振動工藝施工防滲墻的新方法

王 林 熊麗娜 曾鵬九

（黃河設(shè)計公司地質(zhì)勘探院 洛陽 471002）

振動工藝施工防滲墻的新方法

王 林 熊麗娜 曾鵬九

（黃河設(shè)計公司地質(zhì)勘探院 洛陽 471002）

近年來，新出現(xiàn)的用振動工藝來修筑防滲墻的方法日漸增多，如振孔高壓旋噴（簡稱振孔高噴）、振動切槽、振動沉模、振動沉板、振動切噴等，均取得了高質(zhì)量、高效率的效果，降低了墻的工程造價，而且可以根據(jù)設(shè)計需要在同一墻內(nèi)，施工不同厚度墻體。這些新方法在水利水電防滲墻的施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用，有著廣闊的發(fā)展前景。

防滲墻 振孔高噴 振動沉模 振動沉板 振動切槽 振動切噴

機械振動是一種頻繁的、幅度不大的機械波動，是材料加工和工程施工中使用的一系列高效方法的基礎(chǔ)。

在建筑工程中利用振動，可使被振動的材料獲得新的性質(zhì)。如振動將大大減弱材料顆粒之間與其插入物之間的摩擦力。在工程施工中經(jīng)常利用這種效果，如振動沉拔樁機利用振動將預(yù)制樁輕松的振入土層；振動壓路機可使各類回填土變得很密實；在混凝土工程中，使用振動棒使混凝土變得密實、不出現(xiàn)空洞等。

振動顯示了其巨大的經(jīng)濟效果，可成倍十幾倍地提高效率，減輕勞動強度。近年來，在水利水電防滲墻的施工中，利用振動的新方法新工藝得到了飛速發(fā)展，特別是修筑薄防滲墻，有一種在設(shè)計可能范圍內(nèi)替代厚防滲墻的趨勢。使修筑造價大副下降，施工效率大幅提高，顯示了振動方法的強大生命力。

1 振動方法施工墻的基本原理

1.1 振動的效能

樁打入土中，需要克服樁端不大的阻力和樁側(cè)面與土體間相當大的摩擦阻力，后者會隨著打入深度的增加而增大。如果用振動沉樁，振動傳給樁時，就克服了土體與樁側(cè)面之間的摩擦。如僅有樁頂端的阻力，在樁自重與振動錘自重之和的幾分之一到十幾分之一力的作用下，就能沉入土中。

1.2 振動參數(shù)

振動具有激動力，產(chǎn)生振幅，完成振動所要做的功。

振動分強迫振動與自由振動，任何物體自身都有自由振動。自由振動就是物體要保持自身平衡的一種力量。如果自由振動頻率與強迫振動頻率大致相同，便會引發(fā)共振，振幅變得很大。

振動沉拔樁機的強迫振動頻率（fr），與各類土層的自由振動頻率（f0）的比值為1~1.5時，就會形成共振，共振時土顆粒間的結(jié)合水析出，土層出現(xiàn)液化，顆粒間的粘聚力急劇降低，使樁表面與土體之間的摩擦力等于“0”，樁靠自重就能很快沉入。因此，振動沉拔樁機的振動頻率應(yīng)力求與土體的自由振動頻率接近。有關(guān)部門已研究出部分土的自由振動頻率，選用轉(zhuǎn)速1450r/min的耐振電機，一般都能接近土體的共振頻率。

振動產(chǎn)生的振幅可以克服樁側(cè)面的摩擦力和粘聚力，其大小由振動頻率和樁的類型、土體的性質(zhì)而定，一般在2～20mm范圍內(nèi)變化。

振動也帶來了一些不利，它會使緊固件松脫、機器構(gòu)件強度降低。因此在非振動機械中，要盡量設(shè)法減振。而振動成墻工藝則充分利用了振動的有利一面。

2 振孔高噴防滲墻

振孔高噴是在普通高壓旋噴的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新工藝。普通旋噴由鉆機成孔，護好孔壁后，再由旋噴機重新安裝定位，下噴漿管進行噴射灌漿。成孔與噴灌為各自獨立的工藝（當然也可由同一臺鉆機、兩套管路系統(tǒng)來進行，但工藝仍各自獨立）。

振孔高噴將成孔與噴射灌漿有機地聯(lián)系在一起，振動鉆桿即是旋噴漿管，振孔方法是采用頂驅(qū)式振動器與液壓動力頭以振動回轉(zhuǎn)的工藝成孔，成孔到設(shè)計深度以后，振動器即停止運轉(zhuǎn)，振管即轉(zhuǎn)換為噴漿管，提升振管而形成旋噴灌漿（見圖1、圖2）。

