技术领域：
[0001] 本
发明属于建筑业地基
基础工程施工方法及施工设备技术领域，用于基坑工程防渗、截水功能的采用静压式成型装置实施
水泥土地下截水帷幕，特别涉及一种水泥土地下截水帷幕静压式成型装置及其方法。背景技术：
[0002] 我国幅员辽阔，各种成因的软土
地层厚度较大，分布广泛，如东海、黄海、渤海的滨海相沉积土，长江、珠江、闽江中下游的三
角洲相沉积土，洞庭湖、太湖、洪湖、滇池的湖相沉积土等。随着城市
高层建筑的大量兴建，势必带来了一系列基坑开挖中的截水止渗等极其复杂的技术问题，直接威胁基坑和周围
建筑物的安全，同时基坑的开挖将会泄流大量的
地下水资源，造成地下水资源严重恶化，基坑开挖与防渗截水难度日益增大，给城市的
可持续性发展带来严重的影响。
[0003] 目前，在基坑防渗截水方面用得最普遍的方法是水泥土搅拌桩(简称水泥土桩)。水泥土桩的施工方法有两种，搅拌法成桩和高压
喷射注浆法(亦称旋喷法)成桩。搅拌法成桩又分为湿式(即以
浆液作为
固化剂的搅拌桩)和干式(以粉体作为固化剂的搅拌桩)两种。搅拌法成桩主要原理是以水泥作为固化剂的主剂，通过
搅拌机械边钻进边搅拌边往软土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，使喷入软土中的固化剂与软土拌和在一起，由固化剂与软土之间产生一系列理化作用，形成抗压强度比天然土强度高的水泥固结柱状体的水泥土桩，并将柱状体逐根紧密排列构成地下防水帷幕。高压旋喷桩是先钻孔(也有钻孔喷浆一体的机械)，然后把带有
喷嘴的注浆管植入土层预定的深度，以20～40Mpa的压
力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，当速度快、
能量大和脉动状的喷射流的动压力大于土层强度时，土颗粒就从土层中剥落下来，一部分细粒土随浆液或水冒出地面，其余土粒在射流的冲击力、
离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和
质量大小，有规律的重新排列，注入的浆液将冲下的部分土颗粒混合
凝结成固结柱状体的水泥土桩，将固结柱状体紧密排列，或将喷射方向予以固定，形成扇形墙体状，再将扇形墙体状相互咬合紧密排列，形成防水止渗的帷幕。现有的水泥土帷幕桩存在以下不足：一是成桩质量不均匀：当被加固土为多层土时，其密实度(孔隙大小)、
含水量(软硬程度)、土粒组成、地下水状态(流动状态)或桩体设计变强度时，变掺量难以控制，容易形成直径大小不匀的固结柱状体，桩与桩之间交界处会出现孔洞、缺口，使截水或柱状体强度效果不良；现有搅拌桩因搅拌后仍存在大小粒径不同的土
块状影响，水泥分布到土粒中是不均匀的，固化剂与小颗粒土或大颗粒土的化学物理作用时效不一现象必然存在，因此，搅拌桩的桩体强度离散性较大；二是可操作性差：高压喷射冒浆处理工艺需要经验丰富的施工人员，否则容易出现喷射成型故障；国内施工机械目前基本都采用定量
泵输送水泥浆，而搅拌机械的转速又是稳定的，为保证设计掺入比，全靠人工凭经验掌控是不够精确的，成桩质量因人为因素的差异而变化较大；三是有较大局限性：高压喷射注浆在土质松软、粗粒径或含有适量卵砾石的地层中施工时，喷浆量加大，若碰到空洞、通道、暗沟等，不易及时发现，原材料浪费很大，这是很被动的；对于地下水丰富或无填充物的空洞地段不宜使用；高压喷射对于湿陷性黄土、坚硬黏性土、含有大量
植物根茎土层、含有较多大粒径卵石(≥200mm)地层不适宜；四是桩体存在先天性
缺陷：
