超深土工膜复合防渗墙施工技术概述及应用

防渗墙广泛应用于水利水电工程的大坝的防渗帷幕，随着社会的不断发展，及国家“双碳”战略的实施，及美丽中国建设的不断推进，为了保证人类的和谐生活，国家对生态环境的要求越来越高。地下水的保护是当前生态环境保护的重要组成部分，因此对防渗工程的技术要求更高。土工膜复合防渗墙20世纪90年代开始使用，经过近三十年的发展超深土工膜复合防渗墙的施工技术的研究取得了很大的进步，几个关键的技术研究也有了突破性进展，土工膜复合防渗墙以其超高的防渗性能在露天矿止水帷幕、填埋场与污染场地垂直阻隔墙和堤坝防渗等领域得到了很好的应用。

▍1 土工膜复合防渗墙的基本原理及技术难点

1.1 基本原理

“土工膜复合防渗墙”是在土体内开出一定宽度和深度的沟槽，在沟槽内垂直铺设土工膜并回填以设计要求的填充材料，经过回填料的固结形成以膜为主要幕体的复合防渗帷幕。

1.2 技术难点

土工膜复合防渗墙施工的技术关键点主要包括四个方面：成槽、铺膜、填充料回填和接头形式。成槽方式有液压抓斗成槽、锯槽机或者TRD工法机成槽，沉膜方法包括重力沉膜法和插入式沉膜法，接头施工有锁扣式、叠合式两种形式。

 ▍2 重力沉入式HDPE膜复合防渗墙施工

2.1 成槽施工

成槽施工主要考虑四个方面的问题，成槽的设备、护壁泥浆的相关参数、槽段的分幅。

（1）成槽的设备

结合当前地下连续墙的成槽工艺，采用成槽机或铣槽机进行成槽，成槽的厚度400〜800 cm，其主要区别在于斗架体的厚度。

（2）护壁泥浆的相关参数

根据地质条件的不同泥浆的指标也略有不同，改变泥浆的指标主要考虑膨润土原材和外加剂的配合比。泥浆比重的控制最为关键，施工过程中泥浆比重太大导致后期进行沉膜的过程中不能铺设到设计深度，泥浆比重太小泥浆的护壁功能减弱，经过在现场的试验确定的泥浆指标见表1。

（3）槽段分幅‍

 土工膜复合防渗墙的成槽宽度，在保证槽壁稳定性的条件下尽可能宽，目前已经使用过21m、14m、8m三种幅宽。

2.2 铺膜施工

在泥浆护壁的槽段中进行垂直铺膜，采用重力沉膜法进行施工，针对性地设计了专用铺膜架，铺膜的工序主要有展膜、卷膜、铺膜架就位、安装配重、沉膜。

2.3 接头施工

槽段内的膜与膜之间采用了直接搭接的方式，槽段间的防渗膜搭接需要借助于接头箱来实现搭接。其主要步骤是在槽段内铺膜施工结束后，在槽段的两侧下放接头箱，将两端的膜用接头箱覆盖住，然后在进行填充料的浇筑，经过填充料的固结或者凝固然后进行临近槽段的开挖，临近槽段开挖结束后在进行接头箱的顶拔、刷壁与清底。

(1）接头箱的设计

膜的搭接设计长度一般为1 m，接头箱设计尺寸长度为1 m，根据槽段的厚度接头箱的宽度比槽段厚度减5cm。800 mm厚防渗墙的接头箱宽度为750mm,600mm厚的防渗墙的接头箱宽度为550mm，400mm厚防渗墙的为350 mm。在接头箱的设计中需要根据最大顶拔力，进行接头箱之间的销子和扁担孔进行设计。

(2）磁吸式叠合接头

为了保证搭接部分的两张膜能够紧密的粘结在一起，铺膜前，在每张膜的搭接部分的土工膜上粘结了磁膜，在铺膜结束后经过压实后两张膜因为有磁性而紧密的吸附在一起，保证了接头处的连接效率。磁膜粘贴示意与实际施工分别见图1、图2。

2.4 填充料浇筑

填充料用的料有，塑性混凝土、低标号混凝土、粉煤灰等作为填充料。填筑料的浇筑需要考虑以下几个方面，一是槽段的宽度，8m幅宽采用两个打灰架进行浇筑，14m槽段采用四个打灰架，21m槽段采用6个打灰架；二是14m和21m槽段地浇主要之间的浇筑要考虑几个打灰架之间的浇筑速度，因为超长副段的采用的是两张或者三张在槽段内的方向性的叠加，膜叠加的时候没有膜与膜之间没有直接固定的，如果搭接在下方土工膜上的几个打灰架的放料的速度过快很容易导致混凝土把膜冲起，导致叠加失效。三是在浇筑和铺膜前进行反循环清底，这样既可以保证下膜的确性，又可以降低在浇筑到最后10m时的翻浆压力。

2.5 接头箱顶拔

接头箱采用后顶拔的方式，在填充料浇筑地过程中采用微动的方式进行接头箱的顶拔，保证接头箱不会因填充料的凝固或者自密实而“埋”在填充料中，导致油顶不能进行接头箱的顶拔。

 ▍3 插入式土工膜防复合渗墙施工

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插入式垂直铺膜施工方法是采用TRD工法机或者锯槽机，用膨润土泥浆作为软化材料，形成土与膨润土泥浆的软弱唧泥沟槽，再采用带有高频振动锤的插板将土工膜插入到沟槽的唧泥中形成膨润土和HDPE组成的复合防渗墙。