圖1 振孔高噴施工原理

圖2 振孔高噴振動錘施工

振動鉆桿下部安有特殊的球齒合金鉆頭，振動成孔時管壁摩擦力非常小，只有孔底存在阻力，遇有卵石或大塊石，可發(fā)揮球齒合金鉆頭的作用，用激振力的沖擊功將卵石擊碎而穿透，無需泥漿護壁或者是跟進套管。

振動成孔到達設(shè)計深度后，通過一種裝置，可將底孔堵塞，讓沖洗液的漿液從側(cè)向的噴嘴噴出（此曾為日本專利，而我國自主研發(fā)成功）。然后停止振動，提高泵壓與泵量，旋轉(zhuǎn)提升，即構(gòu)成旋噴（也可構(gòu)成定噴或擺噴）。

振孔高噴的施工參數(shù)比普通旋噴高出很多，空氣壓力由普通高噴的0.7MPa提高到1MPa，空氣量由普通高噴的1m3/min提高到2~3m3/min。漿液噴射壓力由普通高噴的20MPa提高到35MPa。水泥漿作為能量載體直接噴向土層，保證了射流能量所作用到的范圍內(nèi)，水泥成分擴散均勻。三峽三期圍堰防滲墻與電源電站防滲墻采用此方法施工，單排墻，孔距0.6m，墻厚達1.2m，后將孔距改為0.8m。各項指標完全達到設(shè)計要求。在工期緊迫的情況下，提前完成了施工任務(wù)。

振孔高噴新二管法施工的特點是成孔效率高、鉆灌一體化、大漿壓、大漿量、大風壓、大風量、不分序、孔距密、快速提、質(zhì)量高、效率高。三峽業(yè)主對這種工藝給與了很高的評價?！霸摷夹g(shù)在三峽三期臨時下游土石圍堰防滲墻施工中，以優(yōu)質(zhì)高效的突出優(yōu)勢，首次在大型水利工程中獲得成功應(yīng)用?！?/p>

振孔高噴已于20世紀90年代獲得國家科技進步二等獎，并列為國家“八五”科技成果重點推廣項目。

工程實例有長江三峽三期圍堰防滲墻、長江三峽電源電站圍堰防滲墻等。

3 振動切槽防滲墻

振動方法可以成孔，同樣可以將一矩形切刀，振動切入土層，此工藝可將防滲墻修筑得很薄，獲得較好的經(jīng)濟效益。

切刀通過振管連接頂驅(qū)振動器，通過振動將切刀沉入土層（沒有回轉(zhuǎn)），將松散顆粒擠向兩側(cè)，形成槽段（見圖3），達到設(shè)計深度后，即可提升切刀。在切刀沉入與提升過程中，均向槽內(nèi)灌注漿液，待切刀提出槽口，即修筑了一小段灌滿漿液的防滲墻。若干個相連小槽段的墻，即形成地下連續(xù)防滲墻。沒有護壁工藝，如果遇到膨潤性土層，槽段產(chǎn)生縮徑，則可在切刀上部安裝數(shù)把刮刀，多次提升刮削土層，排出槽外，整個槽段就可連續(xù)。

圖3 振動切槽防滲墻施工原理

振動切槽雖與振動沉模有某些相似之處，但仍有很大的區(qū)別，振動切槽是將一矩形切刀（高不過0.5m，寬約1m）振動切入土中（見圖4），由于切刀與土層接觸面積小，摩擦阻力小，提升注漿時不需振動，因而較振動沉?？晒?jié)約50%以上的能源。

圖4 振動切槽施工

這種工藝具有構(gòu)思很新穎、工序簡單、成墻質(zhì)量好、效率高、成本低、對環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點，開創(chuàng)了建造地下薄防滲墻的新途徑。

該技術(shù)只適用于標貫N≤18的土層（63.5kg）。如砂土、壤土、淤泥、砂壤土、粉質(zhì)粘土、砂層和含少量礫石的松散地層。

振動切槽工藝造墻深度一般在25m以內(nèi)，厚度以為8～20cm，可以說是最薄的防滲墻修筑工藝之一，可廣泛用于堤防防滲墻或水力坡比不大的臨時圍堰防滲墻等。

2000年4月由國內(nèi)著名專家學者鑒定時，該工藝創(chuàng)始研究不到10年，就已經(jīng)完成了約20萬m2的工作量，均獲得了所有業(yè)主的好評。以馬云良為主任委員，陳文斌、蔣振中為副主任委員的鑒定委員會一致認為；“該項技術(shù)工藝成熟，技術(shù)含量高，設(shè)備較為完善，適用于我國國情?！薄霸擁椆に嚰霸O(shè)備為國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際先進水平”（鑒定書摘錄）。給與了很高的評價。

