交通运输部加快推进重大项目建设，多地交通投资规模创新高
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横泉水库塑性混凝土防渗墙施工中有关问题的处理
2008/02/18 00:00
来源：郑建春 彭力军 王飞
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［摘 要］ 在复杂地质条件下的水利水电工程混凝土防渗墙施工中，会经常遇到槽孔坍塌、槽孔偏斜以及大孤石等严重影响工程施工的问题。本工程采取事先预防与现场处理相结合的方法较好地解决了以上问题。
［关键词］ 防渗墙 槽孔稳定 孔斜 卡钻 孤石处理
1 概述
横泉水库工程位于山西吕梁地区中部，为山西省在建的重点水利枢纽工程，建筑物主要包括大坝、泄洪洞、洪水发电洞和电站等。大坝坝基防渗采用塑性混凝土防渗墙与帷幕灌浆相结合的方案，坝基的上部分采用塑性混凝土防渗墙进行防渗处理。防渗墙设计墙厚0.80m，成墙深度28～42m，墙体嵌入风化基岩深度5m，混凝土抗压强度1.5～2.5MPa，设计渗透系数小于10-7cm/s。
第Ⅷ标段位于桩号0＋230～0＋550部位，轴线总长320m，成墙总面积约为10177m2。工程于2005年8月4日开工，2006年5月3日完工，历时270余天。主体施工方案采用“钻凿法”、“两钻一抓法”钻孔成槽，“水下直升导管法” 浇筑混凝土。
根据防渗墙施工的相关地质资料，地层条件自上而下可大致分为:
1）人工堆积层:为旧坝体，分布于坝基左岸部位，为低液限粘土，厚度5～20m不等。
2）砂卵砾石层：为卵石混合物土、混合土卵石、级配不良砾石及低液限粉土夹碎石层等，厚度15～30m。
3）基岩层：主要为混合斜长片麻岩、混合花岗片麻岩、混合花岗岩。基岩层的上部为全风化体和强风化体，厚度15～40m不等。
2 施工中遇到的主要技术难题
1）槽段孔壁的失稳问题：在施工前期的钻孔过程中，多次发生孔壁不稳和大范围塌孔现象，处理工作量大，处理时间长，严重影响了工程进度。如在工程初期对部分槽段的成*槽统计中，塌孔处理时间占整个成槽时间的33%，占各类成槽事故的62.8%；
2）施工中的孔斜控制问题：在施工前期的钻孔过程中，由于钻具、施工工艺和砂卵砾石层的地层等因素，导致多次发生孔斜问题，纠斜比较困难，成孔作业时间增长；
3）施工下部的岩层“卡钻”处理：在施工至下部岩层时，多次出现钻头被卡在基岩面上，无法提起的事故；
4）较大孤石对施工的影响：在施工中屡次遇到孤石的存在，如在35号槽钻进到12.0m深度时，遇到大孤石，冲击钻机无法继续钻进，钻具多次被打坏，进尺极慢。后经查看，孤石的尺寸长度达3.2m、厚度达2.5m，为一特大孤石，处理起来非常困难。
3 解决方案
3.1 事先预防
1)槽孔墙壁的稳定措施研究
槽孔稳定与地层情况、槽段长度、泥浆性能和人员操作等诸多因素有关，根据对导致塌孔的关键成因分析，在技术上从泥浆配制、槽段长度设计等方面采取措施预防塌孔。
（1）泥浆性能的改进
通过对槽壁稳定系数(坍塌安全系数)的计算，可得出造孔泥浆所需最小密度，计算公式如下：
式中：N——条形基础的承载力系数。对于矩形沟槽，N=（L+B/L）；
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L、B、H——分别为槽段的长度、宽度和深度(m)；
c——粘性土不排水抗剪强度，近似取粘聚力（kPa）；
K0——静止土压力系数；
q——有影响的地面或已有构筑物的均布荷载（kPa）；
γ′γ′1——分别为土和泥浆的有效重力密度，（kN/m3）
本工程中上部为粉土层，中部为砂卵石，下部为风化混合花岗岩，其槽壁稳定性都很差，泥浆的粘度、密度和失水量是其控制重点。粘度的增加可在孔壁形成泥皮，密度的增加可保证槽壁的稳定性，失水量的减少可降低泥浆中的水渗透入土体，减少对孔壁稳定性的破坏。经过多次试验，最后选用了府谷生产的造浆率较高的膨润土，并添加了外加剂(聚丙烯胺)来增加泥浆粘度。膨润土泥浆的配比及24小时膨化后的泥浆性能指标分别见表1和表2：
(2)槽段长度的调整
一方面，槽段越长，可以减少槽段的接头数，增加防渗墙的防水性和整体性；另一方面，槽段过长又会降低孔壁的稳定性，缩短槽长可以增加槽壁的抗剪强度，有利于孔壁的稳定，而且单槽成槽时间不能太长。 因此，根据相关公式计算，最终确定各槽段的划分长度一般在6．0～6．4m。槽段划分示意图如图1。
2)在砂卵层中的孔斜控制
经分析，施工中砂卵石地层厚度大，粒径不均，10～20cm粒径在一些槽段的砂卵石地层中达到15%～30%的比例，甚至还有大粒径的孤石等，是造成孔斜的主要原因，而钻头重量偏轻、施工经验不足等也是其中因素之一。
