防渗墙振动施工新技术（曾鹏九,孙宏莉）

［关键词］ 防渗墙 振动成孔 振孔高喷 振动沉模 振动沉板 振动切槽 振动切喷

1 前言

机械振动是一种频繁的、幅度不大的机械波动。它是材料加工和工程施工中使用的一系列高效方法的基础。

在建筑工程中利用振动，可使被振动的材料获得新的性质。例如：在工程施工中，振动作用将大大减弱材料颗粒之间，或土体、其他材料与其插入物之间的摩擦力，可降低到最小值；振动沉拔桩机利用振动将预制桩轻松振入土层；振动压路机使各类回填土变得很密实；在混凝土工程中，振动棒使混凝土变得密实，不出现空洞等。振动可以成倍、甚至十几倍提高工作效率，大大减轻劳动强度，具有巨大的经济效果。

近些年来，冲抓成墙仍是水利水电防渗墙施工中的主要方法。但同时也有很多新方法、新工艺飞速发展，特别是薄防渗墙技术，在设计可能情况下大有替代厚防渗墙的趋势。降低施工成本方面，利用振动原理施工防渗墙最具代表性。

2 振动方法施工防渗墙的原理

2.1 振动的效能

桩打入土中，须要克服桩端阻力和桩侧摩阻力，其中桩侧摩阻力为主要因素，且随打入深度增加而明显增大。例如：冲击式打桩机在振动沉桩法施工时，振动锤将振动传给桩，震动作用大大减小了桩侧与土体间的摩擦，仅桩端阻力起作用。这种情况下，仅需增加桩与振动锤自重之和的几分之一甚至十几分之一的外力，就能将桩沉入。

2.2 振动参数

振动靠激动力产生振幅，完成振动所要作的功。当激动力无法带动大质量桩管，振幅微弱时，桩便很难沉入土中。

振动分强迫振动与自由振动，任何物体自身都有自由振动。自由振动就是物体要保持自身平衡的一种力量。如果自由振动频率与强迫振动频率大致相同，便会引发共振，振幅变大。

当振动沉拔桩机的强迫振动频率（fr）与各类土层的自由振动频率（f0）的比值：fr/f0=1～1.5时，就会形成共振，共振时土颗粒间的结合水析出，土层液化，颗粒间粘结力急剧降低，桩表面与土体之间的摩擦力等于“0”，仅靠桩自重就可很快沉入。所以，振动沉拔桩机的振动频率应力求与土体的自由振动频率接近。有关部门已研究出部分土的自由振动频率，选用转速1450r/min的耐振电机，一般都能接近土体的共振频率。

振动产生的振幅，可由下式求得；

A=M0K1/ΣQ

M0—偏心力矩；

ΣQ—振动器与桩管重量之和；

K1—被振动的土的影响系数。粘性土K1=0.7～0.85，粉土K1=0.85，细粉砂K1= 0.9～0.95。

振幅可以克服桩侧面的摩擦力和粘结力，其大小根据振动频率、桩的类型和土体的性质而定，一般在2～20mm范围内。

振动可以减少很多工序，且效果显著。但也带来一些损害，它会使紧固件松脱，机器构件强度降低等。

3 振动法施工防渗墙的方法与工艺

3.1 振孔高喷防渗墙

振孔高喷是在普通高压旋喷的基础上发展起来的一种新方法。普通高压旋喷由钻机成孔后，将钻机搬迁，由旋喷机重新安装定位，下喷浆管进行喷射灌浆。即成孔与喷灌为两个各自独立的工艺过程。

振孔高喷将成孔与喷射灌浆整合为一道工序，振动钻杆即是旋喷浆管。振孔方法：顶驱式振动器与液压动力头结合，以振动回转方法成孔，成孔到设计深度后，振动器即停止运转，振管同时转换为喷浆管，提升振管而形成旋喷灌浆（如图1、 图2、图3）。

