地下连续墙在泵站基坑防渗工程中的应用与实践

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1、工程概况、设计指标、地质条件

    1.1 工程概况     太浦河泵站位于江苏省吴江市庙港镇境内，西距东太湖边约2.0Km，是太湖流域综合治理、改善水环境的大型工程之一。泵站站址北侧为太浦河节制闸。泵站该泵站规模为大（1）型，等别Ⅰ级，主体结构为I级建筑物。泵站建成后，将改善上海市在黄浦江取水口的水质，设计供水流量300m³/S，拟安装6台直径为4.10m、斜15⁰轴伸泵，单泵设计流量为50m³/S。泵站轴线距太浦闸轴线下游71.45m。     泵站主泵房上游依次设计为进水池、拦污栅闸、交通桥，泵站下游为出水池。为了实现泵站及进出水建筑物的施工，设计了上开口尺寸(长×宽)171.4m×165m，最大开挖深度17.5m(一般约14.5m)的大型基坑，基坑毗邻太浦河和太浦闸，基坑距太浦河河岸较近，开挖边线最近处只有22m。     为保证基坑开挖及结构物施工期间的边坡稳定，保护太浦河节制闸等已有建筑物的安全，并有效截断太浦河河水对深基坑的侧向渗流影响，在泵房主基坑和太浦河之间设计布置了一道砼地下连续墙进行防渗。     1.2 设计指标     太浦河泵站砼地下连续墙设计长度为240m，墙体厚度为0.24m；设计墙体深度为19.70m（EL6.00m～EL-13.70m），砼设计标号Ｃ20，水泥用量≮350kg/m³，整体渗透系数≯1×10^－7cm/s。该工程采用射水法成墙技术。     1.3 工程地质条件     工程地质条件：根据江苏省工程勘测设计院提供的《太浦河泵站工程地质水文地质勘察报告》中I---I^/工程地质剖面图所示，地连墙施工区内主要地层见表1：     表1 地下连续墙土层分类表 层号 土层分类 土层描述 标准贯入击数 地基允许承载力(Kpa) ①₁ 重粉质壤土 灰黄、灰褐色粉质粘土，中粉质壤土、杂碎砖石等，为人工堆土或耕作土 4   ②₂ 中粉质壤土 灰黄、灰色淤泥质中粉质壤土，含泥炭层，软塑到流塑状 4 85 ②₃ 粉质粘土 灰色淤泥质粉质粘土夹少量粉土薄层，含有机质，软塑到流塑状 1 60 ③₁ 粉质粘土 褐黄、灰黄、深灰色粉质粘土，含铁锰质结核，硬塑状 12 255 ③₂ 粉质粘土 黄色重粉质壤土、粉质粘土，夹砂壤土薄层，局部互层 8 150 ③₃ 重砂壤土 黄色、黄灰色重砂壤土，夹少量重粉质壤土、粉质粘土薄层，局部互层 13 120 ④₁ 重砂壤土 青灰色轻砂壤土，含云母片 26 120 ⑤ 粉质粘土 灰色粉质粘土，夹砂壤土薄层，含碎贝壳，局部互层 4 105 ⑤₁ 重粉质壤土 灰色重粉质砂壤土与粉质粘土互层 9 110 ⑥ 粉质粘土 棕黄、灰绿色粉质粘土，含铁锰质结核，硬塑状 21 300 依据设计要求，砼地连墙需穿过①₁、②₂、②₃、③₁、③₂、③₃、④₁、⑤等多层土层，并深入⑥层土深度⑥层土0.3～0.5m。⑥层土为硬塑状粉质粘土，中低压缩性，土质均匀，土层稳定，是相对隔水层和地连墙的墙底持力层。     地下连续墙与基坑、太浦河河岸相对位置及地质剖面情况见图1。         2、射水法造墙技术原理及施工工艺     2.1 射水法造墙技术原理     射水法建造地下连续墙技术由福建省水电厅水利科学研究所于1982年开始研究，经过多年的研制和生产性试验，在80年代中期生产出一代机、二代机、目前研制生产出三代机。研制生产的专利设备——射水法造墙机组（二代机组、三代机组）进行砼地下连续墙的施工在我国江河湖泊的堤防工程中得到了广泛的应用。 该机组由在同一轨道上电动行走的造孔机、砼浇筑机、砼拌和机（三代机配备反循环砂砾泵抽碴）组成，设备总功率约150～180KW。其工作原理是利用水泵及成型器中的射水喷嘴形成高速水流来切割破坏土层结构，水土混合回流，泥砂溢出地面（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；槽孔由一定浓度的泥浆固壁。溢出或抽吸出的与泥浆混合一起的土、砂、卵石等流入沉淀池，土、砂、卵石沉淀，泥浆水循环使用。槽孔成型后提起成型器，造孔机电动行走到隔一槽孔位置继续造孔，砼浇筑机就位，采用导管法水下砼浇筑建成砼单槽板或钢筋砼单槽板，并在施工中采用平接技术建成地下砼连续墙。墙体厚度按设计要求在220～450mm之间调节。     2.2 射水法造墙施工工艺流程 射水法施工工艺流程图

