復雜地層下臨時圍堰砼防滲墻成槽施工問題探討

趙榮亮 邢敏

北京振沖工程股份有限公司 北京 100102

1 工程簡介及地質概況

國內某大型抽水蓄能電站為在建世界最大抽水蓄能電站，電站擬利用已建的原水電站水庫作為下水庫，在下水庫山區(qū)頂部修建上水庫，上、下水庫之間的山體內布置水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)。

本工程地處燕山山脈和內蒙古高原交界部位，區(qū)內地勢復雜，高程一般為800～2300m。本區(qū)出露的地層有古元古界變質巖，中生界侏羅系上統(tǒng)火山巖、白堊系下統(tǒng)火山巖、沉積巖，新生界第三系上統(tǒng)礫巖，第四系松散堆積層。另外，區(qū)內出露有大面積的侵入巖，主要侵入時期為古元古代、三疊紀、中侏羅世、白堊紀，巖性以花崗巖、閃長巖為主。

該地區(qū)屬于中溫帶半濕潤半干旱大陸性季風型高原山地氣候。春季風多干旱，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫0.9～6.2℃，無霜期110～145天，晝夜溫差大。11月～4月份為冷凍期，施工環(huán)境惡劣，有效施工期短。

下庫一/二期進出水口圍堰是該工程下庫重要臨時建筑物之一，屬關鍵節(jié)點。是下庫進出水口施工全時段的安全屏障，軸線長度500m，設計為土石圍堰，立堵法回填，地層自上而下依次為人工雜填土層，心墻最大粒徑不超過30cm，心墻外最大粒徑120cm，厚度7～9m；淤泥層，局部有粗砂，厚度3～5m；卵礫石層，厚度10～18m，下部基巖為元古界花崗巖（γ2）。防滲墻縱橫剖面圖見下圖。

2 防滲設計

該工程原設計防滲結構為高壓旋噴防滲墻，入巖1m，后因防滲效果不理想，變更為砼防滲墻結構。

3 防滲墻施工技術難點

防滲墻施工技術復雜，風險大，主要施工難點是：

（1）地質條件復雜。因設計變更，防滲墻軸線位置已偏移出原心墻范圍，地質條件復雜，雜填土層含大量漂石、孤石，且無級配，空隙率大，易漏漿塌孔；河床段分布淤泥層，上部雜填土層載荷較大，物理力學指標低，槽孔穩(wěn)定性差；覆蓋層及全強風化層，巖性堅硬，鉆進困難，墻體嵌巖困難。

（2）砼防滲墻距原設計高噴較近，砂卵礫石層及覆蓋層含大量高噴水泥滲透凝結體，強度較高，鉆進難度較大。

（3）設計墻厚0.4m，嚴格限制了施工工藝的選擇，工期短，施工強度高。

4 施工概況

防滲墻施工大體劃分為3個階段：

（1）防滲墻實驗階段。原設計防滲結構為單排高壓旋噴防滲墻，變更為原軸線向上游偏移4m改為砼防滲墻結構，要求入巖1m。實驗安排在墻體軸線中間河段最深處，對液壓抓斗進行性能和生產性檢驗，為正式施工提供可鑒性指導。

（2）施工工藝探究調整階段。因上部雜填土層含大量孤石，下部砂卵礫石層及覆蓋層含大量水泥凝結體，成槽難度極大，嵌巖困難。全抓法不能滿足現(xiàn)場施工要求，銑槽法因墻寬限制無可選設備。后調整為兩鉆一抓法，沖擊鉆鉆具因墻寬限制，重力勢能受限，成槽效率仍極低；后改為砼防滲墻成墻后進行墻下帷幕灌漿，其目的是為了提高工程進度，保證在可施工氣候階段內完成施工。

（3）正式施工階段。防滲墻關鍵節(jié)點的完成直接關系到進出水口內施工面下一步工作展開。

（4）最終施工工藝及設備選型見下

經多種嘗試，最終選擇了以液壓抓斗及沖擊鉆為主，潛孔錘及爆破為輔的“兩鉆一抓”法。GB34寶娥液壓抓斗、SG35金泰液壓抓斗，CZ-6烏卡斯沖擊鉆，351型破碎鉆機等設備。

5 施工難點問題及特殊情況處理

本項目主要施工難點體現(xiàn)在成槽工序。

（1）因上部雜填土層無級配，含大量漂石、孤石，孔隙率大，穩(wěn)定性差，直接造成施工過程出現(xiàn)以下難以處理問題：

①導墻下地層極不穩(wěn)定，地下水位低，地層孔隙率大，漏漿量極大（該工程多次出現(xiàn)圍堰上游側低于導墻水平基面位置及上游庫區(qū)滲漏泥漿現(xiàn)象）。

處理措施：針對漏漿，多次調整護壁泥漿參數(shù)；該項目使用鈉基膨潤土為制漿土料，主要以泥漿比重和黏稠度作為主指標參數(shù)，經多次現(xiàn)場試驗比對，常規(guī)項目的泥漿參數(shù)難以滿足該地層要求，最終確定了泥漿比重保持在1.09～1.15之間，黏稠度（馬氏漏斗）高達48～52s時，并添加預拌PAM溶液，才能初步緩解漏漿情況。

