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發布時間: 2018-11-21來源:作者:劉保平 趙建強 王永安訪問次數: 1775

多軸旋噴深層攪拌地下連續墻技術

多軸旋噴深層攪拌地下連續墻技術

劉保平   趙建強   王永安

(大壩衛士(北京)網絡技術股份有限公司)

摘  要:多軸旋噴深層攪拌地下連續墻技術(Construction technology of multi axis  rotary jet deep mixing underground continuous wall,簡稱:多軸旋噴墻技術,即MRM技術)是利用深層攪拌和高壓噴射灌漿原理,使用特制設備,融合深層攪拌和高壓噴射兩種工藝方法,形成的一種新技術。該技術可以處理深層攪拌技術無法施工的土層,多軸聯鎖避免了原高噴技術搭接不可靠的問題,同時比原高噴技術較大幅度降低了造價,目前最大施工深度可達25m,可用于江河堤防、病險水庫大壩和基坑的防滲墻施工,也可用于市政工程,如城市地鐵工程防滲、垃圾場防滲等工程。

關鍵詞:多軸   旋噴  深層攪拌  地下連續墻   技術

1 前言

多軸旋噴深層攪拌地下連續墻技術是采用我公司研制的多軸特制設備,一次在地層中鉆進三個鉆頭,鉆進過程中噴射水泥漿(壓力1~20MPa)和氣體(壓力0.8~1.2 MPa)并旋轉,用水泥漿、氣體和鉆頭葉片切削攪拌土層,鉆進到達設計深度后提升并旋轉,同時噴射水泥漿和氣體,使水泥漿和原土充分混合,提升到孔口完成一個單元墻的施工,按照設計孔距移動樁機并重復上述施工過程,多次重復上述過程即形成一道地下連續墻。

1.1研究背景

深層攪拌法具有取材方便、造價低、技術可靠、工法簡單易于操作等優點,已廣泛應用于水利水電工程、工業與民用工程和市政工程的地基處理和防滲加固中,但傳統深層攪拌法遇到密實砂層、砂卵石層等復雜地層無法施工。如:黃河下游防洪工程河南段堤防第三標段防滲墻工程因遇到較深厚的密實粗砂地層,哈達山水利樞紐防滲墻工程因遇到較深厚的砂(礫)卵地層,內蒙古巴音門肯水庫遇到板結黏土層等不利地層,造成傳統深層攪拌法不能施工,導致設計變更,增加投資,延誤工期等后果。

傳統高壓噴射灌漿工法以其取材方便、工法簡單、使用地層多也被廣泛應用于上述工程,但其質量不易保證、造價高、棄漿多、工效低。如:河北某抽水蓄能電站,圍堰采用傳統高壓噴射灌漿工法建造地下連續墻。旋噴樁設計孔距0.8m,單孔單排搭接, 經試驗,樁開叉現象嚴重,后改成雙排樁成墻;單臺每天僅能完成50m的鉆孔工程量,單臺臺車噴孔僅能完成60m,折合成防滲墻面積每天僅完成48m2,工效低;棄漿量高達20%;造價高達1000元/ m2。為解決上述問題,近年來我公司不斷探索,根據深層攪拌和高壓旋噴兩種工法的特性,綜合深層攪拌的均勻穩定性和高壓旋噴對地層廣泛適應性,經過調研、方案設計、優化比選,確定了多軸旋噴地下連續墻施工方法,研制出多軸旋噴地下連續墻施工裝備。本技術經在黃河下游河南段堤防防滲墻工程施工應用,達到了預期效果。

1.2 工法特點

   (1)深層攪拌和高壓噴射兩種工法結合,取長補短,降低了工程造價;

   (2)原傳統高噴均為單軸成樁,單根樁搭接成墻,工效低,本技術一次多軸成墻,提高了施工工效;

   (3)鉆頭間設置聯鎖器,保證墻體的連續性;多根相鄰鉆桿之間以及鉆桿和立柱導軌之間增加了聯鎖裝置,限制鉆桿的甩擺,有效地控制鉆桿的垂直度,保證了成墻質量;

   (4)用水泥漿、氣體和鉆頭葉片共同攪拌土層,使水泥漿和土層充分混合,加固體被攪拌得更加均勻;

