防滲墻成套造孔挖槽工法技術(shù)體系分析

武奇維，韓用偉，連常成，王猛，王曉川，趙春亮

（1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司,天津301700；2.中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司,濟(jì)南250000）

1 引言

目前，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，基礎(chǔ)建設(shè)的區(qū)域正在朝著超深與復(fù)雜地質(zhì)條件的地區(qū)深入。而在這些區(qū)域中，施工難度普遍較高，作為施工過程中的重要組成部分，防滲墻槽孔施工得到了相關(guān)領(lǐng)域的重視。如何對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以制定綜合目標(biāo)最優(yōu)的方案，仍是值得研究的問題。為此，有必要對防滲墻成套造孔挖槽工法技術(shù)體系做進(jìn)一步的研究。

2 研究現(xiàn)狀

基于我國建設(shè)市場的基礎(chǔ)和條件，防滲墻工程主要采用的造孔挖槽設(shè)備有沖擊式鉆機(jī)、沖擊反循環(huán)鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、液壓抓斗、鋼絲繩抓斗、液壓銑槽機(jī)等[1]。這些設(shè)備有著不同的適應(yīng)性和技術(shù)特點，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行合理選擇。主要防滲墻造孔挖槽設(shè)備技術(shù)特性見表1。

表1 主要防滲墻造孔挖槽設(shè)備技術(shù)特性

3 防滲墻成套造孔挖槽工法技術(shù)方案的優(yōu)化組合比選要點

3.1 根據(jù)設(shè)備底層適應(yīng)性進(jìn)行初選

首先，工作人員要對施工區(qū)域的地質(zhì)資料進(jìn)行全方位的收集和詳細(xì)的研究，重點是對滲透參數(shù)和物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行確定。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實際的設(shè)計要求，對設(shè)備組合的方式進(jìn)行初選。如工程涉及超深與復(fù)雜地質(zhì)條件，則要以鉆機(jī)與鋼絲繩抓斗配合的方式為首選，并適當(dāng)配取液壓抓斗，以鉆抓法的施工方案開展施工作業(yè)，如施工現(xiàn)場的面積和資源受到限制，則以改進(jìn)鉆劈法為主要施工方法，并以回轉(zhuǎn)鉆機(jī)為補(bǔ)充。通過這種方式，通常可以選出2～3個初步的方案[2]。

3.2 根據(jù)工期要求進(jìn)行方案篩選

在方案已經(jīng)初步擬定后，要根據(jù)設(shè)計圖紙和設(shè)備的參數(shù)，對設(shè)備數(shù)量和每臺設(shè)備所承擔(dān)的工作量進(jìn)行精確計算，進(jìn)而對施工工期進(jìn)行確認(rèn)。在設(shè)備數(shù)量的確定上，要以均衡生產(chǎn)作為基本原則。在計算完成后，如初步擬定的方案中有難以滿足工期的，則要對此方案予以放棄[3]。

3.3 根據(jù)具體的條件和要求排除方案

在方案篩選完成后，要根據(jù)實際情況中的有關(guān)因素，做進(jìn)一步選擇。在這一環(huán)節(jié)中，要依照以下幾個原則加以進(jìn)行：一是要滿足工程安全和施工安全的要求，以確保墻體的質(zhì)量；二是要滿足環(huán)境保護(hù)方面的要求，噪聲和振動等均不應(yīng)超標(biāo)；三是要確保設(shè)備運行不破壞施工場地；四是要考慮施工區(qū)域的氣候條件和交通條件是否會構(gòu)成影響；五是要考慮材料供應(yīng)和爆破條件等因素是否會制約相應(yīng)施工方案的順利開展[4]。

3.4 根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況比較和確定方案

針對比選方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，最終確定防滲墻槽孔施工方案與設(shè)備資源，成本對比應(yīng)采用全口徑計算綜合成本，不應(yīng)單一計算造孔費用。

