陶 云，黃 興

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200120)

在船塢工程中，高壓旋噴樁止水帷幕是塢口止水船塢施工中的關(guān)鍵步驟，可起隔離、防護(hù)、抗?jié)B透等作用，是檢驗(yàn)船塢密閉性的硬性指標(biāo)，直接關(guān)系整個(gè)船塢工程的安全使用。在高壓旋噴樁止水帷幕施工過程中，噴漿質(zhì)量是保證高壓旋噴墻墻體質(zhì)量的基礎(chǔ)條件，根據(jù)噴射方法的不同，可分為單管法、二重管法和三重管法。傳統(tǒng)施工方法在面對不同的地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行高壓旋噴施工時(shí)，往往存有一定的局限性，有研究人員提出了一些針對性的改善措施[1-2]，分別體現(xiàn)在噴射管噴出的介質(zhì)及噴射方式等方面。目前，高壓旋噴墻的質(zhì)量檢查仍存在一定的難度，常采用圍井法計(jì)算滲透系數(shù)K值[3-5]，利用圍井內(nèi)開挖的部位或在井內(nèi)中心鉆孔進(jìn)行注(抽)水試驗(yàn)，在鉆孔法檢查計(jì)算滲透系數(shù)K值方面還須研究出合理的方法和公式，全面反映高壓旋噴墻的整體質(zhì)量。

本文針對“新二重管法”的施工及高壓旋噴墻滲透系數(shù)K值檢測方法進(jìn)行研究，將高壓旋噴樁施工方式和高壓旋噴樁滲透系數(shù)K值檢測方法相結(jié)合，綜合評價(jià)止水帷幕的止水效果，對止水帷幕高壓旋噴樁類似工程的滲透系數(shù)檢測具有借鑒意義。

1 工程概況

某項(xiàng)目船塢工程長485 m、寬114 m、深14 m，船塢塢口結(jié)構(gòu)主要包括水泵房、塢口底板及西塢墩3部分。船塢工程止水帷幕設(shè)置在塢口部位，采用高壓旋噴樁及止水鋼板樁相結(jié)合共同構(gòu)筑船塢塢口的永久止水體系。止水帷幕采用NS-SP-VL型鋼板樁，長度為15.0～30.5 m不等，鋼板樁打設(shè)完成后高壓旋噴樁在鋼板樁的兩側(cè)進(jìn)行施工，止水帷幕主要分為塢口部位與塢口兩側(cè)擴(kuò)翼部位，平面布置見圖1。

圖1 船塢止水帷幕平面布置

1)塢口部位。止水帷幕底高程-34.20 m，止水帷幕頂高程-14.00 m(與塢室底板結(jié)構(gòu)墊層面齊平)和-19.00 m(與水泵房處結(jié)構(gòu)墊層面齊平)。塢口部位布置見表1。

表1 塢口部位止水帷幕布置

2)塢口兩側(cè)擴(kuò)翼部位。止水帷幕底高程-34.20 m，止水帷幕頂高程1.50 m，塢口兩側(cè)擴(kuò)翼部位布置見表2。

表2 塢口兩側(cè)擴(kuò)翼部位止水帷幕布置

高壓旋噴樁樁位布置在鋼板樁海側(cè)和岸側(cè)方向，雙排布置，有效樁徑800 mm，樁中心水平間距為500 mm。處在鋼板樁凹口側(cè)中心的樁，與鋼板樁鎖口中心線垂直距離為100 mm；處在鋼板樁凸口側(cè)的樁，與鋼板樁鎖口中心線垂直距離為350 mm(圖2)。對高壓旋噴樁設(shè)計(jì)樁底高程至實(shí)際鋼板樁樁底高程以上2 m范圍進(jìn)行高壓旋噴灌漿；對鋼板樁短樁的處理方式，在最淺鋼板樁2.5 m范圍內(nèi)(5根鋼板樁)噴漿至最淺鋼板樁底高程以上2.0 m。

圖2 高壓旋噴樁施工示意(尺寸：mm；高程：m)