振动成孔时，管壁摩擦力非常小，只孔底存在阻力，若遇有卵石或大块石，可发挥球齿合金钻头的作用，同时配合激振力的冲击功将卵石击碎穿过。岩碴由冲洗液（空气包裹着的浆液）冲出，其压力为2～3MPa，流量50～60L/min。

振动成孔到达设计深度后，通过一种特殊装置将底孔堵塞，使浆液从侧向喷嘴喷出。停止振动，提高泵压与泵量，旋转提升，即构成旋喷（也可构成定喷或摆喷）。

振孔高喷施工是一种新二管法工艺，形式上是二重管旋喷，施工参数却高出普通高喷很多，空气压力由0.7MPa提高到1MPa，空气量由1m3/min提高到2～3m3/min。浆液喷射压力由20MPa提高到35MPa。水泥浆作为能量载体直接喷向土层，保证了射流能量所作用到的范围内，水泥成份扩散均匀。三峡三期围堰防渗墙与电源电站防渗墙采用此方法施工，单排墙，孔距0.6m，墙厚达1.2m，后将孔距改为0.8m。各项指标完全达到了设计要求。在工期紧迫的情况下，提前完成了施工。

振孔高喷新二管法施工的特点是成孔效率高、钻灌一体化、大浆压、大浆量、大风压、大风量、不分序、孔距密、快速提、质量高、效率高。三峡业主对这种工艺给与了很高的评价。

振孔高喷的质量可达到以下指标;

墙体强度： R28≥3Mpa

抗折强度： T28≥0.8Mpa

渗透系数： ≤1×10～7cm/sec

弹模： 500～800Mpa

墙的最大深度为 28m。

振孔高喷防渗墙施工工艺已于上世纪90年代获得国家科技进步二等奖，并列为国家“八五”科技成果重点推广项目。其工程实例有：长江三峡三期围堰防渗墙、长江三峡电源电站围堰防渗墙等。

3.2 振动切槽防渗墙

振动方法可以成孔，同样可以将一矩形切刀振动切入土层，此工艺可将防渗墙修筑得很薄而获得较好的经济效益。

切刀通过振管联接顶驱振动器，通过振动将切刀沉入土层（没有回转），将松散颗粒挤向两侧，形成槽段（图4），达到设计深度后，即可提升切刀。在切刀沉入与提升过程中，向槽内灌注浆液，待切刀提出槽口，即修筑了一小段灌满浆液的防渗墙。若干个相连小槽段的墙，即形成地下连续防渗墙。没有护壁工艺，如果遇到膨润性土层，槽段产生缩径，则可在切刀上部安装数把刮刀，多次提升刮削土层，排出槽外，整个槽段就可连续。

振动切槽虽与振动沉模有某些相似之处，其主要区别为：

振动切槽是用一矩形切刀，高小于0.5m，宽约1m，振动切入土中 （图5），由于切刀与土层接触面积小，磨擦阻力小，提升注浆时不须振动。而振动沉模在提升时也需振动。

这种工艺构思很新颖，具有工序简单、成墙质量好、效率高、成本低、对环境无污染等诸多优点，通常用它修筑混凝土防渗墙、塑性混凝土防渗墙。开创了建造地下薄防渗墙的新途径。

该技术只适用于标贯N≤18的土层（63.5Kg）。如砂土、壤土、淤泥、砂壤土、粉质粘土、砂层和含少量砾石的松散地层。

振动切槽工艺造墙深度一般在25m以内，厚度可以从8～20cm，可以说是防渗墙修筑工艺中成墙最薄的工艺之一。操作简单，耗能少。可广泛用于堤防防渗墙或水力坡比不大的临时围堰防渗墙等。缺点是：在卵石含量高的地层或有大漂石的地层，振动切入很困难。

