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摘要：混凝土防渗墙技术已广泛用于病险水库土石坝的防渗加固，本文通过该技术在水库除险加固工程中的应用，介绍了薄壁液压抓斗法混凝土防渗墙的施工技术要点及注意事项。
关键词：薄壁液压抓斗 导墙 泥浆护壁 塑性混凝土
薄壁液压抓斗法新的防渗墙施工技术出现于20世纪90年代，此项技术适用于坚硬的土壤与砂砾石中成槽，成槽深度可达60米，此项技术不仅降低了工程造价，而且提高了工程施工速度，一台液压抓斗成槽平均工效为125m2/d，此项技术已在水库除险加固工程中得到了推广运用。
1、工程概况
水库主坝为均质土坝，坝顶高程60m，坝顶长380m，坝顶宽5m，最大坝高19m。水库在多年运行后主坝存在坝身渗流稳定、坝坡稳定、坝基渗漏和坝肩绕坝渗漏等问题，严重威胁坝体安全和正常效益的发挥，被水利部列为病险库。
坝址区出露的地层岩性为前震旦系板溪群第六段浅变质岩、千枚岩及第四系松散堆积层。坝址区构造形迹主要表现为断层和裂隙。地层概况由上而下为：（1）6～14m厚的黏性壤土；（2）河床砂卵石层其厚度约为2.9～5.2m，（3）河床岩石表面呈全风化为其厚度约为2.9～5.2m，（4）强风化带岩石厚度约为3.1～8.5m，弱风化岩石厚度约7.5～13.0m，下伏微新岩石。
2、混凝土防渗墙成墙技术工艺
2.1、造孔成槽
2.1.1布置施工平台
抓斗施工平台设置在防渗墙轴线下游侧，原坝顶宽度只有5m不能满足抓斗施工所需12m宽的施工平台的要求。经业主同意将坝顶高程降低0.5m至59m并将防渗墙轴线向上游平移1.0m，另外将降坝的土料填筑到坝体下游侧，以保证抓斗施工平台的宽度。在防渗墙轴线的下游侧设置平行坝轴线的排渣排水沟，断面尺寸40×40cm，再按40m间距修建垂直防渗墙轴线的排渣排水沟，将废渣﹑废水排至下游坝脚，所有废渣运至弃渣场。
2.1.2、修筑导向槽
导向槽是在地层表面沿地下连继防渗墙轴线方向设置的临时构筑物。导向槽起着标定防渗墙位置、成槽导向、锁固槽口；保持泥浆液面；槽孔上部孔壁保护、外部荷载支撑的作用。导向槽的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键。本工程导向槽两侧墙体采用倒l型断面，现浇c15混凝土构筑，槽内净宽45cm，顶面高于施工场地10cm以阻止地表水流入。其结构见下图：
2.1.3、抓斗成槽
土石坝防渗墙开槽施工工艺主要锯槽法和挖掘法。锯槽法主要有往履射流式开槽、链斗式开槽、液压式开槽；挖掘法主要有冲击钻法、抓斗法、冲抓结合法。根据本工程地质条件及生产性试验确定采用挖掘法中抓斗法，并制定了“三抓法”的施工方案，即采用kh-180液压抓斗机先抓取槽段的主孔再抓取中间的副孔成槽。
2.1.3.1槽段划分
槽段划分为ⅰ、ⅱ序槽段，根据设备及地质条件确定ⅰ、ⅱ序槽段开挖长度同为7.5m，每个槽段分为两个主孔及一个副孔，先施工ⅰ序槽段，后施工ⅱ序槽段。
2.1.3.2槽段成槽
槽段成槽采用“三抓法”，在导向槽上放样标识孔位，将抓斗对正孔位后进行垂直造孔。首先施工槽段两端2.8m的主孔，主孔完成后再抓中部1.9m的副孔。主、副孔完工即该施工槽段成槽完工，经监理确定岩层岩性，并最终确定该施工槽段成槽深度。
2.2、护壁泥浆
