摘要：对于中粗砂层较厚的多轴深层搅拌防渗墙施工，通过改进钻头，采用中间钻头喷气工艺施工工艺，能有效地提高施工效率。以潮州供水枢纽工程上埔堤防渗墙施工为例，介绍多轴深层搅拌在厚中粗砂层中的施工工艺及质量控制。
关键词：多轴深层搅拌防渗墙；厚中粗砂层；中间钻头喷气；质量控制
1、工程基本情况及地质条件
上埔堤是潮州供水枢纽重要挡水建筑物之一，潮州供水枢纽为Ⅰ等工程，其主要建筑物级别为2级。库区的上埔堤为Ⅰ级堤防，其堤顶高程13.4～14.8m，堤顶宽度3～6m。
上埔堤堤基地质情况，从堤顶向下依次为人工填土层、粉质粘土层、中粗砂层、淤质粘土层、淤质细砂层，地下水位高程4m左右。地质条件如表1所示。
表1上埔堤堤基地质条件
| 编号 名称 平均厚度（m） 渗透系数（cm/s） |
| 1 人工填土 5.89 5×10-3～3.12×10-3 2 粉质粘土 3.27 6.75×10-6 3 中粗砂 9.36 9.80×10-2～5.13×10-2 4 淤质粘土 9.21 4.02×10-7 |
2、防渗墙设计要求
设计采用多轴深层搅拌防渗墙技术进行处理，它能够完全封闭透水层的渗透通道，从根本上解决渗透变形问题。表1可以看出，堤基埋藏有两层透水层：即1人工填土层和3中粗砂层。要达到理想的渗控效果，防渗墙必须穿过中粗砂层深入淤质粘土层2m.防渗墙墙体有效厚度不小于200mm，墙深范围为16.6～19.6m。对墙体的主要技术要求如下：
（1）掺入的水泥用量，外加剂用量，水灰比需由材料实验室根据防渗和强度要求试验确定配合比；
（2）墙体的垂直度误差不大于0.4%；
（3）墙顶中心线允许误差为±30mm；
（4）墙深偏差不大于200mm；
（5）墙体的渗透系数应小于A×10-6cm/s（1＜A＜10），墙体90d龄期的单轴无侧限抗压强度抗压强度应不小于0.5MPa；
3、改进方法及参数确定
该工程采用一台SP-5H型多动力三头深层搅拌桩机施工，最大成墙深度21m，钻头中心距325mm，钻头直径380mm，钻头间带有刚性连锁装置，施工中一次成墙。通过进行试验桩施工，最终确定合理的施工方法和施工参数。
3.1施工工艺改进
本工程地层以砂层为主，厚度大，如果采用传统的“预搅下沉、喷浆搅拌提升、停浆复搅下沉、再喷浆搅拌提升”的施工工艺，将导致在第二次喷浆过程中，桩管被砂层埋住而无法拨出。为了有效地解决此问题，经过研究，结合地层情况，并根据试成桩的取芯效果，将其施工工艺改为“两搅两喷”工艺[1]，即喷浆搅拌下沉、喷浆搅拌提升的施工工艺。
3.2水灰比的确定
合理选择水灰比，先决条件是使水泥土在搅拌过程中必须呈流态；结合本工程地质情况及施工工艺，浆太稠不利于钻进，容易堵赛管道。因此必须选择合适的水灰比；从土体吃浆情况分析，土体有空隙率，水灰比过大，则填充空隙的水泥用量就越少，水泥土性能指标则难以保证，水灰比过小则不经济；从水位情况分析，水位以下的墙体若水灰比过小浆液被稀释，成墙质量无法保证。参考其它工程经验，施工中多取水灰比为：1.0～2.0，采用12%的水泥掺入量。该工程对1.0的水灰比作三组成墙单元约10m长的试验墙。7天后开挖检查，开挖长10m，深3.5m，宽2m，并去掉桩头50cm.经检查，水灰比为1.0的成墙单元成墙效果较好。桩间搭接良好，墙体完整，轮廓清晰，墙体密实性好，从墙体剖面来看，最小墙厚达22cm，桩间最小搭接厚度64mm，从墙体侧面轮廓用吊锤测试垂直度均小于0.4%，孔口有少量返浆，因此水灰比为1.0可满足施工要求。
3.3改进钻头
施工时，当钻进深度达到9m后，产生孔斜并频繁出现钻进时喷浆孔堵孔现象，且提升钻杆困难，造成深搅机电动机工作电流过大，存在电动机烧毁的危险，并多次出现埋管现象，严重影响施工进度。钻头提起后，检查喷浆管，发现喷浆管中的水泥土浆中夹杂大量砂粒。分析原因，钻杆钻进深度达9m后，进入中粗砂层，采用正常搅拌转速、提升速度难以使浆液得到充分搅拌，孔口的喷浆压力小于水泥土浆产生的压力，导致大量砂粒进入喷浆孔，从而导致喷浆孔堵塞，如单一的增大输浆压力必然造成返浆过量，材料浪费。不均匀的含砂水泥土浆造成钻杆提升时阻力较大，使钻杆提升困难。针对这一问题，经过多次试验，订出如下改进措施：
将双层4叶片改为三层6叶片，在底层十字叶片下方焊接切削片，宽6cm，长6cm，与刀片成向下30o夹角，以提高切削和搅拌效率并起到定向作用，刚进入砂层时，降低钻进速度，从而避免孔斜；将喷浆孔直径由1cm改小为0.6cm以提高喷浆孔口处的出浆流速，减少堵孔几率。钻头改进示意图如图1.
