多轴旋喷深层搅拌地下连续墙技术

刘保平   赵建强   王永安

（大坝卫士（北京）网络技术股份有限公司）

摘  要：多轴旋喷深层搅拌地下连续墙技术（Construction technology of multi axis  rotary jet deep mixing underground continuous wall，简称：多轴旋喷墙技术，即MRM技术）是利用深层搅拌和高压喷射灌浆原理，使用特制设备，融合深层搅拌和高压喷射两种工艺方法，形成的一种新技术。该技术可以处理深层搅拌技术无法施工的土层，多轴联锁避免了原高喷技术搭接不可靠的问题，同时比原高喷技术较大幅度降低了造价，目前最大施工深度可达25m，可用于江河堤防、病险水库大坝和基坑的防渗墙施工，也可用于市政工程，如城市地铁工程防渗、垃圾场防渗等工程。

关键词：多轴   旋喷  深层搅拌  地下连续墙   技术

1 前言

多轴旋喷深层搅拌地下连续墙技术是采用我公司研制的多轴特制设备，一次在地层中钻进三个钻头，钻进过程中喷射水泥浆（压力1~20MPa）和气体（压力0.8~1.2 MPa）并旋转，用水泥浆、气体和钻头叶片切削搅拌土层，钻进到达设计深度后提升并旋转，同时喷射水泥浆和气体，使水泥浆和原土充分混合，提升到孔口完成一个单元墙的施工，按照设计孔距移动桩机并重复上述施工过程，多次重复上述过程即形成一道地下连续墙。

1.1研究背景

深层搅拌法具有取材方便、造价低、技术可靠、工法简单易于操作等优点，已广泛应用于水利水电工程、工业与民用工程和市政工程的地基处理和防渗加固中，但传统深层搅拌法遇到密实砂层、砂卵石层等复杂地层无法施工。如：黄河下游防洪工程河南段堤防第三标段防渗墙工程因遇到较深厚的密实粗砂地层，哈达山水利枢纽防渗墙工程因遇到较深厚的砂（砾）卵地层，内蒙古巴音门肯水库遇到板结黏土层等不利地层，造成传统深层搅拌法不能施工，导致设计变更，增加投资，延误工期等后果。

传统高压喷射灌浆工法以其取材方便、工法简单、使用地层多也被广泛应用于上述工程，但其质量不易保证、造价高、弃浆多、工效低。如：河北某抽水蓄能电站，围堰采用传统高压喷射灌浆工法建造地下连续墙。旋喷桩设计孔距0.8m，单孔单排搭接, 经试验，桩开叉现象严重，后改成双排桩成墙；单台每天仅能完成50m的钻孔工程量，单台台车喷孔仅能完成60m，折合成防渗墙面积每天仅完成48m²，工效低；弃浆量高达20%；造价高达1000元/ m²。为解决上述问题，近年来我公司不断探索，根据深层搅拌和高压旋喷两种工法的特性，综合深层搅拌的均匀稳定性和高压旋喷对地层广泛适应性，经过调研、方案设计、优化比选，确定了多轴旋喷地下连续墙施工方法，研制出多轴旋喷地下连续墙施工装备。本技术经在黄河下游河南段堤防防渗墙工程施工应用，达到了预期效果。

