扁鉆頭沖切法建造薄壁防滲墻槽孔施工方法

王亞莉，李保紅

(湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430061)

混凝土防滲墻建造技術(shù)在我國(guó)水利水電行業(yè)應(yīng)用廣泛，常用的造槽方法多種多樣[1]，但是這些方法對(duì)施工設(shè)備和方法要求較高，且施工設(shè)備大多是近些年研制或從國(guó)外進(jìn)口，一般比較笨重、昂貴[2]，最重要的是它們只適用于強(qiáng)度較低的砂土層等軟弱地基以及全風(fēng)化巖的地基造槽，對(duì)于風(fēng)化巖以及具有一定強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度為大于6 MPa)的巖層和含有較大孤石、漂石的砂卵石層，采用這些方法和設(shè)備都難以達(dá)到目的。為了解決此類地層的薄壁防滲墻造槽問(wèn)題，我們從2000年起利用沖擊造孔的原理，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)沖擊法鉆頭和施工工藝加以改進(jìn)升級(jí)，用板式扁形鉆頭代替原沖擊法的十字鉆頭(或圓鉆頭)，逐漸形成一種新的造槽施工技術(shù)方法，即沖切成槽施工法。該工法可適應(yīng)各種地層、設(shè)備簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低，被湖北省科協(xié)等5部門聯(lián)合評(píng)為“先進(jìn)操作法”。而后經(jīng)過(guò)這些年又在十多個(gè)防滲墻工程中使用并加以改進(jìn)，該施工技術(shù)法已經(jīng)成熟，2013年該法被中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)收錄為施工工法(工法編號(hào)：SDGF1009-2012)，在水工行業(yè)推廣應(yīng)用。

1 施工技術(shù)原理

沖切法造槽是利用板式扁形鉆頭的自重在一定的高度自由下落產(chǎn)生的動(dòng)能、動(dòng)量來(lái)沖擊和破壞地層，其鉆頭底部是長(zhǎng)寬比例約10:1的長(zhǎng)方形截面，兩壁面是平行的兩塊鋼板，整個(gè)鉆頭就像一塊板體，工作時(shí)鉆頭對(duì)槽壁像刀切一樣形成垂直壁面，鉆頭底部地基在沖擊力作用下被擊碎，沖切屑在循環(huán)泥漿的帶動(dòng)下排出地表，形成一個(gè)垂直地面的長(zhǎng)方體型槽孔。

2 沖切法造槽施工設(shè)備

沖切法造槽的主要施工機(jī)械與沖孔灌注樁以及其他泥漿護(hù)壁成槽法施工機(jī)械有部分類似，但又不完全相同。

(1)沖擊鉆機(jī)[3]通常為2種。①ZN-CJ型走管式?jīng)_擊鉆機(jī)，最大提升能力為5 t，人工手柄式操作，沖程可人工調(diào)節(jié)。②CZ型及其改進(jìn)型輪胎式?jīng)_擊鉆機(jī)，最大提升能力為8 t，機(jī)械自動(dòng)操作，四級(jí)沖程高度，(改進(jìn)型可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié))。這兩種類型的沖擊鉆對(duì)于不同的地層可以采用不同的沖程和頻率。一般軟弱地基采用小沖程，砂卵石層和巖石地層采用大沖程。在兩種施工方法中都使用這樣的沖擊鉆機(jī)作為主要設(shè)備。

(2)與沖孔灌注樁使用圓鉆頭不同的是沖切成槽法使用的鉆頭為板式扁鉆頭，該種扁鉆頭底長(zhǎng)2.0～2.5 m，底寬22～35 cm，高度2.5 m左右，重2.0、3.0、3.5 t等多種。鉆頭底部正背面兩側(cè)鑲焊有鋼爪齒，以減少?zèng)_擊接觸斷面，同時(shí)在底部間隔槽中間留有泥漿輸送通道和泥漿阻力釋放孔，以提高泥漿的除渣效果和減輕沖擊過(guò)程中泥漿對(duì)鉆頭沖擊的阻力，提高成孔效率。板式扁鉆頭示意圖見(jiàn)圖1。

