振动沉模施工防渗板墙施工工艺及在除险加固工程中的应用

振动沉模施工防渗板墙施工工艺及在除险加固工程中的应用赵明（中国水电基础局有限公司三公司）提要结合张家口蔚县壶流河水库的运用、从施工条件、机械设备、运用效果等方面介绍了振动沉模防渗板墙施工工艺，并对该新工艺施工技术进行总结，以及对该工艺的推广应用及进一步改进提出了建议,。

关键词振动沉模、防渗板墙、施工工艺、施工设备、应用效果、技术要点1、概述河北省水利厅于2001年10月对蔚县壶流河水库组织大坝安全鉴定，安全鉴定的结论确定为三类坝。

由于拦河坝坝体存在软弱夹层，当蓄水位达正常蓄水位922.0m时，下游坝坡大面积浸湿，以致于水库不能正常蓄水，大坝防洪标准不足1000年一遇洪水，针对坝基粘土层的渗透问题，经水利部河北水利水电勘测设计研究院勘测设计研究决定采用防渗墙处理. 目前，施工的连续防渗墙的厚度一般为30cm左右，技术也多采用挖土开槽、泥浆护壁、清渣、浇水下混凝土、处理接缝等工序。

壶流河防渗墙的厚度只有12cm，很难采用其他的施工方法，经河北省水利厅批准，壶流河除险加固防渗墙工程决定采用振动沉模这种新的防渗墙施工工艺。

该项技术能在砂、砂砾石、粘土、淤泥质土及砂砾石地层建造连续混凝土防渗墙，深度可达20M，厚度8~30cm，也就是说振动沉模可以施工8~12cm的超薄防渗墙。

该项新技术采用挤压土体成槽工艺，不但不释放土体应力，而且在振动沉模过程中，将其两侧各30cm左右土体挤压密实，提高了抗渗能力；振动沉模造槽是在原土体被模板挤压作用下完成，且在提拔模板过程中，边提模板边注浆，浆液从模板底部注入槽内，加之浆柱压力大于土体侧压力，因此，不会出现缩壁和塌壁现象，形成造槽、护壁、灌浆一次连续成墙，解决了其它防渗墙施工工艺中一些烦琐的工序，减轻了劳动强度，增强了施工质量；振动沉模板墙施工在注浆过程中，坝基内凡与槽孔相连通的洞穴（如植物洞穴、墓穴、废管涵等）、集中漏水通道、水平漏水层等，都可得到浆液填充，有效加固坝基。

2003年5月10日~2003年8月20日首次在壶流河水库大坝进行施工使用，完成施工轴线总长1500m，成墙面积达16000m2，防渗板墙施工轴线为坝顶的中轴线，深度为10.3m。

2 适用条件2.1地质条件在粘土层、淤泥质土层、砂、砂型土中该技术具有很好的适用性，进度快，效率高。

在砂砾石层及较小颗粒的砂卵石层中因模板受到的阻力较大，其沉模效率就低。

在壶流河水库工程施工中，一般粘土层每日每台设备可造墙280m2。

对于粒径大于30mm的砂卵石层该工艺目前恐难以施工。

2.2板墙深度与板墙厚度振动沉模施工防渗板墙是利用强力振动原理，将空腹钢模板沉入土中，向空腹内注满浆液，边振动边提升模板，浆液留于槽孔中形成单块板墙，将单板连接起来，即形成连续的防渗板墙帷幕。