3.4采用中间钻头喷气工艺
采用两侧钻头喷浆，中间钻头喷气工艺施工。从水泥土搅拌桩的成桩机理来看，水泥浆与土体的搅拌越均匀，土体颗粒粉碎越小，水泥浆分布到土体中就越均匀，则水泥土结构离散性就越小，其总体强度就越高[2][3]，而砂本身具有搅动松散的特性，采用两侧钻头喷浆配合中间钻头喷气工艺，可以大大减少埋管的几率。因为砂层具有搅动松散，同时又具有快密实等特点，在下搅过程中进行喷浆、喷气，砂颗粒间能快速充满浆液，减缓砂密实，并严格控制下沉和提升的速度，砂颗粒与水泥浆液的强制搅拌得到充分拌和，提高了拌和物的流动性，减少堵管、埋管的可能性。该工程现场采用AW9008型空压机供气，从施工情况来看，如气压太低，无法达到预防喷浆口堵塞的效果，如气压太高，则返浆量过大。通过现场试验，最终确定气压为0.4～0.7MPa，大大提高了深搅机在中粗砂层的施工效率。
3.5其它参数的确定
图1钻头改进示意图
根据试验桩施工情况分析，决定采用水灰比为1：1、两搅两喷、中间钻头喷气，一次成墙的方案施工。具体施工工艺参数如下：
钻头直径：380mm
水泥掺入比：12%
单元成墙长度：970mm
单元桩搅拌面积：0.326m2
钻进速度：0.5～0.6m/min
提升速度：0.6～0.8m/min
转速：47～55r/min
浆液比重：1.51g/cm3
每米桩水泥用量：70.4kg
每根管0.25米浆量：下沉80%8L，上提20%2L
4、施工中的质量控制
4.1桩位
防渗墙施工前，按照图纸的墙体中心线进行放样定位，其中心线允许误差度不得大于±3cm。施工中，从起始桩号开始，沿前进方向每50m拉线放样一次。用拉线标定施工方向，并用定位标尺标定桩位。
4.2钻孔垂直度
下钻前检查主机上的水平控制装置并确保主机机架处于铅垂状态。施工中，重点检查主机支腿是否存在下陷或油缸泄压现象，若有此现象，应及时通过四个支腿油缸调平。
4.3浆液参数及输浆
水泥浆液严格按照规定的配合比1：1制作，用比重计测量控制浆液的质量，浆液比重控制在1.49～1.53g/cm3范围内。
根据地层吃浆变化调整输浆量和中间钻头气压，总输浆量不小于设计要求。根据采用的水灰比及每米所需水泥浆量，计算出每0.25m所用水泥浆量作供浆参考，采用电脑记录仪控制，记录并及时打印出其升降每0.25m用浆量。输浆保持一定的压力，但不宜过大，输浆压力控制在0.4～0.8MPa。
4.4提升和钻进
为保证浆液搅拌均匀，严格按照施工工艺参数控制钻进、提升速度，并与搅拌轴转速相协调。对于设计墙底高程以上2～3m范围内或掘进达设计深度延续喷浆10秒左右，重复提升1～2次。
4.5墙体深度
在桩架导柱上划分标尺来测量钻进深度，钻进深度不小于实际地面高程与设计墙体底部高程之差。
5、质量检测
质量检测采取开挖外观检查、取样室内实验等手段。
5.1开挖外观检测
按平均每250m一段，每段均在施工结束15天后开挖检查，开挖长度约10m，开挖深度最深达3.5m，宽度2m.经检测，防渗墙体搅拌基本均匀，成墙厚度最小23cm，最大26cm；防渗墙体连续均匀，整体性好，桩间搭接良好，未发现开叉现象，桩轮廓垂直度在0.4%以内，上部和下部搭接基本一致，搭接处最小厚度为62mm（理论厚度58mm）。
5.2室内试验
对上埔堤深层搅拌防渗墙抽芯检测了五个部位，共抽芯6孔，总进尺196.1m；取有深搅防渗墙渗透试验样品12组（72件），深搅防渗墙抗压试验样品12组（36件）。具体试验数据见表2，表3[4].从试验结果来看，深搅防渗墙渗透系数小于A×10-6cm/s（1＜A＜10），深搅防渗墙抗压强度离散性较大，但均大于0.5MPa，均满足设计要求。
表2上埔堤深搅防渗墙芯样室内渗透试验数据汇总表
| 抽芯孔编号 | 取样深度（m） | 芯样编组 | 渗透系数单个值（×10-8 cm/s） | 渗透系数代表值 （×10-8 cm/s） | |||||
| 1-0 | 3.0～4.15 | 1 | 4.04 | 4.00 | 2.68 | 2.32 | 4.00 | 4.13 | 3.53 |