高压喷射注浆后由于浆液析水作用会产生收缩，一般在固结体顶部出现一个凹穴，凹穴深度随土层性质、浆液析出性、固结体直径和长度等因素不同而异；这种凹穴对于地基定向加固和防水止渗是极为不利的；五是综合经济效益欠佳：搅拌法成桩单位水泥用量经济，但加固体强度、均匀性欠佳，为安全起见实际使用中必需增加桩数量；高压喷射法加固体强度较高，柱状体成形径向比大，但单位水泥用量偏高，黏土与
砂土中成型径向比差异明显，先成孔后注浆，工艺繁琐，成桩时间相对较长，水泥用量较大、经济性还不太理想；六是环境污染。
发明内容：
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术存在的缺点，采用环保型静力桩机作为主机实施静压式成型装置的水泥土地下截水帷幕进行基坑的防渗截水。
[0005] 为了实现上述目的，本发明利用全液压静力压桩机作为主机，夹持截面为矩形的、底端和顶端均为空畅的、由两个相互关联又各自独立的、其截面两短边外缘分别固定有特定形状导向体的成型装置，按照相应的工艺步骤用静力桩机将装置分别依次压入和提升，在压入过程中土体逐步进入装置体内，安装在装置内的搅拌器对进入的土体进行强制搅拌至均匀，而后边提升装置，边反
时针旋转搅拌器边喷射出有0.2～0.6Mpa压力的水泥浆或水泥粉或石灰粉等，使之与装置内土颗粒充分结合均匀、由固化剂与软土之间产生一系列理化作用、形成强度比天然土高、水稳性好、具有预定形状的连续性帷幕状固结体。
[0006] 本发明装置的截面包括矩形或椭圆形、管圆形或∞水平双管形等多种截面形式，其结构分为主体、导向体、搅拌器三大部分；所述主体部分由基本节与活动节组成，截面为矩形状中空
钢体；基本节与活动节内外尺寸、机械强度性能一致，长度不同，基本节长度固定，活动节长度为2～4米等多种，基本节与活动节采用竖向连接块和水平连接块及螺钉实施连接借以调整装置主体的总长度，改变装置入土深度；所述导向体部分由凸凹形对应两组导向体组成，在装置短边其中一面整长设有凸形导向体，导向体包括凸凹燕尾槽式对接、圆柱式对接和多槽式对接等形式，相对应的另一面短边整长设凹形导向体，施工时配两支同型号规格的装置为一组合，凸凹导向体相互楔合并相互仅能作上下滑动，导向体纵向通长方向按功能分段设置，主体下部导向体内安装有高频振动器，该长度段范围的凸形导向体有一个可供安装圆形振动器的圆柱状空腔，凹形部分两个凸
耳中各设有一个可供安装圆形振动器的圆柱状空腔，能并列安放两台振动器，该段导向体用螺钉与主体固定，
电缆通过导向体内圆形通道伸引下来接入振动器，必要时启动振动器，振动器引起的振幅将土体对装置所产生的固结时效既静
吸附状态转为动吸附状态，有效减少装置提升阻力，同时对水泥土起到非常好的振动密实作用，使帷幕更密实，强度明显提高；节与节的连接长度部位、安放振动器部位的导向体段均采用螺钉与主体固接，其他部位导向体采用
焊接，无论焊接和螺钉固结的导向体段均保持中线垂直和外形轮廓一致，以便于导向体相互上下滑动自如；所述搅拌器部分包括搅拌器、进油口、出油口、注浆口、搅拌轴、一字形
叶片、螺旋叶片、通道和喷嘴，搅拌器固定在装置顶部搅拌器固定
支架上，不妨碍两个并联的装置上下滑动；通过进出油口用油管从静力桩机液压系统获取压力油，供给搅拌器动力源；改变供油方向可使搅拌器产生正反旋转；搅拌器轴中心设有水泥浆或干粉畅通的注浆通道，注浆通道的注浆口通过管道接入机外压浆泵或喷粉器，启动压浆泵或喷粉器，固化剂沿着管道经由注浆口、通道、喷嘴喷射出水泥浆或水泥粉或石灰粉或粉
煤粉，与装置内事先搅拌均匀的土颗粒充分拌和，固化剂与土颗粒之间产
