国内外地下连续墙的发展概况

1.1.1　国内外地下连续墙的发展概况

1)国外地下连续墙的发展概况

地下连续墙是利用一定的设备和机具（如液压抓斗),在稳定液（泥浆或无固相钻井液)护壁的条件下,沿已构筑好的导墙钻挖一段深槽,然后吊放钢筋笼入槽,浇筑混凝土,筑成一段混凝土墙,再将每个墙段连接起来,而形成一种连续的地下基础构筑物。地下连续墙主要起挡土、挡水（防渗)和承重作用。在欧美国家,地下连续墙被称为“混凝土地下墙”或“泥浆墙”,在日本则称为“地下连续壁”或“连续地中壁”。由于地下连续墙在国内外都是始于水利水电工程且主要用于防渗,所以又被称为防渗墙。

地下连续墙起源于欧洲,它是根据打井和石油钻井所用的膨润土泥浆护壁以及水下浇灌混凝土施工方法而应用起来的。意大利于1938年首次进行了在泥浆护壁的深槽中建造地下连续墙的试验,施工后经墙身抽样取样试验和后来长期观测检查,认为其性能和精度均符合要求,而且与其他方法相比节省了大量费用。该施工技术于1950年首次应用于意大利的Santan Malia大坝防渗工程（深达40 m的截水止漏墙)和Venafro的蓄水池及引水工程（深达35m的防渗止水墙)。此后,地下连续墙施工技术被法国、德国、墨西哥、加拿大、日本等国所采用,其施工技术得到不断地改进和发展。

随着地下连续墙在城市地下建筑、高层建筑基础和水坝防渗墙等工程中的应用,地下连续墙施工设备也在不断完善和更新。意大利土力公司（SOILMEC)生产了BH-7、BH-12型短导液压抓斗和钢绳抓斗,卡沙格兰地（CASAGRANDE)生产了全导杆液压抓斗。1959年日本从意大利引进伊科司法,用于中部电力田雉坝的防渗墙施工。此后,日本各大公司陆续开发研制成功了许多独创的地下连续墙施工设备和相应的施工方法,如以多钻头钻切削成槽的BW工法、以双头滚刀式成槽机成槽的TBW工法、以槽刨式成槽机成槽的TW工法等,共有30多种。法国索列丹斯（SOLETANCHE)公司生产了双轮铣钻机。德国宝峨公司（BAUER)生产了BC系列双轮铣钻机。

近20年来,国外防渗墙工程的墙体材料有了重大创新,塑性混凝土、自凝灰浆和固化灰浆等柔性材料墙体不断问世。这类柔性墙体材料因含有黏土、粉煤灰、水玻璃及其他外加剂,浆材固结后呈现很大塑性,其抗压强度较低（0.1～5 MPa)、弹性模量小于2 000 MPa,墙体受力后与地基土的协调变形能力强,不易出现开裂。加上抗渗性能好（单位吸水率ω≤10-8 m/s)、工程造价较低（120～400元/m2),与刚性材料相比,单纯用作防渗的墙体,柔性材料有很大的发展潜力。

2)国内地下连续墙的发展概况

我国地下连续墙的建设开始于20世纪50年代末期,也是始于防渗工程。在这以前,国内对埋藏较浅的覆盖层大多采用开挖后回填黏土形成截水齿槽的防渗方法。

1958年,在湖北省明山水库创造了连锁管柱防渗墙。同年在山东青岛月子口水库用这种方法在砂砾石地基中首次建成桩柱式防渗墙,共完成直径0.60 m的桩柱959根,在土坝中形成了一道长472 m、深20 m、有效厚度0.43 m的混凝土防渗墙。1959年,北京市密云水库创造出一套以钻劈法建造槽孔的新方法。仅用7个月就修建了一道长953m、深44m、厚0.8m的槽孔式混凝土防渗墙,载水面积达1.9万m2。这道防渗墙的建成开创了我国地下连续墙的先河,钻劈法成为我国至今仍在使用的传统施工方法。

20世纪60年代后期,许多地质条件差的工程都纷纷采用混凝土防渗墙方案。1967年,四川省大渡河上的龚嘴水电站使用地下连续墙作大型土石围堰的防渗设施,该围堰高35m,覆盖层深45m,围堰中修建的防渗墙最大深度达52m,墙厚0.8m,上下游两墙总面积12 382 m2,是当时我国已建成的防渗墙中深度最大的一座。

20世纪70年代,混凝土防渗墙作为病险土石坝处理的最佳手段被广泛应用。主要工程有1974年建成的广西百色澄碧河水库大坝防渗墙、甘肃省武威黄羊河水库坝体防渗墙,以及1978年建成的江西省永修柁林水库坝体防渗墙。柁林水库坝体防渗墙墙深达65.2m、墙厚0.8m,墙底嵌入基岩厚度3.5～5.0m,总面积达到30 000m2,是当时我国规模最大的防渗墙。1977年,建成的甘肃省碧口水电站大坝是当时我国最高的黏土心墙土石坝,坝高101.8 m,坝基采用两道防渗墙防渗,墙深分别是41 m和65.5m,总面积为11 955 m2,其中上游墙墙厚1.3 m,是当时国内厚度最大的防渗墙。

万里长江第一坝——葛洲坝水利枢纽于20世纪70年代末到80年代初建成。该坝大江围堰采用混凝土防渗墙作为防渗体。防渗墙最大深度为47.3 m、厚0.8 m,总面积74 421 m2,其规模仅次于长江三峡工程围堰防渗墙。该墙首次引进了拔管法施工防渗墙接头试验。