由于砂卵层中卵石的直径大小不一，施工中容易发生孔斜超出规范要求。通过研究和以往经验，在施工砂卵石层应选用冲击力大的钻机，钻头优先选用空心钻，钻头质量保证在一定重量以上，钻机操作手一定要经验丰富、操作熟练，这样可以减少施工中的孔斜偏差。同时，钻机操作手要做到减小一次松绳长度，增加松绳次数，特别是在劈打副孔和小墙时，更应控制一次松绳量，最好是在一定时间内暂停松绳，钻机不停(俗称“吊打”)。要经常检查冲击钢丝绳的垂点与槽孔中心的偏差，超过50mm就应采取措施。
3)预防“卡钻”
施工中大多出现的卡钻情况，一是施工时槽孔上部掉石头，出现塌孔，将钻头埋住；二是施工中钻头被卡在下部岩石中。针对以上两种情况采取的相应措施是：
（1）施工中使用合格的浆液，防止槽孔坍塌；
（2）在下部基岩钻过时重复利用旧钻头钻孔，新补焊的钻头不能直接用于下部的基岩钻进，以免出现新钻进的基岩孔径大于上部孔径，形成卡钻的条件。
3.2 现场处理
1)塌孔的处理
塌孔发生在成槽快要结束的时候，如果塌孔后不影响钻机的正常施工，可以用水泥掺拌粘土槽内静止一段时间后再施工，这样可以使槽内的泥浆粘度和泥浆密度增加，增加槽壁的稳定性。若槽孔坍塌后，导墙底部悬空，则下部应采用粘土回填到导墙下部2～3m后，把槽内上部泥清除，用混凝土将上部塌空部分回填密实，待混凝土有一定强度后再重新开孔成槽。
塌孔后，如果钻机平台或弃渣平台已塌空，导墙已发生断裂，使得钻机无法继续施工，可把该槽段两侧地基加固后，采用合适的工字钢将钻机平台或弃渣平台架空，重新形成一个导向槽支架，从而减少槽壁上部的均布荷载。在施工32号槽时，由于导墙发生断裂，当时槽段已成槽且冬季天气特别寒冷，在槽内回填粘土和浇筑混凝土已经不现实，最后用了两根12m长的工型钢将钻机平台和弃渣平台架空，再继续施工，最后顺利的完成了该槽段。
2)孔斜的处理
在前期的成槽施工过程中，孔斜偏大与纠斜处理成为影响施工进度的因素中仅次于塌孔处理的最重要技术难题。
通过对偏斜的原因分析和对策研究，结合以往的施工经验，采取了针对不同地层采用适宜钻头、增加钻头原有重量(达到2．5t以上)，通过定期总结、专家指导、专门培训等方式提高操作人员的处理经验和作业能力，完善相关操作规程等措施，有效地减少了孔斜事故的发生。
3)卡钻的处理
通常由于下部基岩较硬，经常补焊钻头，由于补焊的钻头直径比原来钻进基岩的钻头直径大，结果被卡在基岩面上。钻头无法被提起来，在施工15号槽段时在40m左右深度时被卡住。要将钻头处理上来，须将钻头周围的岩石砸碎，但岩石较硬且孔又深，普通的工具效果不大。通过分析研究，加工了一个大的扩孔器，内径刚好能套住钻头。并置一个长1．5m、直径80cm、重0．5t的钢桶，同时再在扩孔器上补焊了2t的φ32mm螺纹钢进行加固。如图2所示。
加工后的扩孔器，重量2.5t，外径83cm，内径81cm，长度3.0m。
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卡钻处理时，将加工好的扩孔器沿着钻头钢丝绳下到孔底，将钻头套住，由于扩孔器内径比钻头稍大一点，扩孔器可以上下活动，然后根据冲击钻进原理，将钻头周围的岩石扎碎，使钻头能够活动，从而成功处理孔内卡钻的问题。
4)孤石处理
遇到孤石时，一般首先采用空心钻或十字钻在孤石上强行钻进，当孤石的尺寸较大、正位于墙体成槽区内时，其效果通常不佳，坚持使用甚至会使钻具损坏，费用增加。在35号槽中钻进到孔深12.0m时，遇到一特大孤石，冲击钻机无法继续往下钻进，通过加重钻具和改换钻具进行施工也不能往下钻进。且钻具多次被打坏，进尺极慢。
依据以上情况，采用了聚能爆破将孤石炸碎，再用冲击钻机往下钻进的方法。爆破前，利用XY-2型钻机对孤石进行钻孔取芯，掌握其位置、大小及特征情况。确认后，根据爆破当量计算布置钻孔。考虑到是水下爆破，两边的防渗墙已经浇注成墙，爆破产生的振动不能太大，因此在孤石的位置共布置了13个爆破孔位，装入爆破筒采用序次连续爆破的方法见图3，每孔装药在1.5～2.5kg。经爆后检查，处理过程对临近的防渗墙体没有造成破坏，仅用4d时间就将孤石处理掉，保证了正常施工。
4 处理效果
施工初期由于缺乏施工经验及对地层的复杂性了解不充分，在施工中出现了较多的问题，施工效率低，施工初期平均成槽效率仅约为3．42m2/台.日。我们通过QC小组活动等形式，针对问题的专题分析研究，采取合理措施，解决了各类问题，取得了明显的效果，后期成槽效率达到了5．06m2/台·日，提高约48．0%。
通过一系列的技术措施的研究和应用，不仅提高了施工效率，缩短了工期，而且降低了施工成本，使综合效益大大提高。在项目成本中，经计算，单成孔效率提高一项就节支达50多万元。
５ 结语
横泉水库塑性混凝土防渗墙工程施工，工程条件复杂，遇到的问题多。在施工中通过对横泉水库复杂地层的研究和不断探索，在塑性混凝土防渗墙成槽、泥浆配比、大孤石处理等关键技术问题上进行了研究创新，并通过实践与总结，积累了一定的施工经验，取得了良好的经济效益。
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