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振动沉模防渗板墙技术
一、前言
最近几十年，国内外为了解决江河堤防、水库土坝和其岩土基础工程的渗漏问题，先后 研究应用了多种垂直防渗加固工程技术，取得了很大的进展。如槽孔式混凝土连续墙、高喷 灌浆、劈裂灌浆、基岩帷幕灌浆、深层搅拌桩、锯槽铺塑、射水法防渗墙等技术。这些技术 各有所长，已在国内得到了广泛的应用，发挥了重要作用，同时也存在着某些局限性。
通过对现有垂直防渗技术的分析研究和工程现状的调查，许多堤坝存在着严重渗漏隐患 ，研究一种质量好、工效快、价格经济的防渗技术，成为当务之急。
我公司研制成功的振动沉模防渗板墙技术更适应目前防渗工程任务的需要。它的优点： ①防渗板墙垂直连续，墙面平整，无接缝、缩板、断板缺陷，完整性良好；②板墙薄，厚度 均匀，目前可做到10～25cm；③墙体抗压强度、渗透系数等项物理力学指标可根据设计要求 调整浆料配比；④施工进度快，单机每台班造墙面积150左右；⑤造墙深度可达到20m；⑥ 板墙单位造价比较低，一般为120～150元／。其缺点：对大的卵石、块石地层沉入困难， 不能沉入基岩，深度受限制。
二、基本原理
1.振动机械原理
振动沉模防渗板墙动力设备是振动锤，在其两根轴上各装有偏心块，由偏心块产生偏心 力。当两轴相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高 频率振动(见图1)。振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，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密度、粘性、粒 径有关，易液化的地层沉入速度愈快。
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。从图2来看，当激振力R大于以下三种阴力 (刃面的法向力N的竖向分力，刃面的摩擦力F的竖向分力，模板周边的摩阻力P的合力)时， 模板即能沉入地层；当R与N、F、P的竖向分力平衡时，则模板停止下沉。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胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减 小，提高了模板的沉入速度。同时挤压、振密模板周边一定范围内的土层。挤压、振密范围 与模板的厚度及地层的性质有关。挤压范围与模板的厚度有如下的关系：bj＝(2～3.5)b( 见图2)。
3.振动模板的成墙机理
(1)模板作用
振动模板沉入土层后，注满浆体；当振动模板提拔时，同时浆体从模板下端注入槽孔内 ，空腹模板起到了护壁作用，由于造槽是在不释放地基应力的情况下实现的，因此不会出现 缩壁和塌壁现象。从而成为造槽、护壁、浇注一次性直接成墙的新工艺，保证了浆体在槽孔 内良好的充盈性和稳定性。
(2)导向作用
为了保证防渗板墙连续可靠，无纵横向开叉，该项新技术采用了两块模板联合施工工艺 ，先已沉入地层的模板可作为后沉入模板的导向，保证了各相邻单板体在一个平面内紧密结 合成墙。

(3)振捣作用
模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的浆体有连续振捣作用，使墙体充分振动密 实。同时，又使浆体向两侧挤压，板厚增加。
(4)板墙接缝紧密的机理
振动沉模的模板作用、导向作用、振捣作用都使板墙接缝结合紧密。同时每个单板体板 墙从震动沉模灌注完成时间很短，一般仅为10分钟左右，在灌注材料初凝之前，可连续完成 多个单板墙施工。因此，几个相邻单板墙体浆液经反复震动而互相混合，使模板接头处的浆 液溶为一体，不存在墙间接缝问题，从而保证了板墙的连续完整性。
三、施工设备
振动沉模板墙施工设备主要有沉模系统、灌注系统两部分组成(见表1)。
1.沉模系统
包括步履式桩机、振锤、液压夹头、振动模板等。步履式桩机具有自携步履式轨道 及 可调机架，有前后移动和360°转动的功能，对于保证模板准确就位、提高工效、确保板间 连接可靠，具有重要的作用。动力设备采用电动机械式振动锤，该设备采用振锤电机功率90 kW(振锤功率可根据工程贯入深度和地质条件配置)。液压夹头是振锤与模板的连接器，可以 迅速而安全地夹持和松开模板，进行沉模灌注作业(见图1)。空腹模板是沉模和灌注的主要 设备，其横截面为矩形，工作端为活门结构，活门在振动沉模时闭合，拔板灌注浆液时打开 。模板侧有导向装置。内有润滑管路。
