振动工艺施工防渗墙的新方法

王 林 熊丽娜 曾鹏九

（黄河设计公司地质勘探院 洛阳 471002）

振动工艺施工防渗墙的新方法

王 林 熊丽娜 曾鹏九

（黄河设计公司地质勘探院 洛阳 471002）

近年来，新出现的用振动工艺来修筑防渗墙的方法日渐增多，如振孔高压旋喷（简称振孔高喷）、振动切槽、振动沉模、振动沉板、振动切喷等，均取得了高质量、高效率的效果，降低了墙的工程造价，而且可以根据设计需要在同一墙内，施工不同厚度墙体。这些新方法在水利水电防渗墙的施工中得到越来越广泛的应用，有着广阔的发展前景。

防渗墙 振孔高喷 振动沉模 振动沉板 振动切槽 振动切喷

机械振动是一种频繁的、幅度不大的机械波动，是材料加工和工程施工中使用的一系列高效方法的基础。

在建筑工程中利用振动，可使被振动的材料获得新的性质。如振动将大大减弱材料颗粒之间与其插入物之间的摩擦力。在工程施工中经常利用这种效果，如振动沉拔桩机利用振动将预制桩轻松的振入土层；振动压路机可使各类回填土变得很密实；在混凝土工程中，使用振动棒使混凝土变得密实、不出现空洞等。

振动显示了其巨大的经济效果，可成倍十几倍地提高效率，减轻劳动强度。近年来，在水利水电防渗墙的施工中，利用振动的新方法新工艺得到了飞速发展，特别是修筑薄防渗墙，有一种在设计可能范围内替代厚防渗墙的趋势。使修筑造价大副下降，施工效率大幅提高，显示了振动方法的强大生命力。

1 振动方法施工墙的基本原理

1.1 振动的效能

桩打入土中，需要克服桩端不大的阻力和桩侧面与土体间相当大的摩擦阻力，后者会随着打入深度的增加而增大。如果用振动沉桩，振动传给桩时，就克服了土体与桩侧面之间的摩擦。如仅有桩顶端的阻力，在桩自重与振动锤自重之和的几分之一到十几分之一力的作用下，就能沉入土中。

1.2 振动参数

振动具有激动力，产生振幅，完成振动所要做的功。

振动分强迫振动与自由振动，任何物体自身都有自由振动。自由振动就是物体要保持自身平衡的一种力量。如果自由振动频率与强迫振动频率大致相同，便会引发共振，振幅变得很大。

振动沉拔桩机的强迫振动频率（fr），与各类土层的自由振动频率（f0）的比值为1~1.5时，就会形成共振，共振时土颗粒间的结合水析出，土层出现液化，颗粒间的粘聚力急剧降低，使桩表面与土体之间的摩擦力等于“0”，桩靠自重就能很快沉入。因此，振动沉拔桩机的振动频率应力求与土体的自由振动频率接近。有关部门已研究出部分土的自由振动频率，选用转速1450r/min的耐振电机，一般都能接近土体的共振频率。

振动产生的振幅可以克服桩侧面的摩擦力和粘聚力，其大小由振动频率和桩的类型、土体的性质而定，一般在2～20mm范围内变化。

振动也带来了一些不利，它会使紧固件松脱、机器构件强度降低。因此在非振动机械中，要尽量设法减振。而振动成墙工艺则充分利用了振动的有利一面。

2 振孔高喷防渗墙

振孔高喷是在普通高压旋喷的基础上发展起来的一种新工艺。普通旋喷由钻机成孔，护好孔壁后，再由旋喷机重新安装定位，下喷浆管进行喷射灌浆。成孔与喷灌为各自独立的工艺（当然也可由同一台钻机、两套管路系统来进行，但工艺仍各自独立）。

振孔高喷将成孔与喷射灌浆有机地联系在一起，振动钻杆即是旋喷浆管，振孔方法是采用顶驱式振动器与液压动力头以振动回转的工艺成孔，成孔到设计深度以后，振动器即停止运转，振管即转换为喷浆管，提升振管而形成旋喷灌浆（见图1、图2）。

