砂卵石地层超深防渗墙工艺试验研究

仇正中，孙晓伟，徐彬彬

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040）

0 引言

襄阳市东西轴线沉管隧道项目采用“双轴线”干坞法进行管节预制，其东汊干坞支护结构采用“落底式止水帷幕+放坡开挖”方案。干坞面积大，基础透水性强，防渗墙墙体材料的选择是施工的一个难点。防渗墙墙体材料主要有柔性防渗墙和非柔性防渗墙两类，柔性防渗墙优点：1）具有与土体相似的应力应变关系和破坏形式，能很好地适应土体的变形；2）和易性、稳定性均好于普通混凝土；3）具有良好的抗渗性、抗震性和耐久性；4）施工简便、成本低、工效高、工期短。柔性止水材料越来越多的被运用到防渗墙之中。最常用的2种柔性防渗墙材料为自凝灰浆[1]与塑性混凝土[2-3]。

施工区域表层以强透水砂卵石地层为主，黏土隔水层深约70 m，止水帷幕需穿越多个土层及多层地下水。在砂卵石地质条件下，防渗墙具有槽壁不稳定，易塌孔；成槽深度大，垂直度难以保证；超深防渗墙墙体质量难以保证等特点，施工安全问题也会随之出现。因此有必要在施工前进行防渗墙工艺试验，确定防渗墙墙体材料及施工工艺。

1 试验概况

1.1 地质概况

襄阳市东西轴线沉管隧道项目东汊干坞里程号自K12+563—K13+333，总长770 m，深12 m，坞底宽64.2 m，坞顶宽158.2 m，总开挖量87万m3。采用“落底式隔水帷幕+放坡开挖”方案，边坡坡率为1∶3，止水帷幕厚度为1.0 m，底部伸入黏土层不小于5 m。坞口处采用“锁口钢管桩+防渗墙”方案，岸堤防护及污水处理厂处采用格形地连墙。

止水地连墙工艺试验位置位于地质详勘SDGK13孔位桩号隧道轴线附近，里程桩号为K12+900，地质纵剖面如图1所示。落底式止水帷幕地连墙深度70～79 m，需穿越粉砂层、卵石层、圆砾层等易塌孔地层。

图1 东汊干坞工艺试验槽段处地质柱状图Fig.1 Geological histogram on the process test slot section of the east branch dry dock

1.2 试验基本情况

试验共成槽5段，每槽段长度2.8 m，咬合0.4 m，总长12.4 m，成槽顺序1-3-5-2-4。其中1号、3号、5号槽墙体材料采用自凝灰浆，2号采用塑性混凝土，4号原计划采用塑性混凝土，由于塌孔未能成槽，试验槽布置见图2。施工区域地表粉砂层厚约10 m，粉砂层黏结性差，考虑采用水泥搅拌桩进行槽壁加固，试验工况如表1所示[4]。

图2 试验槽布置Fig.2 Test slot arrangement

表1 试验工况Table 1 Test conditions

2 原材料及配合比

2.1 原材料

P.O42.5水泥，初凝时间185 min，终凝245 min，比表面积342 m2/kg，烧失量为4.28%，二级粉煤灰，膨胀率为300%～500%的钠基膨润土。纯碱主要成分为Na2CO3。外加剂为超缓凝聚羧酸系专用高效外加剂，具有抗泥、抗水下离析、减水及缓凝等功效。水采用襄阳地下水，检测符合要求。

2.2 配合比

2.2.1 自凝灰浆配合比设计

国内外自凝灰浆配合比差异性较大，对于原材料类型的选用、各材料的掺和比例千差万别且大多停留在试验室测试阶段。根据试探性试验，提出配合比正交设计，用水量1 000 kg。

自凝灰浆配合比正交试验与试验结果如表2所示。

表2 自凝灰浆配合比正交试验与试验结果Table 2 Orthogonal test and results of mix proportion of self-setting mortar

根据设计要求，自凝灰浆需满足7 d抗压强度≤1 MPa、28 d抗压强度≤2 MPa、渗透系数≤i×10-6cm/s（i为1～10之间的常数），初凝时间≥48 h且终凝时间≤75 h等要求，选取6号配合比进行现场试验[5]。

2.2.2 塑性混凝土配合比设计

通过塑性混凝土综合性能优化设计结果，结合混凝土性能设计指标要求，最终确定3组塑性混凝土配合比，塑性混凝土配合比与试验结果如表3所示。

表3 塑性混凝土配合比与试验结果Table 3 Mix proportion and results of plastic concrete

根据SL 174—2014《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》[6]，塑性混凝土抗压强度1～5 MPa，渗透系数≤i×10-6cm/s，密度≥1.8 g/cm3。经过多次的配合比比对试验及综合性能验证，止水地连墙塑性混凝土1号配合比渗透系数较大，抗渗保证率偏低；3号配合比强度较小，且外加剂掺量较高，经济性不理想；2号配合比所有性能满足塑性混凝土设计性能指标要求，故选用2号配合比作为理论配合比指导现场施工[7-8]。