2000年4月由国内著名专家学者鉴定的时候，该工艺创始研究不到十年，但已经完成了约20万m2的工作量，均获得了所有业主的好评。以马云良为主任委员、陈文斌、蒋振中为副主任委员为首的鉴定委员会一致认为；“该项技术工艺成熟，技术含量高，设备较为完善，适用于我国国情”。“该项工艺及设备为国内首创，达到国际先进水平”（鉴定书摘录）。给与了很高的评价。

该工艺技术在2000年8月获得第九届中国专利新技术新产品博览会特别金奖。其工程实例有：

（1）湖北黄岗的黄州堤段和安徽同马大堤的皖河北场等堤段防渗墙。

（2）1999年1～5月江西省九江市，长江于堤梁公堤采用振动切槽工艺施工，墙深15～18m，总工程量37 800m2。经开挖检查和取样测定；墙体连续性好，厚度≥14cm、抗压强度4.5～9.0MPa，渗透系数3.9×10-7m/s～8.33×10-8m/s、允许渗透坡降≥50，质量完全满足设计要求。经历了1999年长江特大洪水考验，被评为优质工程。

（3）1999年江西省九江市济益公堤防渗墙采用振动切槽工艺施工，质量优良。

（4）2000年江西省九江市永安堤段防渗墙采用振动切槽工艺施工，质量优良。

（5）2000年4～6月哈尔滨市城防堤防渗墙采用振动切槽工艺施工，堤身填筑的为非均质粉土、粉质粘土等，堤身下为原始砂、砂砾石，厚1 012m；砂砾石下为相对隔水的含砾粘土，墙深25m，墙体厚0.2m，嵌入相对隔水层2～3m。总工程量20 000m2，经开挖检查和墙体取样测定，各项指标均满足设计要求，被评为优质工程。

3.3 振动沉模防渗墙

利用振动将一种矩形空心模板沉入土层，强力振动下沉到设计深度后，浆液可通过空心模板向槽底注浆。一边注浆一边振动提升模板。浆液从模板底端注入槽内，迅速填满模板上拔而腾出的空间，从而浇筑墙体，成槽与浇注有机的联系在一起，无须护壁。

国外开发振动沉模比较早，如德国的宝峨公司（BAUE）在20世纪70年代在多瑙河河道整治及莱茵河堤防防渗处理中应用，共累计建成200万m2超薄防渗墙，是一项成熟的防渗技术。法国的威宝公司（PIC）也较早的开发应用了振动沉模技术。

宝峨公司与威宝公司的振动沉模技术都是采用大功率的液压振动锤，高达300～600KW，成墙工效可达56m2/h。机械化程度很高，并可用电脑进行操作。成墙厚度一般为10～30cm，成墙深度在20m。

国内已有中国华水水电开发总公司山东公司研制成功振动沉模防渗墙设备，施工防渗墙墙已达7万多m2，最大成墙深度17m，成墙厚度15～30cm。长江水利委员会也成功研发了此类设备，在“九五”期间已被国家列为科技成果重点推广项目，并获得国家五项专利。国内外振动沉模机的主要性能差异可见下表。

该技术主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥质土及砂砾石地层。对有卵石含量的地层沉入困难。

3.3.1 振动沉模工艺

振动沉模有两种工艺，一种是双模板法（图6）、一是单模板法（图7）。双模板有公母制约槽口，保证墙体不会开叉，有完整的连续性。单模板法是靠引入导向板，在已完成的上一个墙段内进行导向，可靠性比双模板法差，但工艺简单，效率要比双模板高，多用于深度在10m以内的防渗墙。