1-吊環(huán)，上部與沖擊鉆機(jī)鋼絲繩連接；2-正循環(huán)泥漿進(jìn)漿管，接泥漿輸送管路；3-內(nèi)加固骨肋，增加鉆頭剛度，同時(shí)提供沖擊時(shí)泥漿上升通道；4-兩側(cè)向鋼板，增加鉆頭剛度；5-正背面鋼板，造槽主要板面，增加鉆頭剛度；6-正背面鋼爪齒，沖擊破壞地層，加快造槽速度圖1 板式扁鉆頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat bit

鉆頭寬度一般選擇比設(shè)計(jì)槽孔寬度小3～5 cm較為合適。比如槽孔寬度為25 cm，應(yīng)選擇底寬22 cm的鉆頭；槽孔寬度為30 cm，應(yīng)選擇底寬26 cm的鉆頭；而槽孔寬度為40 cm，應(yīng)選擇底寬35 cm的鉆頭。

(3)泥漿系統(tǒng)設(shè)備與普通泥漿護(hù)壁循環(huán)造槽一樣，有用于正循環(huán)的泥漿泵及管路和除渣用的給泥漿內(nèi)充入氣體以提高泥漿除渣能力氣舉反循環(huán)空壓機(jī)以及抽渣泵等。

3 沖切法造槽施工工藝

3.1 導(dǎo)向槽施工

沖切法造槽鉆頭重量大，開(kāi)鉆時(shí)鉆頭在空中不受約束，可以360°自由回轉(zhuǎn)，很難保持沿預(yù)定的造槽軸線沖切，而且隨意碰撞孔壁造成坍塌，也無(wú)法達(dá)到預(yù)定的槽孔垂直度。為了保護(hù)槽口壁和控制槽孔能達(dá)到預(yù)定垂直度，在沖切成槽施工前首先要施工導(dǎo)向槽，其目的是將鉆頭限制在導(dǎo)向槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，不得隨意亂擺動(dòng)，起到對(duì)鉆頭的導(dǎo)向作用。根據(jù)SL174-96的有關(guān)規(guī)定，導(dǎo)向槽寬度比鉆頭約寬10 cm，導(dǎo)向槽深度60～80 cm為宜[4]，太淺了起不到導(dǎo)向作用，太深了又不經(jīng)濟(jì)。

3.2 打先導(dǎo)孔

在每個(gè)單槽沖擊之前，在槽孔一端或兩端利用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)或沖擊鉆機(jī)先打先導(dǎo)孔，孔徑與槽孔寬度相同或相近，孔深應(yīng)大于設(shè)計(jì)槽深50 cm，在先導(dǎo)孔內(nèi)安設(shè)氣舉反循環(huán)裝置。施做先導(dǎo)孔的目的一方面是增加鉆頭在沖切地層過(guò)程中的臨空面，便于沖切；另一方面在先導(dǎo)孔內(nèi)安裝設(shè)備有利于使沖切破碎物流入孔內(nèi)通過(guò)設(shè)備及時(shí)排出地面，避免重復(fù)沖切，以提高沖切效率。工程實(shí)踐證明，當(dāng)先導(dǎo)孔的孔徑、深度、垂直度等滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，先導(dǎo)孔不僅可起到上述作用，還能起到一定的導(dǎo)向作用。

