砂砾层地基深层水泥土搅拌桩防渗墙施工技术及应用

黄泽均 熊志平

(湖北盛达泰水利水电工程有限公司，湖北 武汉 430060)

以水泥浆为主要固化剂的深层搅拌技术在水利行业已被广泛应用于堤坝及其基础的防渗加固和水闸、泵站的基础加固，累积了大量的施工经验。

对于堤坝的深层搅拌防渗加固，早期常采用多头桩机和“二喷三搅”的工艺进行施工。其优点是一机多头同时成桩，施工效率较高；缺点是设备占用施工场地面积大、用电负荷大；对砂砾层复杂地基克服地层阻力能力差。针对多头桩机无法穿透砂砾地层的缺点，采用单头桩机和 “二喷二搅”的工艺，应用于地基夹砂砾层的深层搅拌防渗加固施工，既能保证水泥土搅拌桩防渗墙的施工质量，又能提高施工效率，且可广泛适用于施工场地相对狭小的堤顶、涵闸基坑等部位的深层搅拌防渗加固。

1 工程概况

湖北省汉江堤防加固重点工程(府澴河段)第三标段位于湖北省孝感市孝南区，工程对澴河右堤桩号13+984～20+938共计6954m长的堤段进行加固。澴河右堤堤身和堤基岩土层主要包括填土、壤土、黏土、砂壤土、砂、砂砾，设计采用深层水泥土搅拌桩防渗墙对堤身和堤基进行防渗加固。2018年4月13日—7月16日，该标段工程的堤身结合堤基深层水泥土搅拌桩防渗墙施工，共完成深层水泥土搅拌桩防渗墙76362m2。防渗墙设计深度15m，施工堤段总长度5090.8m，其中防渗加固深度范围内地层含砂砾层的堤段长度约200m，砂砾夹层厚2.5～3m。设计指标为墙体抗压强度不小于1.0MPa，渗透系数K≤5×10-6cm/s，渗透比降J>50。

2 技术原理

砂砾层地基深层水泥土搅拌桩防渗墙采用单头大扭矩深层水泥土搅拌桩机，配双层十字旋转式叶片搅拌钻头(叶片喷浆方式)，采用二喷二搅(钻进喷浆搅拌、提升喷浆搅拌)的方式一次成桩连续搭接成墙。

桩机施工阶段，先按预先确定的钻进速度、搅拌速度、输浆量等施工参数钻进，在进入砂砾层时，降低钻进(提升)及搅拌速度，输浆流量不变，当钻头穿透砂砾层后，后续钻进和提升搅拌作业恢复原定的施工参数，通过电脑自动记录仪记录输浆量和深度，确保桩体的水泥掺入量和有效桩深满足设计要求。

3 流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

图1 砂砾层堤基深层水泥土搅拌桩防渗墙施工工艺流程

3.2 软土层和砂砾层施工参数

施工参数见表1。

表1 桩机在软土层和砂砾层施工参数

3.3 水泥浆液控制参数

控制参数见表2。

表2 搅拌桩水泥浆液控制参数

3.4 软土层和砂砾层的水泥掺入量

原状土见证取样送实验室检测，软土层砂土的自然容重为1970kg/m3，砂砾层自然容重为1820kg/m3。软土层和砂砾层的水泥掺入量对比见表3。

表3 软土层和砂砾层的水泥掺入量对比

3.5 操作要点

3.5.1 施工准备

a.排查地下管线并妥善处理，清理地面障碍物，平整施工场地，沿防渗墙轴线开挖0.5m宽、0.6m深的导向沟。

b.施工作业面高程测量，根据防渗墙深度匹配合适长度的钻杆。桩机的钻杆和机架组装前，应量测校核钻杆长度。

c.修筑制浆供浆设备平台。制浆供浆设备与桩机的距离控制在100m左右，随桩机作业每200m移动一次平台。

d.浆液制备：严格控制浆液水灰比，水泥浆材料配制误差应控制在1%以内，采用比重计随时抽查、检测。搅拌机制浆液的时间不少于60s，制备好的浆液应在3h内用完。

e.桩机定位调平。桩位偏差不大于20mm，控制钻杆垂直度偏差不大于0.5%。钻杆垂直度偏差的控制采用在钻杆导向架的正面和侧面中心安置垂球配合钢直尺，以控制锤球线的摆动范围，达到控制钻杆的垂直度偏差的目的。考虑到自然风对垂球的影响，桩机水平上底架的纵横方向应配备水平尺进行辅助调平。