生物理化学作用而凝结成强度高、水稳性好、形状稳定的帷幕状固结体。
[0007] 本发明方法采用组合式成型装置，让固化剂和土体在一个预先设定形状体积的装置中搅拌混合，即定量的固化剂与定量的土体在定量的容积装置内(简称三定)，经搅拌混合相互结合而形成有预定形状的整体性好抗渗性强的帷幕状固结体(简称一体)，利用全液压静力压桩机的夹持力，施工时每次只拔出前进方向后面的一支装置，将留在土中另一支装置作为基准导向，依次循环压拔，使尚未
凝固的水泥土混合物相互混合，多个单元帷幕段混合连接起来形成无隙对接的地下截水帷幕状固结体；三定一体工法最大的原理是就地取材，利用原土原地加以少量固化剂在预定形状体积装置内被约束而形成一种既经济又实用更环保的新型水泥土地下截水帷幕。具体分为以下几种工艺：
[0008] A、主要作为防水止渗功能的水泥土地下截水帷幕(简称截水帷幕)，主要原料为原土及少量水泥浆或干粉，成型后为单薄型围墙一样延绵不断，截水帷幕属于就地取材的非挤密型水泥土地下防水帷幕；
[0009] B、有一定挡土功能又具有良好防水止渗效果的水泥土地下帏幕(简称截水墙幕)，在刚形成的有一定厚度的(比普通截水帷幕的厚度要大一些，近似墙体状故称之为墙幕)水泥土单元帷幕尚未完全凝固时用静力桩机直接压入骨架，如≤Φ250mm壁厚≯70mm的PHC管桩、型钢等，大大加强水泥土墙幕截面抗弯性能，属就地取材的微挤密型水泥土截水挡土墙幕；
[0010] C、用直线段墙体状帷幕可以变化组合成工字型、双重墙幕形、丁字形等多种形式地下帷幕，以满足不同基坑截水挡土之需要。
[0011] 本发明方法的具体实施工艺为：(1)、先将同规格型号的其中一只装置启动搅拌器顺时针旋转并逐渐压入预定土层(为述说方便，把先压入的装置简称为①器，后压入的装置简称为②器，下同)，土体相继挤入器内；(2)、将②器凹形导向体底端
槽口套入①器凸形导向体内再逐渐压入预定土层，入土时同时启动搅拌器顺时针旋转土体同步挤入器内；(3)、由于导向体的制约，①②器在充满原状土体的情况下在预定土层深处紧密并列，装置内土体已被搅拌成均匀土颗粒；(4)、改变①器供油方向使搅拌器反时针旋转，同时喷浆(粉)和向上缓慢提升①器，水泥土在自重和搅拌器螺旋斜面输送双重作用下，从①器内不间断流出相继充塞装置留下空腔，①器水泥土单元帷幕段形成；(5)、静力桩机夹持①器行进约等同②器截面长边距离(行进时②器被松开夹持)，①器对准基准点后②器在原位被桩机再次夹持不动，然后将①器凹形导向体底端槽口套入土中②器凸形导向体逐渐压入预定土层，压入过程同时启动搅拌器顺时针旋转，土体相继挤入；②①两器在充满原状土体的情况下紧密并列，且器内土体已被搅拌成均匀土颗粒；(6)、将②器重复第4步，②器水泥土单元帷幕段成形；(7)、静力桩机夹持②器行进约等同①器截面长边距离(行进时①器被松开夹持)，②器对准基准点后①器在原位被桩机再次夹持不动，将②器凹形导向体槽口套入土中①器凸形导向体压入至预定土层深度，入土时同时启动搅拌器顺时针旋转，土体相继挤入，①②在充满原状土体的情况下又并列，且器内土体已被搅拌成均匀土颗粒；(8)、将①器重复第4步，①器水泥土单元帷幕段又成形；(9)、静力桩机夹持①器重复第5步，依次循环；需转角时按照本工法转角方式取其一种实施转角封闭，形成符合基坑形状的整体封闭良好的水泥土地下截水帷幕；装置提升留下的空腔(包含导向体留下的空腔)由搅拌后的水泥土在重力及螺旋斜面输送双重作用下，从装置内不间断流出予以迅即充盈，使混合物在地层中单元帷幕段与单元帷幕段之间达到无隙连接而形成连续的地下防水止渗帏幕。