2.灌注系统
包括混凝土搅拌机和混凝土泵，是制浆和输浆的主要设备，向空腹模板内输入水泥砂浆 或设计要求的浆液材料。
四、施工工艺
1.施工流程(见图3)
2.施工程序
(1)振板就位
先将桩机调平，并使机架立柱垂直，将A模板对准孔位，振动体系的自重将板刃压入土 中，检测调整振板的垂直度达到规程要求。
(2)振动沉模
①启动振锤，先将A模板沿施工轴线沉入地层，达到设计深度。A模板为先导模板，有起 始、定位、导向作用。
②再将B模板沿施工轴线与A模板紧靠挤接，沉入地层设计深度。B模板为前接模板，起 到延长板墙长度的作用。
(3)浆体灌注和提升
向A模板空腹内灌满浆体，然后边振动、边上拔、边灌浆，直至拔出地面，浆体留在槽 孔内，形成密实的单板体。
(4)浆体充盈灌注
由于槽孔的实际厚度等于模板空腹体积＋模板壁体积＋被浆体挤压的体积，因此，浆体 要有一定充盈量(由初始试验或经验确定)。在模板振拔过程中，模板空腹内要始终保持一定 的浆体高度，保持模板空腹内有足够的浆体充盈量，确保浆体灌到防渗墙顶设计高程。
(5)再沉A模
A模拔出地面后，移动步履式桩机，使A模在B模前沿就位；此时，A、B两模作
用互换， 即B模为先导模板起就位导向作用，A模为前接模起到加长板墙作用。如此重复(1)、(2)、(3 )、(4)工序，连续不断的轮流操作，即可完成一道竖直连续的整体板墙(见图4)。
3.工艺参数
施工工艺参数是保证工程质量的重要因素，在进行施工组织设计时应根据工程要求和地 质条件选用适当的施工工艺参数值(见表2)。
五、质量控制
为确保各个单板之间连接可靠，墙体的物理力学性能指标、几何形状达到设计要求，主 要采取了如下措施：
(1)严格控制振板的垂直度，倾斜度不超过2‰。要求整平场地，用经纬仪调平机座，同 时调桩架立柱控制装置保持垂直，以保证振板的斜率达到控制要求。第一块模板为导向、定 位模板，更应严格控制模板垂度。
(2)为确保单板间连接可靠，防止单板接头处叉开，采用了双模板连续施工工艺，并在 模板两侧面设有导向和连结装置，确保了板墙连接的可靠性。
(3)模板两侧采用润滑措施，减少沉模阻力，加快了沉模速度，保证了板面平整，板厚 均匀。
(4)严格掌握灌注浆体的配比和均匀性，保证浆体有足够充盈量，拔板速度要严格控制 空腹内有一定充盈高度，确保浆液连续灌注到设计墙顶，浆液配比可根据墙体的物理力学指 标进行调整，以满足设计要求。
(5)利用空腹模板震动浆液，保证了墙体的几何尺寸，增加了密实度和均匀性，大大提 高了防渗板墙体的质量。
(6)严格掌握两模板间的紧密结合，使先后槽孔浇注的浆液在初凝前，在强力震动作用 下即相互溶混为一个紧密的整体。因此，经连续建造的单板体，形成为连接紧密、墙体连续 、完整的防渗板墙。
六、结语
(1)振动沉模板墙技术是在总结已有防渗加固技术工艺基础上，经过创新研制的一种构 筑防渗板墙新技术。
(2)利用强力振动工艺沉模、拔模、振捣、工作原理明确，成墙速度快，效率高，质量 好，墙体薄，成本低。
(3)模板设有连接导向装置，A、B模板互为导向、反复循环使用，从而保证了墙体的连 续可靠性。
(4)振动沉模使其两侧一定范围内的土体被挤密，形成的板墙与土结合好，成墙的厚度 为模板厚1.1～1.3倍。且与槽孔两侧相通的洞穴和水平漏水层均被浆液充填，有效地加固了 堤防。
(5)研制组装的整套施工机械设备，为实现科学成墙工艺和质量控制提供了设备条件， 保证了防渗墙质量，提高了施工效率。
(6)该项技术可适用于砂、砂性土、粘性土、淤泥质土和含小卵石的砂卵石层等。成墙 深度为20m。
(7)该项新技术1999年3月由水利部科技推广中心受水利部国际合作与科技司委托主持进 行了鉴定，评语为“国际先进水平”。1999年6月水利部下文在全国进行推广。1999年9月国 家科技部以《国科发计字［1999］378号文，关于下达(“九五”国家科技成果重点推广计划 指南项目(六)的通知)》中列入，1999年4月经申请已有五项施工工艺和实用新型由国家知识 专利局批准为国家专利。

该项技术在今后的实践中不断完善设备的配套性和自动化；研究成墙深度超过25m的设 备和工艺；针对不同情况，使用不同浆液材料，提高质量、降低成本；编制振动沉模板墙技 术规范(先已有试行规程)。