   (5)本技術不僅適用于粘土、砂土,也可用于砂層、砂含礫層、礫石層等地層,擴大了深層攪拌的應用范圍;

   (6)同傳統高噴比減少水泥用量、減少廢漿排放,降低了工程造價。

2 工藝方法

2.1 工藝原理

    多軸旋噴墻技術是把深層攪拌和高壓旋噴兩種工法融為一體。研制一種具有三個鉆頭的專用鉆具,在鉆桿和鉆頭分別安裝漿、氣噴射管路,給鉆具配備鉆進提升動力,將鉆具集成于樁機上。配備輸送漿、氣的相應設備(高壓漿泵和空壓機組)。施工時,將樁機移動至鉆孔位置,開啟鉆具鉆進,同時開啟漿泵和空壓機輸送具有一定壓力的水泥漿液和氣體,水泥漿對鉆孔周圍原地層進行噴射、切割形成鉆孔,并制成漿土混合體,鉆進旋噴達到設計深度后,再由下而上提升旋噴具有一定壓力的水泥漿,同時輸送氣體,在水泥漿、氣體和葉片的共同作用下使水泥漿液與土體強制混合,利用固化劑、土體和水之間產生的一系列物理、化學反應,使土體硬結成具有良好整體性、穩定性、不透水性,并具有一定強度的一組固結樁體,多組樁連成一起形成防滲幕墻,達到防滲的目的。

2.2 施工工藝流程

    多軸旋噴墻技術的施工工藝流程如下:

(1)就位:移動樁機到設計樁位;

(2)調平:通過液壓支腿調平樁機;

(3)設定參數:按設計要求設置好旋噴樁的段漿量、孔深、總漿量;

(4)制漿:安裝水泵抽水至制漿站,按設計要求水灰比進水、上灰拌制水泥漿液;

(5)旋轉鉆進、噴氣噴漿:開啟鉆具、漿泵、空壓機,鉆具沿導向架向下鉆進、同時噴漿、噴氣、旋轉攪拌;

(6)旋轉提升、噴氣噴漿:鉆具鉆進到設計深度后,按規定的提升速度提升旋轉、噴漿攪拌,同時空壓機供氣,提升至孔口,完成一組旋噴樁的施工;

(7)樁機按設計的樁位移動,開始下一組旋噴樁施工。如此循環施工,完成所有旋噴樁施工,形成一道連續墻。

 施工工序見圖2.1,施工單元成墻示意圖見圖2.2。




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2.3技術要求

   1 交通條件

     1)對外交通條件。 進出場道路路面寬度應不小于4m,斜坡面坡度不宜大于11°,轉彎半徑滿足半掛車行走要求,涵洞頂部、電線、電纜至地面凈距離不小于5m,同時需滿足安全的相關要求。路面、橋梁的承載力需滿足40噸車輛通行要求。

2 場內施工道路條件。施工期間,滿足施工人員、施工材料和大小施工機具需要在場內運轉的需要,保證雨天能夠正常通行。

  2 施工場地條件

    1)在機械設備進場前應平整場地,原則上場內50m范圍內,高差應不大于30cm。施工工作面寬度應滿足所使用設備的作業要求,一般不小于6米。攪拌設備操作平臺、現場水泥倉庫要有足夠的面積,并進行平整處理。

2)施工場地地面過軟,承載力不利于施工設備或移動時,應鋪設粗砂或碎石墊層,不得用塊石鋪填;當施工場地表層堅硬,需要注水預攪施工時,可開挖施工槽,在槽內適量注水,預先飽和,降低土層強度;當場地為瀝青、水泥混凝土或其他硬質路面時,可事先采用破除機械破除路面;若地下有建筑垃圾、較大粒徑卵石、塊石,應預先清除。