图1 振孔高喷施工原理

图2 振孔高喷振动锤施工

振动钻杆下部安有特殊的球齿合金钻头，振动成孔时管壁摩擦力非常小，只有孔底存在阻力，遇有卵石或大块石，可发挥球齿合金钻头的作用，用激振力的冲击功将卵石击碎而穿透，无需泥浆护壁或者是跟进套管。

振动成孔到达设计深度后，通过一种装置，可将底孔堵塞，让冲洗液的浆液从侧向的喷嘴喷出（此曾为日本专利，而我国自主研发成功）。然后停止振动，提高泵压与泵量，旋转提升，即构成旋喷（也可构成定喷或摆喷）。

振孔高喷的施工参数比普通旋喷高出很多，空气压力由普通高喷的0.7MPa提高到1MPa，空气量由普通高喷的1m3/min提高到2~3m3/min。浆液喷射压力由普通高喷的20MPa提高到35MPa。水泥浆作为能量载体直接喷向土层，保证了射流能量所作用到的范围内，水泥成分扩散均匀。三峡三期围堰防渗墙与电源电站防渗墙采用此方法施工，单排墙，孔距0.6m，墙厚达1.2m，后将孔距改为0.8m。各项指标完全达到设计要求。在工期紧迫的情况下，提前完成了施工任务。

振孔高喷新二管法施工的特点是成孔效率高、钻灌一体化、大浆压、大浆量、大风压、大风量、不分序、孔距密、快速提、质量高、效率高。三峡业主对这种工艺给与了很高的评价。“该技术在三峡三期临时下游土石围堰防渗墙施工中，以优质高效的突出优势，首次在大型水利工程中获得成功应用。”

振孔高喷已于20世纪90年代获得国家科技进步二等奖，并列为国家“八五”科技成果重点推广项目。

工程实例有长江三峡三期围堰防渗墙、长江三峡电源电站围堰防渗墙等。

3 振动切槽防渗墙

振动方法可以成孔，同样可以将一矩形切刀，振动切入土层，此工艺可将防渗墙修筑得很薄，获得较好的经济效益。

切刀通过振管连接顶驱振动器，通过振动将切刀沉入土层（没有回转），将松散颗粒挤向两侧，形成槽段（见图3），达到设计深度后，即可提升切刀。在切刀沉入与提升过程中，均向槽内灌注浆液，待切刀提出槽口，即修筑了一小段灌满浆液的防渗墙。若干个相连小槽段的墙，即形成地下连续防渗墙。没有护壁工艺，如果遇到膨润性土层，槽段产生缩径，则可在切刀上部安装数把刮刀，多次提升刮削土层，排出槽外，整个槽段就可连续。

图3 振动切槽防渗墙施工原理

振动切槽虽与振动沉模有某些相似之处，但仍有很大的区别，振动切槽是将一矩形切刀（高不过0.5m，宽约1m）振动切入土中（见图4），由于切刀与土层接触面积小，摩擦阻力小，提升注浆时不需振动，因而较振动沉模可节约50%以上的能源。

图4 振动切槽施工

这种工艺具有构思很新颖、工序简单、成墙质量好、效率高、成本低、对环境无污染等诸多优点，开创了建造地下薄防渗墙的新途径。

该技术只适用于标贯N≤18的土层（63.5kg）。如砂土、壤土、淤泥、砂壤土、粉质粘土、砂层和含少量砾石的松散地层。

振动切槽工艺造墙深度一般在25m以内，厚度以为8～20cm，可以说是最薄的防渗墙修筑工艺之一，可广泛用于堤防防渗墙或水力坡比不大的临时围堰防渗墙等。

2000年4月由国内著名专家学者鉴定时，该工艺创始研究不到10年，就已经完成了约20万m2的工作量，均获得了所有业主的好评。以马云良为主任委员，陈文斌、蒋振中为副主任委员的鉴定委员会一致认为；“该项技术工艺成熟，技术含量高，设备较为完善，适用于我国国情。”“该项工艺及设备为国内首创，达到国际先进水平”（鉴定书摘录）。给与了很高的评价。

