超深振沖碎石樁施工技術及應用

胡貴良，魏永新，劉保柱，邵增富

(1.華電金沙江上游水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.中國水電基礎局有限公司三公司，四川 成都 610213；3.中國華電集團有限公司，北京 100031)

0 引 言

基礎處理振沖法施工技術起源于德國，目前國外的應用深度在一般20 m以內，超過20 m深的振沖樁較為少見，孔深超過40 m的振沖樁施工起吊設備性能更是至關重要。德國某工程使用550 t吊車和大功率液壓振沖器進行了68 m深的振沖擠密處理施工，英國某公司在英國軟土地基中使用550 t吊車進行了近60 m深的振沖擠密施工。但采用大型起吊設備進行振沖施工成本高、安全風險較大[1]。

DL/T 5214—2016《水電水利工程振沖法地基處理技術規范》[2]條文說明中已說明原規范DL/T 5214—2005規定振沖法施工處理深度不超過20 m是受當時起吊機具及施工難度的限制。振沖法基礎處理的深度主要受限于起吊設備的起重能力、振沖器造孔能力以及配套附屬設備的綜合能力。隨著施工深度的增加，對起吊設備提出了更高的要求。近十多年來，隨著國家工程建設綜合技術取得了很大進步，在應用機械、機具設備制造、施工工藝、應用規模等方面均接近或達到國際先進水平，特別是在工程建設難度方面，遠遠超過國際水平，目前在復雜地層中振沖樁最大深度34 m，海上施工最大深度近40 m，試驗振沖樁深度已經達到92 m。

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉，右岸為西藏昌都自治州芒康縣朱巴籠鄉，是金沙江上游13級開發方案中的第8級，上游為葉巴灘水電站，下游為巴塘水電站[3]。拉哇水電站屬一等大(1)型工程，電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下廠房等建筑物組成，總裝機容量2 000 MW。水庫正常蓄水位2 702.00 m，相應庫容23.14億m3；死水位2 672.00 m，相應的死庫容為14.9億m3，調節庫容8.24億m3，為季調節水庫。大壩施工采用隧洞導流方式，2條導流隧洞布置于右岸[3]。

拉哇水電站樞紐區河床覆蓋層最大深度71.4 m，主要為河流沖積物、湖相沉積物、崩塌堆積物、岸坡坡積物組成，其中堰塞湖相沉積低液限黏土和粉土厚約50 m，具有厚度大、承載力低、壓縮性高、抗剪強度低、滲透系數低等特點，工程性狀差。上游圍堰地基河床覆蓋層最厚約65～68 m，由上至下分別為Qal-5沖積砂卵石層，厚度1.4～4.6 m；Ql-3堰塞湖靜水沉積砂質粉土、粉土質砂，厚度14.7～18.1 m；Ql-2堰塞湖靜水沉積層，最大厚度31.4 m，可細分為Ql-2-③黏土層，Ql-2-②粉土、砂質粉土層，Ql-2-①黏土、粉土層，厚度分別約4.0～8.5、10.0～15.0、15.2 m；底部為Qal-1沖積為主的砂卵石、塊石層，最大厚度約18.0 m[4]。

拉哇圍堰規模大、地質條件復雜、施工條件差、抗滑穩定及變形控制難度高。研究成果表明，為保障圍堰上下游堰坡和深基坑開挖邊坡穩定安全，須對堰基采取加固處理措施。振沖碎石樁加固范圍為防滲墻至下游堰腳，主要對Ql-3、Ql-2-③、Ql-2-②、Ql-2-①4層進行加固，Qal-5、Qal-1和振沖碎石樁一起構成堰塞湖沉積覆蓋層的排水通道。

2 振沖碎石樁主要技術指標

上游圍堰基礎處理碎石樁分2區布置，其中A區(樁號SY0-142.500～SY0+028.500)，樁排距及間距為3 m，梅花形布置，共布置947根樁，成樁總深度36 373 m；B區(樁號SY0+028.500～SY0+201.500)，樁排距及間距為2.5 m，梅花形布置，共布置1 226根樁，成樁總深度26 643 m。

振沖碎石樁樁徑1.2 m，碎石樁的填料碎石粒徑20～80 mm，其中20～40 mm約占40%、40～80 mm約占60%，個別最大粒徑不超過100 mm，小于5 mm粒徑的含量不超過10%，含泥量不大于5%，干容重不小于1.95 g/cm3(大理巖)，滲透系數不小于1×10-2cm/s，壓縮模量不小于50 MPa，固結排水剪內摩擦角標準值不小于40°，單樁承載力不小于600 kPa。