 

     

 

                             
    3、射水法造墙施工主要技术要点     射水法造墙技术上由造孔技术和水下砼浇筑技术两部分组成，而导管法水下砼浇筑是成熟的一种施工工艺，因此，射水法造墙技术主要研究对象就是造孔。造孔的关键技术要素有四个——破土、固壁（保持孔壁稳定）、出碴和槽孔的连接；四个要素相互关联，相互制约。     3.1 破土     射水法，其名称就是源自泥浆水射流破土（以三代机为例），三代机是由单排并列8个垂直向下的喷嘴作为射流破土结构。它的破土能力、破土范围取决于射流水压力、喷嘴几何形状以及对槽孔底部距离，可根据土体强度确定水压力。设备所配水泵的压力不小于0.4Mpa。     3.2 固壁     施工过程中的孔壁稳定是成孔的关键。首先是孔壁保护，破土后的絮流靠成型器箱形外壳导流，减小水流对孔壁的破坏，保护孔壁。水流流速对孔壁稳定有影响，流速应控制在小于0.2m/s。     泥浆固壁利用槽孔内泥浆水位高于地下水位及泥浆水比重大于地下水比重形成槽孔内对孔壁的压力达到固壁作用，同时泥浆水向外渗流过程中在孔壁上形成泥浆网膜，增大松散地层的粘聚性，起到护壁作用。因此针对各种地层条件，在造孔过程中确定泥浆的性质和质量是至关重要的（根据地层条件用自成泥浆法固壁或提前制备优质泥浆固壁）。     3.3 出碴     第三代射水法造墙机组出碴是利用水泵及成型器中的射水喷嘴形成高速泥浆水流来切割破坏土层结构，水土混合回流，泥砂溢出地面（正循环）或用砂砾泵抽吸出孔槽(反循环)，溢出或抽吸出的与泥浆混合一起的土、砂、卵石等流入沉淀池沉淀，泥浆水循环利用。     3.4 单、双号槽孔的连接     连续防渗墙重在“连续”二字，造孔过程中是由单个槽孔经水下砼浇筑形成2m宽的砼单槽板，由多块砼单槽板连接形成砼连续防渗墙，因此接缝的连接质量是该技术的主要关键点，也就是连续墙整体防渗效果的关键，单槽板本身结构不管是砼，塑性砼或其他材料均能达到某一抗渗指标，接缝的质量才是关键，这也是其它任何一种连续墙施工工艺所共同存在的技术问题。射水法造墙技术采用的是平接技术——也就是在同一轴线端侧面实现平面对接，射水法是在整体放样后先施工1、3、5号单序孔，在单序孔的砼槽板初凝后(一般>24h)预先设定的尺寸，准确的位置建造双序号槽孔。即在建造Ⅱ序槽孔时，利用成型器侧向喷嘴射流，将已浇筑好的Ⅰ序槽板端壁泥皮冲刷清除干净，然后浇筑Ⅱ序槽孔砼使之与Ⅰ序槽板形成连续的砼墙体，如此同时成型器的侧向喷嘴的射流冲刷可以使得Ⅱ序槽孔砼对已浇Ⅰ序槽板端部形成裹头，从而建成一道密闭完整的砼地下连续墙。      
Ⅰ序、Ⅱ序槽孔接头端裹头示意图     其中，建造II序孔时成型器两侧水平布置的各3个扇形喷嘴打开后，喷嘴与相邻被冲刷的砼面距离只有8cm，靠得很近，射水压力能达到0.3Mpa，造孔的工作方式是20～30次/min反复上、下冲切运动中逐渐进深，运动幅度在50cm左右，可以在造孔过程中反复冲洗端面，从而有效保证了接头处的冲刷质量。     4、施工工艺改进及质量检验     4.1 施工工艺改进     根据射水法施工设备的技术特性，将地连墙（长240米）划分为119个槽段，单槽长度在2.01m～2.04m之间调整。工程从2000年12月24日开始成槽施工试验，到2001年3月12日施工结束。     先前机械设备采用第二代射水造墙机，由于③₁土层的粘粒含量高，就是更换三代机机后依然需6～8h才穿过该层，出现了扩孔、塌孔等较多质量问题。在施工过程中，针对该地质条件，在成孔器的底部两侧加焊铁抓，勾切土体；侧向开孔口，使进入成孔器的土体及时从开孔中排出，利用反循环泵抽出；还采取了超前预钻孔破坏地层、采用高压柱塞泵设备（加工配套管路）射水先行破坏硬塑状地层等多种方法进行了摸索试验，得出了有益的施工经验——改进施工机具，特别是对成型器进行的多次大胆改造，以及根据进尺快慢及时调整施工参数，最终取得了提高工效、降低成本并保证施工质量。