液压薄壁抓斗在南水北调中线渠堤防渗墙工程中的应用

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  摘要】 南水北调为线性工程,中线工程在实施中采用了众多施工工艺,本文简要文章介绍了液压薄壁抓斗施工工艺。通过塑性防渗墙施工实例,对液压薄壁抓斗施工塑性防渗墙施工参数及施工方法进行叙述,为塑性混凝土防渗墙施工提供了可靠有效的施工方案,对其他类似工程有很强的借鉴意义。
  【关键词】 南水北调;塑性混凝土防渗墙;液压薄壁抓斗;造槽;纯抓法
  【中图分类号】 TD355+.3【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123(2014)01-010-03工程基本情况
  该段渠堤为粘性土均一结构,地层岩性主要为重粉质壤土和粉质粘土,地表断续分布有一层人工填土,该段以半挖半填为主,挖方深度一般2~7m,最大挖深8m,渠坡岩性主要由重粉质壤土、粉质粘土组成,勘察期间承压水位高程一般97~100m,承压水头一般10~12m。
  渠堤防渗结构采用渠堤垂直防渗体与渠底粉质粘土、重粉质壤土层相结合,形成封闭的防渗结构。塑性混凝土防渗墙厚40cm,墙顶高程=设计堤顶高程-0.5m,墙体布置在渠堤堤顶中心,墙深8.89m~12.35m,与渠底粉质粘土、重粉质壤土层相接,并与之形成封闭的防渗结构,塑性混凝土配合比根据试验确定。
  2设备参数
  金泰SG46型液压薄壁抓斗:斗体厚度400mm,开斗宽度2800mm,开斗高度7000mm,斗容1.0m3,斗重10.2t。
  塑性混凝土拌合、运输设备:HZS50拌合站,10m3混凝土搅拌车,混凝土汽车泵。
  施工用风、水、电:2台3m3/min移动式空压机,泥浆池附近供水井一眼,备用2辆4m3水罐车,从附近变压器因电,并备200kw柴油发电机1台。
  3泥浆拌制系统
  泥浆池设计尺寸为5×20m,容量100m3,周边砌筑50cm砖墙,内外粉刷,作为围护结构。底部铺设150g~0.3mm~150g防渗土工膜,采用热熔焊接,确保接缝质量。
  泥浆池布设在总干渠渠道底部,泥浆池布设位置尽量能够覆盖到整个区段的施工,泥浆池尺寸:新浆池(长)5m×(宽)5m×(深)2m;膨化池(长)5m×(宽)5m×(深)2m;储浆池(长)10m×(宽)5m×(深)2m。新浆池、膨化池、储浆池的分布图及尺寸如下:
  
  
  
  
  
  (图中尺寸均以mm计,新浆池和膨泥化池、膨化池和储浆池之间各设置一道二四砖墙隔离,砖墙上设置槽口,槽口宽度0.5cm,深度为0.3cm。砖墙的两侧各设置两个挡墙。挡墙高度与隔墙高度一致,采用砖砌。)
  液压抓斗成槽过程中或浇筑混凝土时,为防止槽内泥浆易外溢,软化渠堤顶部填土,同时便于槽内泥浆回收,沿导墙每50m开一个溢流口,并在近泥浆池一侧的坡面布置一道泥浆槽,沟槽内采用水泥砂浆摸面,防止泥浆回收时,冲刷坡面。
  4混凝土配合比
  设计要求值:无侧限抗压强度2~5Mpa;弹性模量500~1500Mpa;渗透系数<1×10-6cm/s;破坏渗透比降≥300。
  同时,根据相关规范:塑性混凝土的水泥用量不宜小于80kg/m3,膨润土用量不宜小于40kg/m3,水泥与膨润土的合计用量不宜小于160kg/m3,胶凝材料的总量不宜少于240kg/m3,砂率不宜小于45%,在满足流动性要求的前提下,应尽量减少用水量,宜采用一级配骨料。经现场试验混凝土主要物理性能指标确定为:入槽坍落度20~24cm,坍落度保持在15cm以上的时间不小于1.5小时,墙体材料28天抗压强度为2~5MPa;混凝土初凝时间不小于6h,终凝时间不大于24h。最终确定配合比如下表:
  塑性混凝土配合比方案
  
