓噴射灌漿使用的噴射壓力一般為2050MPa。選用壓力時應根據地層結構的強弱情況、孔距、設備狀況及噴射方式等綜合考慮。

(2)提升速度與旋轉速度。提升速度與旋轉速度是決定射流沖擊切割地層時間長短的兩大因素,二者的配合至關重要,一般控制在每旋轉一周提升0.531.25px。如果是定噴,則提升速度僅根據孔距及地層情況選取。

(3)其他參數。其他參數,如介質流量與噴嘴直徑等,與噴射壓力密切相關。一般來說,流量越大,壓力也越大;噴嘴直徑越小,壓力也越大。漿液流量與壓力應根據地層孔隙及滲


透性合理選用。高壓噴射灌漿常用的工藝技術參數見表1-19。

在工程實踐中,高壓噴射灌漿技術在不斷地改進和創新,如在初期的單管法、二重管法和三重管法的基礎上,開發了新二管法和新三管法。新二管法提高了壓縮空氣的壓力,新三管法則以高壓水和高壓漿兩次切割地層。此外,還開發了能減少鉆孔和噴射灌漿兩道工序之間間隔時間的“振孔高噴”和“鉆噴一體化”工藝,以加快高壓噴射灌漿施工的進度。

6、膏狀漿液灌漿技術

膏狀漿液是一種牙膏狀的漿液,在外力的擠壓作用下可以流動,而沒有外力時僅靠自重作用不會流動?!端そㄖ锼喙酀{施工技術規范》SL62-1994中將膏狀漿液定義為“塑性屈服強度大于20Pa的混合漿液”。膏狀漿液又稱高穩定性漿液。普通漿液流動度大,易流失,在灌注堆石體、大溶洞等大孔隙地層時,材料消耗量大,而膏狀漿液具有較高的屈服強度、較大的塑性黏度及良好的觸變性能,在大孔隙地層的擴散范圍具有良好的可控性,因此,膏狀漿液適用于大孔隙地層等復雜地層的灌漿施工。

膏狀漿液的組成成分主要有水泥、黏土或膨潤土、粉煤灰以及外加劑等,水泥可選用普通硅酸鹽水泥。通常,水和干料的質量比為1:1.81:2.4。

20世紀80年代,德國一些工程中使用過膏狀漿液灌漿技術。我國于1986年開始進行膏狀漿液灌漿技術的研究,并先后在紅楓水電站木斜墻砌石壩的防滲加固工程和小灣水電站圍堰防滲帷幕工程中應用,效果良好。

7、沉井施工技術

沉井施工是一種應用范圍很廣的地基加固施工技術,廣泛用于各類地下構筑物、橋梁的墩臺、設備基礎、取排水構筑物以及船塢首等工程。在水利水電工程中,沉井施工技術還用于泄洪閘消力池和圍堰基礎的加固。2007年4月,向家壩水電站大型沉井群成功下沉到位,標志著沉井施工技術已經發展到一個新的水平。

沉井是一種井筒狀的結構物,通常為鋼筋混凝土結構,其施工原理是從井內挖土、依靠自重克服井壁與外側土體的摩阻力,下沉到設計標高,然后采用混凝土封底并填塞井孔,使其成為建筑物的基礎。由于沉井基礎埋置深度大(可達3050m)、整體性強、穩定性好、有較大的承載面積,因此能承受較大的垂直載荷和水平載荷。沉井既是基礎,又可作為施工時的擋土和擋水的圍堰結構物,圖1-15所示為某工程沉井的結構。

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

沉井通常較深,一般采用分節制作,每節高度不宜超過沉井的短邊或直徑的尺寸,一般為36m,最高不超過12m。特殊情況下允許加高,但要有可靠的數據并采取必要的技術措施,不致失穩發生。沉井通常是在原位制作,制作第一節刃腳時,按刃腳下的支墊形式,分為有墊木施工法和無墊木施工法。

有墊木施工法是先在沉井刃腳施工場地鋪設一定厚度的砂墊層,并在砂墊層上對稱地鋪設枕木,再在墊木之間填實砂土,然后按照設計的尺寸立模并澆筑混凝土。枕木數量、砂墊層厚度由計算確定。對于小型沉井施工,有墊木施工法是較常用的施工方法。

無墊木施工法是在砂墊層上澆筑一層混凝土墊層,以代替枕木?;炷翂|層位于刃腳的下方,其作用是保證沉井在制作過程中和開始下沉時處于垂直方向?;炷翂|層和砂墊層厚度由計算確定,無枕木施工法多用于大型沉井施工。

7.2  沉井下沉

沉井下沉就是通過在沉井內用機械或人工的方法均勻除土,以消除或減少沉井刃腳下土

的正面阻力。有時也采用減小井壁與外側土體的摩阻力的方法,使沉井依靠自身的重量,逐


漸地從地面沉入地下。其下沉施工方法有排水下沉、不排水下沉或中心島式下沉等。究竟采取什么樣的下沉施工方法,要根據沉井所處的位置和沉井穿過土層的情況來決定。對于深度較深、平面尺寸較大的沉井,在下沉后期,沉井外壁的摩阻力將增大很多,或者因沉井井壁較薄、自重較輕,造成沉井下沉困難,甚至可能沉不下去。因此,在設計和制作沉井前,應采取在井壁外側設置泥漿潤滑套等措施,幫助沉井下沉到位。

7.3  沉井封底

當沉井下沉至設計標高后,經沉降觀測,其沉降率在允許范圍內,即8h內沉井自沉累計不大于10mm時,進行沉井封底施工。沉井封底有排水法封底(干封底)和不排水法封底(水下封底)兩種施工方法。若采用排水法封底,通??刹捎梅指駶仓炷练?,在澆筑混凝土前,應在井底設置集水井和排水溝,以便在施工過程中排水;若采用不排水法封底,則在澆筑混凝土前,應先清除井格中的泥渣,再清除與混凝土所有接觸部位的泥渣。澆筑水下混凝土需確保連續不斷地供應混凝土,當水下混凝土強度滿足設計要求后方可抽水。

【本文摘錄自《水利水電工程施工技術創新實踐》—-顧志剛、劉武、王章忠編著】


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