[0012] 本发明方法帷幕转角处防水封闭方法包括T型封闭法、双重封闭法和直角封闭法三种。
[0013] 本发明与现有技术相比，其环保效应好，经济效益明显，帷幕成型安全可靠，应用使用范围广泛，施工工艺方便简捷，缩短施工周期。
附图说明：
[0014] 图1为本发明成型装置的结构原理示意图。
[0015] 图2为图1A-A截面剖视结构原理示意图。
[0016] 图3为本发明方法的施工工艺原理示意图。具体实施方式：
[0017] 下面通过
实施例并结合附图做进一步说明。
[0018] 本实施例包括主体部分、导向体部分和搅拌器三个部分，其包括基本节1，活动节2、带振动器支座凸形导向体3、带振动器支座凹形导向体4、凸形导向体5、凹形导向体6、竖向凸形连接块7、竖向凹形连接块8、连接螺钉9、水平连接块10、进油口11、出油口12、注浆口13、搅拌器14、搅拌器固定支架15、搅拌轴16、一字形叶片17、注浆通道18、螺旋叶片19、喷嘴20、高频振动器21和
支撑板22机械零部件。
[0019] 本实施例主体部分由基本节1、活动节2、竖向凸形连接块7、竖向凹形连接块8、连接螺钉9、水平连接块10和支撑板21组成；基本节1和活动节2的截面长边≥300mm，短边为≥100mm多种截面，截面形状为矩形或椭圆形或管圆形或∞水平双管形，以长方形截面为常用，内空，上下、内外尺寸一致，顶端和底端均不封口直通，两长边表面平直，两短边外缘面设有特定形状的导向体，基本节1和活动节2顶部分别设有供安装搅拌器固定支架的螺孔，该螺孔与水平连接
螺距一致，一孔两用，便于接长或安装搅拌器；基本节1长度是固定的，以符合运输规范，活动节2为2～4米多种规格；活动节2的基本功能是采用契口连接方式与基本节1任意接长以适应不同工程基坑深度需求，契口连接处用竖向凸形连接块7、竖向凹形连接块8及水平连接块10予以加强连接部位的
刚度和强度；具体做法是在契口连接部位上下一定距离范围内，主体边框短边面制成数个凸凹形槽口，而竖向凸形连接块7、竖向凹形连接块8与主体边框短边面相对应部位也制成同样个数、尺寸的凹凸形槽口，竖向连接块凹凸形槽口与主体边框短边面凸凹形槽口相嵌入，加以螺钉紧固，对增强装置的抗剪切强度是很有益处的；凸凹形连接块7、8与相应的凸凹形导向体5、6的截面形状尺寸一致，唯有长短及功能不同，于是竖向连接块具有连接及导向两大功能；为抵抗入土时的巨大弯矩，在契口连接处主体边框截面的长边设置水平连接块10，用螺钉9与主体连接以加强连接部位的强度和刚度；为了使装置主体在巨大夹持力及压拔力等复杂受力状况下不易
变形，除了增加静力桩机夹持钳口与装置主体触压面积外，主体内框截面长边长度＞0.70m的装置内设双轴搅拌器14和钢支撑板22，截面长边长度≯0.70m的不设支撑板22仅设置单轴搅拌器，支撑板22设置间距与静力桩机压桩缸一个行程正好吻合，保证每次夹持钳口正好位于支撑板22处，以增强装置的抗变形能力，从而提高桩机的压拔功效。
[0020] 本实施例的导向体部分由带振动器支座凸形导向体3、带振动器支座凹形导向体4、凸形导向体5、凹形导向体6、凸形连接块7、凹形连接块8、连接螺钉9和高频振动器21等机械零部件组成；凸形导向体5、凹形导向体6的截面可制成燕尾状、圆柱状或多