该工艺技术在2000年8月获得第九届中国专利新技术新产品博览会特别金奖。工程实例如下：

a.湖北黄岗的黄州堤段和安徽同马大堤的皖河北场等堤段防渗墙。

b.1999年1~5月江西省九江市长江于堤梁公堤采用振动切槽工艺施工，经历了1999年长江特大洪水考验，被评为优质工程。

c.1999年江西省九江市济益公堤防渗墙采用振动切槽工艺施工，质量优良。

d.2000年4~6月哈尔滨市城防堤防渗墙采用振动切槽工艺施工，总工程量20000m2，经开挖检查和墙体取样测定，各项指标均满足设计要求，被评为优质工程。

4 振动沉模防渗墙

利用振动将一种矩形空心模板沉入土层，强力振动下沉到设计深度后，浆液可通过空心模板向槽底注浆。一边注浆，一边振动提升模板。浆液从模板底端注入槽内，迅速填满模板上拔而腾出的空间，从而浇筑墙体，成槽与浇注有机地联系在一起，无须护壁。

国外开发振动沉模比较早，如德国的宝峨公司（BAUE）于20世纪70年代在多瑙河河道整治及来茵河堤防防渗处理中应用，共累计建成200万m2超薄防渗墙，是一项成熟的防渗技术。法国的威宝公司（PIC）也较早地开发应用了振动沉模技术。

宝峨公司与威宝公司的振动沉模技术都采用大功率的液压振动锤，功率300～600kW，整机耗能在900kW以上，成墙工效可达56m2/h。机械化程度很高，并可由电脑进行操作。成墙厚度一般为10～30cm，成墙深度在20m。

国内已有中国华水水电开发总公司山东公司研制成功振动沉模防渗墙设备，施工防渗墙达7万多m2，最大成墙深度17m，成墙厚度15～30cm。长江水利委员会也成功研发了此类设备，在“九五”期间已被国家列为科技成果重点推广项目，并获得国家5项专利。国内外振动沉模机的主要性能差异见下页表。

该技术主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥质土及砂砾石地层，对有卵石含量的地层沉入困难。

4.1 振动沉模工艺

振动沉模有两种工艺，一种是双模板法（见图5），一是单模板法（见图6）。双模板有公母制约槽口，保证墙体不会开叉，有完整的连续性。单模板法是靠引入导向板，可靠性比双模板法差，但工艺简单，效率要比双模板高，多用于施工深度在10m以内的防渗墙。

国内外振动沉模成墙机性能表

图5 振动沉模双模板成墙原理

图6 振沉单模板成墙原理

工程实例如下：

a.长江水利委员会于1990年引进德国宝峨公司振动沉模防渗墙技术，1999年4月～2000年8月在监利县长江土干堤南河口三支角段共施工防渗墙3.9km，均取得了成功。

b.山东莱州市王河地下水库为防止海水入侵拦截上游地下潜流，地表以下15m采用振动沉模防渗墙，振动成模成墙效率为100～200m2/台班，工程造价150元/m2左右，在壤土与细砂中施工工速度很快，成墙质量好，第一期工程提前了1个月，总工程费用节省1000万元以上。

c.交通部第二航务工程局在洪湖套口防渗墙施工中采用振动沉模单模板工艺，墙深18m，墙厚20cm，墙长800m。成墙28天后渗透系数K<10-7cm/s，抗压强度大于6.0MPa，效率200m2/台班以上。

4.2 振动沉板防渗墙

振动沉板工艺方法基本与振动沉模相似，所不同的是振动沉板的模板不是空心的，而是由型钢做成的，在型钢上焊有浆管、水管，在振动沉入有困难时，可在底部进行水力喷射。在沉板到达设计深度后，由输浆管注入浆液，振动起拔。进行第二个插板墙段时，型钢的头部重叠已成墙的尾部，来保持墙体的连续性，腹板为墙的最薄部分，可到7cm。