4 常用的防滲墻成套造孔挖槽工法技術(shù)體系研究

4.1 改進(jìn)鉆劈法

改進(jìn)鉆劈法的起步相對較早，早在20世紀(jì)50年代末的密云水庫防滲處理施工中就已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。如今，這種方法已經(jīng)得到了較大程度的改進(jìn)。對超深防滲墻槽孔穩(wěn)定性差，特別是漏漿塌孔風(fēng)險高的情況和孤、漂（塊）石地層鉆機(jī)施工難度大的難題，針對嚴(yán)重架空、滲透性強(qiáng)的地層，為防止嚴(yán)重漏漿塌孔，研究應(yīng)用了“平打法”和“分段鉆劈法”，充分?jǐn)D密地層，減少漏漿塌孔。針對超深防滲墻底部小墻鉆頭難于定位、施工效率低，孤、漂（塊）石地層鉆機(jī)施工效率低的難題，大幅提高了造孔效率。這種方法地層適應(yīng)能力強(qiáng)，除城市工程噪聲要求嚴(yán)的工程外，幾乎可以應(yīng)用于所有地層的工程施工。目前，仍是我國水利水電工程應(yīng)用最廣泛的工法技術(shù)之一，大量應(yīng)用于國內(nèi)水庫大壩、圍堰工程和病險水庫防滲處理工程中。具體來看，該方法的工藝流程如下：在已建好的施工平臺基礎(chǔ)上，預(yù)先按照防滲墻的寬度做好導(dǎo)墻。“鉆劈法”施工先施工主孔，再劈打副孔，主副孔相連形成一個槽孔。主孔是一個獨立的鉆孔，鉆頭直徑等于墻厚，副孔在2個主孔之間，長度大于主孔。鉆劈法施工的副孔在防滲墻軸線方向上的長度，黏性土地層為1.0～1.25倍主孔直徑，砂壤土和砂卵石地層為1.2～1.5主孔直徑。主副孔劈打完成后，將鉆機(jī)調(diào)整至小墻位置，從上至下至設(shè)計孔深，形成一個完整的連續(xù)的等厚度的槽孔。

4.2 抓取法

改進(jìn)鉆劈法因出渣方式的原因，存在重復(fù)破碎問題，所以成槽工效低；而用圓鉆頭造孔、打小墻可控性差，致使孔斜保證率低、孔形的質(zhì)量差。因此，提高防滲墻施工工效和質(zhì)量一直是大家追求的目標(biāo)。由此，抓取法應(yīng)運而生，并在水利水電工程領(lǐng)域施工防滲墻的大規(guī)模建造中得到較為廣泛的應(yīng)用。本項目研究重點針對超深與復(fù)雜地質(zhì)條件防滲墻特點，對“抓取法”適應(yīng)性進(jìn)行研究。在對液壓抓斗施工深度的拓展研究和重型鋼絲繩抓斗及配套機(jī)具研發(fā)的基礎(chǔ)上，本工法已經(jīng)多次成功應(yīng)用于超深防滲墻工程覆蓋層施工。由于這種工法所使用的抓斗是通過切割抓取地層，不需要像鉆機(jī)那樣充分破碎地層，而且設(shè)備功率大，在適宜施工的地層，施工工效遠(yuǎn)高于采用沖擊式鉆機(jī)“鉆劈法”施工。抓斗設(shè)備布置簡潔、移動靈活、操作方便、噪聲低，有利于文明施工和環(huán)境保護(hù)。本工法與“鉆劈法”相比，可提高工效6～10倍。適合在較松散、中等密實以下的細(xì)顆粒地層中采用，一般標(biāo)貫擊數(shù)不大于22，否則施工工效將顯著下降，不適于基巖施工；但鋼絲繩抓斗通過重鑿的輔助施工，也可以在堅硬地層或基巖中成槽。

