水泥搅拌桩防渗墙在水利堤防工程中的应用

水泥搅拌桩防渗墙在水利堤防工程中的应用

袁 欢

中铁五局集团第五工程有限责任公司 湖南郴州 423000

摘 要 国内外目前堤防防渗工程大部分采用高压喷射防渗墙或等厚砼防渗墙，以达到垂直防渗效果。但普遍存在造价成本高，工期长，施工复杂，养护要求高的特点。本文主要阐述江西省鄱阳湖区沙湖山圩加固除险工程水泥搅拌桩防渗墙技术的施工工艺、质量控制要点。

关 键 词 水利堤防 水泥搅拌桩 防渗墙

1 工程概况

庐山市沙湖山圩加固整治工程位于杨柳津河左岸、鄱阳湖西岸。圩堤起于荷叶围，经龙潭湖、上八里垱，再沿杨柳津河左岸，止于荷叶围，形成封闭防洪圈。圩堤堤身土主要取自堤内外表土，根据地勘资料，堤身土主要由粘土组成，堤身防渗性较强；局部粉砂夹层的堤段，堤身防渗性较差，在汛期易发生渗漏或渗漏隐患。此外，由于存在白蚁或小动物孔洞，或局部堤身填土质量差，多年来汛期发生多处渗漏险情。因本项目基于原有圩堤加固整治，该圩堤多次经历险情，需要在汛期来临前快速有效处理圩堤渗漏问题变成一大难题。

2 防渗原理

水泥搅拌桩防渗墙以水泥浆为固化剂，通过桩机在地基深处就地将土体和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土体、水之间的一系列物理、化学反应，使土体硬结成具有良好整体性、稳定性、不透水性的并具有一定强度的水泥土防渗墙。

3技术特点

（1）质量效益好，钻进过程中机械化程度高，通过钻杆刻度控制钻孔深度，机械行走刻度控制搭接长度，施工前沿堤顶轴线开挖50cm深导沟，机械在导沟中作业防止钻杆偏移、泥浆外溢，有效保证成墙质量和防渗效果。

（2）机械一体化施工，操作简单，连续作业运行可靠，施工速度快、工效高，无振动、无污染、无噪音、造价低(为高压喷射防渗墙造价的1/3~1/4)，适用范围广。

4施工工艺流程

水泥搅拌桩防渗墙施工工艺流程：先导孔施工→试桩工艺试验→围井注水试验→防渗墙施工→成果检测。

4.1先导孔施工

水泥搅拌桩施工前，需对施工部位的地质条件进行复勘，检查地质条件与不透水层埋藏深度与设计图纸是否吻合，并以复勘孔资料为依据绘制地质剖面图，作为水泥搅拌桩施工的重要依据。先导孔间距宜为 50m，钻孔深度伸入不透水层以下1m。

先导孔施工工艺流程为：施工准备→测量定位→先导孔钻进→封孔→绘制柱状图和编写地质勘探报告报批。

4.2试桩工艺试验

为检验搅拌桩形成的截渗墙防渗性能，为防渗工程渗控设计提供依据，需要通过试验检验搅拌桩防渗墙综合渗透特性。

防渗墙渗透特性检验性试验，需要利用水泥土搅拌桩形成封闭区域，并在封闭区域内、外设置水位监测井，通过抽水、局部区域开挖直观检验等方式评价搅拌桩防渗墙截渗效果，并获得相应的设计参数。

（1）试验机械为GP1800-7（钻喷一体打桩机）、BW１型泥浆泵、ZB１注浆泵、柴油发电机组一套。

（2）试验位置：试验段选择在透水性较强、中强透水砂层厚度较大,利用搅拌桩在堤顶形成防渗墙封闭围井，按矩形分2区布置，尺寸2×2.14×2.14m,深度按地质柱状图确定的深度，孔径0.5m。

4.2.1施工工艺流程

A段施工工艺主要选用“四喷四搅”：桩机就位调平→钻进下沉至设计加固深度→边喷浆、边搅拌提升至预订的停浆面→重复搅拌下沉至设计加固深度→喷浆提升直至预定的停浆面→关闭深层搅拌桩机。完成一个施工过程后再循环上述工序。