  3)集漿槽開挖

在施工時,由于水泥漿的注入,會產生水泥土漿混合液溢出的情況,開挖集漿槽、集漿池,可防止孔口反漿四處漫流。

導槽開挖深度以0.5~1.0m為宜,開挖寬度0.5m,以不影響施工設備行走和調平為宜,導槽開挖長度應滿足翻漿積液的控制要求。

   4 施工環境溫度。應在-5℃以上。

   5 材料供應。水泥材料可分批進場到位,抽檢復試合格后方可使用。

   6)定位。根據設計要求放出成孔的孔位,用木樁或樁位架做好標記,編上孔號、序號,孔位誤差不大于5cm。

7)就位。將樁機移動至鉆孔位置,使噴射鉆頭中心對準已放好的孔位中心。

8)調平。為保證鉆孔達到要求的垂直度,鉆機就位后,作水平校正,用三通管對兩個垂直方向校核,將三個水管的液面調整至允許范圍內。

9)制漿。水泥復檢合格后,按照設計要求或試驗確定的水灰比配置水泥漿液,配置水泥漿液的攪拌時間為:一般型號的制漿機需攪拌3分鐘,快速制漿機需攪拌1.5分鐘;水泥漿水灰比是根據地層情況和施工設備特點確定,一般按照質量比例控制在0.8:1.02.0:1.0范圍內。水泥漿液存放時間,氣溫在10°C以上時3小時, 10°C以下時5小時。超過時間,漿液性能下降。水泥漿液儲備方法:水泥漿液應隨配隨用,灰漿攪拌機同時不斷攪動,攪拌轉速宜為20r/min ~60r/min。制備好的漿液不得離析,按照前述規定時間使用。水泥漿液的比重檢測:采用比重計或比重稱進行檢測。

   10)旋轉鉆進噴漿送氣。鉆進施工時輸送具有一定壓力的水泥漿,漿壓根據試驗情況確定,一般壓力范圍為8~20MPa,同時空壓機輸送氣體壓力也根據試驗確定,一般壓力范圍為0.8~1.2 MPa。

   11)旋轉噴漿送氣提升。鉆頭鉆進到預定深度后,應先在原地靜噴30s,當孔口有明顯回漿時按預定好的提升、旋轉速度,自下而上進行噴漿作業,直至到達設計高度方可停止供漿、氣,提出噴射鉆頭。

   12)移動機具。一組旋噴噴灌漿孔結束后,把樁機移到新的孔位上,進行下一組旋噴孔的施工作業。

3 主要材料與施工設備

3.1 主要材料

多軸旋噴墻技術的加固材料主要為水泥。宜選用強度等級為32.5及以上的通用硅酸鹽水泥,可根據加固土體性質及地下水侵蝕性等情況選用不同種類的水泥。

通常使用的水泥有普通硅酸鹽水泥(P.O)、礦渣硅酸鹽水泥(P.S.A)、復合硅酸鹽水泥(P.C)。當使用礦渣硅酸鹽水泥時應注意,礦渣硅酸鹽水泥早期強度明顯低于普通硅酸鹽水泥,但后期明顯高于普通硅酸鹽水泥。

3.2 施工設備

主要施工機具有多軸旋噴樁機、鉆具、旋轉裝置、起吊設備、供漿系統、供氣系統、自動檢測系統、柴油發電機等。主要施工機具、儀器的名稱、規格、性能詳見3.2主要施工機具、儀器一覽表。


表3.2                主要施工機具、儀器一覽表  


序號

機具(儀器)名稱

規格型號

性  能

備注

1

多軸旋噴樁機

MRM-25

集成調平、移動、鉆具、動力及噴射裝置的機具


2

鉆具

3T

三軸鉆進噴漿噴氣攪拌


3

旋轉裝置

3Z

三軸聯動旋轉


4

深度漿量自動記錄儀

BJ-A

記錄鉆具深度和用漿量


5

高壓漿泵

90kW

輸送中高壓水泥漿


6

制漿管

ZJ800

配置水泥漿液


7

儲漿罐

ZJ1600

儲存水泥漿液


8

潛水泵

6m3

抽水至制漿站


9

空壓機

22kW×3

輸送壓縮空氣


10

泥漿泵

HBW300

輸送水泥漿


10

電焊機

BX-400

焊接構件


11

柴油發電機

500kW

提供動力源


12

水準儀

AL1528

測量高程


13

經緯儀

JZ-JDB

校核鉆桿垂直度


14

鋼卷尺

50m

檢測長度


15

比重計

1-2

檢測漿液比重


16

比重稱

1-2

檢測漿液比重




3.2.1多軸旋噴樁機

多軸旋噴樁機,其主要組成部分見圖3.3多軸旋噴樁機外形圖。

   (1)機架:由上下底盤組成。上底盤:支撐樁機上所有的部件;下底盤:通過液壓裝置可使上下底架之間作前后左右的相對運動;

