梁心寧 ，謝文鵬 ，安凱軍 ，王明森

（1.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；3.山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250013）

1 研究背景

地下連續(xù)墻防滲技術(shù)［1-2］是在地面上采用挖槽機(jī)械開挖出狹長的深槽，清槽后逐段灌筑適當(dāng)?shù)墓袒牧?，形成一道具有防滲功能的地下墻體施工技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)已成為覆蓋層地基和土石壩工程的主要防滲措施之一，在水利、建筑、交通、市政等行業(yè)得到廣泛地應(yīng)用。但數(shù)量眾多的小型病險(xiǎn)水庫［3］由于存在壩頂寬度小、防滲工程量小等客觀條件限制，造成現(xiàn)有連續(xù)墻成槽設(shè)備施工困難、施工單價(jià)高、施工臨時(shí)工程費(fèi)用高等現(xiàn)實(shí)問題，使得現(xiàn)有防滲技術(shù)在小型水庫壩體防滲設(shè)計(jì)中難以采用。隨著國內(nèi)城市建設(shè)規(guī)模步伐的加快，城市綜合體、軌道交通以及地下綜合管廊大量出現(xiàn)，涉及到的基坑工程逐步成“大、深、近”的特點(diǎn)，在基坑的防滲處理過程中也出現(xiàn)了相應(yīng)的問題［4］。

因此，經(jīng)過研究和試驗(yàn)，研制出新型地下連續(xù)墻成槽設(shè)備——導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)［5-6］以及其相應(yīng)工藝技術(shù)。本文結(jié)合已有的研究成果，根據(jù)以上所述存在的問題，重點(diǎn)介紹了該設(shè)備的核心組成、工作原理以及技術(shù)特點(diǎn)和工藝特點(diǎn)。本文可為以后類似地下連續(xù)防滲墻工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 導(dǎo)桿式旋切成槽構(gòu)筑薄防滲墻技術(shù)

2.1 導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)設(shè)備組成導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)由機(jī)臺(tái)、動(dòng)力頭、導(dǎo)桿、切削成槽系統(tǒng)、漿液循環(huán)系統(tǒng)等五部分組成：①機(jī)臺(tái)：由導(dǎo)軌、鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)、履帶行走及牽引卷揚(yáng)等構(gòu)成。②動(dòng)力頭：由大功率調(diào)頻電機(jī)、減速機(jī)及操作系統(tǒng)構(gòu)成；③導(dǎo)桿：雙管單動(dòng)組合導(dǎo)桿，外層為矩形管，內(nèi)層為厚壁無縫鋼管，內(nèi)管與減速機(jī)轉(zhuǎn)軸連接；④切削成槽系統(tǒng)：包括成槽器和無巖心鉆頭（交替布置）；⑤漿液循環(huán)系統(tǒng)：由大流量泥漿泵、管路等組成。詳見圖1。

2.2 導(dǎo)桿式旋切成槽構(gòu)筑薄防滲墻施工旋切成槽：導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)采用導(dǎo)桿定位給進(jìn)，多軸豎向旋切開槽，由動(dòng)力頭、導(dǎo)桿、成槽器、泥漿泵組成開槽系統(tǒng)。動(dòng)力頭通過內(nèi)置于導(dǎo)桿內(nèi)的鉆桿提供扭矩給成槽器，帶動(dòng)無巖心鉆頭組轉(zhuǎn)動(dòng)。泥漿泵通過漿液管道、槽孔形成漿液循環(huán)，用于護(hù)壁和排除鉆渣。導(dǎo)桿沿開槽機(jī)機(jī)架豎向運(yùn)動(dòng)，對(duì)成槽器進(jìn)行定向、加壓、提升，最終形成規(guī)則的槽孔。該設(shè)備成槽寬度在20～40 cm之間，單回次開槽長度1.8～3.4 m，垂直度小于5‰。

