李家梁水库双轮铣水泥土搅拌墙成墙技术研究

白成伟

（榆林市榆阳区红石峡水库服务中心,陕西 榆林 719000）

0 引言

水库大坝作为重要的水利基础设施,在居民用水、防洪抗涝、农业灌溉等方面发挥着至关重要的作用。在水库工程中,防渗墙的建设是工程质量的关键,一旦发生漏水事故,会严重威胁当地的人民财产安全[1-2]。目前,我国基坑地下防渗墙工程的施工方式主要有钢板桩法、咬合桩、地下连续墙、渠式切割水泥土搅拌墙（TRD）以及型钢水泥土搅拌墙（SMW）等,但存在造价高、地层适用面窄、施工效率低,墙体质量不均等缺点[3-5]。因此,采用合适的技术对防渗墙进行施工,变得尤为重要。本文以榆林市李家梁水库工程为例,对双轮铣水泥土搅拌墙的成墙效果进行系统研究。

1 施工技术

1.1 SMC 工法原理

SMC 工法是德国BAUER 公司研发的通过双轮液压铣削机进行工作的施工技术。该工法将传统深层搅拌和液压双轮铣槽机相结合,通过两个铣轮实现地层的旋转切削,利用注浆系统向地层注入浆液并与现场土壤均匀混合形成水泥土搅拌墙。向下铣削土体时两个铣轮相向旋转,并注入固化剂或铣削液；铣削至设计深度后提升铣轮并注入固化剂与土体搅拌混合。如果施工时间短,施工深度浅,则在向下和向上铣削和搅拌均注入固化液[6]；如果施工时间长,施工深度深,向下切削时仅注入铣削液以避免水泥浆固化,向上铣削过程注入固化液与现场土体拌合形成防渗性能好、整体性强、墙体均质的水泥土搅拌墙。

1.2 施工工艺

SMC 工法水泥土搅拌墙的施工分为施工准备阶段和施工造墙阶段两部分。施工流程图见图1。其中,施工准备阶段包括确定芯材安装位置、开沟铺板安装调试、测量放线、清场备料等工序[7]。施工造墙阶段包括：（1）铣削搅拌,该阶段中铣削搅拌土体,并注入浆液与原位土体拌合。（2）墙体搭接。墙体搭接分为湿法搭接和干法搭接。。

图1 施工流程图

1.3 工艺优点

（1）施工可视性高。搅拌铣头内部安装监测装置,能够实时采集数据供操作人员分析修正。

（2）地层适应性强,削掘性能高。导杆采用卷扬加压系统,铣头为合金材料,扭矩高达100 kN/m,能够削掘密实的粉砂、粉土等硬质地层,并在砂卵砾石层中切削掘进。

（3）搅拌性能墙高。铣头由多排刀具组成高速旋转削掘土体,同时注入高压空气,具有优良的混合搅拌性能。

（4）设备稳定性高。钻具底端设置有重量较大的铣头和驱动装置,稳定性高,整体重心较低。

（5）适应场地性能更加灵活。双轮铣搅拌墙机械均采用履带式主机,占地面积小,移动灵活。其可以将刀头部分旋转90°施工,而其它深层搅拌机械只能垂直于桩位施工（桩位至桩基尾部距离在13 m 以上）。双轮铣搅拌墙桩机的施工空间最小可以在8 m 的范围内施工。

2 SMC 工法试验概况

李家梁水库工程位于榆林市西北约40 km 的孟家湾乡曹家梁附近,库区地形平坦,域内土层主要物理力学参数及分布见表1。①粉土：层厚0.79 m～1.78 m,粉粘粒含量不均,黄褐色,可塑,含植物根；②裂隙粘土：层厚1.15 m～5.43 m,粘性较强,浅红棕色,可塑,裂隙发育；③粉土：层厚0.62 m～6.89 m,粘粒含量低,黄褐色,松散；④粘土：层厚0.42 m～5.88 m,有机质含量高,灰色,粘性强,软塑-可塑状态；⑤粉土：层厚0.69 m～5.68 m,稍密,黄褐色；⑥粉质粘土：层厚2.93 m～10.15 m,含少量姜石灰,粉粒含量较高,可塑,黄褐色,灰褐色；⑦粉土：层厚1.71 m～9.12 m,局部相变为粉砂,粉粒含量高,稍密,黄褐色；⑧粉砂：层厚1.71 m～9.12 m,级配不良,稍密,黄色；⑨粉质粘土：层厚2.72 m～17.86 m,粘粒含量高,可塑,黄褐色；⑩粘土：层厚3.77 m～13.25 m,含粉质粘土、粉土,粘粒含量高,硬塑,黄褐色；⑪粉土：厚度0.42 m～12.79 m,局部相变为粉砂；粉粒含量高,黄褐色。

