龙湖防渗墙工程砂塘回填加固施工技术

谢长福 金 昊 白耀坤

(中国水电基础局有限公司 郑州 415000)

1 工程概述

郑州市引黄灌区龙湖调蓄工程位于郑州市城区的东北部——郑东新区，具体位置是东风渠北、魏河南、郑州市森林公园以东、107国道辅道以西，西距市中心约6～8km，南距郑州新郑机场约26km，北距黄河9～10km。行政区划分属郑州市金水区的祭城镇、柳林镇和姚桥乡。

根据龙湖水系主池区的总体规划成果，龙湖主池区平面形态类似恐龙，其水域面积在正常水位85.50m高程时为5.7km2，其中主池区水域面积为5.6km2，主要是指龙湖水系在东风渠以北的水域，包括龙湖调蓄池主池、中心池和出口4条河道，新建出水闸4座。

本次一期工程施工的区域为龙湖调蓄池主池区，主要施工内容为池区的土方开挖、回填、防渗墙工程、护岸工程。包括池周防渗墙的开挖和混凝土浇筑、池区土方开挖等。

龙湖调蓄工程防渗墙轴线23.3km，其中砂塘占轴线962m，这些砂塘分布在防渗墙龙背防渗墙轴线和湖心岛龙背轴线处，其中龙背防渗墙轴线横穿五个大小不一的砂塘，湖心岛穿过大小不一的两个砂塘(如图1所示)。砂塘最大面积达 3.4hm2，最小面积为1.27hm2，水深平均在8～9m，其最深处水深达14m，必须将砂塘回填以形成满足防渗墙施工的平台。

图1 砂塘平面位置布置示意图(蓝色为防渗墙轴线，红色部分为砂塘)

2 砂塘回填

根据实地勘察，砂塘底部地层为砂层，其渗透系数1.0×10－2～7.0×10－3cm/s，地下水位为 3.0～4.0m，且砂塘的面积大、水面宽，水深最深达14m左右。最初的施工方案为将这些砂坑的水抽干，然后进行土方回填、分层碾压，然后进行防渗墙施工。但由于砂坑渗透系数大，地下水丰富，经业主、设计、监理同意，直接采用水上填筑，然后自然沉降3个月。具体为:采用自卸汽车进占法卸料，就近取料，土料主要为砂、壤土及部分淤质土组成，由于回填层大部分在水下，无法碾压，因此，松散的回填层对防渗墙施工将带来如下不利影响:

a.防渗墙轴线穿过回填的砂塘，若能将砂塘内的水抽干，对填筑的土方可以进行碾压形成防渗墙施工平台地基。但砂塘的深度如果超过地下水位，砂层的渗透系数较大，抽排砂塘内的水时，地下水又会补给砂塘内的水，因此砂塘内的水短时间内就不太可能被抽干。

b.在水中填筑土方，其填筑的土料经过水的浸泡后变得松软，其承载力达不到工程施工的要求，防渗墙抓斗在成槽过程中将会出现塌孔而导致设备塌陷，容易出现人机安全事故。

3 加固方案

3.1 方案的提出

回填的土料在自然情况下沉降3个月，基本能达到稳定状态，但是，由于征地和拆迁的影响，滞后的工期和后续的土方开挖以及整体工程的任务已经使工程不能再拖延下去。因此，结合防渗墙施工工期的要求，对回填后的砂塘进行加固处理，显得尤为重要。根据施工经验，加固此类地层主要有高压喷射灌浆、振冲碎石桩、深层搅拌桩3种施工方案。

3.2 方案的选择

回填的地层加固后，再进行防渗墙造孔作业，既要加固地层，又不能影响防渗墙造孔，而且加固工期很紧。

第一种方案:高压喷射灌浆。有旋喷、定喷、摆喷三种方式，在施工过程中，单孔单喷，施工功效较低;喷水泥浆而形成的直径不容易控制，容易影响防渗墙造孔，因此，这种方案不予考虑。

第二种方案:振冲碎石桩。郑州位于平原地区，距离碎石场较远，采购碎石成本较高，并且施工场地狭窄，不利于碎石的存放，因此，这种方案不适用。

第三种方案:单排联体深层搅拌桩。采用四头深搅机进行施工，形成的桩径容易控制，且施工功效较高，适用于本工程。

深搅法是利用水泥类浆液与土通过深层搅拌桩机叶片强制搅拌成桩，各幅钻孔搅拌桩搭接形成连成一体的墙体。深层搅拌法和其他造墙工法相比，深层搅拌法表现出如下特点:

a.适用范围广，适用于淤泥、淤泥质土、粉质黏土、粉土的软地基，目前在粉砂土地基中最大的施工深度可达25m。

b.成墙效果好，成墙速度快，特别是双头和多头搅拌桩机，加快了成墙速度。墙体厚度均匀连续，且不需要开槽，工艺简单，可避免成孔固壁问题。

c.搅拌桩机施工机具简单，移位灵活。深层搅拌机械均设有油压移位装置，机具可以灵活准确地移位，从而保证相邻桩体的搭接质量。

d.对周围的环境污染较少，在加固过程中对周围土体无振动、无噪音，对周围环境影响较小。

3.3 方案的实施

3.3.1 单排联体搅拌桩的布置

砂塘填筑完毕后，在防渗墙轴线两侧各60cm处进行2排单排联体深层搅拌桩(见图2、图3)。其直径为30cm，深度以深入砂塘底部50cm为准。

图2 深层搅拌桩平面布置图

图3 深层搅拌桩立面布置图(单位:mm)