泥浆在造孔成槽过程中起固壁、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用，成墙后还可增加墙体的抗渗性能，本工程泥浆采用膨润土拌制，泥浆配合比为水1000kg、膨润土50kg 、na2co31 kg；固壁泥浆性能指标密度<1.1g/cm3如漏斗粘度＞25s、含砂量<3%。
新制泥浆经过24h膨化后，利用供浆管输送至槽孔内使用，成槽及槽段浇筑过程中回收的泥浆，经净化后可重复使用。槽孔孔口泥浆面在成槽过程中保持在导向槽顶面以下30～50cm范围内。
2.3、防渗墙体灌筑
混凝土防渗墙是在泥浆下灌筑混凝土，本工程是采用刚性导管法进行墙壁体灌注，混凝土竖向顺导管下落，利用导管隔离泥浆，使其不与混凝土接触，导管内混凝土依靠自重压挤下部管口的混凝土，并在已灌入的混凝土体内流动、扩散上升，最终置换出泥浆，保证混凝土的整体性。
2.3.1、清孔换浆
槽段终孔验收合格后进行清孔，清孔采用抓斗抓取淤泥，利用下设潜水排污泵抽浆，并及时用新鲜泥浆补充。清孔换浆结束1h后，达到下列标准： ①孔底淤积厚度不大于10cm； ② 泥浆参数为：槽内泥浆比重不大于1.1g/cm3，粘度不大于35s，含砂量不大于3%。清孔换浆工作可以结束。
槽段清孔换浆结束前将钢丝刷子安装在抓斗斗体上，紧贴一、二期混凝土结合面，分段上下反复提动，达到刷子上不带泥屑，孔底淤积不再增加，即接头面清洗合格。
2.3.2、槽段混凝土灌注
2.3.2.1、清孔换浆结束后，下设混凝土灌注导管，导管内径为200mm。一期槽段长度为7.5m，下设三套导管，两侧导管距槽端1～1.5m；二期槽段由于套抓接头，槽段长度为8.2m，下设三套导管，两侧导管距孔端1.0m；同时，槽段内导管间距不大于3.5m。导管底部距槽孔底板不大于25cm，当槽底高差大于25cm时将导管置于控制范围的最低处。
2.3.2.2、灌注前导管内置入可浮起的隔离塞球，灌注时先注入水泥砂浆，随即注入足够的混凝土，挤出塞球并埋住导管底端，避免混凝土与泥浆混合。
2.3.2.3、灌注过程中每30min测量一次混凝土面，每2h测量一次导管内混凝土面，根据混凝土面上升情况，决定导管的提升长度。导管在混凝土内的埋深最小不得小于1.0m，最大不得大于6.0m，在保证埋深的前提下，随着混凝土面的上升，用吊车提升导管，并将顶部的部分导管拆除。
2.3.2.4、槽孔内混凝土面上升至槽口时，采用泥浆泵抽出浓浆，并提升导管，减小埋深，增加混凝土的冲击力，直至混凝土顶面超出设计墙顶标高0.5m，即可停止浇筑，拔出导管。
2.4、槽段接头处理
相邻槽段的衔接部分即为接头，本工程采用钻凿法进行接头连接，即一期槽段浇筑完毕后12小时后，视混凝土强度进行二期槽段造孔时，将一期槽段混凝土套抓35cm，以保证接头质量。
3、混凝土防渗墙成墙技术应用常出现的问题
3.1、坍塌、漏浆
槽段在成槽过中会出现局部坍塌和大面积坍塌，当出现局部坍塌时加大泥浆密度，出现大面积塌孔时用优质粘土（掺入20%水泥）回填到坍塌处以上1～2m，待沉积密实后再进行施工，同时在相应地段减小了槽段开挖长度。
槽段成槽开挖过程中，有时会出现的漏浆现象，出现漏浆现象常采用处理措施有（1）平抛粘土，加大泥浆比重或抛入锯末进行堵漏；（2）松散地层，造孔应循序渐进，预防在先，稳中求快；（3）证泥浆供应强度和质量，发现漏浆及时补充；（4）对漏失严重的地层用速凝水泥等特殊材料处理，必要时还应对槽孔进行回填。