模板作为造孔的主要设备，受其材料等各种因素的影响故板墙的最大施工深度为25m，厚度为8~30cm，而且板墙施工深度在一定范围内应是同一深度。

2.3场地条件本工艺适宜在坝顶和坡脚外平整滩地，设备要求场地宽度不小于6.0m。

2.4浆液振动沉模防渗板墙浆液必须考虑坝体的变形、坝体的弹性模量、渗透性能极其抗压强度，所以浆液所用材料和浆液配比必须满足其设计要求。

2.4.1浆液材料主要依据墙体的物理力学指标要求确定。

一般振动沉模防渗板墙可采用水泥、粉煤灰、砂石子、粘土、膨润土及清水等，有时根据工程需要添加减水剂、缓凝剂、防腐剂等。

水泥：一般选用425号普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。

水泥应严格防潮和缩短存放时间，不得使用过期变质水泥，水泥必须定期定量出具有质量检测单位的检验报告书。

砂：以细砂为宜，有机含量不大于3%，含泥量不大于10%。

粉煤灰：应选用精选II级袋装粉煤灰，烧失量不宜大于8%。

2.4.2浆液配方：根据工程需要和工程条件，选择浆液配方。

例如：水泥浆、水泥砂浆、水泥粉煤灰浆、膨润土砂浆、水泥粉煤灰砂浆、水泥粘土浆、水泥粘土砂浆等。

各种浆液的组合与配比应满足防渗墙工程的抗压强度、渗透系数、抗渗坡降等设计要求。

一般振动沉模防渗墙工程28天渗透系数k≤i×10-7cm/s，抗压强度1~15Mpa，抗渗坡降大于500，弹性模量1000Mpa左右。

水泥粉煤灰砂浆浆液质量密度以1.9g/cm3左右为宜，浆液在初凝前不沉淀不离析，塌落度一般水泥砂浆应大于15cm，初凝时间不小于4h，终凝时间不大于24h。

壶流河水库振动沉模防渗板墙工程浆液配合比为1：1.2：1.67：8.06：0.0164（水泥：粉煤灰：水：砂：外加剂）3 基本原理3.1振动机械原理振动沉模防渗墙技术的动力设备是振动锤，在其两根轴上各装有偏心块，有电动机带动偏心块产生偏心力。

当两轴相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向激振力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振动。

振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击量，将空腹模板迅速沉入地层。

模板的沉入速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的性质有关。

3.2振动沉模原理振动体系的竖向往复振动，将模板沉入地层，当激振力大于三种阻力（刃面的法向力、刃面的摩擦力的竖向分力，模板周边的摩擦阻力）模板便能沉入地层，当激振力平衡于三种阻力时，模板停止下沉。

由于模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪切破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减少，提高了模板的沉入速度。

同时在振动沉模过程中挤压、振密模板周边一定范围的土层，挤压范围一般为模板厚度的2~3.5倍。

3.3振动沉模的成墙机理3.3.1模板作用：振动沉模板墙技术施工时，以强大的垂直激振力，将空腹模板沉入地层中，随即向空腹内注满浆液，当振动沉模提升时，浆液在重力作用下从模板下端注入槽孔内，空腹模板和浆液起了护壁作用。

3.3.2导向、定位作用：单板墙之间的连接是保证防渗墙质量的关键性问题.该项新技术采用了A、B两模板的联合施工工艺,通过特殊的构造,先已沉入地层的模板成为后沉入模板的导向板,并且先沉入地层的模板有定位作用，两块模板板板相扣,保证了各单板墙体在一个平面内紧紧结合成墙.3.3.3振密作用：模板在振动沉入和振动提拔过程中,对已注入的浆液有连续振捣作用,使其充分振动密实.同时,又使浆液向两侧挤压,渗透,增大了板墙防渗的有效厚度.3.3.4连续作用：振动沉模的模板作用,导向作用,振捣作用都有效的保证了板墙的连续性,同时,由于每块单板体墙施工从振动沉模到灌注完成,时间很短,一般仅为40min左右,在灌注到槽孔内的浆液初凝之前,可连续完成多个单板墙的施工,因此,几个相邻单板墙体浆液经反复振动,在初凝之前即互相混合,使单板体接头处的浆液渗溶为一体,不仅不存在单板墙间的接缝开叉问题,而且使接缝处得到加厚加强,从而保证了整体板墙的连续性、完整性。