3.1 TRD或锯槽机施工

TRD工法机和锯槽机施工的原理是相同的，通过其前端的锯齿将土体搅松，并进行土和泥浆的搅拌，使其充分混合形成一个防渗体。

3.2 振动插入式铺膜施工

铺膜施工中采用的设备有履带吊车、带有高频振动锤的特制插板，经过加工后的HDPE膜。用履带吊将特制插板吊起后，进行就位同时将插板的底部卡入土工膜的底部卡槽中，进行下放，同时打开高频振动锤，借用插板的自重高频振动的振动将其插入到锯槽机或者TRD施工完成的沟槽中。

3.3 接头施工

其接头形式采用锁扣式接头。

 ▍4 自凝灰浆土工膜复合防渗墙施工

自凝浆工膜复防渗墙自凝浆的墙的基础之上增加的土工膜的下放工序而形成的复合防渗墙。其施工的关键工序包括成槽、自凝灰浆的配置和土工膜的下放方法。

4.1 成槽施工

成槽施工与重力沉入式土工膜防渗墙的成槽工艺相同，其区别在于自凝灰浆兼做墙体材料的成槽施工时的护壁泥浆。‍‍‍

4.2 自凝灰浆

自凝灰浆由膨润土、水泥和水混合组成，可添加充填料和外加剂来改善其性能。自凝灰浆的性能要能保证槽孔开挖的稳定性和连续性。

自凝灰浆的制备：自凝灰浆的制备高速搅拌机拌制成膨润土泥浆，其配合比见表2。‍

4.3 铺膜及接头方法

(1)铺膜方法

自凝灰浆的比重大于普通膨润土的比重，在灰浆中下放的阻力较大，因此单纯地采用重力沉入式的铺膜方式下放到位有很大的难度，采用插入与重力沉入的组合下放方式能够切实保障铺膜深度的准确性，且能够防止土工膜上浮。

(2)接头施工方法

膜的下放不可能完全连续施工，在临近槽孔施工时应保护好连接的接头，保证在临近槽段施工时接头不被破坏，有利于下次的连接。同时施工时的杂质不能进入已施工完的区域。为此制作了特制的接头板，接头板上附有HDPE的连接锁扣，可与已下设膜的连接锁扣互锁，保护钢板的宽度略小于墙宽。下土工工膜膜后，把接头板锁扣与已下入膜锁扣插好，即可起到保护土工膜和已完工槽孔的作用。其接头也可以采用叠加式的接头施工工艺。

 ▍5 土工膜复合防渗墙施工工艺的对比

目前众多底线连续墙项目采用的土工膜防渗膜主要有三种形式，分别是重力沉入式、插入式以及自凝灰浆，表3给出了这三种工艺的对比。

 ▍6 土工膜复合防渗墙工法的应用

6.1 露天矿截水帷幕的应用

当前疏排水是我国露天煤矿疏降地下水保证正的方式，露天矿的开采时间较长，长期疏排水可造成地下水资源的严重浪费、生态环境的严重破坏，进而造成土地的沙漠化等后果，同时也增加了生产成本。随着我国对煤矿绿色开采的日益重视，露天煤矿采用长期大量疏排地下水的做法已不可取，将截水帷幕技术应用于露天煤矿进行截渗减排，是解决露天煤矿疏排水问题的根本措施，可实现露天煤矿的绿色、安全、可持续发展。土工膜复合防渗墙因其极低的“渗透性”在内蒙古扎尼河露天煤矿得到了应用，取得了显著的截水效果，截水率达到90%，目前周边地下水已恢复至生态水位，植被绿化植树提高到原来的4倍，生态环境得到了极大的改善，促进了植被的生长，植被多样性增加15%，完成施工的两年共节约排水能耗近8000万。

6.2 危险物垂直阻隔技术领域的应用

危险物垂直阻隔技术是利用地下阻隔封存污染物或改变地下水流向，以达到控制污染水平迁移的目的。为了达到阻止地下污染物迁移的目的，要求垂直阻隔墙有非常低的渗透性，实际应用中要求渗透系数不大于1.0 X 10-7 cm/s，同时阻隔墙要有较好的连续性和耐久性，墙体材料具有较高的稳定性和耐腐蚀性，污染物与其作用不会导致阻隔功能的减弱或失效。

HDPE膜的主要成分为高密度聚乙烯原生树脂（约97.5%)，采用HDPE膜的垂直防渗墙渗透性极低，HDPE膜的渗透系数达到10〜12cm/s，甚至更低。HDPE膜段之间采用特殊的接头施工后，形成连续的整体防渗结构面。因此土工膜的低渗透性是其他防渗墙难以达到的。

HDPE土工膜防渗墙由土工膜和矿物材料共同作用，对酸、碱、盐、无机类具有良好的抗侵蚀能力，渗透系数较低，适用于防渗要求等级高、有效阻隔期较长的工程。被认为是目前最为安全有效的地下污染源阻隔技术。

 ▍7 结论与展望

（1）土工膜复合防渗墙施工的成槽和铺膜工艺已经有相对较为成熟的施工工艺；

（2）填充料可选择的种类较多，需要开发研究成本更为低廉的材料；

（3）接头施工工艺仍然有很大的研究空间，开发更为简易、有效的施工工艺是当前急需解决的问题；

（4）在危险物垂直阻隔技术施工领域，土工膜复和防渗墙是未来的一个发展方向；

（5）自凝灰浆土工膜复合防渗墙施工难度最大。自凝灰浆兼做墙体材料和护壁泥浆，在槽内丧失流动性之前必须完成清孔、铺膜工作，各工序的施工时间非常紧张。