3.3.2 机械设备

机具设备包括:4头深层搅拌机、起重机、水泥制配系统、导向设备及提升速度量测设备等。深层搅拌机及与之配套的起吊设备、固化剂制配系统技术性能要求见表1。

表1 深层搅拌法施工主要机械设备技术性能

3.3.3 材料及配比

本深搅的固化剂采用水泥，掺入量一般为加固土重的8% ～16%，每加固1m3土体，掺入水泥约120～160kg，本次搅拌水泥的加入量为12%;经现场取样测量与计算，回填土层水泥掺量为52.5 kg/m2。

如用水泥砂浆作固化剂，其配合比为1∶1～2。

为增强流动性，利于泵送，可掺入水泥重量0.2%～0.25%的木质素磺酸钙减水剂，但它有缓凝性，为此用硫酸钠(掺量为水泥用量的1%)和石膏(掺量为水泥用量的2%)与之复合使用，以促进速凝、早强。水灰比为1∶1。

3.3.4 施工方法及工艺流程

3.3.4.1 施工方法

a.施工准备:施工前对道路、风、水、电、施工平台、泥浆系统进行布置，对将要进行深层搅拌法施工的场地事先加以平整。彻底清除地上、地下和空中的一切障碍。

b.桩位放样:由现场技术员和测量技术员根据设计图纸和测量控制点放出桩位，桩位平面偏差不大于5cm。

c.搅拌桩机就位，桩身垂直度控制:为保证桩体垂直，首先根据现场施工条件将桩机支稳、底座垫平，桩机支稳后，采用水平尺检测，使得桩身垂直度达到1%以上。

d.预搅下沉:启动深层搅拌机电动机，根据土质情况按计算速率，放松卷扬机，使搅拌头自上而下切土拌和下沉，直到钻头下沉钻进至桩底标高。

e.注浆、搅拌、提升:深层搅拌机下沉至设计深度后，开动灰浆泵，待纯水泥浆到达搅拌头后，按计算要求的速度提升搅拌头，边注浆、边搅拌、边提升，使水泥浆和原地基土充分拌和，直提升到离地面50cm处或桩顶设计标高后再关闭灰浆泵。

f.重复搅拌下沉:搅拌机注浆提升至设计顶面标高时，关闭水泥灰浆泵，为使地层和浆液搅拌均匀，再次将搅拌机边搅拌边下沉至桩底设计标高。

g.重复搅拌提升:边搅拌边提升(不注浆)至离地面30cm处，回填水泥土并压实，即完成一根桩的成桩。

h.关闭搅拌机、移位:关闭搅拌机，移动搅拌机至下一个桩位。

3.3.4.2 工艺流程

施工工艺流程见图4。

3.3.5 主要施工参数

下沉速度为:0.5～0.8m/min;提升速度为:0.5m/min;

搅拌转速为:30～50rod/min;浆液流量为:50L/min。

3.4 方案的效果

单排联体深层搅拌桩总共完成8700m2，折合29000延米。加固完成之后，随即进行了防渗墙造孔作业，在回填层未出现塌孔漏浆现象。深搅法加固地层起到了明显的效果。

图4 搅拌桩施工流程图

3.5 质量检测

在施工过程中，对水泥进行了2组取样检测，检测结果满足质量要求。深搅结束后，对搅拌桩进行了抽样检测，共取样4组，在试验室进行了7天无侧限抗压强度检测，其平均抗压强度为0.57MPa。

4 结语

a.砂塘回填层的成功加固，直接关系到龙湖外围防渗墙的封闭，关系到龙湖内部基坑排水，关系到地下水面以下的土方开挖。砂塘回填层的成功加固将龙湖调蓄工程整个工期提前了3个月，其经济效益及社会效益显而易见。

b.为了加快工程进度，不受填筑材料的限制，将砂塘进行快速回填。回填无需排水及碾压，回填之后在防渗墙两侧进行单排联体深层搅拌桩加固处理回填区，加固结束后，再填筑50cm左后的砖渣予以硬化，形成满足抓斗行走及混凝土罐车浇筑的施工平台，以达到采用抓斗施工的目的，大大加快了施工效率。这种在砂塘回填或者松散地层采用的快速加固技术，在龙湖龙背部分防渗墙施工中得到了成功的应用，可供其他类似工程参考。