MSMTW多轴水泥土施工技术与设计

1、多轴掘搅水泥土防渗薄墙施工技术与设计（MSMTW施工技术与设计）多轴掘搅水泥土地连墙【E（M）SMTW、MSMW工法】推广应用课题组二00六年二月1.总论图-1主机1.1 概要MSMTW（Multishaft Soil-cement Mixing Thin-Wall）工法，是在液压履带式支撑移动车上的三支点垂直挺（导）杆上装载着527025（532025）型挖掘搅拌装置，通过3孔送浆、2孔送气、5轴搅拌、三维作业、跟踪监控，在原有位置将基土和水泥混合搅拌成均匀、密实一致且壁薄的地下连续墙的施工技术。该项技术（国家“948”项目，已通过国家级鉴定。2003年江苏省建筑业省级施工工法；2006年被

2、建设部批准为2004年度国家级工法）包括吸收了国际先进技术而研制开发的地下掘搅水泥土造墙机和施工工艺。是防渗、固基、支护等工程的较先进且可靠而经济的技术之一。主机见图1。1.2 适用条件和范围MSMTW工法适用于壤土、砂壤土、粉质壤土、砂土、粉土、砾质土、粘土与上述土类相间或混杂以及含粒径不大于10的卵（碎）石土层。制成均匀的水泥土地连墙墙体内可任意内置型钢，从而进一步提高了墙体的承载力和止水性能；此工法既可用于防渗帷幕截流防渗；又可用于挡土和支护结构；还可广泛用于地基加固或改良。对多弯道、小半径的堤坝有较好的适应性，且不受场地空间和毗邻建筑物的影响。1.3 特点1、 墙体密实 延续性好 由于

3、5根搅拌轴带有加长的多片螺旋叶、搅拌翼增加了单位时间内掘搅基土的次数、以及气体的升扬置换的共同作用，使得组成墙体的混合物上下均匀一致；墙体每幅间为套接，从而提高了墙体的整体性和防渗性能；2、 墙体薄且深度大 墙体有效厚度为16.530cm，深度可在30m以内选用；3、 稳定性好，垂直精度高 由于三支点桩架能跟踪纠偏；多轴间的旋转方向互为反相，能自稳平衡；动力头随导轨滑移，止摆套管限位和加长的螺旋叶片的导向等组合作用，使得钻具垂直精度小于1/200；4、 独立分体，能耗低 5根转轴的动力源为独立分体结构，启动负荷小，能耗低；5、 结构紧凑、易地快捷方便 注浆泵，制、供气系统，储浆桶和配电柜置于支

4、撑机尾部，并与其融为一体，使得移动支撑机易地方便、灵活、快捷；图- 2单幅挖掘形状及规格6、 工效高，造价低 由于加入高压气体的辅助作用，减少了钻进过程中的摩阻力；而5轴成一字形整体布列，每台班可成墙110160；墙体固化材料为普通水泥，易于选购；能充分利用原地土体，就地取材；机械化程度高，每台班技工和普工平均不超过12人；7、 环境影响小 一是不损坏原有的地基应力；二是噪音低，振动小；三是不用泥浆护壁,减少了环境污染，有利于文明施工。1.4 挖掘规格与造墙方式1.4.1挖掘规格、形状见表1和图-2。表-1挖掘机械成墙参数表机械型号钻头直径D（cm）墙体有效厚度d(cm)轴间距L（cm）成墙深

5、度H（m）5270253140.422302725532025364416.5303225图-31.4.2挖掘顺序为达到墙体的连续性且有良好的防渗性能，确保接头的质量是施工的关键环节。保证各幅间的连续、维持挖掘的垂直精度，必须是依靠重复套打来保证。按挖掘顺序可分为：（1） 往复式双孔全套打复搅式标准形（见图-3）（2） 顺槽式单孔全套打复搅式套叠形（见图-4）图-5图-4（3） 预钻孔往复式双孔全套打复搅式标准混合形（当标准贯入度N50时采用）（见图-5）图-6套接式挖掘1.4.3挖掘断面 套接式挖掘断面见图-62.机械设备2.1MSMTW造墙机1. 动力装置由电机、减速机和传动箱构成独立动力