3.3 沖切成槽

3.3.1槽孔劃分

防滲墻沿防滲軸線可劃分為若干槽段，各個(gè)槽段分兩序施工，每個(gè)槽段稱為一個(gè)單槽，其長(zhǎng)度依據(jù)鉆頭長(zhǎng)度而定，一般為6.0～8.0 m。單槽造槽時(shí)，又分主槽孔和副槽孔，先施工主槽孔，后施工副槽孔。一般來(lái)說(shuō)副槽孔長(zhǎng)度為鉆頭長(zhǎng)度1/2～2/3，副槽孔太短鉆頭沖切時(shí)容易倒向已經(jīng)沖切完成的主槽孔，太長(zhǎng)又容易因鉆頭在槽內(nèi)沿槽孔方向左右擺動(dòng)，從而在槽孔底部形成凸起沒(méi)能沖切完的小墻[5]。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)當(dāng)副槽孔長(zhǎng)度超過(guò)鉆頭長(zhǎng)度的2/3時(shí)，則須在副槽孔成槽后，對(duì)槽底進(jìn)行全面掃底，其目的就是清除主副槽孔間沒(méi)有被沖切掉的小墻。

3.3.2沖切

(1)開(kāi)槽沖切。開(kāi)槽沖切指從開(kāi)始沖切至鉆頭高度的2/3進(jìn)入導(dǎo)向槽深度以下地層的作業(yè)過(guò)程。因?qū)虿凵疃戎挥?0～80 cm，鉆頭提升高度不應(yīng)超出導(dǎo)向槽，沖幅也應(yīng)較低約30 cm即可，同時(shí)掌握好當(dāng)鉆頭沖擊到槽底，鋼絲繩剛好垂直，不能過(guò)于松弛，否則鉆頭倒向?qū)虿?，?huì)對(duì)其造成破壞。

(2)全面沖切。開(kāi)槽沖切完成即進(jìn)入全面沖切過(guò)程，此時(shí)的沖幅可以加大，根據(jù)地層情況進(jìn)行調(diào)整改變，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)：一般黏土、淤泥質(zhì)土等軟弱地層沖幅為50～60 cm，砂卵(礫)石地層沖幅可加大為80 cm為宜。

(3)成槽沖切。一般水工防滲墻大多都會(huì)進(jìn)入相對(duì)不透水地層，當(dāng)沖切至基巖時(shí)，因巖層硬度增大，較小的沖擊能量不足以破壞巖層，因此需要加大沖擊幅度，來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的嵌巖深度，此過(guò)程與沖擊沖孔灌注樁嵌巖類似。

3.3.3成槽過(guò)程中防偏糾偏

(1)防偏。沖切成槽過(guò)程中如遇孤石、漂石或沖擊不水平的巖面(比如斜面巖層)，極容易發(fā)生槽孔偏斜。對(duì)于孤石、漂石，可采取以小沖程為主，輔以大沖程配合。對(duì)于不水平的巖面，可先用小沖程對(duì)巖面沖擊形成一定深度的槽坑后(相當(dāng)于增大鉆頭底部與巖層的接觸穩(wěn)定面)，而后可用大沖程沖擊。遇到堅(jiān)硬巖層時(shí)，也可先用地質(zhì)鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔，既可提高沖擊效率，又可避免槽孔偏斜。

(2)糾偏。成槽過(guò)程中及時(shí)檢查槽孔的偏斜情況，一旦發(fā)生偏斜后必須及時(shí)糾偏，具體做法是當(dāng)?shù)貙邮峭翆忧移倍炔淮髸r(shí)，可將鉆頭提起懸空對(duì)偏斜壁的反向側(cè)上下反復(fù)刮擦槽壁；當(dāng)偏斜較大時(shí)，可回填土夯實(shí)至偏斜處上部后，而后重新該段成槽；當(dāng)?shù)貙邮巧奥?礫)石或巖層時(shí)，可向偏斜槽內(nèi)投碎石料，然后重新沖切，這種方法簡(jiǎn)便易行，糾偏的效果較好。