3 结果

3.1 水泥搅拌桩

试验槽采用液压抓斗成槽，机械重力会对导墙沉降产生影响，监测各槽导墙沉降量见图3。

图3 试验槽导墙累计沉降量Fig.3 Cumulative settlement of guide wall in test slot

试验槽4号未采用水泥搅拌桩进行槽壁加固，距离试验槽1.5 m处发生塌孔，孔径约0.5 m，孔深达1.9 m，底部向导墙方向延伸，位置见图2。粉砂层地质成槽时，导墙下部应进行水泥搅拌桩槽壁加固。由图3可知，试验槽2号、3号槽导墙加固深度为11 m，穿透地表粉砂层，监测11 d累计沉降量约为5 mm；试验槽1号、5号槽导墙加固深度为3 m，未穿透粉砂层，监测11 d累计沉降量约为11 mm，远大于试验槽2号、3号。故止水地连墙成槽时，导墙下部需采用水泥搅拌桩加固，且加固深度应穿透地表粉砂层。

3.2 导墙

试验槽导墙根据设计建议呈倒“L”形，采用C35钢筋混凝土结构，墙深1.9 m，宽1.5 m，厚0.2 m，两侧导墙间距1.24 m，墙顶高程和施工平台齐平，顶板钢筋和施工平台钢筋进行连接。

导墙处布置6个监测点，位置如图2所示。试验槽成槽10 d后进行监测，1号～6号点往机械方向分别偏移2.3 cm、2.2 cm、4.3 cm、0.2 cm、2.8 cm及0.7 cm，导墙偏移较大。其原因：1）由于导墙顶部为松散粉砂土，土质差，且施工过程无法压实，倒“L”导墙结构不能自稳，移位较大；2）抓斗进入导墙口时，对浆液形成强力扰动，槽内浆液冲刷作用下，可能导致导墙底部脱空，形成偏移。

根据试验情况，将导墙结构形式由倒“L”更改为正“L”，每个槽段施工前采用C12槽钢及钢板焊接成矩形卡槽，进行支撑加固。正“L”导墙本身可以自稳，同时采用正“L”导墙，导墙处松散粉砂土易压实，辅助矩形卡槽，可以确保导墙稳定。该导墙结构在东汊干坞防渗墙得到应用，取得良好效果。

3.3 成槽

试验槽采用抓斗单抓成槽法，在抓斗挖掘同时向槽孔内注入填充材料原浆，槽孔内的浆液面高度保持在孔口以下10～50 cm范围以内，保持水头高度，防止孔壁坍塌，槽孔到达20 m左右，对槽壁进行检测，根据检测数据，纠正槽孔垂直度；到达终孔深度后，进行孔斜、孔深的检查和验收工作。每槽段开挖结束后，检查槽位、槽深、槽宽及槽壁垂直度，进行超声波垂直度检测，槽段垂直度允许偏差0.3%，槽段宽度偏差﹤50 mm。

经超声波监测，试验槽1号、2号、3号、5号槽壁垂直度最大偏差为0.19%，满足设计要求。槽壁设计宽度为1.2 m，波形分析槽壁宽度均达到1.5 m以上，扩孔超过30 cm，平均扩孔系数约1.2～1.3，自凝灰浆及塑性混凝土用量为设计值的1.7～1.8倍。

3.4 防渗性能

在试验槽段施工龄期满足设计及规范要求后，在试验槽段2、3不同深度处进行了钻芯取样分析，并进行了降水渗透性试验检测，取样材料见图4，防渗性能见表4。

图4 试验槽钻芯取样Fig.4 Core sampling in test slot

表4 墙体材料防渗性能Table 4 Impermeability of cut-off wall material

试验槽3芯样分析，虽然自凝灰浆墙体材料渗透系数能够满足设计要求，但是自凝灰浆成槽存在墙体材料分布不均的情况，芯样完整性较差，且难以连续，还有部分材料未完全凝结，处于半塑性状态。主要原因有：1）成槽深度过深，成槽周期较长，施工过程中填充材料凝结时间较难控制，槽段坍塌风险较大；2）自凝灰浆材料自身的特性决定了其强度较低，难以满足实际施工强度要求；3）地质结构复杂，抓斗成槽施工过程中，对相邻槽体扰动大，对墙体材料指标要求较高；4）试验室结果与试验槽3施工情况存在较大差异，尤其是凝结时间一致性较差，膨润土浆及自凝灰浆制备中技术指标难以控制。

试验槽2芯样分析，墙体材料于各深度处均匀良好，芯样完整且连续，各项检测指标均满足设计及施工要求。东汊干坞超深防渗墙选用塑性混凝土作为墙体材料。

4 结语

1）砂卵石地层防渗墙施工时，导墙下部需采用水泥搅拌桩进行加固，且加固深度应穿透地表粉砂层。

2）为便于导墙自稳及砂土压实，砂卵石地层防渗墙应采用正“L”结构形式，并辅助矩形卡槽，确保导墙稳定。

3）采用抓斗单抓成槽法能满足槽壁垂直度的要求；砂卵石地层成槽，平均扩孔系数约1.2～1.3，墙体材料实际用量约为设计值的1.7～1.8倍。

4）自凝灰浆和塑性混凝土作为防渗墙墙体材料均能满足防渗要求，相比于自凝灰浆，塑性混凝土沿深度方向质量均匀良好，更适用于超深防渗墙。