1.2 工法特点

   （1）深层搅拌和高压喷射两种工法结合，取长补短，降低了工程造价；

   （2）原传统高喷均为单轴成桩，单根桩搭接成墙，工效低，本技术一次多轴成墙，提高了施工工效；

   （3）钻头间设置联锁器,保证墙体的连续性；多根相邻钻杆之间以及钻杆和立柱导轨之间增加了联锁装置，限制钻杆的甩摆，有效地控制钻杆的垂直度，保证了成墙质量；

   （4）用水泥浆、气体和钻头叶片共同搅拌土层，使水泥浆和土层充分混合，加固体被搅拌得更加均匀；

   （5）本技术不仅适用于粘土、砂土，也可用于砂层、砂含砾层、砾石层等地层，扩大了深层搅拌的应用范围；

   （6）同传统高喷比减少水泥用量、减少废浆排放，降低了工程造价。

2 工艺方法

2.1 工艺原理

    多轴旋喷墙技术是把深层搅拌和高压旋喷两种工法融为一体。研制一种具有三个钻头的专用钻具，在钻杆和钻头分别安装浆、气喷射管路，给钻具配备钻进提升动力，将钻具集成于桩机上。配备输送浆、气的相应设备（高压浆泵和空压机组）。施工时，将桩机移动至钻孔位置，开启钻具钻进，同时开启浆泵和空压机输送具有一定压力的水泥浆液和气体，水泥浆对钻孔周围原地层进行喷射、切割形成钻孔，并制成浆土混合体，钻进旋喷达到设计深度后，再由下而上提升旋喷具有一定压力的水泥浆，同时输送气体，在水泥浆、气体和叶片的共同作用下使水泥浆液与土体强制混合，利用固化剂、土体和水之间产生的一系列物理、化学反应，使土体硬结成具有良好整体性、稳定性、不透水性，并具有一定强度的一组固结桩体，多组桩连成一起形成防渗幕墙，达到防渗的目的。

2.2 施工工艺流程

    多轴旋喷墙技术的施工工艺流程如下：

（1）就位：移动桩机到设计桩位；

（2）调平：通过液压支腿调平桩机；

（3）设定参数：按设计要求设置好旋喷桩的段浆量、孔深、总浆量；

（4）制浆：安装水泵抽水至制浆站，按设计要求水灰比进水、上灰拌制水泥浆液；

（5）旋转钻进、喷气喷浆：开启钻具、浆泵、空压机，钻具沿导向架向下钻进、同时喷浆、喷气、旋转搅拌；

（6）旋转提升、喷气喷浆：钻具钻进到设计深度后，按规定的提升速度提升旋转、喷浆搅拌，同时空压机供气，提升至孔口，完成一组旋喷桩的施工；

（7）桩机按设计的桩位移动，开始下一组旋喷桩施工。如此循环施工，完成所有旋喷桩施工，形成一道连续墙。

 施工工序见图2.1，施工单元成墙示意图见图2.2。

2.3技术要求

   （1） 交通条件

     1）对外交通条件。 进出场道路路面宽度应不小于4m，斜坡面坡度不宜大于11°，转弯半径满足半挂车行走要求，涵洞顶部、电线、电缆至地面净距离不小于5m，同时需满足安全的相关要求。路面、桥梁的承载力需满足40吨车辆通行要求。

2） 场内施工道路条件。施工期间，满足施工人员、施工材料和大小施工机具需要在场内运转的需要，保证雨天能够正常通行。

  （2） 施工场地条件

    1）在机械设备进场前应平整场地，原则上场内50m范围内，高差应不大于30cm。施工工作面宽度应满足所使用设备的作业要求，一般不小于6米。搅拌设备操作平台、现场水泥仓库要有足够的面积，并进行平整处理。

2）施工场地地面过软，承载力不利于施工设备或移动时，应铺设粗砂或碎石垫层，不得用块石铺填；当施工场地表层坚硬，需要注水预搅施工时，可开挖施工槽，在槽内适量注水，预先饱和，降低土层强度；当场地为沥青、水泥混凝土或其他硬质路面时，可事先采用破除机械破除路面；若地下有建筑垃圾、较大粒径卵石、块石，应预先清除。

  （3）集浆槽开挖

在施工时，由于水泥浆的注入，会产生水泥土浆混合液溢出的情况，开挖集浆槽、集浆池，可防止孔口反浆四处漫流。

导槽开挖深度以0.5~1.0m为宜，开挖宽度0.5m，以不影响施工设备行走和调平为宜，导槽开挖长度应满足翻浆积液的控制要求。

   （4） 施工环境温度。应在-5℃以上。

   （5） 材料供应。水泥材料可分批进场到位，抽检复试合格后方可使用。

   （6）定位。根据设计要求放出成孔的孔位，用木桩或桩位架做好标记，编上孔号、序号，孔位误差不大于5cm。

（7）就位。将桩机移动至钻孔位置，使喷射钻头中心对准已放好的孔位中心。

（8）调平。为保证钻孔达到要求的垂直度，钻机就位后，作水平校正，用三通管对两个垂直方向校核，将三个水管的液面调整至允许范围内。

（9）制浆。水泥复检合格后，按照设计要求或试验确定的水灰比配置水泥浆液，配置水泥浆液的搅拌时间为：一般型号的制浆机需搅拌3分钟，快速制浆机需搅拌1.5分钟；水泥浆水灰比是根据地层情况和施工设备特点确定，一般按照质量比例控制在0.8:1.0～2.0:1.0范围内。水泥浆液存放时间，气温在10°C以上时3小时， 10°C以下时5小时。超过时间，浆液性能下降。水泥浆液储备方法：水泥浆液应随配随用，灰浆搅拌机同时不断搅动，搅拌转速宜为20r/min ~60r/min。制备好的浆液不得离析，按照前述规定时间使用。水泥浆液的比重检测：采用比重计或比重称进行检测。