(2)立柱:滑板沿著立柱兩側的滑道帶動鉆桿上升、下降;

   (3)穩定桿:支撐立柱作用;

   (4)操作室:電器系統和液壓系統的操作手柄均布在操作室內,可發送操作指令;

   (5)液壓系統:由液壓馬達及各高壓油管組成、起升降鋼絲繩、伸縮支腿油缸作用;

   (6)電器系統:由110KW、15KW和5KW三個電機及一些電器元件和線路組成,為整個樁機提供動力。

3.2.2主要配套機具

多軸旋噴主要配套機具由鉆具、旋轉裝置、起吊設備、供漿系統、供氣系統、自動檢測系統等組成。

   (1)鉆具

鉆具安裝在樁機上,該部分由鉆桿頂梁、鉆桿、鉆頭及連鎖裝置組成。3根鉆桿用鉆桿頂梁和鉆桿聯鎖器聯結, 3個鉆頭由鉆頭聯所器聯結,其中鉆桿長度為28m,施工過程中不需接桿,一次最深可達25m,鉆桿截面尺寸為120×120×10mm;鉆頭直徑一般為200~450mm,可根據不同地層選用不同的尺寸、結構和材質;鉆桿聯鎖器和鉆頭聯鎖器結構的中心距均為320mm。

鉆桿和鉆頭通過鉆桿頂梁、鉆桿聯鎖器及鉆頭連鎖器分別從上、中、下三個部位分別進行聯結,將鉆具系統形成一個有機的整體,不但提高了鉆桿的整體剛度,而且可避免墻體樁位分叉現象。

(2)旋轉裝置

    旋轉裝置安裝在樁機主動力箱處,該部分由110kW電機、變速箱、齒輪箱、傳動軸等組成,為鉆具水平旋轉提供動力。

   (3)起吊設備

 起吊設備安裝在樁機上,該部分由桅桿、卷揚、滑輪組等組成,為鉆具作豎向運動提供動力。桅桿采用圓柱形,外形趨于多功能標準化樁架,可一架多用;卷揚設計借鑒國外先進技術,采用鋼絲繩升降方式,速度范圍寬,運行平穩。

   (4)供漿系統

供漿系統由水泵、制漿罐、泥漿泵、儲漿罐、高壓泥漿泵和輸(水)漿管路等組成,為鉆具提供具有一定壓力的水泥漿液。水泥漿液的制備采用快速灰漿攪拌機,制漿罐容量800L,2分鐘可完成一罐水泥漿的制備工作;泥漿泵1分鐘內可完成漿液輸送;儲漿罐可儲存1600L液漿;高壓泥漿泵選用GPB-90E型高壓泥漿泵,最大供漿壓力可達50MPa,流量可達100L/min。

(5)供氣系統

供氣系統由空壓機、送氣管路、接頭等組成,為鉆具提供具有一定壓力的壓縮空氣。

(6)自動檢測系統

自動檢測系統由流量傳感器、位移傳感器、電腦主機、數據線和供電電纜組成。自動檢測系統使鉆具的深度位置實現實時顯示,鉆頭每走0.1m記錄一次,且每1.0m小計一次深度,并匯總深度;使噴射裝置的用漿量實現實施顯示,每0.1m記錄一次用漿量,且每1.0m小計一次用漿量,并匯總噴漿量。

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圖3.2  多軸旋噴樁機

3.3             多軸旋噴樁機技術參數

設備或機具名稱

型號或規格

備注

多軸旋噴樁機

MRM-25


 

動力

裝置

鉆桿數量(根)

3


鉆頭直徑(mm)

200450


轉速(r/min) (正反)

25、50、75.0


最大扭矩(kNm)

42


電機總功率(kW )

130


起吊

設備

提升能力(kN)