3.3.4循環(huán)泥漿

沖切成槽施工對(duì)泥漿制備、泥漿性能、泥漿循環(huán)系統(tǒng)的要求與通常的泥漿護(hù)壁防滲墻造槽孔沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只是沖切成槽對(duì)泥漿的性能及循環(huán)要求更高。因?yàn)榕c常規(guī)鉆頭沖擊一樣，板狀扁鉆頭本身也不易攜帶泥渣出槽孔外，泥渣主要靠泥漿的循環(huán)帶走，因此加強(qiáng)泥漿循環(huán)對(duì)于提高鉆進(jìn)速度非常重要。在施工過(guò)程，除采用通過(guò)鉆頭上的泥漿進(jìn)漿管將泥漿送入槽孔內(nèi)的正循環(huán)系統(tǒng)外，還要配以安裝在先導(dǎo)孔內(nèi)的管路進(jìn)行氣舉反循環(huán)定時(shí)抽吸泥漿。根據(jù)我們經(jīng)驗(yàn)：氣舉反循環(huán)采用的供氣空壓機(jī)送氣量為2.6 m3/min，用Φ108 mm的地質(zhì)套管作出漿管，即可滿足深度40 m的槽孔使用。Φ108 mm地質(zhì)套管口徑大，便于將粗顆?？焖倥懦觯^大地提高了成槽效率。

4 不同地層造槽施工技術(shù)要點(diǎn)

該工法實(shí)用于各種地層，尤其是風(fēng)化巖以及具有一定強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度為大于6 MPa)的巖層和含有較大孤石、漂石的砂卵石地層的薄壁防滲墻造槽，雖然基本施工原理一樣，但是技術(shù)側(cè)重點(diǎn)還是有一定區(qū)別。

4.1 土層及風(fēng)化巖層

上世紀(jì)五六十年代修建的土堤、土壩因填方質(zhì)量差，有的筑壩時(shí)未清基或清基不徹底，往往是滲漏的主體[6]，在此類建筑物中建造防滲墻是常用的防滲處理方法，在水庫(kù)、堤壩加固工程中應(yīng)用最多。土層及風(fēng)化巖層強(qiáng)度相對(duì)較低，很容易沖切成槽，因此應(yīng)采用低沖幅沖切,沖幅一般為30～50 cm為宜。

但因該類地層產(chǎn)生的鉆渣速率較快，對(duì)除渣有較高的要求，同時(shí)槽壁穩(wěn)定性較差，尤其是沙質(zhì)土。這兩項(xiàng)因素都是與造槽泥漿的性能有關(guān)，除渣要求泥漿應(yīng)有較大的黏度、密度和較快的上升流動(dòng)速度，而穩(wěn)定孔壁要求泥漿不能有過(guò)大的黏度和密度，但需要泥漿要有較好的膠體率。目前常用的泥漿多為黏土漿或膨潤(rùn)土漿，后者比前者更容易調(diào)節(jié)滿足該性能需求，后者可采用添加堿粉(摻加量為膨潤(rùn)土量的0.3%～0.5%)來(lái)增大黏度，提高膠體率及其穩(wěn)定性，降低失水量。一般在此類地層中造槽選擇密度1.05～1.1 g/cm3、黏度不小于20 s、含砂率小于5%、膠體率大于95%的泥漿較合適，當(dāng)然也需要根據(jù)地層情況通過(guò)試驗(yàn)加以調(diào)節(jié)以獲得適宜的泥漿。

4.2 軟巖地層

軟巖地層建造防滲墻槽孔，因巖層泥質(zhì)的塑性而導(dǎo)致工效較低，且沖切后往往顆粒較小，泥鈣質(zhì)含量大，造槽過(guò)程中泥鈣質(zhì)易以膠體形態(tài)融入泥漿中，增大了泥漿的密度和黏度。加之軟巖的塑性導(dǎo)致沖切下泥層包裹黏附在板式鉆頭上，內(nèi)部堵塞泥漿通道，外部使得兩板面增厚，底部沖切面形成一個(gè)“土”底板，將鉆頭托起，俗稱“糊鉆”，導(dǎo)致無(wú)法沖切鉆進(jìn)?？刹捎脤⒌偷哪酀{密度和黏度，同時(shí)加大泥漿流量，提高泥漿循環(huán)速度，必要時(shí)加入聚丙烯胺絮凝劑(摻加量為膨潤(rùn)土量的0.003%)以加速泥漿沉淀，從而避免“糊鉆”。施工工藝上采取加快進(jìn)槽孔泥漿輸送量，同時(shí)充分利用氣舉反循環(huán)抽排槽內(nèi)泥漿以加快除渣，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是加快泥漿更換速度來(lái)快速地除渣。