   （10）旋转钻进喷浆送气。钻进施工时输送具有一定压力的水泥浆，浆压根据试验情况确定，一般压力范围为8~20MPa，同时空压机输送气体压力也根据试验确定，一般压力范围为0.8~1.2 MPa。

   （11）旋转喷浆送气提升。钻头钻进到预定深度后，应先在原地静喷30s，当孔口有明显回浆时按预定好的提升、旋转速度，自下而上进行喷浆作业，直至到达设计高度方可停止供浆、气，提出喷射钻头。

   （12）移动机具。一组旋喷喷灌浆孔结束后，把桩机移到新的孔位上，进行下一组旋喷孔的施工作业。

3 主要材料与施工设备

3.1 主要材料

多轴旋喷墙技术的加固材料主要为水泥。宜选用强度等级为32.5及以上的通用硅酸盐水泥，可根据加固土体性质及地下水侵蚀性等情况选用不同种类的水泥。

通常使用的水泥有普通硅酸盐水泥（P.O）、矿渣硅酸盐水泥（P.S.A）、复合硅酸盐水泥（P.C）。当使用矿渣硅酸盐水泥时应注意，矿渣硅酸盐水泥早期强度明显低于普通硅酸盐水泥，但后期明显高于普通硅酸盐水泥。

3.2 施工设备

主要施工机具有多轴旋喷桩机、钻具、旋转装置、起吊设备、供浆系统、供气系统、自动检测系统、柴油发电机等。主要施工机具、仪器的名称、规格、性能详见3.2主要施工机具、仪器一览表。

表3.2                主要施工机具、仪器一览表  

3.2.1多轴旋喷桩机

多轴旋喷桩机，其主要组成部分见图3.3多轴旋喷桩机外形图。

   （1）机架：由上下底盘组成。上底盘：支撑桩机上所有的部件；下底盘：通过液压装置可使上下底架之间作前后左右的相对运动；

（2）立柱：滑板沿着立柱两侧的滑道带动钻杆上升、下降；

   （3）稳定杆：支撑立柱作用；

   （4）操作室：电器系统和液压系统的操作手柄均布在操作室内，可发送操作指令；

   （5）液压系统：由液压马达及各高压油管组成、起升降钢丝绳、伸缩支腿油缸作用；

   （6）电器系统：由110KW、15KW和5KW三个电机及一些电器元件和线路组成，为整个桩机提供动力。

3.2.2主要配套机具

多轴旋喷主要配套机具由钻具、旋转装置、起吊设备、供浆系统、供气系统、自动检测系统等组成。

   （1）钻具

钻具安装在桩机上，该部分由钻杆顶梁、钻杆、钻头及连锁装置组成。3根钻杆用钻杆顶梁和钻杆联锁器联结， 3个钻头由钻头联所器联结，其中钻杆长度为28m，施工过程中不需接杆，一次最深可达25m，钻杆截面尺寸为120×120×10mm；钻头直径一般为200~450mm，可根据不同地层选用不同的尺寸、结构和材质；钻杆联锁器和钻头联锁器结构的中心距均为320mm。

钻杆和钻头通过钻杆顶梁、钻杆联锁器及钻头连锁器分别从上、中、下三个部位分别进行联结，将钻具系统形成一个有机的整体，不但提高了钻杆的整体刚度，而且可避免墙体桩位分叉现象。

（2）旋转装置

    旋转装置安装在桩机主动力箱处，该部分由110kW电机、变速箱、齿轮箱、传动轴等组成，为钻具水平旋转提供动力。

   （3）起吊设备

 起吊设备安装在桩机上，该部分由桅杆、卷扬、滑轮组等组成，为钻具作竖向运动提供动力。桅杆采用圆柱形，外形趋于多功能标准化桩架，可一架多用；卷扬设计借鉴国外先进技术，采用钢丝绳升降方式，速度范围宽，运行平稳。