B段施工工艺主要选用“二喷二搅”：桩机就位调平→钻进下沉至设计加固深度→静喷浆至孔顶冒浆→喷浆提升并搅拌直至预定的停浆面→关闭深层搅拌桩机。完成一个施工过程后再循环上述工序。

4.2.2施工参数

（1）一般技术要求

钻机下沉速度1m/min，提升速度1-1.5m/min，转速40r/min，喷浆压力0.4-0.6Mpa，喷浆量33L/min。为保证桩头质量，喷浆搅拌应高出设计桩顶高程 50cm，且在喷浆提升至设计桩顶时应稍做短暂停止后再提升，当浆液到达出浆口后，应在桩底喷浆 30～60s，使浆液完全到达桩端。

（2）桩径 0.5m，连续布置成墙，咬合部位最小墙厚≥22cm。

4.2.3施工方法

（1）场地平整

1）现场应“三通一平”，满足桩机承重、运输和施工要求，应查清地下管线、地下障碍物等情况并加以处理。

2）施工前，应查清施工场地工程地质情况及水文地质情况，施工场地和临近区域内的现有建筑物、施工现场上空电线线路等情况。

（2）桩位放样

1)桩点施放应根据桩位平面图，用全站仪定向、钢尺量距，确定各桩点位，并在平整好的场地上用白灰撒点标记。沿白线开挖50cm×50cm沟槽，以免浆液溢出。

2)钻进时桩机定位应准确、水平、稳固，确保在施工中不发生倾斜、移动。

（3）桩机定位

1)平面就位。放好桩位后,按桩的施工顺序移动搅拌桩机到达指定桩位，钻头对中，检查钻杆垂直度并对偏差进行校正。

2)调整桩机。双向控制导向架垂直度，在桩机井架的正面和侧面均应吊挂垂球，垂球质量不小于 2kg。根据导向架的吊锤偏移，用卷尺测定搅拌轴垂直度，通过间接测定导向架垂直度来监测桩身垂直度，可及时发现施工时桩机是否倾斜。调整导向架垂直度，按设计及规范要求，一般垂直度小于 0.5%。

3)桩位复测。桩机就位调整好后，根据控制桩检查钻头位置，桩位对中误差不大于 2cm。

4)确定起钻点、终钻点。平面位置无误后，进行高程测量。在钻头落地的情况下，在桩机井架上准确画出每米的深度标识线，标识出“零起点”的位置，根据设计桩长资料，计算出终钻时钻杆长度，确定终钻位置。

（4）浆液制作

1）根据试验室提供的室内配合比，进行浆液现场配置，配置的浆液应流动性好，不离析便于喷搅，灰浆应搅拌均匀，加过滤网过滤，随拌随用。

2）搅拌机操作者与灰浆拌制人员保持密切联系，保证搅拌机喷浆时连续供浆，因故停机时，应在原桩位补桩。

（5）搅拌下沉

启动电机，从地面开始搅拌下沉至设计高程。钻进速度V=1m/min；转速V=50r/min。

（6）提升搅拌，第一次喷浆

钻进至设计桩长后，桩端静喷30s，再反转匀速提升，深度误差不得超过 5cm，反转提升速度Vp=1.2m/min; 搅拌转速VR=30r/min；有利于土体的充分破破碎；提钻停浆面以上 0.5m 处，持喷 30s 后，停止搅拌和喷浆。喷浆压力0.5MPa ，喷浆量34L/min。

（7）重复搅拌下沉

启动搅拌桩机转盘，待搅拌头转速正常后，使钻杆沿导向架边下沉，边搅拌，下沉速度按设计要求进行，重复搅拌下沉至设计深度。

提升速度Vp=0.9m/min; 搅拌转速VR=45r/min。

（8）重复提升，第二次喷浆

待下沉至设计桩底标高后，将20%的余浆注入地基中，并边喷浆、边搅拌、边提升，直至桩顶标高以上 0.5m 处。反转提升速度，提升速度 Vp=0.8m/min; 搅拌转度， VR=30r/min。