插板用型钢多采用“H”字与“工”字型。规格多采用高30～80cm、翼板宽15～40cm的“工”字钢做主板，底端加焊钢板，在翼板与腹板的交角焊两根灌浆管。为防止板沉入时泥土堵塞管口，在管口上可堵以木塞或铆钉，当插板上拔灌浆时，塞子便可以自行脱落。

5 振动切喷防渗墙

振动切喷是振动切槽派生出来的一种工艺，最适宜修筑薄防渗墙，可薄到8cm。它是在振动切槽的基础上，将喷嘴安装在切刀下部，在振动切槽的同时，进行定喷（见图7），能有效地提高振动切槽效率，大幅度提高切刀提升速度，成墙效率的提高幅度很大。

图7 振动切喷防渗墙施工原理

振动切喷是在切刀下部约40cm处，安装有相对180°两个喷嘴，与切刀在同一轴线上，不回转。切刀在振动切入的同时，喷嘴进行定喷。可形成以下功能：

a.超前切割土体。由于喷嘴超前切刀，所以切刀未切入之前，喷嘴先进行由空气包裹的浆液高压喷射，对土体进行切割破坏，使土体变得松散，切刀很容易沉入。尤其是对密实土层、砂层等，能显著提高切刀沉入效率。

b.提升切刀定喷灌注。喷嘴到达设计深度后，切刀下有40cm没有切到，但由于有定喷对土体切割，浆液搅拌就可以成墙。切刀提升腾出空间时，定喷就会向槽内灌满水泥浆。等于是两种成墙工艺同时进行作业，使墙的连续性可靠。

c.槽内定喷质量稳定。定喷的影响半径比切刀大，定喷浆压达35MPa，其影响半可以超过1个切刀段，使单个切刀槽孔能有效地连接起来，保证墙体的连续性、防渗性。

工程实例如下：

重庆市北碚区草街航电枢纽工程，在嘉陵江右侧修建临时围堰，其防渗墙的修筑采用了三种工艺：振孔高喷、振动切喷、可控灌浆。各自发挥优势，取长补短，20天完成1万m2的防渗工程。经过11天的试抽和补充性防渗工作，同时约15万m2基坑内近30万m3的坑内积水全部抽干，围堰总渗透量降至1000m3/h以下。实现了大型水电工程围堰防渗墙施工少见的高速度。

6 振动施工防渗墙的优缺点

6.1 优点

a.各种振动施工方法均可共用同一高架桅杆与振动锤，只需更换成槽工具，切断或是连接回转动力头，就可以形成各种不同的成墙振动工艺，灵活方便，增加了设备应用的广泛性与灵活性。

b.用振动方法成孔或成槽，效率极高，经济效益好。

c.振动方法成墙，除振孔高喷在旋喷过程中有搅拌和置换外，其他方法均用充填灌注成墙。所有的方法均不用泥浆护壁，降底了成本。没有了泥浆的污染。

d.振动工艺成墙连续可靠，混凝土等成墙材料在槽内经过多次振动，使墙体密实而无空洞，墙的连续性好,墙的防渗性能与固结强度得到保证。

6.2 缺点

a.桅杆架的高度为防渗墙的设计深度，所以桅杆架很高，在成槽机位移时，4t多重的振动锤悬挂在顶部，安全性显得非常重要。

b.目前，国内均使用电动振动锤，这种振动锤在启动与停车时，由于振动频率的由高而低、由低而高的变化，引起与成槽机短时间的共振，造成很大的振幅与噪声。工业发达国家已有一种可调式液压振动锤，可避免这个缺点。当前，我国也已研制成功可调式液压振动锤，并已批量生产。

7 结语

根据防渗墙的不同设计与不同的地层，采用振动方法施工一般均可收到很好的效果。或者可以利用振动成孔的高速，与其他一些有优势的施工方法相结合，来构成整个工程的施工方案，能收到较好的经济效益。振动高桅杆一机多用，适用性广，非常适合我国国情，应用前景广阔，有很好的应用与研究价值。