3 振沖碎石樁施工方法

拉哇上游圍堰基礎處理碎石樁分2期施工[5]。一期施工右岸，由左岸束窄河床過流；二期施工左岸，由右岸束窄河床過流。振沖碎石樁施工是在填筑的施工平臺上進行，施工程序為右岸一期施工平臺填筑→一期振沖碎石樁施工→右岸一期施工平臺拆除→2020年汛期度汛→左岸二期施工平臺填筑→二期振沖碎石樁施工→左岸二期施工平臺拆除→2021年汛期度汛，汛后實施大江截流。

本工程振沖碎石樁施工最大深度達65 m，施工難度和質量控制難度大，遠超國內外現有水平，無施工先例可循。經研究，綜合考慮圍堰基礎處理深度范圍、工期進度、節約成本、降低造價等因素，本工程針對不同的孔深分別采用2種不同的施工工藝。對孔深小于40 m的振沖碎石樁，采用上部回填部分平臺和Qal-5層引孔、常規振沖器造孔制樁的施工工藝；對孔深大于40m的振沖碎石樁，為徹底解決振沖工法瓶頸限制，采用上部回填部分平臺和Qal-5層引孔、SV70碎石樁機利用伸縮式導桿連接振沖器造孔制樁的施工工藝。

3.1 引孔及鋼護筒埋設

本工程振沖碎石樁施工平臺采用碎石土回填形成，為確保施工安全，防止平臺回填部位出現塌孔，施工平臺至地基Qal-5層底部均埋設直徑1 m、長12 m的鋼護筒護壁，護筒頂端高出地面0.20 m，埋設偏差不超過30 mm。護筒埋設過程，使用水平尺每0.5 m進行一次校正，保證護筒的垂直度。

3.2 造孔及清孔

在采用旋挖鉆機鉆孔時，選擇雙底撈截齒鉆頭成孔，個別孔位發現基巖后使用截齒筒鉆頭取芯鉆進，鉆孔直徑0.8 m。鉆進過程中適當控制鉆進速度，鉆頭全部進入地層后加快鉆進速度，遇見砂土層和軟土層時減慢鉆進速度并適當增加固壁材料比重和黏度，遇到孤石時增加壓力、減慢下鉆速度。隨著鉆孔深度的增加及時補充固壁材料，保持孔內水頭壓力，防止塌孔。發現塌孔時，需保證水量充足，使孔內充滿水，同時加大固壁泥漿使用濃度，放慢造孔速度，在通過塌孔區域后恢復正常造孔速度。固壁材料采用金樁壁高分子環保化學泥漿，可有效提高旋挖鉆機施工鉆孔質量，具有比重小、含砂率極低、黏度高、滲透能力強、性能持久性強、清潔環保等優點，其與水的配合比為1∶1 000。在鉆進過程中，注意鉆機孔斜指示儀，發現偏斜，及時糾正。為減少塌孔，成孔盡量一次不間斷完成，孔內固壁液面不低于地下水位。

采用振沖器造孔時，利用SV70碎石樁機伸縮式導桿連接振沖器，運用“水氣聯動”的方法進行造孔。振沖器貫入土中應保持垂直，偏斜度控制在不大于樁長的1%以內，當觀察鉆機孔斜指示儀發現孔斜超標時，要立即修孔。當遇到密實砂層、砂礫石層時加大水量，減小振沖器振動阻力。造孔過程中，振沖器應反復下沉、上提2～3遍進行擴孔以保證樁徑滿足設計要求，同時需密切關注電流變化并結合旋挖鉆孔取樣確定終孔深度。

造孔結束后，上下提升振沖器進行清孔，清孔電流應控制115 A以內，且孔內泥漿變稀，黏度降低。清孔時將孔口附近的泥塊、雜物清除，以免掉入孔內造成堵孔，清孔后將水壓和水量減少到維持孔口有一定量回水，以防止地基土中的細顆粒被大量帶走。通過觀察孔口返出泥漿的含泥量，并量測泥漿的黏度，當發現無明顯泥塊、碎渣等雜物時，清孔可以結束。采用振沖造孔時，由于孔內泥、砂、石等雜質較多，通常需要適當延長清孔時間并采取措施，以保證清孔質量。