（9）现场记录

试桩施工过程中做好现场施工记录，尤其是喷浆量，搅拌速度，提升速度，注浆压力等技术参数。

（10）桩机移位

试桩施工完一根桩后，移动桩机至下一桩位，重复以上步骤进行施工。

4.3围井试验论证

水泥搅拌桩围井试验成墙5天后，开始观测静止水位，掌握地下水的动态变化规律，7天后从中间开挖形成降水井，观察成桩效果是否符合要求，再采用注水进入降水井，注入饱和，下端设置止水塞或者浇筑一层水泥浆密封不漏水处理，检测不同工艺的渗透性，判断是否满足设计渗透要求，选择工艺参数。

4.4深层搅拌防渗墙施工

水泥土深层搅拌防渗墙施工是基于围井试验成功的施工方法和施工参数进行施工。

4.4.1施工流程

①平整施工平台，开挖流浆沟槽；

②桩机就位并调平；

③在压浆前将水泥浆倒入集料斗内；

④深层搅拌机下沉喷浆到设计深度后，再喷浆提升。边喷浆、边旋转，严格按设计确定的提升速度喷浆搅拌提升；

⑤向集料斗中注入适量清水，开启灰浆泵，清洗全部管路水泥浆。并将搅拌头上的软土清理干净。关闭搅拌设备，完成一个施工过程；

⑥移动机械至下一桩位，重复②～⑤过程；

4.4.2开挖流浆沟槽

为保证钻进下钻时注入的水泥浆不溢出场地，防渗墙施工前沿轴线开挖50cm×50cm的沟槽，以此来保证浆液不洒向路面，保证浆液的利用率，提供施工导向，保证成墙质量。

4.4.3浆液制备

制浆站严格按配比配制水泥浆，施工水灰比由现场试验确定。

4.4.4钻孔搅拌成桩

①就位调平

桩机就位，桩位最大允许偏差2cm。

成桩方式采用搅拌桩机下沉喷浆、喷浆提升，边搅拌边喷浆施工工艺。搅拌机沿导向架下沉，用于防渗墙的深层搅拌桩的偏斜率不应大于0.5%，就位偏差及垂直偏差由机手作好记录。

②搅拌

开启搅拌桩机，施工中采用快搅慢进，即钻头快档旋转，慢档提升，严禁五档钻进提升。边搅拌边喷浆下沉至设计深度，同时深度偏差不得大于100mm。钻进深度由深度转盘控制。搅拌过程中，应根据地层情况选择合适钻进档位。提升过程中保证孔口微微返浆，供浆标准为既能满足按钻进提升档位相匹配的水泥渗入量，又能保证下部局部松散区吃浆量大的要求，确保水泥土搅拌桩连续密实完整。搅拌时间及深度应做好记录，时间记录偏差小于5s。

当浆液到达出浆口后，在桩底喷浆不小于30s，使浆液完全到达桩端。对供浆量作详细记录，拌浆池每半小时测量一次水灰比，供浆过程中，应密切关注输浆泵的工作状况。每根搅拌桩施工完毕，向搅拌桶中注入适量清水，开启灰浆泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至基本干净。并将粘附在搅拌头上的软土清理干净。使用钻头应每班检查直径一次，确保桩径满足要求，桩径偏差不大于4%。

③成墙搭接

按照设计图纸最小墙厚计算出最优搭接宽度，本工程要求最小墙厚不低于22cm，经计算采用50cm直径桩头，搭接10cm，桩间距40cm达到有效成墙宽度24cm，满足最小成墙厚度要求。

4.4.5移动钻机重复施工下根桩

按照桩间距准确移动到下根桩的位置，重复以上步骤进行施工。

4.5成果检测

（1）开挖检查

在成墙90天后，沿防渗墙轴线每500m在墙的一侧开挖检查一组，开挖深度1.5～3m，长度3～5m，检查墙体的完整性、均匀程度、成墙质量、检查墙体搭接、墙体厚度和墙体倾斜情况，测量两桩之间搭接值，并作好记录，留下影像资料。