| 6.8～8.0 | 2 | 73.82 | 54.23 | 46.07 | 25.32 | 49.02 | 40.85 | 48.22 | |
| 2-0 | 12.1～13.5 | 1 | 52.37 | 2.07 | 1.77 | 1.80 | 1.58 | 1.47 | 10.18 |
| 3-0 | 1.35～2.5 | 1 | 78.56 | 14.15 | 2.68 | 11.50 | 2.10 | 3.32 | 18.72 |
| 5.3～6.55 | 2 | 30.64 | 3.67 | 3.14 | 17.51 | 13.62 | 3.95 | 12.12 | |
| 10.95～12.15 | 3 | 5.37 | 5.45 | 5.21 | 5.11 | 2.07 | 1.92 | 4.19 | |
| 4-0 | 0.5～1.6 | 1 | 13.62 | 105.65 | 122.55 | 10.21 | 14.15 | 26.30 | 48.75 |
| 4.2～5.4 | 2 | 61.27 | 105.65 | 46.07 | 36.69 | 122.55 | 91.45 | 77.28 | |
| 10.2～11.4 | 3 | 1.72 | 2.07 | 1.58 | 1.55 | 1.92 | 1.77 | 1.77 | |
| 5-0 | 1.0～3.0 | 1 | 2.74 | 2.19 | 2.85 | 3.22 | 10.18 | 122.55 | 23.96 |
| 6-0 | 1.8～3.4 | 1 | 3.95 | 2.39 | 30.64 | 4.08 | 3.55 | 30.64 | 12.54 |
| 4.0～6.5 | 2 | 40.85 | 16.00 | 14.15 | 46.07 | 2.64 | 2.04 | 20.29 | |
表3 上埔堤深搅防渗墙芯样室内抗压试验数据汇总表
| 抽芯孔编号 | 取样深度（m） | 芯样编组 | 抗压强度换算单个值（MPa） | 强度代表值（MPa） | ||
| 1-0 | 2.0～3.0 | 1 | 3.97 | 3.97 | 4.02 | 3.93 |
| 6.0～6.6 | 2 | 0.52 | 0.63 | 0.57 | 0.57 | |
| 2-0 | 11.5～12.1 | 1 | 2.88 | 5.22 | 7.51 | 5.20 |
| 3-0 | 2.5～3.1 | 1 | 1.09 | 1.75 | 2.81 | 1.88 |
| 6.6～7.2 | 2 | 2.53 | 2.40 | 2.88 | 2.60 | |
| 12.15～12.7 | 3 | 9.35 | 6.53 | 7.69 | 7.86 | |
| 4-0 | 1.6～2.1 | 1 | 3.81 | 2.74 | 1.92 | 2.82 |
| 5.6～6.1 | 2 | 1.62 | 1.40 | 1.36 | 1.46 | |
| 11.4～11.9 | 3 | 7.85 | 10.10 | 7.53 | 8.49 | |
| 5-0 | 0.6～1.0 | 1 | 2.01 | 2.00 | 2.80 | 2.27 |
| 6-0 | 1.3～1.8 | 1 | 2.93 | 3.49 | 3.28 | 3.23 |
| 3.4～4.0 | 2 | 1.88 | 0.73 | 0.96 | 1.19 | |
6、结语
在粗砂层较厚的地质条件下进行深搅施工，采用中间钻头喷气施工工艺，通过调整喷气的压力，能改变施工时含砂水泥土浆液的流动性。如能根据地层吃浆变化，调整喷气压力和输浆量能经济有效地填充地下孔隙。具体做法是：当吃浆量较大时，喷气压力调小，输浆量增大；当吃浆量较小时，喷气压力调大，输浆量减小。在实践中，通过改进传统的深层搅拌桩施工工艺和钻头结构以及采用中间钻头喷气的施工方法，成功地应用于厚中粗砂层中施工，较好地解决了厚中粗砂层中提升困难和埋管等问题，提高了施工效率，保证了桩体均匀性和连续性，桩身强度，渗透系数等参数均能满足设计要求。