4 机械设备振动沉模施工成套设备主要有沉模成墙系统、制浆输浆系统和动力系统组成。

这些设备的各个系统中，可根据不同的施工条件选用不同的主机或辅机，以保证工程施工的正常进行为原则。

4.1沉模成墙系统包括桩机、振锤、夹头、模板、水泵等。

（1）桩机振动沉模可以采用步履式桩机、履带式桩机、滚管式桩机和轨道式桩机。

这几种桩机主要是行走机构不同，其它部分基本一致。

（2）振锤振锤是沉模板墙施工的主要施工设备，它具有沉模和拔模两中功能。

(3)连接件连接件是连接振锤与模板的连接器。

（4）模板振动沉模施工工艺一般采用双模板，有时工程需要也可以采用三模板，每块模板的结构都相同，由振头、板体、夹板、浆管、水管组成。

振头是空心体，尖刃面向下沉入地层将振头两侧土体挤开，使模板快速下沉。

振模施工时，振头的活门自动封闭，当振模提升时，振头的活门自动打开，模板内的浆液排入模板提升后腾出的槽孔内，凝结后形成板墙体。

模板体横截面为空腹曰性，模板一侧装有导向槽，另一侧装有导向板，施工时先沉入的模板对后沉入的模板有竖直导向作用。

空腹模板内有两根空心钢管，作为水管和浆管。

本工程采用的轨道式桩机施工，轨道式桩机的特点是结构较为简单、施工轴线易于控制、施工功效较高，满足振模板墙施工的要求。

连接件采用法兰盘，用高强螺丝连接在振锤上。

模板采用双模板，模板振头采用抽屉式可以自由开关，模板空腹，内部安装一根1.2寸的浆管，夹板也是采用法兰式跟连接件连接，连接起来也是用高强螺丝，每次振完一块板需要上下螺丝，耽误一点时间，但操作简单，不容易出现机械故障。

4.2制浆供浆系统制浆供浆系统主要包括搅拌机、输浆泵和输浆管路组成。

大型工程还可以建立搅拌站制浆和运浆车输送浆液。

（1）搅拌机本工程采用ZJ400搅拌机制浆，按照试验所得并经监理认可的配合比的要求，把不同材料放入料斗内，然后用搅拌机根据操作要求充分搅拌，成为混合均匀的砂浆。

（2）砂浆泵根据不同的工程要求，可选用砂浆泵或混凝土泵进行浆液输送。

对于板墙深度较浅的工程，输送水泥粘土浆，水泥粉煤灰浆，可以选用砂浆泵；对于板墙深度较深的工程，或输送较稠的水泥砂浆或混凝土时选用混凝土泵。

本工程使用的浆液是水泥粉煤灰浆，故采用砂浆泵输浆。

5、振动沉模施工5.1 振动沉模施工主要工序1）施工放线：防渗墙的施工轴线位置放线误差应小于2cm；2）导向槽：起导向作用，确保墙体垂直，而且防止振动沉模时的浆液溢出，污染工作面；3）铺设行走道轨：道轨工作面的高差要一致，其高差不得超过5mm;枕木间距根据工程地质特点在0.5~1.0m之间调整。

两根平行铁轨之间的间距根据沉模桩机行走轱辘码的间距进行布置，一般为1.60m。

铁轨与枕木、铁轨与铁轨的连接应按铁道部门要求进行。

4）桩机调整桩机到位使其在道轨上往返行走，对准孔位，调整桩机立柱的水平与垂直度，使其模板的倾斜度小于设计要求。

5）模板固定：桩机到位调整后，需进行模板的固定，模板的固定用焊在桩机上的固定夹来调整模板的左右倾斜度以及固定夹上的高强螺丝来固定模板，使其按设定位置进行沉模。

6）振动沉模：先将A模板沿施工轴线沉入到设计深度，该模板为先导模板，有定位、导向作用，再将B模板紧靠A模板沉入到设计深度.6）提升注浆：B模板沉入设计深度后，桩机由B模板位置移至A模板位置，往A模板空腹内灌满砂浆，浆液返出后，边提A模板边注浆，直至A模板拔出地面，浆液灌满槽孔。

7）桩机行走：桩机行走靠桩机的正反卷扬，在施工时挖好地锚，前进时用正卷扬与地锚连接，倒退时用反卷扬与地锚连接。

5.2施工工艺参数本工程地质情况为坝体粘性土，防渗板墙深度10.3m，厚度12cm，根据上述工程特性采用的工艺参数见表5.2.2。

表5.2 .2 壶流河水库振动沉模板墙工程施工工艺参数表分类名称单位参数值振锤激振力KN570振频次/min1050模板长度m10.50宽度m0.70厚度cm12提速m/min1~2注浆泵压力Mpa4.0流量L/min2005.3工艺流程图见图5.3。