該工藝技術(shù)在2000年8月獲得第九屆中國專利新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會特別金獎。工程實例如下：

a.湖北黃崗的黃州堤段和安徽同馬大堤的皖河北場等堤段防滲墻。

b.1999年1~5月江西省九江市長江于堤梁公堤采用振動切槽工藝施工，經(jīng)歷了1999年長江特大洪水考驗，被評為優(yōu)質(zhì)工程。

c.1999年江西省九江市濟益公堤防滲墻采用振動切槽工藝施工，質(zhì)量優(yōu)良。

d.2000年4~6月哈爾濱市城防堤防滲墻采用振動切槽工藝施工，總工程量20000m2，經(jīng)開挖檢查和墻體取樣測定，各項指標均滿足設(shè)計要求，被評為優(yōu)質(zhì)工程。

4 振動沉模防滲墻

利用振動將一種矩形空心模板沉入土層，強力振動下沉到設(shè)計深度后，漿液可通過空心模板向槽底注漿。一邊注漿，一邊振動提升模板。漿液從模板底端注入槽內(nèi)，迅速填滿模板上拔而騰出的空間，從而澆筑墻體，成槽與澆注有機地聯(lián)系在一起，無須護壁。

國外開發(fā)振動沉模比較早，如德國的寶峨公司（BAUE）于20世紀70年代在多瑙河河道整治及來茵河堤防防滲處理中應(yīng)用，共累計建成200萬m2超薄防滲墻，是一項成熟的防滲技術(shù)。法國的威寶公司（PIC）也較早地開發(fā)應(yīng)用了振動沉模技術(shù)。

寶峨公司與威寶公司的振動沉模技術(shù)都采用大功率的液壓振動錘，功率300～600kW，整機耗能在900kW以上，成墻工效可達56m2/h。機械化程度很高，并可由電腦進行操作。成墻厚度一般為10～30cm，成墻深度在20m。

國內(nèi)已有中國華水水電開發(fā)總公司山東公司研制成功振動沉模防滲墻設(shè)備，施工防滲墻達7萬多m2，最大成墻深度17m，成墻厚度15～30cm。長江水利委員會也成功研發(fā)了此類設(shè)備，在“九五”期間已被國家列為科技成果重點推廣項目，并獲得國家5項專利。國內(nèi)外振動沉模機的主要性能差異見下頁表。

該技術(shù)主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥質(zhì)土及砂礫石地層，對有卵石含量的地層沉入困難。

4.1 振動沉模工藝

振動沉模有兩種工藝，一種是雙模板法（見圖5），一是單模板法（見圖6）。雙模板有公母制約槽口，保證墻體不會開叉，有完整的連續(xù)性。單模板法是靠引入導向板，可靠性比雙模板法差，但工藝簡單，效率要比雙模板高，多用于施工深度在10m以內(nèi)的防滲墻。

國內(nèi)外振動沉模成墻機性能表

圖5 振動沉模雙模板成墻原理

圖6 振沉單模板成墻原理

工程實例如下：

a.長江水利委員會于1990年引進德國寶峨公司振動沉模防滲墻技術(shù)，1999年4月～2000年8月在監(jiān)利縣長江土干堤南河口三支角段共施工防滲墻3.9km，均取得了成功。

b.山東萊州市王河地下水庫為防止海水入侵攔截上游地下潛流，地表以下15m采用振動沉模防滲墻，振動成模成墻效率為100～200m2/臺班，工程造價150元/m2左右，在壤土與細砂中施工工速度很快，成墻質(zhì)量好，第一期工程提前了1個月，總工程費用節(jié)省1000萬元以上。

c.交通部第二航務(wù)工程局在洪湖套口防滲墻施工中采用振動沉模單模板工藝，墻深18m，墻厚20cm，墻長800m。成墻28天后滲透系數(shù)K<10-7cm/s，抗壓強度大于6.0MPa，效率200m2/臺班以上。

4.2 振動沉板防滲墻

振動沉板工藝方法基本與振動沉模相似，所不同的是振動沉板的模板不是空心的，而是由型鋼做成的，在型鋼上焊有漿管、水管，在振動沉入有困難時，可在底部進行水力噴射。在沉板到達設(shè)計深度后，由輸漿管注入漿液，振動起拔。進行第二個插板墻段時，型鋼的頭部重疊已成墻的尾部，來保持墻體的連續(xù)性，腹板為墻的最薄部分，可到7cm。