3.5.2 喷浆钻进搅拌

a.钻头钻进前，应先启动注浆泵供浆，直至钻头叶片上的喷浆口连续出浆。在桩机钻进和提升的整个施工过程中应保证连续供浆。采用调速器调整注浆泵电机的转速，以调整注浆压力和输浆流量。施工前应通过试验确定注浆泵电机的转速与注浆压力和输浆流量的关系。

b.每个桩位开始钻进时，采用低钻进速度、低搅拌转速操作，以减小桩机的振动和摇晃。一般钻进土层深度达到1.5～2m后，可按预定的钻进及搅拌转速进行操作。

c.当钻进至砂砾层时，桩机钻进和搅拌负荷增大，桩机操作台的电流表显示电流增加，此时记录砂砾层顶面深度，并将钻进速度和搅拌速度调减至预定砂砾层中相应钻进搅拌参数。

d.当钻头穿越砂砾层后，记录砂砾层底面深度，并将钻进速度和搅拌速度恢复至预定的速度，继续钻进至预定的钻进深度(设计深度超深0.3m)。

3.5.3 喷浆提升搅拌

a.施工时，因钻进深度比设计深度超深0.3m，故钻进达到预定的钻进深度后，即可反向调整主机转动方向，控制参数，边喷浆边搅拌提升。

b.根据钻进时记录的砂砾层底面和顶面深度，在砂砾层中提升喷浆搅拌作业时保持输浆流量不变，提升和搅拌速度调减至预定砂砾层中相应提升搅拌参数。当钻头提升至砂砾层顶面后，恢复预定的软土层中提升速度、搅拌速度和输浆流量连续作业，直至提出地面，完成单桩施工。

3.5.4 停机移机位及钻头检查

a.上一根桩施工完成后，收起液压支腿，利用纵移油缸推动桩机上底架前移，移位距离由上底架的移位指针和下底架的移位标记控制，每次移机位400mm，同时根据设置的防渗墙的轴线平行线控制前移方向，移位偏差控制在20mm以内。检查无误后调平桩机。

b.因在砂砾层中成桩对钻头的磨损量将会增加，故每根桩施工完成钻头提出地面后，应目测检查钻头的叶片是否完好，每班次量测一次钻头直径(直径不应小于500mm)，并根据磨损量提前更换钻头。

c.一般桩机移位、调平、钻头检查的工作在不更换钻头的情况下，1min内可完成，整个过程可不需暂停供浆。如需更换钻头，则应暂停供浆。

d.水泥土搅拌桩防渗墙桩距见图2。

图2 水泥土搅拌桩防渗墙桩距示意图

3.5.5 进入下一根桩施工

桩机移位、调平、钻头检查完成后，即可按上述3.5.2、3.5.3、3.5.4的工作步骤，连续搭接作业，完成后续桩的施工，直至完成设计堤段范围内的搅拌桩，形成防渗墙。

3.6 特殊情况处理

3.6.1 施工中设备需要短时间检修

先预留榫头(注水空钻)，检修完后继续沿榫头施工即可。

3.6.2 施工钻进过程中发生喷浆中断

将钻头上提至停浆点以上0.5m，待恢复供浆时再施喷钻进。施工提升过程中若发生喷浆中断，将钻头下沉至停浆点以下0.5m，待恢复供浆时再施喷提升。

3.6.3 因故中断施工时间过长造成断桩

在防渗墙轴线一侧346mm处平行于防渗墙轴线上补桩3根，补桩在断桩和先序桩搭接处切割搭接，再返回防渗墙轴线桩位继续施工后续桩。

3.6.4 计划性停工未造成断桩

先预留榫头(注水空钻)，恢复施工后在防渗墙轴线两侧346mm处平行于防渗墙轴线上先序桩和后续桩的搭接处各补桩1根，或者在防渗墙轴线一侧346mm处平行于防渗墙轴线上补桩2根，再返回防渗墙轴线桩位继续施工后续桩。

3.6.5 遇坚硬物的处理

遇到块石、地下构筑物或掉钻头等情况，桩机无法在原桩位钻进时，可采用绕开的方法处理。

4 材料与设备

4.1 主要原材料

固化剂采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，且可根据工程需要和土质条件，选用具有早强、减水作用的外加剂。

4.2 施工设备、装置

施工采用ZGZ-A型单头桩机，配套电子记录仪、电磁流量计、深度计、水平尺、垂球、钢尺等装置和工具进行浆量、垂直度、深度控制，配备双层十字叶片搅拌钻头、搅浆机、储浆桶、注浆泵、潜水泵、挖掘机、柴油发电机等辅助设备。

5 质量控制

5.1 施工过程质量控制要素

深层水泥土搅拌桩防渗墙施工主要以浆液比重、搅拌叶片直径、桩顶标高、钻进深度、钻杆垂直度、移机位、钻进速度、提升速度、搅拌速度、输浆量等为主控要素，在施工过程中由作业班组长、施工员、质检员分别对上述要素进行检查、量测；通过施工过程的三检，达到控制桩体的水泥掺入比(掺入量)、搅拌均匀性、桩深、桩间搭接、桩的垂直度、成墙厚度等参数满足要求，进而确保墙体的深度、抗压强度、渗透系数、允许破坏比降等指标满足设计要求。