3.3 填料及加密制樁

清孔完成后，將220 kW振沖器開啟并放入孔底，由孔口填料進行加密制樁。填料以連續下料為主、間隔下料為輔，加料不宜過猛，原則上要“少吃多餐”，填料頂部一般應高于振動器8～12 m，填料后必須保證振沖器能貫入到原提起前深度，以防漏振。加密制樁自孔底開始，逐段向上，留振時間12 s，加密電流170～190 A，加密段長50 cm，逐段做好振密搭接，以防漏振。在加密段長內上下活動振沖器并密切關注電流變化情況，當發現電流上升緩慢時及時補充填料量，電流迅速上升時及時判斷上升原因并采取合理措施。當加密電流達到設計值并留振到規定的時間后，再將振沖器提升一個段長，如此循環往復直至設計樁頂，樁頂加密完成后，進行一次復振以確保樁頂密實。

4 全自動質量監控系統

本工程在施工時，通過安裝在不同設備上的傳感器，實現了對振沖施工過程的深度、電流、電壓、水壓、水量、氣壓、氣量、填料量等實時監控，從而對整個施工過程進行了動態跟蹤，有效控制了施工質量。

用無線傳輸的方式，將SV70碎石樁機中自帶的深度傳感器采集的振沖深度數據傳輸到駕駛室內的顯示屏上。

將電流互感器安裝在變頻柜中的振沖出線上，當啟動振沖器時，電流互感器產生的電流、電壓信號傳輸到控制柜中。

通過安裝在出水處的壓力傳感器，將施工過程中的水壓、氣壓數據傳輸到控制柜中。

在空壓機一旁的出氣、出水管道上安裝渦街流量計，當有氣體或者水流過時會有電信號的產生，從而對施工過程中的氣體、水的流量進行監測。

氣體閥門控制采用電動閥門，通過3種方式調節閥門的開合度。第1種方式是在監控屏幕上直接觸控按鈕控制；第2種方式為手動打開閥門上的蓋子，在控制器上通過轉換按鈕(A/M鍵)進行閥門控制；第3種方式為手動搖桿進行閥門的開合。

5 成樁質量檢測

5.1 檢測內容及檢測方法

依據JGJ 340—2015《建筑地基檢測技術規范》[6]對振沖碎石樁進行檢測，主要檢測項目、方法及數量見表1。

表1 碎石樁樁身質量檢測項目、檢測方法、檢測數量

5.2 檢測結果

上游圍堰地基處理工程(一期)振沖碎石樁A區完成819根樁，B區完成1 024根樁，累計完成1 843根樁。根據設計技術要求，依據表1所列本次碎石樁質量檢測項目、檢測方法及數量要求，一共檢測完成19根樁。檢測情況見表2～表4。

由室內監測試驗結果得知，在現有鉆芯取樣平均級配下，碎石樁最大干密度為2.26～2.38 g/cm3，平均值為2.33 g/cm3；碎石樁按最大干密度制樣，各級配下抗剪強度凝聚力為91～128 kPa，平均值為109 kPa，內摩擦角為40.2°～42.5°，平均值為41.4°，滿足設計要求；各級配壓縮模量在圍壓0.4～0.8 MPa或0.8～1.6 MPa下大于50 MPa，滿足設計要求。

表2 室內土工試驗成果

表3 重型動力觸探測試成果

表4 現場滲透試驗成果

根據重型動力觸探檢測成果，振沖碎石樁整體質量較好，樁身修正后平均重型動力觸探擊數均大于15擊，滿足設計要求，合格率100%。

根據滲透試驗成果，各測點的滲透系數均滿足不小于1×10-2cm/s的設計要求，合格率100%。滲透系數最小值為1.30×10-2cm/s，最大值為8.74×10-2cm/s，振沖碎石樁透水性良好。

因此，振沖碎石樁檢測成果表明，在采取加固處理措施后，圍堰基礎明顯改善了抗液化性能，提高了承載力和抗變形能力，振沖碎石樁透水性良好。

6 結 語

拉哇水電站上游圍堰高60 m，基礎覆蓋層深超過70 m，圍堰結構安全及基礎處理技術在國內外水電建設史上罕見，無成熟經驗可以借鑒，振沖碎石樁施工難度遠超35 m以內成熟技術。在無先例可循的情況下，本工程充分利用SV70碎石樁機，通過伸縮導桿連接振沖器，在拉哇水電站上游圍堰基礎處理一期工程中順利完成了最大施工深度67.74 m的振沖碎石樁施工，突破了振沖碎石樁施工的深度記錄，總計完成進尺3.5萬余m。施工完成后的檢測成果表明，在采取加固處理措施后，明顯改善了圍堰基礎的抗液化性能，提高了其承載力和抗變形能力，振沖碎石樁透水性也良好。本工程所采用的超深振沖碎石樁施工技術成功運用于目前國內外大規模施工的最深振沖碎石樁施工，填補了國內外技術空白，可為類似工程施工提供借鑒。