某翻車機房工程壓水試驗中止水效果對比分析

佟 弢，武傳鵬

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220)

引言

隨著我國沿海港口建設(shè)的日益發(fā)展，建（構(gòu)）筑物對于勘察場地水文地質(zhì)條件的要求日益提高。對于基巖埋藏深度較淺的勘察場地，研究勘察深度內(nèi)巖層的水文地質(zhì)條件尤為重要。當(dāng)建（構(gòu)）筑物在巖體上或巖體內(nèi)進行修建時，必須研究其范圍內(nèi)的巖體滲透性，作為巖體水文地質(zhì)條件的重要參數(shù)。工程實際中對巖體的滲透性，經(jīng)常使用壓水試驗進行研究。不同于水利水電勘察行業(yè)，水運勘察行業(yè)對于此類試驗經(jīng)驗并不豐富。通過規(guī)范壓水試驗流程及選用不同止水栓塞進行對比試驗，為提高較破碎風(fēng)化巖層壓水試驗效率及準確性，本文提供了一些參考及經(jīng)驗。

1 工程概況

山東某翻車機房工程在基槽開挖過程中存在巖面埋藏較淺的情況。工程場地位置較特殊，東側(cè)距離碎石護岸僅20m 左右，海水與潛水連通，直接開挖容易造成海水倒灌，造成重大安全事故。為避免上述情況發(fā)生，結(jié)合工程場地的工程地質(zhì)條件，本工程擬采用高壓旋噴樁及柔性地連墻共同形成防滲帷幕，防滲止水帷幕底端需要放置于巖面以下。現(xiàn)場勘察成果揭示工程場地上部以填土為主，中部為粘性土及粗礫砂，下部為強風(fēng)化基巖層，巖性以膠南群片麻巖為主。勘察揭示的強風(fēng)化巖層整體風(fēng)化強烈，巖芯呈散體狀或碎塊狀。為探明強風(fēng)化基巖層的透水性，對防滲帷幕入巖深度進行指導(dǎo)，本工程進行了現(xiàn)場壓水試驗。

2 試驗設(shè)備選擇

2.1 供水設(shè)備

本次現(xiàn)場壓水試驗選用BW-450 型三缸水泵，其使用流量為172～450 L/min，能提供＜5 MPa 的穩(wěn)定水壓，其在額定壓力下的出水量符合規(guī)范要求。現(xiàn)場配備一臺ZS1115 柴油機為水泵提供動力。

2.2 量測設(shè)備

1）水壓表的最大量程為2.0 MPa，經(jīng)檢測符合反應(yīng)靈敏、卸壓后指針回零及量測范圍滿足能控制在極限壓力值1/3～3/4 的要求。

2）選用專用液體流量計測量試驗注水管壓水流量，能較好的適應(yīng)本次的試驗壓力與試驗水泵出水能力。

3）水位測量采用電測水位儀，除探頭部分與水接觸外，其它所有導(dǎo)線均絕緣，反應(yīng)靈敏可靠。

2.3 止水栓塞

在進行壓水試驗之前應(yīng)挑選適宜的止水栓塞設(shè)備。本次試驗的重點為通過使用不同種類的止水栓塞進行對比試驗，測試其在較破碎的強風(fēng)化巖體中的止水效果。

各類常用栓塞設(shè)備的優(yōu)劣統(tǒng)計見下表1。

表1 各類栓塞設(shè)備優(yōu)劣統(tǒng)計

考慮到本次試驗的經(jīng)濟性與適宜性，選擇單管頂壓式及水壓式進行對比試驗以測試其在較破碎強風(fēng)化巖中的止水效果。圖1(a)為采用以上兩種方式止水的試驗裝置圖。

1）單管頂壓式

對于頂壓式止水栓塞，由圖1 所示，其止水原理為：由上部鉆機自重提供壓力，使止水橡膠球通過隔片發(fā)生擠壓變形，達到止水的目的。由圖1 可知，單管頂壓式止水栓塞是通過每個橡膠球和孔壁的線接觸進行止水。由于其常規(guī)型號長度較短，橡膠球個數(shù)偏少，應(yīng)對此次試驗我們重新加工了頂壓式止水栓塞，止水橡膠球增加至8 個，橡膠球外徑φ75 mm，長度100 mm。通過增加橡膠球與孔壁的接觸次數(shù)，加長栓塞長度，增強其止水效果。栓塞整體長度約1 120 mm。