键槽状对接导向方式，凸形导向体5底端从凹形导向体6顶端插入燕尾槽口内并沿燕尾槽上下滑动，或凹形导向体底端槽口套入凸形导向体的顶端并同样能沿燕尾槽上下滑动，由于导向体的特定形状约束，凸凹导向体配合时只能做上下滑动而不能向其他方向位移；两凸凹形导向体分别与装置截面长边水平轴线垂直的两边框短边面整长分面固定，中心重合，带振动器支座凸形导向体3、带振动器支座凹形导向体4以及凸形连接块7、凹形连接块8的截面形状同凸凹导向体5、6，分别与装置主体上下相对应的导向体对齐形成对应的与主体通长的分别置于主体截面短边的两个导向体，并用连接螺钉9连接以方便安装和检修，既有导向体功能又起连接或安装振动器作用；配合使用时，两只带特定形状的成型装置只能是导向体相套合相互做上下滑动，这就注定被搅拌好的水泥土混合物只能在组合装置内形成固定形状，当其中一个装置提升后在未提升的装置结合部导向体周围充盈了与提升导向体形状吻合的未凝固水泥土混合物，将未提升的装置随后提升，从装置内流出的水泥土与原已充盈在导向体周边而尚未凝固的水泥土相混合，于是两装置之间的结合面就变成预定凸凹槽口状的混合结合，两个单元帷幕段就连接成一个有利于抗渗的凹槽形整体帷幕，使水不可能从结合部渗漏；振动器为圆柱形高频振动器，带振动器支座凸形导向体3设有供安装一台振动器21的圆柱状空腔，带振动器支座凹形导向体4的两耳中心各设有供安装一台振动器21的圆柱状空腔，并列安装两台振动器，带振动器支座导向体3、4均用螺钉与主体固定，电缆通过导向体内圆形通道伸引下来接入振动器，启动振动器21引起的振幅将土体对装置所产生的固结时效既静吸附状态转为动吸附状态，可有效减少装置提升阻力，同时对水泥土起到振动密实作用，使墙体更密实，强度明显提高。
[0021] 本实施例的搅拌器由进油口11、出油口12、注浆口13、搅拌器14、搅拌器固定支架15、搅拌轴16、一字形叶片17、注浆通道18、螺旋叶片19和喷嘴20等机械零部件组成；搅拌器14用连接螺钉9通过搅拌器固定支架15固定在主体顶部但并不妨碍两装置并列时相互上下滑动，可根据需要随时拆换；主体内框截面长边轴线边长＞0.7m的安放双轴搅拌器，截面长边轴线边长≯0.7m装置安放单轴搅拌器，搅拌器14设有进油口11和出油口12，通过进出油口11、12用油管与静力桩机液压系统连接，改变进出油方向，可使搅拌器14正反旋转；搅拌轴16下部一小段距离设有螺旋叶片19，该螺旋叶片顺时针转动时带有钻进及向上输送功能，主要是辅助装置的压入及将进入装置内的土体迅速往上部输送，反时针旋转时则具有向下输送功能，促使混合物从器内迅即流出；搅拌轴16中上部设有多道强度很高的一字形叶片17，将进入装置内的土块打碎并强制性搅拌使不同性质岩土拌合均匀；根据岩土的性质，预先设计搅拌时间、喷射量，待装置内腔岩土被搅拌或打碎成大小均匀的颗粒后，搅拌轴16开始反时针旋转，注浆口13用管道与机外喷浆机和喷粉机连接，启动喷浆或喷粉机，浆液或粉体从注浆口13经过注浆通道18而后从端部的喷嘴20喷射出来，喷嘴20喷射浆液或干粉时桩机夹持装置同时缓慢提升直至脱离另一装置导向体，离开地面时停止搅拌器14转动，注浆也终止喷射，水泥土地下帷幕段成形。
[0022] 本实施例对水泥土地下截水帷幕静压成型的步骤是先将桩机就位，调平对准地面已施放妥的帷幕轴线和单元帏幕基准点，并以此为起点，桩机沿轴线射线方向行进，不能倒退；选择两只同型号规格的成型装置组合；
[0023] 然后，第一步、先将①器对准基准点逐渐压入预定土层(将第一次压入的成型装置简称为①器，后压入的成型装置简称为②器，下同)，入土时启动搅拌器顺时针旋转，土体相继挤入器内；
[0024] 第二步、桩机夹持②器行进①器截面长边约同等距离(行进前①器松开夹持，便于桩机行走)，对准二单元帷幕段基准点，这时将①器夹持原位不动，将②器凹形导向体底端槽口套入①器凸形导向体槽口逐渐压入预定土层，入土同时启动搅拌器顺时针旋转土体同步挤入器内；