6、装置而分别驱动5根挖掘搅拌轴转动见图-7。图- 7动力驱动装置图- 8掘削搅拌轴2. 掘削搅拌轴带有螺旋叶和搅拌翼的掘削搅拌轴为挖掘头提供动力传递，同时与其一起搅拌基土之功用。搅拌轴内空心通道为挖掘头送气、送浆之作用见图-8。3. 挖掘头位于MSMTW机挖掘轴的最前端，起掘削基土之用，由齿状环形间隔布置而成。可根据不同土质选配不同的构造型式见图-9。4. 止摆套管限制螺旋叶片位移和垂直导向作用。2.2支撑移动车支撑移动车采用液压履带式三支点打桩机械。该机由主机、底盘、回转机构、卷筒机构、操作室、液压系统组成。它通过挺杆支架装载着MSMTW造墙机，从而实现机械化作业。2.3导（挺）杆支架带有管式

7、的双导轨挺杆和两个斜支撑与移动车实现三支点铰接。它把MSMTW造墙机与移动车有机地连接成一体。图-9挖掘头2.4监控装置1. 导（挺）杆倾斜仪：指示导（挺）杆的倾斜程度；2. 水泥浆液浓度计：检测水泥浆液的比重；3. 测距器：测定MSMTW造墙时的幅间位移量；4. 测速/测深/测时/测耗仪：用以控制吊索的缠绕速度和记录钻深、钻孔时间及钻机耗电电流；2.5供浆系统它由3台套的灰浆搅拌机、输送泵、电磁流量计、储浆桶和行走支架组成。并用3根高压输浆管与MSMTW造墙机连结。为及时地清洗机具，还需配置高压洗净机一台套。2.6供气系统该系统由空压机、储气罐、压力表、气量计和2管分配器组成，并用2根高压管

8、向MSMTW造墙机送气。2.7供电系统由于MSMTW机的5根转轴动力源为独立分体结构，用一台250KW发电机组作为供电电源。施工主要机械见表-2。表-2施工主要机械类别设备名称规格型号单位数量配套功率（KW）用 途造墙机MSMTW机驱动装置5轴电动套15×24或2×55为挖掘提供动力源掘削搅拌轴68m根按需传递动力挖掘头310405mm或360440mm件5挖掘基土之用保持架件1保持钻杆稳定止摆套件1限制螺旋叶片位移及垂直导向支撑机液压履带式移动车50T级台1117.6装载主机辅助设备螺旋式水泥输送机200mm台13制、供浆制浆机桶1300mm台13储浆桶1300mm台22

9、×3注浆泵HBW140/3台33×7.5送浆泵65mm台111.0水箱1.5m3台1送水泵80mm台17.5空气压缩机3m3/min台22×22供气辅助挖掘其它电源250KW台1驱动装置、制浆、供气系统、照明、维修动力高压清洗机1/2英寸喷嘴台12.2清洗钻杆挖掘机0.5m3台1挖储留沟、挖弃土自卸卡车5T级辆1运输泥土垫板120×18×650cm3块6液压履带式移动车行走2.8主要检测设备和配置见表-3表- 3主要检测设备和配置序号设备名称规格型号单位数量用途应遵循标准1导（挺）杆立柱倾斜仪Angelstar®电子式角度仪只2指示导

10、（挺）杆立柱垂直度相关技术标准2流速和累计流量计电磁式IFS-4001只3测量输浆量相关技术标准3经纬仪DJ2台1校核导（挺）杆立柱垂直度相关技术标准4水准仪钟光DS3台1量测水准相关技术标准5钢卷尺把2测距相关技术标准6比重计支按需测量浆液比重相关技术标准3.劳动组合 本施工工艺每台班共需人员12人。人员组合及工作岗位见表-4。表- 4每台班人员岗位组合工 种岗 位 内 容人数技术要求领 班全面负责施工质量、安全、进度，惯彻岗位责任制，协调各岗位有序施工1持有助工以上证书主操作员按规程操作主机，视工况调节好灰浆量和气量，对运行中的非常情况能作出应急处置1需经岗位培训制浆员按规程操作制浆机，根