3.3.2 振动沉模防渗墙技术的主要特点

（1）工艺简单，操作灵活。

（2）技术先进，机械化程度高，成墙效率高。

（3）工艺具很强的科学性，墙体无接缝，连续性与完整性好。墙面平整，防渗效果好，质量有保证。

（4）无须泥浆护壁，无污染。

（5）不存在水泥浆的返浆问题，避免了返浆液的处理问题，与带来的污染。同时也节约了水泥，降低了工程造价。

（6）应用范围受一定限制，不适用于砂卵石层与含大漂石的砂砾石层。

（7）设备笨重，耗能高，小工程难以采用。

（8）模板的摩擦阻力很大，使成墙深度受到限制，一般不能超过20m。

工程实例有：

（1）长委于1990年引进德国宝峨公司振动沉模防渗墙技术，1999年4月～2000年8月，在监利县长江土干堤南河口，三支角段共施工防渗墙3.9km。后于2001年5月又在监利县薜家潭堤段进行300余米的生产试验，均取得成功。

（2）山东莱州市王河地下水库是一座新建工程，为防止海水入浸拦截上游地下潜流，原计划只采用高压旋喷技术，营造地下防渗墙。防渗墙长13 000m，最大深度40m，基岩为不透水的花岗片麻岩，地表至15m为壤土和中细砂层，下部为粘土、砂卵石。为保证工程质量加快施工进度，节约投资，后改用综合技术成墙；地表以下15m采用振动沉模防渗墙，往下至基岩采用高压旋喷技术。两种不同工艺防渗墙，搭接技术，搭接长度0.5m。振动成模成墙效率为100～200m2/台班，工程造价150元/m2左右，在壤土与细砂中施工工速度很快，成墙质量好，使原计划4个月的第一期工程提前了一个月，工程投资由原来的1 990万元减到980万元，总工程费用节省1 000万元以上。

（3）交通部第二航务工程局在洪湖套口防渗墙要程施工中采用振动沉模单模板工艺，桩号458+000～458+800，墙深18m，墙厚20cm，墙长800m。成墙28日后渗透系数K<10～7、抗压强度>6.0MPa，效率200m2/台班以上。

3.4 振动沉板防渗墙

振动沉板防渗墙的工艺方法基本与振动沉模相似，所不同的是振动沉板的模板不是空心的，而是型钢做成的，在型钢上焊有浆管、水管，在振动沉入有困难时，可在底部进行水力喷射。在沉板到达设计深度后，由输浆管注入浆液，振动起拔。进行第二个插板墙段时，型钢的头部重叠已成墙的尾部，来保持墙体的连续性，腹板为墙的最薄部份，薄达7cm。

插板用型钢多采用“H”型与“工”字型。规格多采用高30～80cm，翼板宽15～40cm的“工”字钢做主板，底端加焊钢板，在翼板与腹板的交角焊两根灌浆管。为防止板沉入时泥土堵塞管口，在管口上可堵以木塞或铆钉，当插板上拔灌浆时，塞子便可以自行脱落。图8为振动沉板施工情景。

3.5 振动切喷防渗墙

振动切喷是振动切槽派生出来的一种工艺，最适宜修筑薄防渗墙，薄达8cm。它是在振动切槽的基础上，将喷嘴安装在切刀下部，在振动切槽的同时，进行定喷（如图9），能有效的提高振动切槽效率，大副度提高切刀提升速度，显著提高成墙效率。

振动切喷是在切刀下部约40cm处，安装有相对180°两个喷嘴，与切刀在同一轴线上。不回转，只振动下沉。切刀在振动切入的同时，喷嘴进行定喷。它可以形成以下功能：

（1）超前切割土体:由于喷咀超前切刀，所以切刀未切入之前，喷嘴先进行由空气包裹的浆液高压喷射，对土体进行切割破坏，使土体变得松散，切刀很容易沉入。尤其是对密实土层、砂层等，能显著提高切刀沉入效率。

（2）提升切刀定喷灌注:喷嘴到达设计深度后，切刀下有40cm没有切到，但由于有定喷对土体切割，浆液搅拌就可以成墙。切刀提升腾出的空间时，定喷就会向槽内灌满水泥浆。等于是两种成墙工艺同时进行作业，使墙的连续性可靠。