墻體澆注型式如下：

（1）固化灰漿連續(xù)墻：在成槽器到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，通過漿液管路注入純水泥漿，成槽器端部的鉆頭組邊旋攪、邊緩慢提升，以實(shí)現(xiàn)原位機(jī)械攪拌，直至地面完成地下連續(xù)墻澆注；（2）自凝灰漿連續(xù)墻：將泥漿、膨潤土、水泥等材料預(yù)拌制成自凝灰漿原漿，成槽后通過漿液管路注入，成槽器不攪動(dòng)緩慢提升，將槽內(nèi)泥漿置換成水泥漿，然后水泥漿凝固成墻；（3）混凝土或塑性混凝土連續(xù)墻：槽孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度并經(jīng)清孔檢驗(yàn)后，成槽器提出地面，下入導(dǎo)管采用水下澆筑混凝土或塑性混凝土成墻。

圖1 導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)設(shè)備

2.3 設(shè)備技術(shù)、工藝特點(diǎn)（1）設(shè)備購置費(fèi)用低、場(chǎng)地條件要求低，綜合施工單價(jià)低。導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)全套設(shè)備購置費(fèi)用僅為進(jìn)口和國產(chǎn)液壓抓斗成槽主機(jī)購置費(fèi)用的1/5～1/4；此外，成槽機(jī)配套附屬設(shè)備少，場(chǎng)地條件要求低、配套臨建工程量小，其綜合施工單價(jià)比目前采用液壓抓斗工法的施工單價(jià)降低20%～40%，具有更好的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（2）依靠成槽裝置自重和鉆頭組旋切共同作用成槽，施工相對(duì)簡(jiǎn)單，地層擾動(dòng)小、槽孔穩(wěn)定性好。采用多軸豎向旋切成槽工藝，相比抓切成槽來說對(duì)地層擾動(dòng)小，有利于槽孔的穩(wěn)定，減少了發(fā)生塌槽埋鉆事故的幾率。

（3）澆筑材料選擇多樣化、工效高。該工法可澆筑混凝土、塑性混凝土、固化灰漿、自凝灰漿等墻體材料［8］。若采用固化灰漿澆筑工藝，其最大特點(diǎn)就是連續(xù)墻可一次成槽、成墻，相鄰兩槽孔之間省去接頭管［9］插拔的銜接過渡，即旋切成槽后，通過導(dǎo)桿內(nèi)導(dǎo)管向槽底注入固化漿液，開槽器前端的鉆頭組邊旋轉(zhuǎn)、邊緩慢提升，將固化漿液與槽內(nèi)泥漿進(jìn)行充分摻攪形成水泥固化凝結(jié)體，施工簡(jiǎn)單，工效得到明顯提升。在相同條件下施工，采用導(dǎo)桿式旋切成槽工藝的連續(xù)墻比采用液壓抓斗［10］工期縮短10%～20%。

2.4 適用范圍該工法主要適用于粉土、粉砂、砂壤土、壤土、黏土等粒徑≤60 mm的第四系覆蓋層，目前最大施工深度30 m?？蓾M足防滲墻入巖深度要求（膠結(jié)礫巖、風(fēng)化巖、砂巖、泥巖等）。

3 工程研究實(shí)例

3.1 工程概況某地鐵車站位于劉長山路與臘山西路交叉路口以東，站位敷設(shè)于劉長山路下方呈東西向布置，為地下兩層島式車站，車站中心里程SK2+007.185，主體規(guī)模208.5 m×18.3 m（內(nèi)徑），車站基坑長約210.1 m，寬19.3 m，基坑深16.7 m。本工程施工場(chǎng)地狹窄，站位北側(cè)地塊為施工板房區(qū)域，南側(cè)為在建（已封頂）高層商業(yè)公寓樓和規(guī)劃待建高層商業(yè)辦公樓。車站主體基坑附近主管線復(fù)雜，有交通信號(hào)管、飲用水管、光纖、天然氣管、供電管等管道。