11、据要求配制好浆液2需经岗位培训机电维护员负责机械发电、供电，机器和电气系统的维护和保养2持有电工上岗证普 工负责开挖储留沟，回浆储存、回注和修复场地6需经岗位培训合计每台班劳动组合人数124.设计4.1固化剂及掺入比固化剂一般选用普通硅酸盐水泥。若使用其他凝固材料，但必须做掺入拌和材料的物理力学性能试验来决定种类配合比。固化剂的掺入量（占天然土重的百分比）主要由成墙墙体的渗透性和强度指标控制。特别是老堤加固、堤身墙体刚度不宜过大，固化剂的掺入比，通常选用720%，在某些堤身变形要求较高时，浆液中可掺入适量的粘土或膨胀土或其它外加剂，以增大墙体的柔性。4.2水灰比每一处防渗墙施工现场，由于土质的

12、差异、水泥品种、标号的不同，成墙速度和质量有较大的差别。尤其是在老堤身成墙时，或由于含水量较低、或原堤身土强度较高，水灰比（水泥与水的重量比例）过小时会造成施工困难并造成墙体幅间套接面存在泥膜。而按规定的配比施工，对水泥土混合硬化后的强度、防渗性有利。另一方面，除了规定配比作为重要因素外，下述施工过程中，控制施工质量的好坏，还需考虑下列水泥土混合物必然所要具有的性能：易挖掘性能；在混合搅拌中土粒子可能浮游分散在泥浆中的性能；具有使挖掘墙壁稳定的性能；防止泥从墙壁上散失，脱落的性能；因此，设计给定的水灰比只能是根据试验或常规给定的参数值，其具体值待现场施工试验并取样进行室内试验确定。在国内工程中

13、一般取1.02.0。4.3用水通常是使用自来水，如采用当地自来水以外的水时，必须进行水质判断适用与否。海水致使土壤膨润，助长了土壤透水性。4.4渗透系数截渗墙的重要设计指标之一是墙体渗透系数。根据已成墙工程资料，在不同的土层中选用水泥掺入量720%，渗透系数均可达到A×10-6cm/s（1A10量级（主要控制指标）。因此，要求墙体渗透系数不大于A×10-6（1A10）。4.5设计厚度 截渗墙的设计厚度可按下列公式计算取值：B = 式中 B最小防渗墙厚度 H 防渗水头差 J 允许水力坡降根据有关试验资料, 允许水力坡降J取为50（功能性、一般性控制指标），考虑施工可能造成的允

14、许偏差。应按在最不利情况下允许偏差与深度的关系修正墙的最小设计厚度值。4.6抗压强度对于堤防防渗墙来说，墙体基本上不承受坚向荷载，墙体无侧限抗压强度值和弹性模量值不要求过高。据已有工程实践，在水泥掺入比720%时，墙体水泥土试块无侧限抗压强度（功能性、一般性控制指标）须大于0.5Mpa（90d龄期的抗压强度）；弹性模量在A×103A×104（1 A 10）之间。4.7设计深度防渗墙的设计深度通常由地质条件和设计条件允许渗流深度两个因素控制。当堤基下不深的位置有较密实的不透水土层时，截渗墙的墙底深入该土层0.5m即可。当堤基下透水层深厚，墙底深按设计允许渗流深度计算，加0.5

15、m安全深度。5.施工5.1施工工艺流程图-10工艺流程图施工工艺流程包括清场备料、放样接高、开沟铺板、安装调试、移机定位、掘进搅拌、回转提升、成墙移机等。见图-105.2施工准备1、 清场备料 平整压实施工场地，清除地面地下障碍，作业面不小于7m，当地表过软时应采取防止机械失稳的措施。备足水泥用量；2、 测量放线 根据施工范围内提供的坐标基准点，按设计图纸要求放出墙体施工轴线，每50m布设一高程控制桩，作出明显标志，作为测量复核，并提交监理部门复核验收；3、 安装调试 支撑移动车和主机就位；架设桩架；安装制浆、注浆和制气设备；接通水路、电路和气路；运转试车；4、 开沟铺板 开挖横断面为深1m、