2 中國與俄羅斯高壓旋噴施工方式差異

2.1 中俄施工工藝流程

中方施工工藝流程見圖3，俄方施工工藝流程見圖4。

圖3 中方施工工藝流程

圖4 俄羅斯施工工藝流程

項(xiàng)目地質(zhì)土層主要是砂性土，高壓旋噴樁須進(jìn)入中風(fēng)化砂巖，裂隙嚴(yán)重，強(qiáng)度較低(單軸極限抗壓強(qiáng)度約為9.7 MPa)。中方采用“新二重管法”，是一種雙重高壓水泥漿液+高壓水氣體噴射法(圖5)，使用輸送水泥漿液、水兩種介質(zhì)的二重注漿管，噴嘴呈上下布置，間距300 mm；在高壓發(fā)生裝置(高壓泵等)產(chǎn)生的高壓水流和高壓水泥漿液周圍環(huán)繞一股圓筒狀氣流，上噴嘴先進(jìn)行雙高壓水流和氣流同軸旋轉(zhuǎn)噴射沖切土體，形成較大的空隙，再由泥漿泵將雙重水泥漿液和氣流從下噴嘴以高壓力注入到被切割、破碎的土體中，噴嘴同軸作旋轉(zhuǎn)和提升運(yùn)動(dòng)，使水泥漿液與土體混合，在土體中凝固，形成較大的固結(jié)體。俄方高壓旋噴工作原理與中方類似，亦為“新二重管法”，采用單重高壓水泥漿液和高壓水的周圍環(huán)繞圓筒狀氣流進(jìn)行施工，通過增加較大噴漿壓力和水壓力切割土體，使水泥漿與土體混合凝固形成的固結(jié)體。

圖5 “新二重管法”鉆頭

“新二重管法”適用于砂性土質(zhì)和風(fēng)化巖的土層施工。在較硬的土層施工，傳統(tǒng)二重管法一次噴漿，樁徑不易滿足要求；為擴(kuò)大樁徑采取提管速度降低或多次復(fù)噴措施，工效均很低。采用雙高壓水泥漿液和雙高壓水施工，樁徑有保障，無需復(fù)噴，能保證工效，又可節(jié)約部分水泥用量。

“新二重管法”也適用于深水通道中淤泥地質(zhì)土層等多種復(fù)雜環(huán)境施工。在深水通道施工，傳統(tǒng)二重管法一次噴漿，淤泥地質(zhì)不易成樁，樁體水泥含量較少，樁體強(qiáng)度相對砂質(zhì)地層低；采用雙高壓水泥漿液施工能增加樁體水泥含量，無需復(fù)噴工作，工效可提高。

2.2 施工工藝差異

1)鉆孔垂直度。設(shè)備鉆孔的垂直度至關(guān)重要。中、俄雙方鉆孔垂直度偏差控制在<1.0%。

2)噴漿壓力。高壓旋噴的一個(gè)重要參數(shù)是噴漿壓力，與噴射出的有效樁半徑有直接關(guān)系。中方的壓力控制在30～37 MPa進(jìn)行雙噴，俄方的壓力控制在42～45 MPa。

3)高壓旋噴提管方式。中方在高壓旋噴樁施工過程中勻速提管，提管速度為80～100 mm/min，勻速提管的方式能有效地對周圍土體等進(jìn)行連續(xù)噴射，對樁的連續(xù)性有很大的提升；俄方每4 mm提管停頓一次，噴漿10 s，提管速度為240 mm/min，該方式不利于在特殊的土質(zhì)或巖石等地段施工。

3 旋噴樁止水效果檢測方法

3.1 檢測原理

施工要求止水帷幕的滲透系數(shù)≤1×10-5cm/s，水泥漿強(qiáng)度≥1 MPa。對高壓旋噴樁鉆孔，檢測取出芯樣的28 d抗壓強(qiáng)度，以此來檢測止水帷幕高壓旋噴樁的強(qiáng)度；在海側(cè)鉆孔的位置進(jìn)行注水試驗(yàn)得出防滲墻的滲透系數(shù)，在岸側(cè)鉆孔的位置進(jìn)行觀測，綜合檢查止水帷幕防滲墻的止水性能。

3.2 實(shí)施步驟

3.2.1鉆孔取芯

1)孔位選擇。高壓旋噴樁施工完成后，靜置28 d，使高壓旋噴漿體達(dá)到一定強(qiáng)度，再對高壓旋噴樁滲透性進(jìn)行測試。高壓旋噴樁直徑800 mm、樁間距500 mm，在相鄰高壓旋噴樁的結(jié)合處選擇鉆孔點(diǎn)。在海側(cè)隨機(jī)選擇一處鉆孔點(diǎn)，岸側(cè)的鉆孔點(diǎn)與海側(cè)鉆孔點(diǎn)位置相距2～3根鋼板樁的長度。鉆孔位置見圖6。

圖6 鉆孔位置(單位：mm)