區(qū)域由老到新依次出露有太古代泰山巖群；古生界寒武系、奧陶系、石炭系及二疊系；新生界新近系及第四系。場(chǎng)區(qū)屬山前沖洪積傾斜平原地貌單元，地形相對(duì)平坦，地勢(shì)變化不大，地面標(biāo)高44.10～45.70 m，勘探范圍內(nèi)地層自上而下可分為8層，各層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

場(chǎng)區(qū)地下水分為第四系孔隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水兩種類型。

第四系孔隙水包含上層滯水和孔隙承壓水。上層滯水主要賦存于①層人工填土層以及⑧層黃土層中，埋深在10.20～14.30 m之間，其水位變化較大，為季節(jié)性水，主要靠大氣降水補(bǔ)給；孔隙承壓水位于與灰?guī)r接觸的粉質(zhì)黏土層中，具有微承壓性，富水性一般，主要接受下部的裂隙巖溶水的頂托補(bǔ)給。

碳酸鹽巖巖溶裂隙水，具有承壓性。水對(duì)第四系孔隙水有頂托補(bǔ)給作用，補(bǔ)給方式主要有大氣降水入滲補(bǔ)給、河床滲漏集中補(bǔ)給及第四系松散巖類孔隙水滲透補(bǔ)給等。各主要土層室內(nèi)試驗(yàn)滲透系數(shù)見表1。

表1 各層土物理力學(xué)指標(biāo)一覽表

3.2 工程處理設(shè)計(jì)基坑分東、西端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段三部分，東端頭井基坑深度約18.53 m；西端頭井基坑深度約17.92 m；標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約16.59 m。原防滲方案全部采用支護(hù)樁間高壓旋噴樁止水型式［11-12］，但在先期施工的相鄰地鐵車站基坑開挖過程中，出現(xiàn)大范圍漏水點(diǎn)、滲水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)預(yù)期的情況。后經(jīng)組織專家對(duì)該連續(xù)墻施工新技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察和技術(shù)論證，將該車站基坑作為防滲新工藝試驗(yàn)站點(diǎn)，采用導(dǎo)桿式旋切成槽機(jī)構(gòu)筑地下連續(xù)墻方案，試驗(yàn)段軸線長476 m（防滲面積9000 m2），采用固化灰漿澆筑工藝［13］，防滲墻墻體有效厚度不小于25 cm，止水帷幕底部深入坑底以下4.0 m，水泥摻入比25%，墻體滲透系數(shù)K≤i×10-7cm/s，單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為R28=2.0～5.0 MPa。具體施工參數(shù)和要求如下：

（1）成槽速度：0.1～0.2 m/min（0.3-0.6 m2/min），成槽泥漿密度 1.25～1.35 g/cm3；

（2）鉆頭組成槽旋轉(zhuǎn)速度：100～150 r/min，原位攪拌旋轉(zhuǎn)速度：50～100 r/min；

（3）P.O42.5水泥與水比為0.8：1，泵送流量：800～1000 L/min；

（4）灌注提升速度：1.5 m/min；

（5）垂直度：≤5‰。

工程剖面圖見圖2，導(dǎo)桿式旋切成槽固化灰漿連續(xù)墻見圖3。

圖2 工程剖面圖

圖3 導(dǎo)桿式旋切成槽固化灰漿連續(xù)墻

3.3 固化灰漿配比試驗(yàn)根據(jù)地層情況和工藝特點(diǎn)，兼顧便于施工和降低造價(jià)，地下連續(xù)墻澆筑材料采用固化灰漿替代塑性混凝土。為驗(yàn)證固化灰漿成墻后是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要進(jìn)行材料配比試驗(yàn)研究。