  
  
  
  
  
  
  5施工方案
  结合工程实际情况,塑性混凝土防渗墙分I、II序槽段进行施工,混凝土防渗墙接头采用“接头管法”。
  5.1工艺流程。
  5.2导墙施工。为了给开挖机具提供导向、保护槽口、承重等,开槽施工需要先行施工钢筋混凝土导墙。导墙沿渠堤防渗墙轴线布置,槽口宽0.45m,导墙深1.3m,导墙做成“┓┏”形现浇钢筋混凝土结构,布置Φ10@250钢筋,横向钢筋间距25cm,倒“L”形钢筋3根每米。墙内侧净宽度45cm,总长为2140m(左右侧),单侧导墙设计宽度为2.3m,厚为30cm,深度为1.3m,采用C25混凝土。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  防渗墙施工程序图
  5.3成槽。
  5.3.1槽段划分:选择槽孔长度时应当遵循以下原则:根据一个工地的各项具体条件,在保证造孔安全、成墙质量的前提下,应尽量选择较长的槽孔长度。应当考虑的3个主要因素是:a、工程地质与水文地质条件;b、单个槽孔的造孔延续时间;c、混凝土浇筑能力,即混凝土的拌和与运输能力等。一般情况下槽段长度的划分为6~8m。本工程塑性混凝土防渗墙设计单面长度1070m,本着以上原则,槽段长度定为6~7.5m,三抓成槽。
  5.3.2造槽:防渗墙槽段施工采用液压抓斗“纯抓法”施工,主机倒退行驶,不允许在已成槽部位上行驶,以免孔壁坍塌。槽段先抓两边后抓中间,两侧主孔挖至距设计槽底深度约50cm后,再挖中间副孔,主孔内预留的50cm与副孔一起进行清底开挖;成槽初始段2~7米开挖时,应放慢挖掘速度,以防止遇到地下障碍物;整幅槽段挖到设计高程后进行扫孔,挖除铲平抓接部位的壁面及铲除槽底沉渣以消除槽底沉渣对将来墙体的沉降。
  成槽开挖过程中,保持仪表显示精度在1/500左右,整个成槽过程中随时进行纠偏,槽孔泥浆面始终保持在导墙面以下30~50cm,槽孔孔壁应平整垂直,不应有梅花孔、小墙等。
  钻孔达到设计深度后,核实地质情况。在成槽过程中对照地质勘探图纸对所遇到的各种地层采取土样,并填写地层的分层深度、取样时间等标签,标签填写好后装袋保留。
  5.4清槽。终孔验收合格后进行清孔。清孔采用抓斗进行清理,先用抓斗自槽底部采用定位法抓取槽底淤积物及沉淀物,然后下入Φ100mm钢管采用泵吸反循环法清孔。二期槽在清孔换浆前或清孔过程中应用钢丝刷子钻头清除槽段两侧接头混凝土壁上的泥皮,至刷子钻头不带泥屑、孔底淤积不再增加为止。
  成槽检查项目及质量标准
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  清孔检查项目及质量标准
  
  
  
  
  
  
  