4.3 砂卵(礫)石地層

砂卵石地層建造防滲墻槽孔遇到最大的問(wèn)題有兩個(gè)，其一是槽斜不易控制，其二是槽壁不穩(wěn)定。砂卵石地層造槽往往遇到?jīng)_切鉆頭一邊接觸較大的卵石(硬基)，另一邊接觸相對(duì)較軟的地層(軟基)，造成鉆頭接觸面軟硬不均，在沖切過(guò)程中，鉆頭自然偏向相對(duì)較軟的軟基，造成槽孔偏斜，為了避免出現(xiàn)這類狀況，沖切中可采用低沖幅高頻率的辦法將較大的卵石擊碎，通過(guò)該段后再恢復(fù)至原來(lái)的沖切造槽施工參數(shù)。同時(shí)積極量測(cè)槽孔有無(wú)出現(xiàn)超標(biāo)偏斜，一旦出現(xiàn)立即停止造槽，當(dāng)偏斜超標(biāo)不多時(shí)可采用在鉆頭槽斜相反的方向加耐磨塊，當(dāng)偏斜超標(biāo)較大無(wú)法糾偏時(shí)可投料回填而后重新造槽。

砂卵石屬于粗大顆粒，垂直沖切的槽壁上的卵石顆粒不穩(wěn)定容易脫落，嚴(yán)重的導(dǎo)致塌槽[7]，造槽中需要通過(guò)調(diào)節(jié)泥漿性能來(lái)提高槽壁泥皮附著能力?？刹扇≡龃竽酀{密度至1.1～1.2 g/cm3，同時(shí)可在泥漿中加入羧甲基纖維素(摻加量為膨潤(rùn)土量的0.01%～0.05%)以增加泥漿的黏性，使槽壁面形成防護(hù)薄膜，以穩(wěn)定槽壁。同時(shí)施工工藝上可采取縮短槽孔長(zhǎng)度至4.0～6.0 m，也可有效的預(yù)防塌槽。

因地層情況是多種多樣的，以上這些方法往往也不是孤立存在的，造槽中根據(jù)地層情況適當(dāng)選擇調(diào)整，定可獲得良好效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)板式扁鉆頭沖切成槽法對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于各種地層槽孔建造。與前述的造槽方法對(duì)風(fēng)化巖層、砂卵(礫)石層和大孤、漂石等特殊地基成槽束手無(wú)策相比，該法是一種行之有效的施工方法。與爆破法比較而言安全又簡(jiǎn)單易行，在水工行業(yè)值得大力推廣使用。

(2)該法同時(shí)利用正反兩種系統(tǒng)進(jìn)行泥漿循環(huán)加快成槽效率也是該技術(shù)的一大突破點(diǎn)，可使造槽效率比單一泥漿正循環(huán)法提高20%～30%。

(3)該法是利用現(xiàn)有機(jī)械升級(jí)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，無(wú)需投入較大的成本即可達(dá)到預(yù)期的效果，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，容易掌握，便于推廣使用。

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[1] 全國(guó)水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng)組.水利水電施工手冊(cè)(第1卷)地基與基礎(chǔ)處理[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2] 高鐘璞.大壩基礎(chǔ)防滲墻[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

[3] 叢藹森.地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[4] SL174-96，水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 張智涌.水利水電工程施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

[6] 詹青文.混凝土防滲墻滲漏分析研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011，(7)：112-114.

[7] 蓋益民，尹健梅，嚴(yán) 磊.沙灣水電站一期圍堰防滲墻施工技術(shù)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2008，(4)：120-122.