16、宽1.2m的储留沟以解决钻进过程中的余浆储放和回浆补给，长度超前主机作业10m，铺设箱型钢板,以均衡主机对地基的压力；5、 补充勘探 为详细掌握地层性状及墙体底线高程，水泥土防渗墙施工前沿防渗墙轴线先行导孔施工，以揭示地层情况，应沿墙体轴线间隔50m布设一个先导孔，钻孔深度应为设计防渗墙底线 以下5.0m，局部地段地质条件变化严重的部位，应适当加密钻进导孔，取芯样进行鉴定，描述出地质剖面图，并会同监理部门、设计部门确定施工防渗墙底线以指导施工。5.3施工管理1、 钻机就位 由当班班长统一指挥钻机到指定位置，移机时要看清周围情况，发现问题及时处理；根据5根掘削搅拌轴两边轴间的中心距离，在墙体中心

17、的标线上划定每幅间套接的位置，偏差控制在±5cm以内；2、 垂直的精度 用桩架的导杆垂直来保证钻杆的垂直度，桩架导杆由垂直度角仪调整，由现场施工员采用经纬仪作桩架垂直度的初始零点校准，垂直度控制在±1/200以内；3、 挖掘深度 在桩架导柱上划分标尺来量测钻进速度及最终掘进深度。控制挖掘深度为设计深度的 ± 0.2 m ；图- 11搅拌时间钻进提升关系图4、 掘进 开动MSMTW掘进搅拌机，并徐徐下降钻头与基土接触，按规定要求送浆、供气；开始慢速搅拌进尺，当钻进一定深度后改为快速掘进。在掘进过程中一次注浆完毕，全程气体不得间断，其量大小视钻进速度的土质情况实施间控

18、。随时检测搅拌轴的垂直度，以保证搅拌桩的偏倾率不大于1/200。此间，保存好涌入储留沟中的水泥土混合物，以利回填和整备墙体之用；为保证能充分搅拌基土，用桩架导柱标尺和计时器联合控制钻进搅拌速度在0.5 1.0 m / min；5、 提升 采用一次钻进一次提升的方法完成单幅造墙。有必要时(内置芯材)对于墙底深度以上23 m范围或掘进达设计深度延续10 s左右，重复提升12次，见图-11搅拌时间钻进、提升关系图。此后慢速回转提升转杆，鉴于回转转杆时转矩过大，调整转速和提速以减缓耗用功率的突变。提升速度不应太快，避免形成真空负压，孔壁坍陷，造成墙体空隙，一般情况下提升速度应控制在1.0 1.5 m

19、/ min ；在此进程中，将置存于储留沟中的水泥土混合物导回，以补充填墙料之不足；6、 成墙厚度 为保证成墙厚度，应根据挖掘头齿片磨损情况定期测量齿片的外径，当磨损达到2时必须对其进行修复；7、 墙体均匀度 为确保墙体质量，应严格控制掘进过程中的注浆均匀性以及由气体升扬置换墙体混合物成沸腾状态；8、 墙体套接 每幅间墙体的连接是水泥土防渗墙施工最关键的一道工序，必须保证充分套接。在施工时严格控制桩位并做出标识，以达到墙体整体连续作业；9、 水泥掺入比 水泥掺入比视工程土质情况由设计要求确定；10、 水泥检验 选用强度为32.5（或其它标号）的普通硅酸盐水泥，水泥应新鲜无结块，过4900孔筛筛余

20、量不大于5，水泥应按规范要求的批量进行检验，分批号堆放。水泥浆液应进行与地层土体搅拌成混合体的物理及力学性能试验；11、 水灰比 根据现场试验而定，一般控制在1.02.0左右；12、 浆液配制 浆液不能发生离析，水泥浆液严格按预定配合比制作，用比重计或其它检测手法量测控制浆液的质量。为防止灰浆离析，放浆前必须搅拌30s再倒入储浆桶；浆液性能试验的内容为：比重、粘度、稳定性、初凝、终凝时间。凝固体的物理性能试验为：抗压、抗折强度。现场质检员对水泥浆液进行比重检验，监督浆液质量存放时间，水泥浆液随配随用，为防止水泥浆液离析，制浆桶和储浆桶中的水泥浆液应不断搅动。施工水泥浆液严格过滤，在灰浆搅拌机与