   （4）供浆系统

供浆系统由水泵、制浆罐、泥浆泵、储浆罐、高压泥浆泵和输（水）浆管路等组成，为钻具提供具有一定压力的水泥浆液。水泥浆液的制备采用快速灰浆搅拌机，制浆罐容量800L，2分钟可完成一罐水泥浆的制备工作；泥浆泵1分钟内可完成浆液输送；储浆罐可储存1600L液浆；高压泥浆泵选用GPB-90E型高压泥浆泵，最大供浆压力可达50MPa，流量可达100L/min。

（5）供气系统

供气系统由空压机、送气管路、接头等组成，为钻具提供具有一定压力的压缩空气。

（6）自动检测系统

自动检测系统由流量传感器、位移传感器、电脑主机、数据线和供电电缆组成。自动检测系统使钻具的深度位置实现实时显示，钻头每走0.1m记录一次，且每1.0m小计一次深度，并汇总深度；使喷射装置的用浆量实现实施显示，每0.1m记录一次用浆量，且每1.0m小计一次用浆量，并汇总喷浆量。

图3.2  多轴旋喷桩机

表3.3             多轴旋喷桩机技术参数

4 质量控制与检验

4.1  质量控制依据

   （1）《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002；

   （2）《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002；

   （3）《混凝土拌合用水标准》JGJ63-93；

   （4）《通用硅酸盐水泥》GB175；

   （5）《水利基本建设工程验收规程》SD184-86；

   （6）《水利水电工程施工测量规范》SL52-93；

   （7）《水利水电工程施工质量评定规程（试行）》SL176-96；

   （8）《深层搅拌法技术规范》DL/T5425-2009；

   （9）《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200-2004。

4.2  质量控制

   （1）施工前，应做好技术交底，明确技术措施，做好隐蔽工程等的验收记录。

   （2）精确测量放样，桩位放样误差不大于10mm，施工深度应不小于设计桩底。

   （3）认真校核桩位，用经纬仪校核立轴垂直，控制孔斜率。施工过程中进行桩体垂直度测量，孔深在25m范围以内时,钻孔偏斜率不应超过3‰。

   （4）根据试验确定的浆液配比，施工中严格控制，做到挂牌施工，定时对浆液进行抽查检测工作。

   （5）认真做好各桩的施工记录，包括施工时间、桩位以及施工的各项参数和工程意外情况。

   （6）对地下建筑物，施工前设置高程监测点，施工时加强高程变化的监测。

   （7）认真组织开展施工班组的质量自检、互检、交接班检查，严格奖惩制度。

   （8）实行岗位责任制，贯彻全面质量管理。

4.3  质量检验

   （1）原材料检验

多轴旋喷墙施工的主要原材料为水泥，每批水泥运至工地后，同监理联合抽样，同一批次同标号的水泥每200吨（不足200吨按200吨计）取样一次，送有资质的检测单位进行试验检测，并将检验结果送报监理人，合格后投入使用。

   （2）施工过程检查

多轴旋喷墙施工过程中，通过施工记录和现场抽查，对防渗墙及其工艺进行逐项检查，主要检查内容有：水灰比、喷浆量、喷浆压力、气量、气压、下沉（提升速度）、转速、施工深度、机架倾斜度等，此外还注意检查施工中是否有异常情况出现，记录其处理方法及措施。

   （3）墙体质量检查

完工后对多轴旋喷墙体的质量进行检查，检查方式主要采用开挖检查、取芯做室内试验和地质雷达检测。

1）开挖检查：沿多轴旋喷地下连续墙墙轴线一般每100~200m左右开挖检查一处，其深度1.5~2m，纵向长3m。检查内容主要包括：旋喷桩径、桩之间搭接长度、最小搭接成墙厚度，旋喷桩的垂直度、旋喷桩搅拌均匀程度等；合格标准：墙体的外观质量好，无蜂窝、孔洞；防渗墙桩与桩搭接、墙厚满足设计要求；防渗墙整体性强。

