某水電站加固施工中“擴(kuò)樁成墻”施工工藝研究及應(yīng)用

劉 付，劉 亮

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津，301700)

1 前言

某水電站導(dǎo)流明渠左導(dǎo)墻寬度6.2m，基礎(chǔ)為砂巖、混合巖、碳質(zhì)頁巖，局部穿過F1斷層帶，地基狀況較差。電站建成運(yùn)行后，河床左側(cè)水流不間斷淘刷，導(dǎo)墻底部沖刷，出現(xiàn)較大空腔，影響導(dǎo)墻穩(wěn)定。

2019年，為徹底解決導(dǎo)墻底部基礎(chǔ)被沖刷、被侵蝕問題，并阻斷導(dǎo)墻兩側(cè)水力聯(lián)系。在設(shè)計確定實施灌注樁方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工經(jīng)驗及工程設(shè)計意圖，通過高導(dǎo)墻基礎(chǔ)底部復(fù)雜地層“擴(kuò)樁成墻”技術(shù)的研究，確定采用“旋挖鉆機(jī)成孔、定位導(dǎo)向器+沖擊鉆機(jī)定向沖擊擴(kuò)樁成槽”的施工方法，將左導(dǎo)墻建基面以下至樁底高程以上樁間基巖鑿除，進(jìn)行基巖段定向沖挖成槽，采用水下混凝土壓球法開澆、接頭拔管工藝套接實現(xiàn)成墻。該技術(shù)在不破壞原混凝土導(dǎo)墻整體結(jié)構(gòu)的前提下，增強(qiáng)導(dǎo)墻整體穩(wěn)定性，有效地完成了混凝土導(dǎo)墻基礎(chǔ)的加固，在導(dǎo)墻底部地基巖層狀態(tài)差的部位，形成一道封閉連續(xù)的防淘墻，有效解決導(dǎo)墻底部沖刷、淘蝕問題，從根本上消除了電站運(yùn)行安全隱患。

2 “擴(kuò)樁成墻”方案確定

初期左導(dǎo)墻設(shè)計方案為抗沖樁。為切斷導(dǎo)墻基礎(chǔ)部位的水力聯(lián)系，更好地解決水流長期淘刷基礎(chǔ)的問題，提出“擴(kuò)樁成墻”實施理念，即使用全孔樁構(gòu)造增加本體承載能力，導(dǎo)墻建基面下部“擴(kuò)樁成墻”增強(qiáng)導(dǎo)墻基礎(chǔ)的抗沖能力。

行業(yè)知名專家到現(xiàn)場踏勘、探討，提出解決“下墻”的若干建議，主要方案為單輪銑側(cè)面擴(kuò)挖成槽、高壓射水切割成槽、改裝液壓鉆頭擴(kuò)樁搭接成槽等。

四種建議方案施工原理如下：

表1 成槽施工原理

四種成槽方案優(yōu)缺點如下：

表2 成槽施工方案比選

通過理論研究、試驗?zāi)M比較，最終確定方案4為最優(yōu)方案。

3 “擴(kuò)樁成墻”施工工藝

3.1 施工流程

采用大扭矩旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)灌注樁至設(shè)計底高程，隨后使用85t履帶吊吊裝1臺沖擊鉆(配φ80cm鉆頭、定位導(dǎo)向裝置)，分別由樁孔兩側(cè)，進(jìn)行由上至下的定向擴(kuò)挖成槽施工。定位導(dǎo)向器的最下緣厚度為55cm，沖擊鉆頭隨定位導(dǎo)向器凹槽向下沖擊、劈打側(cè)面，形成既定方向及深度的槽段。期間配合旋挖定期撈渣、清孔，連通成墻。經(jīng)槽型驗收后，采用“水下混凝土壓球法開澆、接頭管拔管套接法”工藝實施澆筑，即在分組的套接孔下設(shè)接頭管，導(dǎo)管澆筑串聯(lián)孔的樁、墻混凝土。