21、集料斗之间设置过滤网。浆液存放的有效时间符合下列规定：1、当气温在10ºC以下时，不宜超过5h。2、当气温在10ºC以上时，不宜超过3h。3、浆液温度应控制在5º40º以内，超出规定应予以废弃。浆液存放时间超过以上规定的有效时间，作废浆处理；13、 注浆 制浆桶制备的浆液放入到储浆桶，经送浆泵和管道送入移动车尾部的储浆桶，再由注浆泵经管路送至挖掘头。注浆量的大小由装在操作台的无级电机调速器和自动瞬时流速计及累计流量计监控；一般根据钻进尺速度与掘削量在80140L/min内调整。若中途出现堵管、断浆等现象，应立即停泵，查找原因进行修理，待故障排除后再掘进搅

22、拌。当因故停机超过半小时时，应对泵体和输浆管路妥善清洗；14、 供气 由装在移动车上空气压缩机制成的气体经管路压至钻头，其量大小由手动阀和气压表配给；一般控制压力为0.30.4Mpa左右，全程气体不得间断；15、 弃土处理 开挖的储留沟足够大是为了保证墙体混合物不外溢，若仍有多余时，应报请监理工程师批准，待混合物干硬后外运至指定地点堆放；16、 特殊情况处理（1） 遇到地下构筑物 施工时当遇较大石块或零星构筑物且埋深较浅易于开挖，用人工方法清除；如不能克服，在征得设计和监理代表同意，方可改变施工方法。（2） 地层致密、搅拌下沉困难 如遇地段含水量较低、致密坚硬的粘土地层,搅拌下沉困难时，采用加

23、大水灰比的施工方法，每幅墙体的水灰比应合理控制。（3） 遇地下涵洞、电缆等穿堤构筑物 应检查和探明构筑物结构和具体位置，待其两侧搅拌墙体完成后，采用高喷灌浆（或其它方法）对构筑物周边及上下地层进行封闭处理，或按监理工程师指示进行。（4） 搭接 在防渗墙轴线上布置两台或两台以上搅拌机分段施工或相邻钻幅时间间隔过长时，由于前幅墙体水泥土的硬化后致使后幅钻具不能钻进套接，就会出现施工接头。在施工过程中，沿原定的施工轴线上或在施工轴线的任意一侧，两有效墙体（不到设计深度的墙体不作有效墙体）边缘碰接连续成墙，中间碰接处用钻孔灌注水泥砂浆或其它方法进行连接。图-12塑性砼墙连接（5） 与其他墙体连接 与砼

24、或砼塑性墙体采用贴墙方式连接.见图-1217、 施工记录与要求 每班施工报表是工程施工的原始记录凭证，在施工中随搅拌下沉作业过程中，及时填写现场施工记录，每掘进1幅位记录一次在该时段的浆液比重、下沉时间、供浆量、供气压力、垂直度及桩位偏差。现场填完每班报表后，认真复核本班施工内容，请班长、施工员审阅签字上交监理工程师。5.4质量管理1. 为确保工程的质量优良，对工程施工进行全面质量管理，从组织上建立施工组织管理网络，成立分项工程经理部，配备专职质检人员，各班组配备质检员；2. 按设计和规范要求制定科学合理的施工方案和安全操作规程、安全文明管理措施及岗位职责；3. 严格控制主要大宗材料水泥的质量

25、，坚持材料验收合格证制；4. 单元工程的质量评定先由班组进行初检、质检员的复检、再由项目部终检的三级质量检查体系，然后由监理工程师检验、签证。5. 施工质量检查1) 检验内容 地下连续墙施工过程的质量检验包括墙顶、墙底高程，墙体垂直度，墙体水泥掺入比，浆液水灰比等墙体施工作业全过程的检验；2) 试件检测 在施工现场按规范采样土，在室内进行轴压试验；3) 钻孔取芯 施工90d（抗压强度以90d龄期的为比较基准1，28d龄期为0.50.7；180d龄期为1.11.3）后，采用钻机取芯检查，堤线每300m抽捡一孔，不足300m也抽检一孔。每孔取二组试样，钻孔深度要钻至孔的中部和底部。可以通过对芯样进行物理力学试验和墙体注水试验来达到检查防渗墙施工质量的