插板用型鋼多采用“H”字與“工”字型。規(guī)格多采用高30～80cm、翼板寬15～40cm的“工”字鋼做主板，底端加焊鋼板，在翼板與腹板的交角焊兩根灌漿管。為防止板沉入時泥土堵塞管口，在管口上可堵以木塞或鉚釘，當插板上拔灌漿時，塞子便可以自行脫落。

5 振動切噴防滲墻

振動切噴是振動切槽派生出來的一種工藝，最適宜修筑薄防滲墻，可薄到8cm。它是在振動切槽的基礎(chǔ)上，將噴嘴安裝在切刀下部，在振動切槽的同時，進行定噴（見圖7），能有效地提高振動切槽效率，大幅度提高切刀提升速度，成墻效率的提高幅度很大。

圖7 振動切噴防滲墻施工原理

振動切噴是在切刀下部約40cm處，安裝有相對180°兩個噴嘴，與切刀在同一軸線上，不回轉(zhuǎn)。切刀在振動切入的同時，噴嘴進行定噴?？尚纬梢韵鹿δ埽?/p>

a.超前切割土體。由于噴嘴超前切刀，所以切刀未切入之前，噴嘴先進行由空氣包裹的漿液高壓噴射，對土體進行切割破壞，使土體變得松散，切刀很容易沉入。尤其是對密實土層、砂層等，能顯著提高切刀沉入效率。

b.提升切刀定噴灌注。噴嘴到達設(shè)計深度后，切刀下有40cm沒有切到，但由于有定噴對土體切割，漿液攪拌就可以成墻。切刀提升騰出空間時，定噴就會向槽內(nèi)灌滿水泥漿。等于是兩種成墻工藝同時進行作業(yè)，使墻的連續(xù)性可靠。

c.槽內(nèi)定噴質(zhì)量穩(wěn)定。定噴的影響半徑比切刀大，定噴漿壓達35MPa，其影響半可以超過1個切刀段，使單個切刀槽孔能有效地連接起來，保證墻體的連續(xù)性、防滲性。

工程實例如下：

重慶市北碚區(qū)草街航電樞紐工程，在嘉陵江右側(cè)修建臨時圍堰，其防滲墻的修筑采用了三種工藝：振孔高噴、振動切噴、可控灌漿。各自發(fā)揮優(yōu)勢，取長補短，20天完成1萬m2的防滲工程。經(jīng)過11天的試抽和補充性防滲工作，同時約15萬m2基坑內(nèi)近30萬m3的坑內(nèi)積水全部抽干，圍堰總滲透量降至1000m3/h以下。實現(xiàn)了大型水電工程圍堰防滲墻施工少見的高速度。

6 振動施工防滲墻的優(yōu)缺點

6.1 優(yōu)點

a.各種振動施工方法均可共用同一高架桅桿與振動錘，只需更換成槽工具，切斷或是連接回轉(zhuǎn)動力頭，就可以形成各種不同的成墻振動工藝，靈活方便，增加了設(shè)備應(yīng)用的廣泛性與靈活性。

b.用振動方法成孔或成槽，效率極高，經(jīng)濟效益好。

c.振動方法成墻，除振孔高噴在旋噴過程中有攪拌和置換外，其他方法均用充填灌注成墻。所有的方法均不用泥漿護壁，降底了成本。沒有了泥漿的污染。

d.振動工藝成墻連續(xù)可靠，混凝土等成墻材料在槽內(nèi)經(jīng)過多次振動，使墻體密實而無空洞，墻的連續(xù)性好,墻的防滲性能與固結(jié)強度得到保證。

6.2 缺點

a.桅桿架的高度為防滲墻的設(shè)計深度，所以桅桿架很高，在成槽機位移時，4t多重的振動錘懸掛在頂部，安全性顯得非常重要。

b.目前，國內(nèi)均使用電動振動錘，這種振動錘在啟動與停車時，由于振動頻率的由高而低、由低而高的變化，引起與成槽機短時間的共振，造成很大的振幅與噪聲。工業(yè)發(fā)達國家已有一種可調(diào)式液壓振動錘，可避免這個缺點。當前，我國也已研制成功可調(diào)式液壓振動錘，并已批量生產(chǎn)。

7 結(jié)語

根據(jù)防滲墻的不同設(shè)計與不同的地層，采用振動方法施工一般均可收到很好的效果?；蛘呖梢岳谜駝映煽椎母咚伲c其他一些有優(yōu)勢的施工方法相結(jié)合，來構(gòu)成整個工程的施工方案，能收到較好的經(jīng)濟效益。振動高桅桿一機多用，適用性廣，非常適合我國國情，應(yīng)用前景廣闊，有很好的應(yīng)用與研究價值。