  
  5.5槽段连接。防渗墙接头要求保持一定的整体性,抗渗性,本工程防墙墙体深度较深,主要采用接头管法施工。“接头管法”是目前防渗墙施工接头处理的先进工艺,采用接头管法施工的接头孔孔形质量较好、圆弧规范、孔壁光滑、易于刷洗,可以确保接缝施工质量。
  清孔换浆结束后,在一期槽两端孔位置下设Φ400mm钢制接头管,孔口固定,在混凝土浇筑过程中,根据混凝土初凝时间和混凝土面上升速度及上升高度起拔接头管。混凝土浇筑后接头管部位形成二期槽端孔,待二期槽成槽后连接成墙。接头管分节制作,插销连接,采用液压拔管机起拔。
  5.5.1接头管工艺:接头管安装采用拔管机和50t履带式起重机配合进行,工艺流程如下:
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  接头管安装工艺流程图
  5.5.2接头管下设:按槽孔深度配置接头管。下设前检查接头管底阀是否正常,底管淤积泥砂是否清除,接头管接头的卡块、盖板是否齐全,锁块活动是否自如等,并在接头管外表面涂抹润滑油或脱模剂。
  采用50t履带式起重机起吊接头管,先起吊底节接头管,对准拔管机孔中心,垂直徐徐下放,一直下到销孔位置,用钢管对孔插入接头管,继续将底管放下,使钢管担在拔管机抱紧圈上,松开保护帽固定螺钉,用清水冲洗接头结合面并涂抹润滑油或脱模剂,然后吊起第二节接头管,卸下接头保护帽,打开卡块盖,用清水将接头内圈结合面冲洗干净,对准接头插入,动作要缓慢,接头之间决不能发生碰撞,否则会造成接头唇部变形,使接头连接困难。用卡块卡接时,将卡块旋入并锁定。
  吊起接头管,抽出钢管,下到第二节接头管销孔处,插入钢管,下放使其担在导墙上,再按上述方法进行第三节接头管的安装。重复上述程序直至全部接头管下放完成。
  5.5.3接头管起拔工艺要点:拔管法施工关键是要准确掌握起拔时间,起拔时间过早,混凝土尚未达到一定强度,出现接头孔缩孔和垮塌现象;起拔时间过晚,接头管表面与混凝土的粘结力使摩擦力增大,增加了起拔难度,甚至接头管被铸死拔不出来,造成孔内事故。受地下水温的影响,塑性混凝土浇筑后,早期强度增长较快,通过对已浇混凝土采取针入试验,拔管压力试验并结合拔管后接头管自然升降观察等,确定拔管时间按以下控制:槽底第1节接头管(8m)起拔时间宜在浇筑完毕后2.5~3小时完成;第2节接头管(6m)起拔时间宜在浇筑完毕后6~6.5小时完成。
  5.5.4接头清理:为保证槽段之间连接质量,采用接头刷清除已浇墙段砼接头处的凝胶物,确保洗刷后均无泥皮。采用50t履带式起重机吊住刷壁器对槽段接头进行上下刷动,以清除接头杂物,若是少量较硬的附着物,则由自制的专用铲刀清除。
  5.6防渗墙墙体灌注。
  5.6.1导管布设:灌注导管沿槽孔轴线布置,槽孔两端的导管距孔端控制在1.0~1.5m,采用双导管,导管间距控制在3.0m以内。安装导管时,导管底部出口与孔底板距离应控制在30~40cm。配置导管时根据各槽孔的孔深、导槽顶至管架的距离来计算单根导管的长度,其计算式如下:
  L=L1+L2,L2=H-L3
  式中:L—导管长度(m);
  L1—孔外管长(m),即导管上端管口至导槽顶的距离;
  L2—孔内管长(m);
  H—孔深(m);
  L3—导管下端管口距孔底的距离(m),即导管悬空,一般30~40cm。
  5.7浇筑。槽孔混凝土灌注严格遵循先深后浅的顺序,从最深的导管开始,由深到浅依次开浇,直至全槽混凝土面基本浇平以后再全槽均衡上升。
  开浇采用压球法进行混凝土灌注。导管下设后在导管内放置略小于导管内径的隔离胶球作为隔离体,隔离泥浆与混凝土,然后在导管上口设置一个储料斗,在储料斗内出口上放置一个盖板。开浇前,将混凝土储料斗灌满(储料斗容积满足导管内容积及封埋导管不小于1.0m深的方量),使导管底部一次埋入混凝土面以下1.0m以上。储料斗的混凝土储存量按下式计算控制(式中参数见图3)。
  V=■Ha(L-2D)b+■h3d2■a