3.2、導管堵塞
成墙灌注混凝土过程中有时会出导管堵塞，针对导管堵塞采用捣、顿方法疏通，如果无效将导管全部拔出、冲洗、并重新下设，用泥浆泵抽净导管内泥浆后继续浇筑，同时还要核对混凝土面高程及导管长度，确认导管的埋入深度。
4混凝土防渗墙成墙技术施工中的难点4.1地质方面 由于本工程有一段地层粉细砂层厚度达１０ｍ，给施工带来极大难度。粉细砂由于颗粒细小，比表面积大，在动力作用下易液化，施工作业时难以对其结构进行破坏，易发生如下问题： （１）粉细砂地层不易抓取，施工回次多、工效低、进尺慢。 （２）斗齿不易深入粉细砂地层，特别是液压抓斗需要在原处反复开斗合斗，施工中地层易产生台阶，如果不及时进行处理，槽段出现台阶就难以连续，就会出现质量事故。 （３）粉细砂地层不稳定，槽孔易坍塌，因此也就易发生埋钻事故。4.2机器方面工艺 （１）由于粉细砂地层结构难以克取，抓斗连续作业时间长，主机损耗大，机械故障率较高。设备长期处于超负荷运转，动力不足，液压油温升高很快，加之反复抓取，斗体极易磨损，一方面斗体需勤补焊严重地影响进尺，另一方面由于斗体磨损后槽孔宽度难以保证，因此极易产生卡斗及孔内事故。 （２）由于粉细砂层抓斗施工工效低，加之进尺慢，槽孔浸泡时间长，容易导致塌孔现象。；加之砂石料供应跟不上，也成为制约工期的因素。
5．机器和施工工艺方面的改进措施5.1机器设备方面
（１）加强抓斗设备的日常养护。每班交班前停机半小时以便检查设备状况，接班后检查机油柴油水等日常项目，保证抓斗的完好率，确保正常施工。（２）液压系统中加水冷却器降低油温。（３）在导向槽两侧加支撑补强，增大其刚度。（４）针对斗体易损坏，修补时间长，严重影响施工进度的问题，采取重新加工新斗体和补强易损坏的部位。新加工的斗体由原设计承受２０ＭＰａ的力增加一倍为承受４０ＭＰａ的力。油缸变大，连杆变粗，大大减少了事故率，提高了纯抓时间。5.2施工工艺方面 成槽是制约施工工期的关键。首先对粉细砂层采取措施，采用气举反循环法或射水成墙法来专门施工粉细砂层，一般在底部18ｍ左右，通过粉细砂层后，气举反循环法或射水成墙法工效明显降低再改为抓斗抓槽施工，直至成槽以及清孔均由抓斗完成。①气举反循环法：反循环是交通部门的一项专利技术、技术先进、设备简单、开槽连续、质量可靠，是近年防渗墙施工的一项新技术，工效高、成墙连续，在隐蔽工程防渗墙施工中，将喷气管接在冲击器上，压缩的气体通过管路到达孔底，压缩气体挟带碎渣返回孔口，达到进尺的目的。地层适应性强，特别适用于砂层及砂卵石层。②射水成墙法：利用水泵和特制成型器中的射水装置所形成的高速水流的冲击力，淘刷土质、砂土地基，水土混合使泥沙溢出地面，并通过成型器修整，泥浆固壁，形成规格尺寸槽孔，墙体厚度２２ｃｍ～４５ｃｍ，深度可达３０ｍ，垂直度小于１／３００。射水法造墙机由造孔机、浇筑机、混凝土搅拌机三部分组成。适用于密实黏土、严黏土、淤泥，特别适用于砂层。
7、结束语 经过上述一系列的改造和改进以后，工程施工得以顺利进行。气举反循环法及射水成墙法有效地解决了抓斗在粉细砂层中十分缓慢的弊病，充分发挥抓斗在其它地层中施工高效的特点，又让气举反循环法及射水成墙法有效地解决了在粉细砂层中的施工，不同施工设备各自发挥了自己的优势，因此施工进度大为提高，而且由于抓斗避开了在粉细砂层中的艰难工作使事故率大大降低，不仅提高了工效，而且极大地降低了施工成本，取得了较好的经济效益。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：薄壁液压抓斗 导墙 泥浆护壁 塑性混凝土