4.3 銑削法

本工法是采用液壓銑槽機(jī)銑輪旋轉(zhuǎn)切削地層，并連續(xù)反循環(huán)排渣的槽孔建造工法。液壓銑槽機(jī)主要由主機(jī)和銑削頭2大部分組成，主機(jī)為履帶起重機(jī)，銑削頭機(jī)體為一個鋼制重型機(jī)架，它的功能除了固定各工作部件外，還可以為銑削提供一定的給進(jìn)力，并起導(dǎo)向作用。機(jī)體下端有2個銑輪，銑輪上安有銑齒（牙）或滾刀，它分別由2個潛水液壓馬達(dá)驅(qū)動并繞水平軸相對轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動中銑齒不斷銑削地層，并使銑削的碎塊與膨潤土泥漿混合。安裝在銑輪上方的液壓泥漿泵抽吸泥漿并攜帶地層顆粒通過排渣管排出地面送至除砂系統(tǒng)，泥漿經(jīng)除渣凈化后又被送回槽孔循環(huán)使用。

經(jīng)大量研究分析表明，本工法具有工效快、成槽精度高、噪聲小、環(huán)保施工的優(yōu)點，成槽質(zhì)量也易于保證，特別適用于在均勻的覆蓋層和中低強(qiáng)度基巖中施工。但由于本工法采用的液壓銑槽機(jī)設(shè)備昂貴、國內(nèi)市場數(shù)量十分有限，因此，該工法通常適用于規(guī)模大、工期緊張、精度要求嚴(yán)、環(huán)保要求高的工程，包括場地狹窄和噪聲要求高的防滲墻（城市地連墻)工程。

4.4 鉆抓法

鉆抓法是基于我國防滲墻工程施工引進(jìn)抓斗設(shè)備后，針對沖擊（反循環(huán)）鉆機(jī)和抓斗不同的特點，通過2種設(shè)備的密切配合，充分發(fā)揮其不同的優(yōu)勢，研發(fā)的系列工法，包括“兩鉆一抓法”“兩鉆三抓法”“上抓下鉆法”等。本工法總的特點是針對地層特性，充分發(fā)揮鉆機(jī)地層適應(yīng)能力強(qiáng)和抓斗工效高的各自優(yōu)勢，彌補(bǔ)對方的弱點，形成綜合優(yōu)勢。從工程實踐來看，“兩鉆一抓法”可應(yīng)用于幾乎所有地層，目前，已施工了200 m左右深度的槽孔，但當(dāng)?shù)貙痈采w層中致密堅硬地層或孤、漂（塊）石地層占比大于50%時，則不適宜采用。具體而言，這種工法要通過現(xiàn)場中試驗才能最終決定。

4.5 鉆銑法

本工法類似于鉆抓法，是由鉆機(jī)和液壓銑槽機(jī)配合施工，僅僅是抓斗換為液壓銑槽機(jī)。由于液壓銑槽機(jī)的先進(jìn)性，施工工效更高。該工法在潤揚長江大橋北錨錠地下連續(xù)墻、冶勒水電站防滲墻、武漢陽邏長江大橋南錨錠地下連續(xù)墻、長江向家壩水電站一期圍堰防滲墻、南水北調(diào)穿黃一期工程地連墻等工程中，都進(jìn)行了研究應(yīng)用，其施工效率和施工質(zhì)量均較高。本工法總的特點是針對地層特性，充分發(fā)揮鉆機(jī)地層適應(yīng)能力強(qiáng)和液壓銑槽機(jī)工效高的各自優(yōu)勢，彌補(bǔ)對方的弱點，形成綜合優(yōu)勢。理論上說，這種工法可以適合各種地層，最大施工深度可達(dá)150 m以上，但由于設(shè)備昂貴，因此，更適宜于規(guī)模大、工期緊、標(biāo)準(zhǔn)要求高的大型工程項目加以采用。

5 結(jié)語

面對超深與復(fù)雜地質(zhì)條件防滲墻槽孔施工的需求，可以形成對超深及復(fù)雜地層防滲墻成套成槽設(shè)備研究，其中，沖擊式鉆機(jī)、沖擊反循環(huán)鉆機(jī)、液壓抓斗、鋼絲繩抓斗和液壓銑槽機(jī)等鉆孔成槽設(shè)備各有優(yōu)勢和其適應(yīng)性，工程中可單獨采用一種設(shè)備施工，多數(shù)采用多種設(shè)備組合的施工方案，旨在發(fā)揮不同設(shè)備的優(yōu)勢，實現(xiàn)最佳的施工效果。