2）水壓式

對于水壓式止水栓塞，由圖1(b)所示，其止水原理為：由一根高壓注水管與止水栓塞膠囊處連接，通過注水使其膠囊膨脹，達到止水的目的。由圖1(b)可知，水壓式止水栓塞是通過膠囊膨脹整體與孔壁接觸。不同于頂壓式止水栓塞的是，水壓式是注水膠囊與孔壁是面接觸，不需孔底過水濾管提供反力，但水壓式使用過程中需經(jīng)常注水及放水，效率較低。本次使用的水壓式止水栓塞，長度920 mm，膨脹外徑約φ76～150 mm。

圖1 止水試驗裝置圖

3 現(xiàn)場對比試驗

3.1 試驗壓力及對比試驗布置

本次的試驗壓力分三級，依次進行升壓降壓，各個分級壓力為P1、P2、P3、P4及P5，升壓段為P1-P3，降壓段為P3-P5（其中P4=P2、P5=P1），P1、P2、P3采用0.3MPa、0.6MPa 和1MPa[1]。

水壓表安裝在測壓管路上，管路與試驗段相連通，本次的試驗段壓力可按下式進行計算：

式中：

P—試段壓力（MPa）；

Pp—水壓表指示壓力（MPa）；

Pz—水壓表中心位置至本次試驗壓力零線的等效水柱壓力（MPa）。

本次翻車機房工程現(xiàn)場試驗，參照勘察場地的地層情況，共布置了三個壓水試驗鉆孔，孔號為Y1、Y2 及Y3，在每個壓水試驗鉆孔中對強風(fēng)化巖做2 組壓水試驗，共計六組。

選擇Y1 孔進行兩組對比試驗，在Y1 第1 試驗段使用水壓式進行止水，在Y1 第2 試段使用單管頂壓式進行止水。根據(jù)現(xiàn)場試驗效果，在Y2 和Y3 孔進行驗證試驗，為規(guī)避其偶然性。選擇出在較破碎的強風(fēng)化巖中現(xiàn)場試驗效率較高，止水效果較好的栓塞類型。

3.2 試驗流程

1）成孔

本次使用XY-150 型鉆機進行鉆探成孔。上部土層成孔孔徑為φ127 mm，進入強風(fēng)化巖層后變徑為φ108 mm。上述對比試驗中擬采用的止水栓塞長度為920 mm 和1120 mm，均大于規(guī)范中8 倍孔徑（864 mm）的要求。全程使用清水鉆進，每鉆進1米跟進套管一次，直至強風(fēng)化巖面結(jié)束。對強風(fēng)化巖面以上各土層，利用套管進行初步止水，隔絕上部潛水層及承壓水層對試驗的干擾。進入第一組試驗段成孔深度不大于6 m（試段長度約5 m，栓塞長度約1 m），試驗完成后繼續(xù)成孔至8～9 m，重復(fù)上述過程，直到試驗結(jié)束。

2）洗孔

成孔結(jié)束后，將巖芯管放置于孔底，水泵柴油機油門調(diào)至最大，使水泵達到最大出水量，然后進行洗孔，清洗約20 分鐘后，發(fā)現(xiàn)孔口回水較清澈，無肉眼可見的巖石粉末顆粒，結(jié)束洗孔。

3）設(shè)備檢查及試段隔絕

設(shè)備檢查：檢查各壓力、注水管線與止水栓塞的完整性及是否堵塞，各壓力、流量測計在最大壓力與水泵最大出水量的情況下是否能正常工作，電測水位儀是否靈敏。重點檢查鉆桿連接處的密封程度，使用防水膠帶對鉆桿接頭進行處理，做到完全密封。經(jīng)各項檢查，各試驗裝置均能正常工作。