薄壁液压抓斗法新的防渗墙施工技术出现于20世纪90年代，此项技术适用于坚硬的土壤与砂砾石中成槽，成槽深度可达60米，此项技术不仅降低了工程造价，而且提高了工程施工速度，一台液压抓斗成槽平均工效为125m2/d，此项技术已在水库除险加固工程中得到了推广运用。
1、工程概况
水库主坝为均质土坝，坝顶高程60m，坝顶长380m，坝顶宽5m，最大坝高19m。水库在多年运行后主坝存在坝身渗流稳定、坝坡稳定、坝基渗漏和坝肩绕坝渗漏等问题，严重威胁坝体安全和正常效益的发挥，被水利部列为病险库。
坝址区出露的地层岩性为前震旦系板溪群第六段浅变质岩、千枚岩及第四系松散堆积层。坝址区构造形迹主要表现为断层和裂隙。地层概况由上而下为：（1）6～14m厚的黏性壤土；（2）河床砂卵石层其厚度约为2.9～5.2m，（3）河床岩石表面呈全风化为其厚度约为2.9～5.2m，（4）强风化带岩石厚度约为3.1～8.5m，弱风化岩石厚度约7.5～13.0m，下伏微新岩石。
2、混凝土防渗墙成墙技术工艺
2.1、造孔成槽
2.1.1布置施工平台
抓斗施工平台设置在防渗墙轴线下游侧，原坝顶宽度只有5m不能满足抓斗施工所需12m宽的施工平台的要求。经业主同意将坝顶高程降低0.5m至59m并将防渗墙轴线向上游平移1.0m，另外将降坝的土料填筑到坝体下游侧，以保证抓斗施工平台的宽度。在防渗墙轴线的下游侧设置平行坝轴线的排渣排水沟，断面尺寸40×40cm，再按40m间距修建垂直防渗墙轴线的排渣排水沟，将废渣﹑废水排至下游坝脚，所有废渣运至弃渣场。
2.1.2、修筑导向槽
导向槽是在地层表面沿地下连继防渗墙轴线方向设置的临时构筑物。导向槽起着标定防渗墙位置、成槽导向、锁固槽口；保持泥浆液面；槽孔上部孔壁保护、外部荷载支撑的作用。导向槽的稳定是混凝土防渗墙安全施工的关键。本工程导向槽两侧墙体采用倒l型断面，现浇c15混凝土构筑，槽内净宽45cm，顶面高于施工场地10cm以阻止地表水流入。其结构见下图：
2.1.3、抓斗成槽
土石坝防渗墙开槽施工工艺主要锯槽法和挖掘法。锯槽法主要有往履射流式开槽、链斗式开槽、液压式开槽；挖掘法主要有冲击钻法、抓斗法、冲抓结合法。根据本工程地质条件及生产性试验确定采用挖掘法中抓斗法，并制定了“三抓法”的施工方案，即采用kh-180液压抓斗机先抓取槽段的主孔再抓取中间的副孔成槽。
2.1.3.1槽段划分
槽段划分为ⅰ、ⅱ序槽段，根据设备及地质条件确定ⅰ、ⅱ序槽段开挖长度同为7.5m，每个槽段分为两个主孔及一个副孔，先施工ⅰ序槽段，后施工ⅱ序槽段。
2.1.3.2槽段成槽
槽段成槽采用“三抓法”，在导向槽上放样标识孔位，将抓斗对正孔位后进行垂直造孔。首先施工槽段两端2.8m的主孔，主孔完成后再抓中部1.9m的副孔。主、副孔完工即该施工槽段成槽完工，经监理确定岩层岩性，并最终确定该施工槽段成槽深度。
2.2、护壁泥浆
泥浆在造孔成槽过程中起固壁、悬浮、携渣、冷却钻具和润滑的作用，成墙后还可增加墙体的抗渗性能，本工程泥浆采用膨润土拌制，泥浆配合比为水1000kg、膨润土50kg 、na2co31 kg；固壁泥浆性能指标密度<1.1g/cm3如漏斗粘度＞25s、含砂量<3%。