由以上工序不斷循環(huán)作業(yè)，最終在導(dǎo)墻要求深度范圍內(nèi)，形成樁及一道連續(xù)的防滲防淘墻。以1#、2#樁為例，施工流程簡述如圖1所示。

圖1 “擴(kuò)樁成墻”施工流程

3.2 施工工藝

3.2.1 旋挖鉆機(jī)成孔

3.2.1.1 樁位測量放樣

測量人員根據(jù)樁位施工圖將“擴(kuò)樁成墻”抗沖樁樁位逐一放樣定位，用醒目十字線畫出樁位點，做好標(biāo)識并妥善保護(hù)。

3.2.1.2 旋挖鉆機(jī)就位

放樣完成后，旋挖鉆機(jī)按照擬定分組施工順序就位，確保對位準(zhǔn)確、鉆機(jī)牢固平穩(wěn)。旋挖鉆機(jī)移動時，應(yīng)由專人指揮，同時做好樁位點保護(hù)。

3.2.1.3 旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)

開孔前，對開孔位置、孔位中心、平臺高程進(jìn)行復(fù)查。確認(rèn)無誤后，將鉆頭中心點對準(zhǔn)樁位十字線交叉點，調(diào)平鉆頭、調(diào)直鉆桿，低速穩(wěn)壓開孔作業(yè)。首先完成1#孔成孔作業(yè)，然后移機(jī)鉆進(jìn)2#孔，完成2#成孔施工。

3.2.1.4 孔斜、孔型控制

旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，嚴(yán)格孔斜控制。在鉆機(jī)自身垂直度控制基礎(chǔ)上，增加過程中垂直度復(fù)核。采用超聲波測斜儀進(jìn)行孔斜的檢測，出現(xiàn)孔斜偏差，及時糾偏。

旋挖鉆機(jī)鉆孔施工示意如圖2所示。

圖2 旋挖鉆機(jī)分組鉆進(jìn)施工示意

3.2.2 沖擊鉆成槽[1]

旋挖鉆機(jī)成孔至孔底后，采用定位卷揚(yáng)機(jī)將定位導(dǎo)向器順鋼絲繩沿1#樁孔孔壁下放至沖槽位置，定位導(dǎo)向器在樁孔內(nèi)貼壁平穩(wěn)后，固定位置，隨后下設(shè)沖擊鉆頭，沖擊鉆頭沿定位導(dǎo)向器斜面在1#樁孔內(nèi)定向朝2#孔方向巖體沖擊、切削、鉆鑿樁間基巖，直至鉆鑿至樁底高程以上5m處(如圖3)。

在1#樁孔擴(kuò)孔完成后，采用上述相同步驟，對2#樁孔朝1#樁孔方向進(jìn)行擴(kuò)孔，將導(dǎo)墻建基面下部兩樁樁間基巖完全鑿除(如圖4)，使兩個樁孔連通形成相互套接的咬合孔(如圖5)。

圖3 定位導(dǎo)向器配合沖擊鉆由1#→2#劈打樁間基巖

圖5 單幅樁間墻成槽效果示意(單位：mm)

其中，定位導(dǎo)向器為本項目專門研制，如圖6所示。成槽過程中采用最大厚度55cm的定位導(dǎo)向器配合φ80cm的沖擊鉆頭。沖擊成槽過程中，采用旋挖鉆機(jī)配合孔內(nèi)撈渣。

圖6 定位導(dǎo)向器示意(單位：mm)

3.2.3 槽型檢測

在沖擊鉆擴(kuò)樁成墻形成單幅樁墻連通孔后，采用Imagenex 881A Borehore Sonar型聲吶檢測儀器進(jìn)行槽型檢測。在1#孔進(jìn)行槽體連通性和成槽寬度的檢測，從孔口高程下放聲吶儀器，通過槽壁聲吶反射信號，形成連通孔斷面的成槽圖形，每米檢測一個斷面，施測至孔底高程。