[0025] 第三步、由于凸凹燕尾槽形导向体的制约，①②器在压入或拔出过程中始终是紧密并列(下同)，当到达预定土层深度时器内土体已被搅拌成均匀土颗粒；
[0026] 第四步、改变①器供油方向让搅拌器反时针旋转，同时喷浆(粉)并向上缓慢提升①器，水泥土在自重和螺旋斜面输送双重作用下，从①器内不间断流出相继充塞成型装置留下空腔，待①器端部离开地面时，搅拌器停止转动和喷浆(粉)，①器水泥土单元帷幕段形成；
[0027] 第五步、静力桩机夹持①器行进约等同②器截面长边距离(行进时②器松开夹持，便于桩机行走)，①器对准第三单元帷幕段基准点后②器被桩机再次夹持不动，然后将①器凹形导向体底端槽口套入土中②器凸形导向体槽口逐渐压入预定土层，入土时启动搅拌器顺时针旋转，土体相继挤入搅拌；②①两器在充满原状土体的情况下紧密并列，且器内土体已被搅拌成均匀土颗粒；
[0028] 第六步、改变②器供油方向使搅拌器反时针旋转，同时喷浆(粉)并向上缓慢提升②器，水泥土在自重和螺旋斜面输送双重作用下，从②器内不间断流出相继充塞成型装置留下空腔，待②器端部离开地面时，搅拌器停止转动和喷浆(粉)，②器单元水泥土帷幕段成形，并与①器水泥土单元帷幕段结合连接成①+②整体；
[0029] 第七步、静力桩机夹持②器行进约等同①器截面长边距离(行进前①器松开夹持，以便于桩机行走)，②器对准第四单元帷幕段基准点后①器被桩机再次夹持不动，这时将②器凹形导向体底端槽口又套入土中①器凸形导向体槽口压入至预定土层深度，同时启动搅拌器顺时针旋转，土体相继挤入搅拌，①②器在充满原状土体的情况下于预定土层深度又并列，且器内土体已被搅拌成均匀土颗粒；
[0030] 第八步、改变①器供油方向使搅拌器反时针旋转，同时喷浆(粉)并向上缓慢提升①器，水泥土在自重和螺旋斜面输送双重作用下，从①器内不间断流出相继充塞成型装置留下空腔，待①器端部离开地面时，搅拌器停止转动和喷浆(粉)，①器第三单元段水泥土帷幕又成形，于是地下帷幕为①+②+①＝三个单元段连接整体；
[0031] 第九步、静力桩机夹持①器行进约等同②器截面长边距离(行进前②器松开夹持，以方便桩机的行走)，①器对准第五单元段帷幕基准点后②器被桩机再次夹持保持土中原状，将①器凹形导向体底端槽口套入②器凸形导向体槽口再压入至预定土层深度，入土时同时启动搅拌器顺时针旋转，土体相继挤入搅拌，于是②①器在充满原状土体的情况下将再次并列，且器内土体已被搅拌成均匀土颗粒，依次循环。
[0032] 本实施例的地下帷幕转角封闭时，成型装置必需全部拔出方可实施；为使转角封闭性完好，桩机移动预定角度后，重新调整对准另一帷幕段轴线和单元帷幕段基准点时，并检查与已成型的帷幕距离必须符合封闭要求距离，将转角后压入的第一只成型装置的凹形导向体部分强行挤入被结合的尚未凝固的单元帷幕段中或在直线段最后单元帷幕段未凝固前用靠近的一面长边强行重叠其凸形导向体部分，既将转角后的第一个成型装置与原帷幕段在未凝固前有意识重叠导向体部分，以增强
密封性，根据工程对防水止渗的不同要求，选择T形转角封闭法或双重封闭法或直角封闭法实施转角封闭，转角封闭后，以此为起点，桩机沿新帷幕轴线射线方向行进，重复上述步骤二～九步，如此循环就对基坑周边形成可靠的适应基坑形状的封闭式水泥土地下连续帏幕；成型装置提升留下的空腔(包含导向体留下的空腔)由搅拌后的水泥土在双重作用下，从成型装置内不间断流出予以迅即充盈，流出的混合物未凝固前就在单元段与单元段槽口之间达到混合结合，于是就形成了有利于抗渗的整体性好、强度高的帷幕状固结体。