參照《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL174-2014）及《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T233-2011），根據(jù)工程等別及類似工程經(jīng)驗(yàn)［14］，水泥摻入比取25%，水泥漿水灰比取0.8，造槽泥漿取用銑槽置換出的材料，比重控制在1.25～1.35（比重過小，混合漿液中土顆粒含量偏低，影響成墻質(zhì)量。比重過大易發(fā)生堵管堵泵，無法正常灌注，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，泥漿比重控制在上述指標(biāo)范圍內(nèi)）?；鶞?zhǔn)配合比計(jì)算表見表2。

以此配合比的水泥摻入比為基準(zhǔn)值，另外兩個(gè)配合比的水泥摻入比宜比基準(zhǔn)值分別增加和減少3%。三個(gè)配合比進(jìn)行試配對(duì)比物理力學(xué)指標(biāo)，選用滿足設(shè)計(jì)性能要求，較小水泥摻入比對(duì)應(yīng)的配合比見表3。

3.4 施工工藝（1）成槽器型式：箱體長3.3 m，寬25 cm，箱體端部上下交替設(shè)置直徑為360 mm、315 mm的“V”型無芯鉆頭各1排，間距190 mm，共計(jì)17組鉆頭。動(dòng)力經(jīng)減速機(jī)、鉆桿、齒輪箱傳遞至鉆頭組，轉(zhuǎn)速控制在100～150 r/min。槽型見圖4。

表2 基準(zhǔn)配合比計(jì)算表

表3 施工推薦配合比

圖4 成槽示意圖

為防范槽壁坍塌以及清孔換漿，優(yōu)先選用膨潤土固壁泥漿，制備膨潤土需經(jīng)溶脹12 h后方可經(jīng)強(qiáng)制式灰漿攪拌機(jī)制漿，固壁泥漿配比采用膨潤土：水=0.2：1（重量比），泥漿密度控制在1.15～1.25 g/cm3范圍內(nèi)。

槽段劃分與接頭處理：槽段劃分為Ⅰ、Ⅱ期槽分序進(jìn)行施工，槽孔長由成槽器的長度確定，采用單孔一次成槽。二期槽孔施工時(shí)，采用“套打法”與Ⅰ期槽段連接，即二期槽對(duì)一期槽墻體接頭部位進(jìn)行銑削套打，搭接長度為20 cm。套打接頭時(shí)，為保證接頭質(zhì)量，接頭側(cè)注漿管采用側(cè)噴形式洗刷接縫處，保證Ⅰ、Ⅱ期槽段連接良好。Ⅰ、Ⅱ期槽段施工時(shí)間間隔不應(yīng)小于48 h，不宜大于120 h。

（3）清孔：槽段開挖至設(shè)計(jì)深度后，即進(jìn)行清孔換漿。一般采用正循環(huán)清孔，清孔換漿時(shí)間不小于20 min，清孔換漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：槽底沉碴厚度≤100 mm。槽內(nèi)泥漿密度控制在1.25～1.35 g/cm3間，利用泥漿比重計(jì)進(jìn)行測(cè)控。

（4）灰漿灌注：每槽段灰漿連續(xù)灌注，固化灰漿灌注量應(yīng)滿足計(jì)算要求。灌注灰漿完成后，孔口設(shè)置蓋板，防止其它雜物散落槽孔內(nèi)。在灰漿澆筑時(shí)，認(rèn)真做好測(cè)量、觀察記錄。

①水泥漿攪拌、輸送：將比例為0.8：1的水泥與水進(jìn)行攪拌之后利用泥漿泵將水泥漿輸送至待灌機(jī)臺(tái)處的儲(chǔ)漿罐。

②灌注：成槽機(jī)臺(tái)泥漿泵的吸漿管切換至水泥漿罐，將成槽器下至設(shè)計(jì)深度，利用開槽的循環(huán)管路把水泥漿輸送至槽底，邊攪拌邊提升鉆具，注漿過程中鉆具箱出漿口埋入固化灰漿漿液中的最小深度不宜小于2 m，則成槽器下至設(shè)計(jì)深度后應(yīng)開泵保持灌注1～2 min，待槽底固化漿液面上升并滿足最小埋入深度后，再緩慢提升鉆具，鉆具提升速度應(yīng)控制在1.5 m/min。原位機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速控制在50～100 r/min，注漿泵流量控制在800 L/min。