在1#孔聲吶檢測完成后，采用上述相同方法，對2#孔進(jìn)行聲吶檢測。聲吶檢測成槽剖面如圖7。

圖注：高程959m，地下連續(xù)墻，墻寬0.90m，斷面面積2.40m2。 圖7 聲吶檢測成槽剖面

3.2.4 清孔、下設(shè)鋼筋籠及接頭管[2]

3.2.4.1 清孔撈渣

成槽檢測合格后，采用旋挖鉆機(jī)換平底撈渣鉆頭進(jìn)行清孔撈渣作業(yè)。將鉆渣及泥砂等沉淀物撈出孔外，撈取過程中摻入優(yōu)質(zhì)泥漿保證孔內(nèi)液面高程。

清孔驗收標(biāo)準(zhǔn):清孔完成4h后，沉渣厚度不大于200mm。

3.2.4.2 下設(shè)接頭管

清孔驗收合格后，采用85t履帶吊進(jìn)行2#孔接頭管下設(shè)。

首先，清洗、檢查接頭管，進(jìn)行試拼接，觀察垂直度；其次，在底節(jié)接頭管底部綁上粗篩網(wǎng)或焊上鋼板，防止混凝土進(jìn)入管內(nèi)；然后，按照試拼接的順序逐根依次下設(shè)。

3.2.4.3 下設(shè)鋼筋籠

采用左導(dǎo)墻頂端85t履帶吊“逐節(jié)起吊，分節(jié)下設(shè)，孔口對接”的工藝，在1#孔下設(shè)鋼筋籠。

3.2.4.4 下設(shè)澆筑導(dǎo)管

導(dǎo)管使用前，進(jìn)行試拼裝、注水密封試驗，并按自下而上順序編號、標(biāo)示尺度。每次下設(shè)前，進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，包括表面平整度、絲扣完好性、密封完好性、連接處泥沙等。導(dǎo)管底口距孔底距離30cm～50cm。

3.2.5 混凝土澆筑成墻[3]

采用壓球法開澆。導(dǎo)管埋入混凝土面的深度控制在3m～6m，最小埋入深度不得小于2m，導(dǎo)管勤提勤拆，嚴(yán)禁提出混凝土面。

1#孔澆筑混凝土過程中，需不斷上下活動2#孔內(nèi)接頭管，通過觀察接頭管微動時的壓力變化和同條件混凝土試塊初凝狀況，判斷接頭管起拔時機(jī)。

1#樁孔澆筑完成后，混凝土將充滿1#孔和1#-2#孔樁間墻，形成一幅樁墻(如圖8所示)。

圖8 下設(shè)接頭管、導(dǎo)管澆筑混凝土工序示意

按照以上1#、2#孔施工工藝，分組實施、逐孔推進(jìn)，趕羊施工。每個墻段進(jìn)行以2個樁孔為一組的底部基巖“擴(kuò)樁成墻”施工，每組“擴(kuò)樁成墻”含2個樁孔和2孔之間的一幅墻段。最終實現(xiàn)整個墻體底部連接，形成一道防滲防淘墻。

4 控制要點

4.1 技術(shù)控制要點

(1)旋挖鉆機(jī)成孔孔斜率是成槽的前提條件?？箾_樁最大深度59m，樁間墻寬度0.5m，孔斜率控制不超過0.2%方可順利成槽。每鉆進(jìn)2m采用成槽檢測儀檢測孔斜并及時糾偏，過程中，采用增加鉆具長度、“低壓慢鉆”等措施施工。尤其加強(qiáng)開孔、混凝土和基巖接觸段、軟弱基巖接觸段、斜巖等關(guān)鍵部位的孔斜控制。

(2)沖擊鉆成槽是擴(kuò)樁成墻的核心工作。根據(jù)不同巖層，動態(tài)調(diào)整鉆鑿方法。鉆至軟弱地層時“輕打勤放”，即采用小沖程、高頻次、勤放鋼絲繩的鉆進(jìn)方法；遇到堅硬地層時，提前采用高強(qiáng)耐磨塊加焊鉆頭，采用高沖程、低頻次的點擊重打法。