同时，对在软塑到流塑状地层中如何保证扩孔率也摸索出了有效经验。 表2 设计及施工参数对照表 参数名称 设计参数 实际施工参数 射水压力 0.4Mpa 0.4Mpa 循环泥浆比重(g/cm³) 1.12～1.25 1.13～1.15 砼坍落度(cm) 18～22 18.5～20 砼扩散度(cm) 34～40 37～41 砼强度指标 C20 29Mpa(28d) 砼配合比 水泥：砂：碎石＝1:2.02:2.90，水灰比W/C=0.48, AF-2型复合减水剂掺量为0.7%       施工槽孔孔壁稳定，槽段垂直度控制较好，孔斜率均小于0.4%；I、II期槽孔的接头套接位置正确，有效墙厚一般大于24cm，且接头端最小厚度达到了“大于22cm”的技术指标要求，墙段连接质量良好，形成了防渗整体，最终达到了设计要求的工程目的。     4.2 质量检验     对射水成墙的墙段，按工程师批复的检测方案布置了超声波检测管（共布置6个槽段），平均每40m长度内布设一对声测管，通过超声波检测曲线来分析墙体混凝土密实度等质量指标。对于成墙质量，还采用了开挖直观检查法来确定施工质量。     在射水法施工形成一部分墙体后，于2001年2月22日对093^#～095^# 3个槽段2道接缝、107^#～110^# 4个槽段3道接缝进行了开挖检查，证明墙段接缝的施工质量良好，经测量监理对已开挖墙段的轴线位置、墙顶高程进行的校测，证明各项指标都满足了设计要求。     对射水墙体，按检测方案在6个槽段的砼中埋设有了超声波检测管，经上海勘测设计院科研所进行了超声波检测，射水墙体之间搭接紧密，评价墙体混凝土密实度等质检指标满足设计要求。按工程师指定位置钻取了水泥加固土芯样，送指定试验机构做强度指标检验，上述质量检查结果均达到了设计要求。     在泵站基坑开挖的过程中，在地连墙的两侧设置两组水位观测管，以观测地下防渗连续墙的防渗效果，在基坑开挖、软基地基处理及建筑物施工阶段，两组的水位观测管的水位差值5.0m附近变化，说明地下连续墙的防渗效果是相当好的，达到了截断太浦河水与基坑地下水的目的。     5、施工中的注意事项     1)要保证射水法成墙的垂直度和接缝质量，对造孔机械设备的就位精度与水平调整必须严格复核控制。     2)应根据不同的地质条件，调整合适的水泵压力以保证喷嘴出口压力符合设计要求。     3)射水法造墙采用泥浆固壁法，槽孔孔壁的稳定是关键，因此，必须根据地层地质条件调整泥浆并严格保证槽孔内泥浆水位。     4)造槽过程中必须经常性检查机架垂直度。     5)应针对不同的地层条件，对造槽起主要控制作用的成型器等部件进行探索改进，不能拘泥于设备原配装的结构型式，从主、客观方面作出努力，以便提高成槽进度、提高工效。     6)射水造墙一般划分成双序槽孔，采用跳槽法施工——先施工I序槽孔，24～72小时之内必须安排设备返回施工II序槽孔，保证墙体有序连接及接缝质量。     7)射水法造墙采用的是泥浆固壁法，随着浆液浓度变大，需逐渐弃浆，因此施工所产生的废浆量较大（一般约为成槽实方量的５倍），在正式施工前必须安排好废浆排放处理——场地条件允许时可引至施工区域之外排放；工程环境不允许污染且场地条件受限时，必须准备排污罐车及时予以运弃。     6、结语     太浦河泵站砼地下连续墙采用射水法造墙，该墙有效截断了太浦河水对泵站深基坑区域的侧向渗流，保证了泵站工程的基础处理、主体结构施工期未受太浦河侧向渗流的影响，保证了施工期深基坑边坡的稳定；观测资料也证明，太浦河节制闸在施工期内未出现异常沉降变形，保证了太浦闸的安全，从而充分验证了地下连续墙的防渗效果。     射水法成墙，成型的槽孔孔壁稳定，浇筑的砼(钢筋砼)墙面平整，可按照设计要求构筑0.22～0.45m厚、深达30m，垂直偏差小于1/300的地下连续墙。墙体的接缝处理有独到之处，能够保证接缝的质量，整体防渗性能好。造墙的工效高，工程造价低，经济效益显著。