表1 土层主要物理力学参数及分布

库区内地下水埋深较浅,80 m 深度内没有连续、统一、稳定的相对隔水层,土层水利联系密切,透水性较强,需对坝基以下进行防渗处理。坝基截渗通过水泥土搅拌墙进行加固,采用双轮铣水泥土搅拌墙施工技术进行施工,防渗墙轴线位于坝轴线上游7 m,技术指标如下：墙体材料为P.O42.5 普通硅酸盐水泥,单幅墙体宽2800 mm,水泥掺量25%,墙厚700 mm,深度为45 m,墙体间搭接300 mm,墙体最大施工深度35 m,向下铣削和提升铣削阶段水灰比分别为1.4 和1.2,注浆压力分别控制在0.65 MPa～0.85 MPa 和0.95 MPa～1.15 MPa,各深度内段浆量见表2。

表2 典型槽段施工段浆量统计表

典型槽段铣头施工位置随施工时间的变化曲线见图2,可以看出,通过两个铣轮实现地层的旋转切削,其中,向下铣削的速度略慢于向上铣削的速度,土层切割得更均匀,铣削至设计深度后提升铣轮并注入固化剂与土体搅拌混合。

图2 铣头深度随时间变化曲线

防渗墙施工完成后,从墙顶开挖1 m～3 m,检查成墙效果并进行后续施工。成墙施工完成28 d 后使用地质钻机进行钻芯取样,制成高径比为1∶1 的试样后进行渗透试验和无侧限抗压强度试验。根据JGJ/T 199-2010 的规定,考虑到岩芯钻探和取样过程中对岩芯样品的破坏,岩芯样品的强度乘以1.3作为水泥土搅拌墙的强度。采用柔性壁三轴渗透仪（围压为350 kPa,渗透压为300 kPa）进行渗透试验,渗透系数计算公式如下：

式中：A 为试样截面积,cm2；P 为渗透压,kN；g 为重力加速度,10 N/kg；t 为测试时间,s；h 为试样高度,cm；Q 为单位时间t 内的渗透流量,cm3；kt为水温t℃下试样的渗透系数,cm/s；η20为20℃时水的动力粘滞系数,kPa·s；ηt为t℃时水的动力粘滞系数,kPa·s ；k20为20℃时水的渗透系数,cm/s。

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度

成墙后芯样的无侧限抗压强度试验结果见图3。可以看出,无侧限抗压强度最高为3.51 MPa,对比发现芯样的强度略有异常,主要是SMC 施工过程中会不可避免的出现搅拌不均匀现象。但是SMC 工法水泥土搅拌墙强度均远远高于JGJ/T 199-2010 中规定的0.5 MPa。SMC 工法由上下抱夹对铣头施加向下的驱动力,使其具有更强的搅拌能力,且深层土体中搅拌墙的强度略高于浅层土体中的强度。主要是由于SMC工法施工机械的切削工具为实心铣轮,搅拌能力较强,相同的旋转角速度下平均切削线速度高于传统搅拌桩,另外下部土层强度较高,也会导致芯样强度较高。喷浆方式为向下喷浆,易产生泛浆现象,同时铣轮夹带的泥块会堆积在墙体上部,导致上部土层内强度有所降低。因此,施工过程中要严格控制喷气、喷浆压力,并在上部土层内进行复搅,提高搅拌混合的均匀性。

图3 无侧限抗压强度试验结果

各土层中双轮铣水泥土搅拌墙的强度平均值及变异系数见表3。可以看出：④粘土层和②裂隙粘土中芯样强度低于邻土层强度,两处芯样中夹有未搅拌均匀的粘土块。主要是采用传统的双轮铣施工机械,两铣轮间在粘土中搅拌存在盲区,导致防渗墙强度有所降低。因此,需延长粘土层中的搅拌时间,尤其是向下铣削搅拌的施工时间；或使用改进铣头,使铣轮表面夹杂的粘土及搅拌盲区粘土得以破碎。

表3 无侧限抗压强度统计

3.2 渗透系数

渗透系数试验结果见图4。可以看出,该防渗墙渗透系数均小于10-5cm/s,最低为10-10数量级。考虑到运输及取样的扰动,渗透系数的实际数值应该更低,满足防渗技术要求。

图4 滲透系数试验结果

各土层内芯样的渗透系数统计见表4。可以看出,上部土层的渗透系数略大于深层土体,这与芯样无侧限抗压强度试验结果类似,主要是SMC 工法在上部土层中切削不均所导致的。分析发现,部分土层中变异系数较大,其原因如下：一是在运输取样过程中受到较大扰动,导致芯样内部存在裂缝。二是施工过程中搅拌不均,土块与水泥浆液未充分混合形成有机整体,易产生渗水通道。

表4 渗透系数统计表

4 结论

在总结大量工程应用实例的基础上,以双轮铣水泥土搅拌墙为研究对象,结合水库防渗墙工程,通过现场取芯、室内无侧限抗压强度以及渗透试验,对SMC 施工技术、成墙效果进行了系统的研究。该次试验成墙效果良好,具有较好的均匀性,无侧限抗压强度均在3 MPa 以上最高达3.91 MPa；整体抗渗性有较大提升,渗透系数均10-5cm/s 数量级以下,墙体内部与搭接处强度基本一致。本文成墙试验的顺利实施为后续的规模化施工提供了技术支撑,亦为以后类似工程提供了可供参考的工程实例和宝贵的借鉴经验。