(3)接頭管套接成墻是樁間墻施工的重點。單孔下設(shè)起拔接頭管比常規(guī)防滲墻槽段內(nèi)下設(shè)接頭管難度陡增。保證臺鉗、卡子固定牢固無松動，上下管口連接處對齊，接頭管下設(shè)垂直。破碎巖層、塌孔地段澆筑過程中，增加接頭管活動頻次和幅度，放緩混凝土澆筑速度，避免過大沖擊力，造成管體傾斜，增加難度，甚至出現(xiàn)“鑄管抱管”隱患。

(4)混凝土澆筑是成槽的關(guān)鍵工序，采用壓球法開澆，準(zhǔn)確計算首灌方量，保證導(dǎo)管埋入深度不小于1m。嚴(yán)格控制混凝土坍落度，連續(xù)澆筑，不得中斷。

4.2 安全控制要點

(1)左導(dǎo)墻寬度6.2m，兩側(cè)臨空，作業(yè)區(qū)間狹小，安全風(fēng)險高。根據(jù)“擴(kuò)樁成墻”分區(qū)分組施工情況進(jìn)行區(qū)域化管理，劃分責(zé)任區(qū)，明確責(zé)任人及安全職責(zé)。

(2)左導(dǎo)墻兩側(cè)設(shè)置硬隔離措施。在導(dǎo)墻明渠側(cè)搭設(shè)寬度1.5m人行棧道，保證人員安全通行，避免與施工作業(yè)區(qū)交叉。

(3)在旋挖鉆機(jī)、履帶吊車、沖擊鉆機(jī)作業(yè)時，進(jìn)行封閉隔離管理并懸掛警示標(biāo)示，嚴(yán)禁非本工種作業(yè)人員進(jìn)入施工區(qū)。

(4)起吊作業(yè)前，由技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行安全技術(shù)交底，并安排專職安全員全程監(jiān)督落實，劃分吊裝責(zé)任區(qū)并設(shè)警示標(biāo)識。吊裝輻射范圍內(nèi)嚴(yán)禁人員停留，并由司索工、信號工指揮吊裝作業(yè)。

5 “擴(kuò)樁成墻”實施效果

左導(dǎo)墻“擴(kuò)樁成墻”槽段連通性聲吶檢測817個點，其中，墻段厚度最大值1.6m，最小值0.13m，平均值0.79m，墻厚測點小于0.4m的點數(shù)34個，占比4.16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計指標(biāo)10%的技術(shù)要求。

按照設(shè)計要求，抽取3幅樁墻鉆孔取芯，并進(jìn)行注水試驗、孔內(nèi)攝像、聲波對穿檢測。芯樣完整、密實、無斷層；孔內(nèi)攝像顯示混凝土無裂縫、無明顯氣泡、密實、完整；樁間墻對穿聲波最小值3911m/s，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

通過“擴(kuò)樁成墻”施工技術(shù)在某水電站左導(dǎo)墻加固中的實施應(yīng)用，在導(dǎo)墻的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)成樁，在左導(dǎo)墻建基面以下地層內(nèi)成墻，形成一道封閉連續(xù)的防淘墻，實現(xiàn)對混凝土導(dǎo)墻基礎(chǔ)的補(bǔ)強(qiáng)加固，徹底解決了水電站混凝土導(dǎo)墻基礎(chǔ)的淘刷問題，有效阻斷了導(dǎo)墻兩側(cè)的水力聯(lián)系，從根本上保障了電站的安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

“擴(kuò)樁成墻”施工工藝在某水電站左導(dǎo)墻加固中的成功實施，填補(bǔ)了國內(nèi)此類施工技術(shù)的空白，達(dá)到在高導(dǎo)墻深部基礎(chǔ)“擴(kuò)樁成墻”的目的，同時解決了施工技術(shù)參數(shù)、施工工藝、質(zhì)量控制等問題，為工程施工提供科學(xué)的施工工藝和施工方法，對大型水電站已建建筑基礎(chǔ)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)提供了解決問題的新思路、新方法，為類似工程的施工提供了指導(dǎo)意見。