試段隔離：Y1 孔第1 試段使用水壓式止水栓塞進行試段隔離，在檢查注水膠囊無破損后，從孔口處放入栓塞，使用鉆桿連接栓塞，連接注水膠囊的高壓注水管與鉆桿緊密捆綁，防止其纏繞鉆桿，造成栓塞難以下放。待栓塞下放至指定位置后，使用人工注水泵對栓塞膠囊進行注水，膠囊注水壓力應(yīng)比壓水試驗最大試段壓力 P3（1 MPa）大0.2～0.3MPa[2]。為了保險起見，對于本次較破碎強風(fēng)化巖層，膠囊注水壓力采用1.5 MPa。Y1 孔第2試段使用單管頂壓式止水栓塞進行試段隔離，利用鉆機自重，對栓塞施壓，栓塞上橡膠球受壓變形，緊貼鉆孔側(cè)壁，使試段隔離。

4）水位觀測

水位觀測：止水栓塞下置前與隔離試驗段后分別對孔內(nèi)水位進行1 次觀測（孔內(nèi)有水）。工作管內(nèi)每5 min 觀測1 次水位，當(dāng)觀測值下降速率連續(xù)2 次小于5 cm/min 時，結(jié)束觀測，最后的觀測值為本次試驗的壓力零線。在Y1 孔的兩次對比試驗中，不同試段放置不同止水栓塞，待栓塞工作后，觀測水位下降速度達到規(guī)范要求。

5）試壓水及止水效果檢驗

本次試驗試壓水壓力采用1.0 MPa，延續(xù)時間15 min[3]。在確認管路暢通，各接頭無滲水情況后，對孔內(nèi)水位進行不間斷測量。

Y1 孔第1 試段采用水壓式止水栓塞，試壓水過程中，孔內(nèi)水位變化較小，止水效果良好。Y1孔第2 試段采用單管頂壓式止水栓塞，試壓水前5分鐘，孔內(nèi)水位無明顯變化，試壓水后期，孔口處涌水明顯，止水失敗。起塞檢查后，栓塞正常。上移栓塞后，繼續(xù)試壓水，仍出現(xiàn)孔口涌水的情況。更換水壓式栓塞，繼續(xù)試驗，也未止水成功。無奈只得擴孔，采用灌制混凝土塞位對試段處孔壁進行加固處理，方止水成功。

在Y2 及Y3 鉆孔4 組試驗段，均使用水壓式栓塞，Y2 孔第1、2 試段及Y3 孔第2 試段在試壓水過程中，孔內(nèi)水位均較為穩(wěn)定，止水效果較好。Y3 孔第1 試段在試壓水過程中存在水位緩慢上升的情況，經(jīng)栓塞上移調(diào)整后，孔口水位變化平穩(wěn)，成功止水。

6）正式試驗

先對注水管線進行排氣，排氣結(jié)束后正式開始試驗。試驗壓力分別采用0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa[即：P1—P2—P3—P4（=P2）—P5（=P1），P1

4 止水效果對比分析

從總體上看，本次壓水試驗共計6 組試段中，僅Y1 孔第2 試段和Y3 孔第1 試段在試壓水階段存在局部漏水情況。對各孔試驗的整體效率進行分析總結(jié)，見下表2：

表2 各試段止水效果分析表

分析上表可以得出，在較破碎的強風(fēng)化巖中，使用單管頂壓式進行止水較為困難，在止水反復(fù)失敗后需配合混凝土塞位進行止水，灌入的混凝土凝結(jié)耗時較長，對試段整體試驗時間影響較大。對于Y3 第1 試段，首次試壓水過程中止水失敗，經(jīng)過與其他水壓式試段進行全過程對比分析，發(fā)現(xiàn)其原因為Y3 孔第1 試段在成孔后，孔壁浸泡了較長時間，導(dǎo)致試段內(nèi)強風(fēng)化巖孔壁表層局部軟化，致使止水失敗。對于較破碎的強風(fēng)化巖層，進行壓水試驗時，選取水壓式止水栓塞的止水效果較好，總體試驗時間較少，整體試驗效率較高。

5 結(jié)語

在應(yīng)對勘察場地中較破碎的風(fēng)化巖，進行壓水試驗時，適宜采用水壓式止水栓塞進行試段封閉，應(yīng)同時注意強風(fēng)化巖浸水后易局部軟化的特點。通過減少成孔后等待時間，達到快速有效的止水效果，提高試驗效率。本次現(xiàn)場試驗圓滿成功，所采用的試驗設(shè)備、流程及經(jīng)驗，可為后續(xù)工程參考借鑒。