200


提升高度(m)

30.3


升降速度(m/min)

01.2


供漿

系統

制漿罐容量(L

800


儲漿罐容量(L

1600


高壓泵流量(L/min)

0100


高壓泵工作壓力(MPa)

050


電機總功率(kW )

120


供氣

系統

空壓機供風量(m3

6


供氣流量(m3/ min

0.8~1.2


空壓機工作壓力(MPa

0.6~1.2


電機總功率(kW )

66


生產

能力

成墻單元墻長(mm

800~960


單孔成樁直徑(mm

400~600


最大加固深度(m

25


效率(㎡/臺班)

100200


工作面寬度(m

6


重量(t

42


4 質量控制與檢驗

4.1  質量控制依據
   (1)《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》GB50202-2002;
   (2)《建筑地基處理技術規范》JGJ79-2002;
   (3)《混凝土拌合用水標準》JGJ63-93;
   (4)《通用硅酸鹽水泥》GB175;
   (5)《水利基本建設工程驗收規程》SD184-86;
   (6)《水利水電工程施工測量規范》SL52-93;
   (7)《水利水電工程施工質量評定規程(試行)》SL176-96;
   (8)《深層攪拌法技術規范》DL/T5425-2009;
   (9)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》DL/T5200-2004。
4.2  質量控制
   (1)施工前,應做好技術交底,明確技術措施,做好隱蔽工程等的驗收記錄。
   (2)精確測量放樣,樁位放樣誤差不大于10mm,施工深度應不小于設計樁底。


   (3)認真校核樁位,用經緯儀校核立軸垂直,控制孔斜率。施工過程中進行樁體垂直度測量,孔深在25m范圍以內時,鉆孔偏斜率不應超過3‰。

   (4)根據試驗確定的漿液配比,施工中嚴格控制,做到掛牌施工,定時對漿液進行抽查檢測工作。

   (5)認真做好各樁的施工記錄,包括施工時間、樁位以及施工的各項參數和工程意外情況。
   (6)對地下建筑物,施工前設置高程監測點,施工時加強高程變化的監測。
   (7)認真組織開展施工班組的質量自檢、互檢、交接班檢查,嚴格獎懲制度。
   (8)實行崗位責任制,貫徹全面質量管理。
4.3  質量檢驗


   (1)原材料檢驗

多軸旋噴墻施工的主要原材料為水泥,每批水泥運至工地后,同監理聯合抽樣,同一批次同標號的水泥每200噸(不足200噸按200噸計)取樣一次,送有資質的檢測單位進行試驗檢測,并將檢驗結果送報監理人,合格后投入使用。

   (2)施工過程檢查

多軸旋噴墻施工過程中,通過施工記錄和現場抽查,對防滲墻及其工藝進行逐項檢查,主要檢查內容有:水灰比、噴漿量、噴漿壓力、氣量、氣壓、下沉(提升速度)、轉速、施工深度、機架傾斜度等,此外還注意檢查施工中是否有異常情況出現,記錄其處理方法及措施。

   (3)墻體質量檢查

完工后對多軸旋噴墻體的質量進行檢查,檢查方式主要采用開挖檢查、取芯做室內試驗和地質雷達檢測。

1)開挖檢查:沿多軸旋噴地下連續墻墻軸線一般每100~200m左右開挖檢查一處,其深度1.5~2m,縱向長3m。檢查內容主要包括:旋噴樁徑、樁之間搭接長度、最小搭接成墻厚度,旋噴樁的垂直度、旋噴樁攪拌均勻程度等;合格標準:墻體的外觀質量好,無蜂窩、孔洞;防滲墻樁與樁搭接、墻厚滿足設計要求;防滲墻整體性強。