四川省铜街子水电站左深槽防渗墙和围堰固化灰浆防渗墙于1986年建成。承重墙设有2道,期间用5道横隔墙连接,主墙厚1m,最大深度74.4m,面积6 896.2m2,部分墙间接缝用拔管法施工,最大拔管深度61 m,在4个部位埋有观测仪器,大型防渗墙兼作承重墙,其深度也创造了当时国内纪录。此外,铜街子围堰防渗墙首次采用固化灰浆作为墙体材料,墙厚0.8 m,最大深度25 m,总计造墙面积6 839 m2。

1990年建成的福建省水口水电站主围堰防渗墙,该围堰高44.55 m,防渗墙最大深度43.6 m、厚0.8 m、总面积17 800 m2。该墙在我国首次使用塑性混凝土,取得了良好的效果。以后的很多工程都相继使用了塑性混凝土,例如河南小浪底水利枢纽上游围堰防渗墙以及三峡大江围堰防渗墙等。福建水口水电站工程的另一个进步是在部分地段首次应用了“两钻一抓法”建造防渗墙,这种方法比单纯用冲击钻孔提高工效近1倍,降低成本23%。现在“两钻一抓法”已得到推广应用。

1998年建成的黄河小浪底主坝防渗墙是迄今为止我国墙体材料强度最高的混凝土防渗墙。小浪底主坝防渗墙墙深81.9m、厚1.2m,右岸部分防渗墙面积5 101m2,由法国地基建筑公司承建,使用钢绳抓斗挖槽,以先期施工的塑性材料垂直短墙作为单元墙断之间的接头。此法连接可靠、工效很高。

3)地下连续墙墙体材料及其应用特点

地下连续墙（主要指防渗墙)墙体材料根据其抗压强度和弹性模量,可以分为刚性材料和柔性材料。刚性材料是指抗压强度大于5MPa,弹性模量大于1 000 MPa,包括普通混凝土（或钢筋混凝土)、黏土混凝土和粉煤灰混凝土等;柔性材料是指抗压强度小于5 MPa,弹性模量小于1 000 MPa,包括塑性混凝土、自凝灰浆和固化灰浆等。

（1)刚性混凝土

刚性混凝土指普通混凝土（或钢筋混凝土)、黏土混凝土和粉煤灰混凝土等。该类混凝土抗压强度高（5～35 MPa)、弹性模量大（15 000～32 000 MPa),适合于作防渗、挡土和承重等共同作用的地下墙体。若仅用于防渗,其工程造价过高,且刚性混凝土在地基土水平力作用下易发生局部开裂现象,致使抗渗能力降低。

（2)塑性混凝土

塑性混凝土是用黏土、膨润土等混合材料取代普通混凝土中大部分水泥而形成的一种柔性的墙体材料。塑性混凝土抗压强度的设计值一般不大于5 MPa,其弹性模量一般不超过2 000 MPa。

（3)自凝灰浆

自凝灰浆墙体材料是用水泥、膨润土、缓凝剂和水配制而成的一种浆液,在地下连续墙开挖过程中起护壁泥浆的作用,槽孔开挖完成后,浆液自行凝结成低强度柔性墙体。

（4)固化灰浆

固化灰浆是在槽段造孔完毕后,向泥浆中加入水泥等固化材料,砂子、粉煤灰等掺合料,水玻璃等外加剂,经机械搅拌或压缩空气搅拌后形成的防渗固结体。

固化灰浆防渗墙研究与应用是柔性材料防渗墙发展的必然。固化灰浆防渗墙因墙体强度指标和地基土接近,与防渗体周围地基的协调变形能力好,受力后墙身不易出现开裂,抗渗性能稳定,浆材固结不受成槽作业时间限制,且固化时间可控。该类防渗墙因其成槽作业的废泥浆无须排放,就地处理造墙,墙体各项性能指标适宜,成本低,无环境污染,有着巨大的发展潜力和市场需求。因受浆材配制和固化工艺的限制,固化灰浆防渗墙成墙深度一般不超过50 m。固化灰浆地下连续防渗墙施工方法主要包括泵循环施工法、置换施工法、气拌原位搅拌法等。

1.1.2　主要研究内容和方法

①通过试验配制出护壁性能好、适合于各类地下防渗墙工程施工与灰浆混合固化的不分散低固相泥浆。

②通过试验优选出固化灰浆防渗墙墙体浆材的材料与配方,并深入分析浆材固结机理,科学评价该类柔性墙体的防渗性能指标体系。

③对灰浆混合固化的制搅工艺和单元槽段连接等造墙技术进行研究,并测试其应用效果。

1.1.3　主要技术性能指标

将低成本、无污染、抗渗性能好的固化灰浆应用于地下工程构筑物、水利工程坝基与围堰等防渗工程。所研制的固化灰浆防渗墙主要技术性能指标如下:

①不分散低固相泥浆固相总含量（体积比)≤4%,密度≤1.10 g/cm3,漏斗黏度18～35 s,动失水量≤25mL/30min,动切力1.5～3.0 MPa,动塑比0.48左右,具有良好剪切稀释性和固壁作用,利于与灰浆混合及制搅造墙作业。

②固化灰浆墙体浆材具有较好的防渗性能和抗侵蚀性能、灰浆体凝结时间可控性好、抗压强度和弹性模量适宜、与地基变形协调能力强、对环境无污染、利于现场配制及低成本等优点。混合浆材密度1.3～1.7 g/cm3,凝结墙体28 d抗压强度0.5～1.5 MPa,弹性模量50～800 MPa,单位吸水率ω≤10-8m/s;新拌混合浆液失去流动性时间≥4 h,固化时间≤24 h。