2)鉆孔跟進(jìn)。在所選海側(cè)孔位鉆孔，鉆機(jī)底座應(yīng)嚴(yán)格找平、墊實(shí)后方可鉆進(jìn)。先用外徑φ146 mm(內(nèi)徑127 mm)鉆頭鉆至高壓旋噴樁樁頂高程以下0.5 m，埋入套管(外徑133 mm，內(nèi)徑123 mm)并用水泥漿將套管管腳固結(jié)封堵，凝結(jié)時(shí)間一般不少于24 h；固化后再用外徑φ110 mm、內(nèi)徑90 mm的鉆頭鉆至高壓旋噴樁樁底高程(-34.2 m)以上0.5 m；完成鉆孔之后移至所選岸側(cè)孔位鉆孔，重復(fù)以上步驟，鋼板樁海側(cè)孔位作為注水試驗(yàn)點(diǎn)，鋼板樁岸側(cè)孔位作為觀測點(diǎn)。鉆孔步驟及深度見圖7。

圖7 鉆孔步驟及深度(高程：m；尺寸：mm)

3)將每個(gè)鉆孔取出來的芯樣貼好標(biāo)簽(如孔位-1、孔位-2、孔位-3)，用切割機(jī)截取3段有代表性且完好的芯樣(高徑比0.85～2.00)，用濕布吸干后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，抗壓強(qiáng)度≥1 MPa。見圖8。

圖8 高壓旋噴樁鉆孔芯樣

3.2.2注水試驗(yàn)

注水試驗(yàn)前先用GPS測量儀在注水位瓶口測注水位高程，記為H1，在船塢降水井處測量地下水位，記為H2，做好注水試驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。

1)洗孔。將水管下放至鉆孔要求的深度，用清水對孔底進(jìn)行沖洗，直至孔口冒出清水。

2)封堵管道。海側(cè)和岸側(cè)管道沖洗完畢后，在海側(cè)孔位管道內(nèi)加入紅色染色劑，并進(jìn)行焊接封堵，設(shè)置可調(diào)節(jié)密封閥門以檢測焊接封堵質(zhì)量；水管另一端安裝注水裝置于高處，高差≥1.5 m。

3)注水。在注水桶內(nèi)加入高錳酸鉀染色劑，向孔內(nèi)注水不低于30 min，使孔內(nèi)充滿紅色染色劑，待滲水量基本穩(wěn)定后開始讀數(shù)，讀數(shù)時(shí)以量筒或量杯向注水桶內(nèi)注水，使孔內(nèi)保持一定水位，每隔5 min讀取一次注水量。當(dāng)連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，即可結(jié)束試驗(yàn)，取最終注水量作為計(jì)算值。

4)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理。

(1)

式中：K為滲透系數(shù)(m/min)；Q為孔內(nèi)注入的穩(wěn)定水量(m3/min)；R為滲水影響半徑(m)，為防滲墻厚度的1/2；r0為鉆孔半徑(m)；S0為注水位至孔底距離(m)；H0為注水位至地下水位的距離(m)，H0=H1-H2。

通過計(jì)算，得出海側(cè)孔位的滲透系數(shù)K值是否滿足要求(≤1×10-5cm/s)，同時(shí)將綁有棉花的鉛錘下放至岸側(cè)觀測孔位底部，通過觀察棉花顏色變化，綜合判定止水效果。

3.2.3鉆孔孔洞封堵

注水試驗(yàn)完成后，滲透系數(shù)滿足要求且觀測無顏色變化，鉆孔孔洞用水泥漿完成補(bǔ)漿工作；若滲透系數(shù)不滿足要求、止水效果不佳，需進(jìn)行補(bǔ)噴工作。

4 實(shí)施效果

本工程止水帷幕防滲墻屬于雙排高壓旋噴套接，從中選取部分分段的高壓旋噴樁進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)防滲墻的止水效果，結(jié)果見表3。

表3 高壓旋噴樁止水效果抽樣檢查結(jié)果

抽樣檢查的結(jié)果為防滲墻的滲透系數(shù)和高壓旋噴樁的抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，將綁有棉花的鉛錘下放至岸側(cè)觀測孔位底部，蘸水的棉花均未染有紅色染色劑，高壓旋噴樁止水帷幕的止水效果良好。見圖9。

圖9 岸側(cè)孔位檢查

5 結(jié)語

1)“新二重管法”可根據(jù)不同的環(huán)境將噴射管道自由組合設(shè)計(jì)，噴出多重不同介質(zhì)的噴射流。具有施工快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。在深水通道淤泥地質(zhì)土層施工條件下，采用多重高壓水泥漿液氣體噴射法施工，取得的效果更佳。

2)鉆孔法檢查滲透系統(tǒng)K值的計(jì)算公式和方法適用于大多數(shù)船塢工程止水效果評判，是一種新的綜合檢查評價(jià)高壓旋噴樁止水帷幕工程質(zhì)量的方法，具有廣泛的應(yīng)用前景。