（3）槽内定喷质量稳定:定喷的影响半径比切刀大，定喷浆压达35MPa，其影响半径可以超过1个切刀段，使单个切刀槽孔能有效的连接起来，保证墙体的连续性、防渗性。

工程实例：重庆市北碚区草街航电枢纽工程，工程在嘉陵江右侧修建临时围堰，计划于2005年11月10日完成截流，11月底具备挡水能力，完成堰内施工任务后，2006年4月30日完成围堰的拆除工作。2005年秋季又逢嘉陵江大水，围堰戗堤进占自2005年11月2日和5日分别从上游和下游两端开始，11月20日在桩号0+850附近合拢，防渗墙施工采用多种工艺，有振孔高喷、振动切喷、可控灌浆三种工艺。各自发挥优势，又相互取长补短，20天完成1万m2的防渗工程，基坑开始试抽水。经过11天的试抽和补充性防渗工作，于12月21日围堰闭气，同时约15万m2基坑内近30万m3的坑内积水全部抽干，围堰总渗透量降至1 000m3/h以下。防渗工程开始至基坑内积水抽干，历时26天，共使用二台高喷机（仅工作20天），二台可控灌浆设备，实现了大型水电工程围堰防渗施工少见的高速度。

4 振动施工防渗墙的优缺点

4.1 振动方法施工的优点

（1）以上所述振动施工方法均可共用同一高架桅杆与振动锤，只需更换成槽工具，切断或是连接回转动力头，就可以形成各种不同的成墙振动工艺，灵活方便，增加了设备应用的广泛性。可以施工最薄的防渗墙，也可以施工最厚的防渗墙。如振动切槽可施工仅8cm厚的防渗墙。振孔高压旋喷可施工1.2m厚的单排防渗墙。

（2）用振动方法成孔或成槽，效率极高，经济效益好。

（3）振动方法成墙，除振孔高喷在旋喷的过程中，有搅拌和置换以外，其他方法均用充填灌注成墙。所有的方法均不用泥浆护壁，省略了配制泥浆的设备与置换泥浆的工序，降底了成本。同时减少了泥浆的污染。

（4）振动工艺成墙连续可靠，混凝土等成墙材料在槽内经过多次振动，使墙体密实而无空洞，墙的连续性好,墙的防渗性能与固结强度得到保证。

4.2 振动方法施工的缺点

（1）因为一个立根为防渗墙的设计深度，所以桅杆架很高，在成槽机位移时，4t多重的振动锤悬挂在顶部，安全性显得非常重要。

（2）目前，国内均使用电动振动锤，这种振动锤在起动与停车时，由于振动频率的由高而低，由低而高的变化，引起与成槽机短时间的共振，造成很大的振幅，同时引起大的噪声污染，即对人体有害，也容易损坏机件。工业发达国家已有一种可调式液压振动锤，可避免这个缺点。当前，我国也已经研制成功可调式液压振动锤，并已批量生产。

（3）振动机底盘较大，质量也很大，一般在40t以上，给运输增加了一定难度。

5 结语

根据防渗墙设计和施工地层的不同，采用不同的振动方法施工，一般均可取得很好的效果。或者可以利用振动成孔的高速与其他施工方法结合，构成整个工程的施工方案。且振动高桅杆可以一机多用，适用性广，施工效率高，成本低，质量好。应用前景广阔，非常适合我国国情，有很好的应用价值与研究价值。

参考文献

［1］ E、П米克拉谢夫斯基，H、ф麦利古诺夫著［M］.“建筑振动机械”.

［2］ 曾鹏九“临时围堰防渗墙修筑的新模式”［J］.基础工程技术，2006年第1期.

［3］ 曾鹏九“振动切槽防渗墙的施工技术”［J］.基础工程技术，2007年第1期.

［4］ 陈劲骢“振动沉模板墙技术在漳州防洪堤改建工程中的应用”［J］.水利与建筑工程学报2006年9月.