（5）泌水后補(bǔ)漿：槽孔內(nèi)固化灰漿經(jīng)過泌水沉淀后，排出孔口泌水，進(jìn)行補(bǔ)漿。補(bǔ)漿時(shí)間不宜大于6 h。補(bǔ)充漿液拌制與固化灰漿拌制要求相同。補(bǔ)漿完成后須用0.3 m厚濕土覆蓋槽孔。

3.5 防滲效果檢測(cè)施工過程中對(duì)齡期已滿14 d的墻體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯檢查，取芯結(jié)果顯示凝結(jié)體連續(xù)性、均勻性較好，芯樣采取率在95%以上；在相鄰Ⅰ、Ⅱ期槽段搭接處均成功取芯。芯樣室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行室內(nèi)抗壓、滲透試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。在完成基坑帷幕封閉后，對(duì)基坑分段進(jìn)行開挖?；幼畲笸谏?6.7 m，實(shí)測(cè)坑外地下水位埋深約為8.0 m，基坑內(nèi)水位降深為18.0 m，開挖過程中試驗(yàn)段未發(fā)現(xiàn)集中漏水點(diǎn)，基坑內(nèi)壁基本保持干燥狀態(tài)，基坑止水帷幕的防滲效果明顯優(yōu)于相鄰車站樁間旋噴樁止水帷幕。鉆孔取芯和防滲墻墻芯見圖5。

表4 室內(nèi)抗壓、滲透試驗(yàn)結(jié)果一覽表

圖5 鉆孔取芯和防滲墻墻芯

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析：

單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度：最大值R28max=4.82 MPa，最小值R28min=2.21 MPa，平均抗壓強(qiáng)度R28=3.45 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度指標(biāo)R28=2.0～5.0 MPa；

抗?jié)B系數(shù)：最大值K28max=8.17×10-7cm/s，最小值K28min=1.18×10-7cm/s，平均滲透系數(shù)K28=4.31×10-7cm/s，均滿足設(shè)計(jì)要求的抗?jié)B指標(biāo)K28≤i×10-7cm/s（i=1-9）。

4 結(jié)論

（1）新型導(dǎo)桿式旋切成槽防滲技術(shù)在此深基坑工程中取得了良好的防滲效果，并為地下連續(xù)墻技術(shù)增添了新的施工工法。該技術(shù)是在導(dǎo)桿定向給進(jìn)條件下，通過鉆頭組回旋切削破碎地層的成槽工藝。與水利行業(yè)傳統(tǒng)的沖擊鉆進(jìn)、射水成槽、抓斗挖槽和垂直多頭回轉(zhuǎn)鉆成槽工法相比，該工法具有工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備廉價(jià)、輔助設(shè)備少、施工工效高、綜合施工單價(jià)低、場(chǎng)地適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用該工法構(gòu)建的防滲體在防滲可靠性、墻體連續(xù)性、材料均勻性等方面，以及在粒徑≤60 mm的第四系覆蓋層成槽效率上具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（2）該項(xiàng)技術(shù)適用于普通混凝土、塑性混凝土、自凝灰漿和固化灰漿等多種材料澆筑成墻。此基坑防滲采用該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)防滲效果檢測(cè)，能夠滿足深基坑帷幕在防滲可靠性方面的要求，為類似深基坑構(gòu)筑防滲體系提供了較為理想的選擇。

（3）該項(xiàng)技術(shù)目前仍有改進(jìn)的空間，今后將在動(dòng)力配置優(yōu)化、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)效率、鉆具密封型式、墻體防滲材料等方面做進(jìn)一步提升改進(jìn)研究。