5.2 施工质量控制措施

a.严格执行“三检制”。施工前对全员进行技术交底。

b.水泥应新鲜无结块，储存期超过3个月的不得使用。

c.严格按照经监理工程师批准的水灰比拌制水泥浆液，经常检测水泥浆液的比重，确保搅拌桩的水泥掺量满足设计要求。施工过程中时刻关注浆液输送情况，避免出现断桩现象。

d.施工过程中密切注意桩机的垂直度和桩位偏差，出现偏差及时调整。

e.施工过程中严格控制钻进速度、提升速度、搅拌速度等参数。在钻进至砂砾层和穿透砂砾层时，按要求调整钻进速度、提升速度、搅拌速度。

f.搅拌深度和输浆量采用电子记录仪自动记录；电子记录仪、电磁流量计等装置在开工前送计量认证单位进行率定；桩机配备电子记录仪打印机。

g.搅拌叶片直径在每根桩施工完成后目测检查一次，每班次测量一次钻头直径，及时更换钻头。

h.确保桩机正常运行，出现故障时及时修复。

i.施工操作人员交接班时要严格履行交接手续，避免出现漏桩现象。

6 安全及环保措施

6.1 安全措施

贯彻执行国家及地方相关安全生产法规，建立并落实安全生产责任制，坚持“安全第一、预防为主”。施工现场安全措施从人、机、环等方面，制定安全措施方案，排查消除隐患，配置安全员和操作员，配备防护用品和设施，定期排查消除安全隐患，避免各类安全事故的发生。

6.2 环保措施

遵守国家和地方的环保法律法规，加强环保施工管理，尽量减少噪声、废气、废水及粉尘等污染，及时收集废水、废浆、废油等废弃污染物，防止污染水源和土壤。

7 结 果

堤防加固的重点是堤身、堤基的防渗处理，由于不同的地质条件、地形条件、作业场地条件、防渗加固深度等的差异，防渗处理的型式呈多样化，主要有深层水泥土搅拌桩防渗墙、混凝土(塑性混凝土)防渗墙、高压喷射灌浆防渗墙等。对于防渗加固深18m以内的均质土堤坝，深层水泥土搅拌桩防渗墙无疑是较经济有效的方式。经测算，深层水泥土搅拌桩防渗墙的造价仅为塑性混凝土防渗墙的34.3%左右，工效相当；深层水泥土搅拌桩防渗墙的造价仅为高压喷射灌浆防渗墙的10.6%左右，工效大约是高压喷射灌浆防渗墙的3～4倍。

砂砾层地基深层水泥土搅拌桩防渗墙施工技术在湖北省汉江堤防加固重点工程(府澴河段)第三标段应用后，克服了砂砾层地基成桩钻进和搅拌困难的问题，避免了原设计方案的变更，顺利完成了防渗墙的施工。

该工程深层水泥土搅拌桩防渗墙成墙28天后，采取钻孔取芯和注水试验进行墙体的实体质量检测，检查孔孔深14m，共钻孔检测18组，检测结果如下：芯样抗压强度1.2～2.0MPa、渗透系数2.5×10-7～7.5×10-7cm/s、渗透比降均大于50，检测结果表明墙体实体质量满足设计要求。工程经历了2020年7月澴河超警戒水位洪水的考验，堤身无渗漏现象，防渗墙防渗效果良好。

工程采用该施工技术虽然桩机在砂砾层成桩钻进过程中降低了钻进和提升速度，但是按砂砾层平均厚度2.5m计算，单桩施工时间仅增加约5～6min，施工时间增加18%左右，单桩水泥掺量增加9%，但相对于变更为高压喷射防渗墙或塑性混凝土防渗墙的施工方式，仍大大节约了工程造价，加快了施工进度，防渗效果显著，取得了显著的社会、经济效益。

8 结 语

单头桩机施工具有设备轻便灵活、占用施工场地面积小、操作简便、施工效率高、节能环保效益显著等特点。相对于素填土、黏性土、粉土、砂土等软土层，砂砾层在自然条件下由于相邻土层的挤压密实作用，在单头桩机钻进和搅拌过程中，难以对砂砾层进行钻进切割搅拌。在桩机搅拌钻头进入砂砾层后，降低搅拌速度和钻进(提升)速度，在输浆量不变的情况下，达到增加砂砾层的水泥掺量从而填补砂砾层空隙的目的。

该施工技术适用于加固地层以软土层为主，但地层中夹砂砾层，且砂砾夹层中含砾石直径小于50mm、砂砾夹层中20～50mm的砂砾含量不大于60%、加固地层范围内施工期地下水水头不大于3m的深层水泥土搅拌桩施工，尤其适用于加固深度18m以内(且砂砾夹层厚度小于3m)的堤坝的悬挂式防渗墙施工。