  式中:V—初浇混凝土体积(m3);d、D—导管内径和接头管直径(m);a—扩孔(充盈)系数(取1.2);L—槽段长度(m);b—槽宽(m);Ha—初浇混凝土高度(m),Ha=h1+h2;H—槽内混凝土面深度(m);
  h3—槽内混凝土高度达到埋管深度时,导管内混凝土柱与导管外液柱的平衡高度(m),h3=(r1/r2)×H;
  r1、r2—孔内泥浆和混凝土重度(kN/m3);
  h1—导管底端到孔底的距离(m),一般取0.4m;
  h2—导管埋入混凝土内的深度(m),一般取1.0m。
  当储料斗内的混凝土量已满足初灌要求时,拔出储料斗内出口上的盖板,同时打开储料斗上的放料闸门,使混凝土连续进入导管,迅速地把隔水栓及管内泥浆压出导管,同时将槽孔旁边的混凝土搅拌车内剩余的混凝土不断灌入储料斗内而使混凝土连续地灌入桩孔内。
  5.7.1灌注注意事项:①灌注混凝土一旦开浇后,保证连续进行,不得中断,并始终使导管埋入混凝土中足够深度,保证导管拆卸后导管埋入混凝土的深度不小于1m,以防止将导管拔出混凝土面;同时导管埋入混凝土中的深度不大于6m,以免出现堵管或铸管事故。混凝土灌注期间使用16t或25t汽车起重机吊放、拆卸导管。②灌注过程中,密切注意孔口情况,若发现孔口不返浆,应立即查明原因,采取相应的措施处理。③提升导管时应保持轴线竖直、位置居中。如果导管卡挂槽壁,可转动导管,使其脱开,然后再提升。④混凝土连续灌注,混凝土面上升速度控制在2m/h以上,遇特殊情况须间歇时,间歇时间应根据具体情况确定,但不宜大于30min。每槽段灌注时间控制在8h内灌注完成。⑤灌注时,槽口设置盖板,避免混凝土散落到槽内。混凝土置换出的泥浆通过泥浆排污沟排到其它正在施工的槽孔中或沉淀池,以防止泥浆溢出而污染环境。⑥在拔除最后一段长导管时,拔管速度放慢,以防止槽顶沉淀的泥浆挤入导管下,形成泥心。
  6施工过程中特殊情况处理
  6.1失浆处理。抓槽施工时,特别留意槽内泥浆面的变动情况。施工中,根据已抓出土体的体积与注入的泥浆量对固壁泥浆漏失量进行测算,并作详细记录,以便及时发现问题,做好堵漏和补浆准备,并查明原因,采取措施进行处理。
  出现失浆现象时,根据施工实际情况,在固壁泥浆性能指标基本满足要求的前提下,适当调整泥浆配比,或向槽孔内投入膨润土、烧碱、CMC等材料以增加泥浆的稠度和黏度,并适当放缓挖槽速度,待固壁泥浆漏失量正常后再恢复下沉抓槽。
  如果采取以上方法仍然不能有效控制失浆现象,则采用预灌浓浆法,施工方法如下:
  用粘土对失浆地层的槽孔进行回填,用工程钻机和跟管钻进技术钻超前灌浆孔。预灌浓浆孔的深度要超过漏失层。钻孔至要求深度后起出钻杆、套管留在孔内。从套管内注入浓浆,在分段起拔时持续灌注水泥膨润土浆液,其配比可采用水泥:土=1:3,水固比为1:1~0.7:1,如果吸浆量较大,可间歇灌浆、限流和灌注砂浆等措施;每段浓浆从孔口灌注至浆面不再下沉即可起拔下段。
  6.2塌孔处理。当出现塌孔时,首先尽快补充大比重泥浆,以稳定孔壁,向孔内加入粘土、锯末、水泥等,确保孔壁稳定和槽孔安
  全;如孔口塌孔,采取布置插筋、拉筋和架设钢木梁等措施,保证槽口的稳定;如仍无效,用粘土回填槽孔,15天后重新进行抓槽作业。
  6.3槽孔斜处理。成槽机施工中做到勤测、勤量,及时掌握孔形情况,如发现偏斜,可在斗头加焊一圈钢筋,扩大斗头直径,扩孔改变孔斜;或在孔斜的相反方向加焊耐磨块进行修孔。
  6.4混凝土浇筑堵管的处理。一旦发生堵管,可利用吊车上下反复提升抖动导管,如果无效,可在导管埋深允许的高度下提升导管,利用混凝土的压力差,降低混凝土的流出阻力,达到疏通导管的目的。
  当各种方法无效时,可考虑重新下设另一套导管,新下设的导管底中要完全插入混凝土面以下,然后用小抽筒将导管内的泥浆抽吸干净,再继续进行混凝土的浇筑。
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