②雜填土層大量孤石，且硬度較高，粒徑最大高達1.2m，液壓抓斗無法有效抓進出渣，使用烏卡斯沖擊鉆沖擊破碎，因導墻寬度（墻厚0.4m）限制，鉆具質量小，重力勢能小，且無法精準對位，效率極低，沖擊震動易引發(fā)塌孔事故。

處理措施：a.在大孤石處回填細石，建立有效沖擊面，待沖擊破碎后，重新移位，再次沖擊破碎。此方法進尺極慢（遇大孤石時，因鉆具直徑限制，錘鍾2t，進尺慢，且沖擊對位困難），且易塌孔。該法效率極低，消耗大，處理周期長。

b.使用潛孔錘進行斜向破碎。因回填料多花崗巖硬度極高，該項目出現(xiàn)多次出現(xiàn)潛孔錘鉆桿斷折。該法顯現(xiàn)了潛孔錘靈活機動，效率高，但不能全部適用，遇硬巖時，機械損壞率較高。

c.對孤石進行水下爆破。實踐證明，靠純機械鉆挖，效率慢，覆蓋性差，局部超大孤石需使用爆破方式。該項目采用了兩種爆破方式均有利弊。水下聚能爆破，制作操作簡單，但爆破效果差，多次爆破仍不能破碎；鉆孔預爆，因孤石形狀不規(guī)則，鉆具難以準確施鉆，難以準確施爆。

注：爆破引發(fā)次生塌孔，且不能有效解決問題，爆破后只能進行槽內回填處理靜置，二次抓進亦多塌孔。

③在雜填土層及淤泥層交接位置，成槽過程中多發(fā)漏漿極快現(xiàn)象，補漿無效，液面下降，導致塌孔。

處理措施：a.針對該情況，更換了進漿泵，提高進漿效率；提高了泥漿系統(tǒng)生產效率，增加泥漿池容量按4倍槽內容積備產；縮小槽段長度，減少接觸面積。b.針對該位置，采用了回填黃黏土1m，抓進2m循序漸進的方式，可初步緩解漏漿率大的問題。c.如上述方法未有效解決，只能采取回填黃黏土夯實靜置的方法，待黃黏土漿液充分填充孔隙后，進行二次抓進。如無效，在黃黏土中添加PAM溶液再次回填靜置，如此往復。

（2）下部砂卵礫石層層厚4～8m，因前期高壓旋噴水泥滲透，強度增高，抓斗難以抓進，進尺極慢，24小時進尺不足0.5m，針對該特殊情況，采取了以下措施：

措施①：選用大功率液壓推板抓斗，增加配重，相比較傳統(tǒng)薄壁抓斗（例如薄壁連續(xù)墻抓斗，輸出功率小，提升力小，無推板，斗體抓斗最大重量小，無沖擊性能）具有功率大，重力勢能大，遇硬層MDSG機械卷管系統(tǒng)和自由落體卷揚機配合使用，具有一定的沖擊能力；滿負荷運轉情況下張閉斗時間短，抓進時間緊湊，成槽抓進速度較快等優(yōu)勢。②：采用“兩鉆一抓”法，并在副孔之間加密鉆孔，破壞砂卵礫石水泥凝結體整體性（因沖擊鉆鉆副孔效率慢，曾試選旋挖、沖擊反循環(huán)等設備，但因墻厚限制，無可選設備；潛孔錘400mm鉆孔設備，需配合套管使用，資源浪費大，無法直接成孔；沖擊反循環(huán)鉆機因其成孔泥漿循環(huán)方式容易造成上部雜填土層孔壁失穩(wěn)，引發(fā)塌孔亦不適用該地層，只得選擇傳統(tǒng)烏卡斯鉆機）。

6 幾點經驗

該工程在本工程防滲墻施工中，采用了多種工藝，新舊結合，取得了明顯的防滲效果。其地質條件極其復雜，施工困難程度在國內同類型工程中，實屬罕見。其經驗可供類似工程借鑒和參考，有以下幾點：

（1）對于臨時重要工程，應對地層條件充分掌握，在地質資料不充分的情況下，應補充勘察資料，結合設計工藝及工程實際情況，提高工程可預判性。

（2）對于地質條件特殊及復雜的工程，應根據(jù)設備特性（沒有一種萬能的設備）和國內現(xiàn)狀（工程造價低、現(xiàn)有技術裝備情況）來選用設備與相應工藝，土洋結合，群策群力，方能事半功倍。

（3）對于一些工期緊的工程，應綜合地質、造價、工期、施工氣候、設備及工藝等多方面因素，因地適宜、因時適宜的提出更加合理的設計方案及施工工藝。

（4）對于無級配雜填土、含大量孤石且粒徑較大的地質條件，不適合設計為薄壁砼防滲墻類型。