2)室内试验：在多轴旋喷地下连续墙墙体开挖处取芯样检验试块强度，渗透性及芯样的完整性评价。沿防渗墙轴线每300m左右抽检一孔，并回填水泥砂浆封孔。

3)有条件的在多轴旋喷地下连续墙工程完成后，采用质地雷达对全部或部分多轴旋喷地下连续墙进行连续性进行检测。

5 环境保护影响及措施

5.1 环境影响

该技术装备的生产制造无“三废”排放，无污染。该装备施工应用过程中仅有少量水泥土浆溢出，若施工前开挖足够深的沟槽，搞好施工组织，则不会对环境造成污染。

 5.2 施工弃渣的堆放及治理措施   

   （1）对于集浆槽开挖的渣土，做好区分工作；对于可以利用的土料集中堆放，并做好水土流失防护措施；对于不能利用的渣土按照监理的指示及时运至指定地点集中处理，防止弃渣冲蚀河床或淤积河道。

   （2）对于溢出地面的少量浆液及时进行清理，并运送到业主指定的位置。必要时，依据合同要求，采取其它方面的处理措施，以降低污染，保护环境。

 5.3 施工场地开挖的边坡保护和水土流失处理措施

   在雨季时容易造成水土流失开挖的边坡，拟采用加盖塑料膜对水土流失比较严重的边坡进行保护，保证不因为水土流失而影响施工。

 5.4 防止饮用水污染措施

    为保证生活饮用水的卫生，生活区饮用水计划采用桶装纯净水。

 5.5 施工活动中的噪声、粉尘、废气、废水和废油等的治理措施

   （1）噪声治理措施

制定防止扰民的具体措施，现场200m范围有居民区时，合理安排施工时间，尽可能将噪声大的作业安排在白天施工；采取综合治理措施，把噪音控制在合理范围内。

   （2）粉尘的治理措施

    对有扬尘现象的道路定期用洒水车进行喷洒。在整个施工期间对施工场地经常进行洒水使尘土飞扬减小到最低程度；容易起尘的细料和松散材料予以覆盖或适当洒水喷洒，运输期间应用帆布或类似的遮盖物覆盖；运转时有粉尘发生的施工设备投料器应有防尘设施。

   （3）生产废水的治理措施

    因采用先进施工工艺，施工产生的废水较少，干化后随渣土运至业主或监理机构指定的地点。

   （4）废油的治理措施

    施工机械采取了防止漏油措施，防止了造成污染；施工中的废油要回收到废油容器里集中处理。

 5.6 施工区和生活区的卫生设施以及粪便、垃圾的治理措施

    生活区污水进入当地地下排污系统；生活垃圾集中堆放；施工废料如沥青、水泥、油料、化学品合理堆放，运至业主或监理机构指定的地点。

 5.7 完工后的场地清理

    工程完工后，按照要求拆除临时设施，清除施工区和生活区及其附近的施工废弃物，并按监理人批准的环境保护措施计划完成环境恢复。

 5.8 施工区野生动植物的保护措施

    保护原有植被，对合同规定的施工界限内、外的植物、树木尽力维持原状。砍除树木或其它经济植物时，事先征得所有者和业主的同意。对有害物质合理处理，避免对动物、植物的损害。定期进行环保、生态知识宣传教育。

6 效益分析

    本技术在国内处于领先，经济效益和社会效益显著。以黄河下游防洪工程河南段堤防某标段防渗墙工程为例说明，原设计采用传统的深层搅拌防渗墙，防渗墙面积2.2万m2，施工过程中因下部粗砂层厚度达4~6m，切较密实，传统的深层搅拌防渗墙无法实施，拟设计变更为高压喷射灌浆防渗墙，高压喷射灌浆防渗墙综合单价约400元/ m2，由于投资增加过多无法落实，后采用多轴旋喷地下连续墙，多轴旋喷墙的综合单价约为200元/m2，比高压喷射灌浆防渗墙低一倍，多轴旋喷墙比高压喷射灌浆防渗墙方案节省投资440多万元，经济效益十分显著。经成本分析，不同地层施工成本不同，施工成本与地层类别、土层密实度等有关，一般单价为：160~260元/m2之间。目前，我国每年新建造的防渗墙使用原高喷工法的很多，若一部分用多轴旋喷墙代替将节省大量资金。同时可提高我国地下连续墙施工技术装备水平，增强国际竞争能力，具有很大的经济效益和社会效益.