新制泥浆经过24h膨化后，利用供浆管输送至槽孔内使用，成槽及槽段浇筑过程中回收的泥浆，经净化后可重复使用。槽孔孔口泥浆面在成槽过程中保持在导向槽顶面以下30～50cm范围内。
2.3、防渗墙体灌筑
混凝土防渗墙是在泥浆下灌筑混凝土，本工程是采用刚性导管法进行墙壁体灌注，混凝土竖向顺导管下落，利用导管隔离泥浆，使其不与混凝土接触，导管内混凝土依靠自重压挤下部管口的混凝土，并在已灌入的混凝土体内流动、扩散上升，最终置换出泥浆，保证混凝土的整体性。
2.3.1、清孔换浆
槽段终孔验收合格后进行清孔，清孔采用抓斗抓取淤泥，利用下设潜水排污泵抽浆，并及时用新鲜泥浆补充。清孔换浆结束1h后，达到下列标准： ①孔底淤积厚度不大于10cm； ② 泥浆参数为：槽内泥浆比重不大于1.1g/cm3，粘度不大于35s，含砂量不大于3%。清孔换浆工作可以结束。
槽段清孔换浆结束前将钢丝刷子安装在抓斗斗体上，紧贴一、二期混凝土结合面，分段上下反复提动，达到刷子上不带泥屑，孔底淤积不再增加，即接头面清洗合格。
2.3.2、槽段混凝土灌注
2.3.2.1、清孔换浆结束后，下设混凝土灌注导管，导管内径为200mm。一期槽段长度为7.5m，下设三套导管，两侧导管距槽端1～1.5m；二期槽段由于套抓接头，槽段长度为8.2m，下设三套导管，两侧导管距孔端1.0m；同时，槽段内导管间距不大于3.5m。导管底部距槽孔底板不大于25cm，当槽底高差大于25cm时将导管置于控制范围的最低处。
2.3.2.2、灌注前导管内置入可浮起的隔离塞球，灌注时先注入水泥砂浆，随即注入足够的混凝土，挤出塞球并埋住导管底端，避免混凝土与泥浆混合。
2.3.2.3、灌注过程中每30min测量一次混凝土面，每2h测量一次导管内混凝土面，根据混凝土面上升情况，决定导管的提升长度。导管在混凝土内的埋深最小不得小于1.0m，最大不得大于6.0m，在保证埋深的前提下，随着混凝土面的上升，用吊车提升导管，并将顶部的部分导管拆除。
2.3.2.4、槽孔内混凝土面上升至槽口时，采用泥浆泵抽出浓浆，并提升导管，减小埋深，增加混凝土的冲击力，直至混凝土顶面超出设计墙顶标高0.5m，即可停止浇筑，拔出导管。
2.4、槽段接头处理
相邻槽段的衔接部分即为接头，本工程采用钻凿法进行接头连接，即一期槽段浇筑完毕后12小时后，视混凝土强度进行二期槽段造孔时，将一期槽段混凝土套抓35cm，以保证接头质量。
3、混凝土防渗墙成墙技术应用常出现的问题
3.1、坍塌、漏浆
槽段在成槽过中会出现局部坍塌和大面积坍塌，当出现局部坍塌时加大泥浆密度，出现大面积塌孔时用优质粘土（掺入20%水泥）回填到坍塌处以上1～2m，待沉积密实后再进行施工，同时在相应地段减小了槽段开挖长度。
槽段成槽开挖过程中，有时会出现的漏浆现象，出现漏浆现象常采用处理措施有（1）平抛粘土，加大泥浆比重或抛入锯末进行堵漏；（2）松散地层，造孔应循序渐进，预防在先，稳中求快；（3）证泥浆供应强度和质量，发现漏浆及时补充；（4）对漏失严重的地层用速凝水泥等特殊材料处理，必要时还应对槽孔进行回填。
3.2、導管堵塞
成墙灌注混凝土过程中有时会出导管堵塞，针对导管堵塞采用捣、顿方法疏通，如果无效将导管全部拔出、冲洗、并重新下设，用泥浆泵抽净导管内泥浆后继续浇筑，同时还要核对混凝土面高程及导管长度，确认导管的埋入深度。