（2）钻孔检测

在成墙90天后，沿防渗墙轴线布设钻孔检查进行钻孔检查。钻孔检查可从取出的芯样进行墙体质量的整体性分析，即钻孔取芯观测描述芯样的完整性和均匀性。可利用钻孔依据《水利水电工程注水试验规程》要求做注水试验，并取芯样做室内试验检测抗压强度、渗透系数及渗透破坏比降。

钻孔时，随机选取搭接处、桩身处等部位进行钻孔。上部采用110mm直径钻头进行钻进，进行一次注水试验，然后用110mm套管封堵上部孔壁，用91mm钻头继续钻进至预计深度，再进行一次注水试验。本次加固堤身现状均在地下水位之上，采用常水头注水试验方法。

4.6操作要点

4.6.1水泥土搅拌桩施工应连续进行，停机时间不得超过水泥的初凝时间。

4.6.2供浆供水必须连续。一旦中断，应将钻杆下沉至停供点以下0.5m，待恢复供应时再继续。因故停机超过半小时时，则对泵体和输浆管路进行清洗。

4.6.3吃浆量大属正常情况，如吃浆量急剧增加，并经初步灌注无效时，可能存在空腔，作好记录，在后期用工程钻机钻孔灌水泥砂浆封闭。

4.6.4施工中如遇有石块等杂物时，注意调节搅拌下沉速度，以避免损坏钻具及影响搅拌质量；或者在保证板墙搭接的情况下经监理工程师同意后改变前进路线，并及时做好有关记录。

4.6.5施工过程中发生喷浆中断，应将喷浆管下沉至停浆点一下0.5m，等恢复供浆时再施喷提升。因停电或机械故障而中断施工时间过长造成断桩时，可采取补强灌浆或补桩的方法处理。

4.6.6施工前应水泥加固土室内试验，根据被加固土的性质及单桩承载力要求确定水泥掺入比。

4.6.7按试桩确定的配比制备水泥浆，并存放在集料中。水泥浆的水灰比宜为0.8～2.0。搅拌头预搅下沉时电机的工作不得超过 60A。如果下沉速度太慢，阻力太大，可通过输浆管适当送水泥稀释土体以利钻进。施工中应采用流量泵控制喷浆速度，注浆泵出口压力应保持在 0.4～0.6MPa。

4.6.8设备就位后必须平整，确保施工过程中不发生倾斜和移动，机架和钻杆的垂直度偏差不大于 0.5%H。施工中采用吊锤观测钻杆的垂直度，如发现偏差过大，必须及时调整。钻机桩位对中偏差不得大于2cm。制备好的水泥浆不得有离析现象，停滞时间不得超过3小时。严格按照试桩确定的参数控制喷浆量和搅拌速度。为保证施工质量、提高工作效率、减小水泥浪费，尽量连续施工。输浆阶段必须保证足够的输浆压力，连续供浆。如因故短时间停浆，应浆搅拌头下沉到停浆点 0.5m 以下，待恢复供浆后再喷浆搅拌。如停浆 10 分钟以上，必须对输浆管路全面清洗，防止水泥浆在管路中凝结影响施工。

4.6.9严格控制搅拌机的下沉和提升速度，施工中如因地下障碍物等原因使钻杆无法钻进时应及时通知监理及设计人员，以便及时采取补桩措施。另外还应定期检查搅拌叶的大小，如因磨损使叶片直径小于设计桩径时应更换叶片。

5 结束语

本项目通过应用堤防水泥搅拌桩防渗墙施工技术，在不同施工工艺、不同地层条件下达到的防渗效果，运用价值工程原理选择最优的施工工艺参数。施工中机械化程度高，功效快，施工后检验成墙效果及注水试验符合设计及规范要求。2020年，江西省鄱阳湖区遭受超历史最高洪水位考验，本项目水泥搅拌桩防渗墙抗渗效果显著，未发生渗漏现象。

参考文献：

江西省水利规划设计研究院．江西省鄱阳湖区沙湖山圩施工技术要求

水利部．《水利水电工程防渗墙施工技术规范》．2015

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