2)室內試驗:在多軸旋噴地下連續墻墻體開挖處取芯樣檢驗試塊強度,滲透性及芯樣的完整性評價。沿防滲墻軸線每300m左右抽檢一孔,并回填水泥砂漿封孔。

3)有條件的在多軸旋噴地下連續墻工程完成后,采用質地雷達對全部或部分多軸旋噴地下連續墻進行連續性進行檢測。

5 環境保護影響及措施

5.1 環境影響

該技術裝備的生產制造無“三廢”排放,無污染。該裝備施工應用過程中僅有少量水泥土漿溢出,若施工前開挖足夠深的溝槽,搞好施工組織,則不會對環境造成污染。

 5.2 施工棄渣的堆放及治理措施   

   (1)對于集漿槽開挖的渣土,做好區分工作;對于可以利用的土料集中堆放,并做好水土流失防護措施;對于不能利用的渣土按照監理的指示及時運至指定地點集中處理,防止棄渣沖蝕河床或淤積河道。

   (2)對于溢出地面的少量漿液及時進行清理,并運送到業主指定的位置。必要時,依據合同要求,采取其它方面的處理措施,以降低污染,保護環境。

 5.3 施工場地開挖的邊坡保護和水土流失處理措施

   在雨季時容易造成水土流失開挖的邊坡,擬采用加蓋塑料膜對水土流失比較嚴重的邊坡進行保護,保證不因為水土流失而影響施工。

 5.4 防止飲用水污染措施

    為保證生活飲用水的衛生,生活區飲用水計劃采用桶裝純凈水。

 5.5 施工活動中的噪聲、粉塵、廢氣、廢水和廢油等的治理措施

   (1)噪聲治理措施

制定防止擾民的具體措施,現場200m范圍有居民區時,合理安排施工時間,盡可能將噪聲大的作業安排在白天施工;采取綜合治理措施,把噪音控制在合理范圍內。

   (2)粉塵的治理措施

    對有揚塵現象的道路定期用灑水車進行噴灑。在整個施工期間對施工場地經常進行灑水使塵土飛揚減小到最低程度;容易起塵的細料和松散材料予以覆蓋或適當灑水噴灑,運輸期間應用帆布或類似的遮蓋物覆蓋;運轉時有粉塵發生的施工設備投料器應有防塵設施。

   (3)生產廢水的治理措施

    因采用先進施工工藝,施工產生的廢水較少,干化后隨渣土運至業主或監理機構指定的地點。

   (4)廢油的治理措施

    施工機械采取了防止漏油措施,防止了造成污染;施工中的廢油要回收到廢油容器里集中處理。

 5.6 施工區和生活區的衛生設施以及糞便、垃圾的治理措施

    生活區污水進入當地地下排污系統;生活垃圾集中堆放;施工廢料如瀝青、水泥、油料、化學品合理堆放,運至業主或監理機構指定的地點。

 5.7 完工后的場地清理

    工程完工后,按照要求拆除臨時設施,清除施工區和生活區及其附近的施工廢棄物,并按監理人批準的環境保護措施計劃完成環境恢復。

 5.8 施工區野生動植物的保護措施

    保護原有植被,對合同規定的施工界限內、外的植物、樹木盡力維持原狀??吵龢淠净蚱渌洕参飼r,事先征得所有者和業主的同意。對有害物質合理處理,避免對動物、植物的損害。定期進行環保、生態知識宣傳教育。

6 效益分析

    本技術在國內處于領先,經濟效益和社會效益顯著。以黃河下游防洪工程河南段堤防某標段防滲墻工程為例說明,原設計采用傳統的深層攪拌防滲墻,防滲墻面積2.2萬m2,施工過程中因下部粗砂層厚度達4~6m,切較密實,傳統的深層攪拌防滲墻無法實施,擬設計變更為高壓噴射灌漿防滲墻,高壓噴射灌漿防滲墻綜合單價約400元/ m2,由于投資增加過多無法落實,后采用多軸旋噴地下連續墻,多軸旋噴墻的綜合單價約為200元/m2,比高壓噴射灌漿防滲墻低一倍,多軸旋噴墻比高壓噴射灌漿防滲墻方案節省投資440多萬元,經濟效益十分顯著。經成本分析,不同地層施工成本不同,施工成本與地層類別、土層密實度等有關,一般單價為:160~260元/m2之間。目前,我國每年新建造的防滲墻使用原高噴工法的很多,若一部分用多軸旋噴墻代替將節省大量資金。同時可提高我國地下連續墻施工技術裝備水平,增強國際競爭能力,具有很大的經濟效益和社會效益.



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