4混凝土防渗墙成墙技术施工中的难点4.1地质方面 由于本工程有一段地层粉细砂层厚度达１０ｍ，给施工带来极大难度。粉细砂由于颗粒细小，比表面积大，在动力作用下易液化，施工作业时难以对其结构进行破坏，易发生如下问题： （１）粉细砂地层不易抓取，施工回次多、工效低、进尺慢。 （２）斗齿不易深入粉细砂地层，特别是液压抓斗需要在原处反复开斗合斗，施工中地层易产生台阶，如果不及时进行处理，槽段出现台阶就难以连续，就会出现质量事故。 （３）粉细砂地层不稳定，槽孔易坍塌，因此也就易发生埋钻事故。4.2机器方面工艺 （１）由于粉细砂地层结构难以克取，抓斗连续作业时间长，主机损耗大，机械故障率较高。设备长期处于超负荷运转，动力不足，液压油温升高很快，加之反复抓取，斗体极易磨损，一方面斗体需勤补焊严重地影响进尺，另一方面由于斗体磨损后槽孔宽度难以保证，因此极易产生卡斗及孔内事故。 （２）由于粉细砂层抓斗施工工效低，加之进尺慢，槽孔浸泡时间长，容易导致塌孔现象。；加之砂石料供应跟不上，也成为制约工期的因素。
5．机器和施工工艺方面的改进措施5.1机器设备方面
（１）加强抓斗设备的日常养护。每班交班前停机半小时以便检查设备状况，接班后检查机油柴油水等日常项目，保证抓斗的完好率，确保正常施工。（２）液压系统中加水冷却器降低油温。（３）在导向槽两侧加支撑补强，增大其刚度。（４）针对斗体易损坏，修补时间长，严重影响施工进度的问题，采取重新加工新斗体和补强易损坏的部位。新加工的斗体由原设计承受２０ＭＰａ的力增加一倍为承受４０ＭＰａ的力。油缸变大，连杆变粗，大大减少了事故率，提高了纯抓时间。5.2施工工艺方面 成槽是制约施工工期的关键。首先对粉细砂层采取措施，采用气举反循环法或射水成墙法来专门施工粉细砂层，一般在底部18ｍ左右，通过粉细砂层后，气举反循环法或射水成墙法工效明显降低再改为抓斗抓槽施工，直至成槽以及清孔均由抓斗完成。①气举反循环法：反循环是交通部门的一项专利技术、技术先进、设备简单、开槽连续、质量可靠，是近年防渗墙施工的一项新技术，工效高、成墙连续，在隐蔽工程防渗墙施工中，将喷气管接在冲击器上，压缩的气体通过管路到达孔底，压缩气体挟带碎渣返回孔口，达到进尺的目的。地层适应性强，特别适用于砂层及砂卵石层。②射水成墙法：利用水泵和特制成型器中的射水装置所形成的高速水流的冲击力，淘刷土质、砂土地基，水土混合使泥沙溢出地面，并通过成型器修整，泥浆固壁，形成规格尺寸槽孔，墙体厚度２２ｃｍ～４５ｃｍ，深度可达３０ｍ，垂直度小于１／３００。射水法造墙机由造孔机、浇筑机、混凝土搅拌机三部分组成。适用于密实黏土、严黏土、淤泥，特别适用于砂层。
7、结束语 经过上述一系列的改造和改进以后，工程施工得以顺利进行。气举反循环法及射水成墙法有效地解决了抓斗在粉细砂层中十分缓慢的弊病，充分发挥抓斗在其它地层中施工高效的特点，又让气举反循环法及射水成墙法有效地解决了在粉细砂层中的施工，不同施工设备各自发挥了自己的优势，因此施工进度大为提高，而且由于抓斗避开了在粉细砂层中的艰难工作使事故率大大降低，不仅提高了工效，而且极大地降低了施工成本，取得了较好的经济效益。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。