大直徑接頭管拔管技術在防滲墻施工中的成功運用

李小剛

(中國水電基礎局有限公司，天津301700)

1 工程概況

塔里干(Taleghan)水利樞紐位于伊朗首都德黑蘭西北135 km的塔里干山谷，山谷長100 km。位于已有的Sangeban低壩下游約700 m處。樞紐是集發電、供水及水資源保護等多功能于一體的綜合性水電項目。屬于設計、建造總承包的EPCT融資項目，總投資約1.4億美元。中國水利水電工程總公司國際部2001年中標，由中國水利水電第十工程局負責整個項目的實施，國家電力公司西北水利電力勘察設計研究院負責設計咨詢工作，中國水利水電基礎工程局承擔基礎處理部分的防滲墻工作。

樞紐工程由主壩(混凝土心墻)，左岸排水洞、明渠和右岸廠房等組成，主壩設計為當地材料的堆石壩，壩頂高程1 789.00 m，正常蓄水位1 780.00 m。

主壩基礎覆蓋層設計采用混凝土防滲墻予以防滲。設計墻厚1.0 m，墻體嵌入基巖(沉積巖)≥0.5 m，墻體材料為剛性混凝土，混凝土標號Rc(28)=30 MPa，滲透系數 K ＜10-6cm/s。

主壩防滲墻原設計軸線長290 m，因設計變更縮減為259 m，起止樁號CO+0.00～CO+259.00，施工作業面高程1 687.5 m，防滲墻深度由軸線兩端的7～8 m向中間逐漸加深至55 m左右，總成墻面積由12 900 m縮減至大約8 500 m2左右，施工工期10個月。

2 工程地質和水文氣象情況

2.1 工程地質條件

Sangeban低壩壩址在山谷下游的河床最窄處，谷底高程為1 688 m，河流方向SN，兩岸岸坡不對稱，左岸基巖裸露，坡度約為30°，右岸大部分為覆蓋層，局部有零星基巖出露，河床覆蓋層厚55～60 m。

壩址區的地層主要有下第三系塔里干組的沉積巖(LT)和第四系(Q)的沖積、洪積相組成。

巖性主要為灰色到粉色的礫巖，中間夾雜紫紅色砂巖，屬于卡拉奇(Karaj)構造和埃爾姆山(Aiam Khu)的湖相沉積巖。礫巖基本巖石顆粒大小從砂到卵石都有。巖石組成有凝灰巖、安山巖、頁巖、砂巖和礫巖等。

由于塔里干河的侵蝕和沉積作用，在壩區周圍形成不連續的多種沖積、洪積覆蓋層。形成第四系覆蓋層。

2.2 水文氣象情況

塔里干河主要由雪雨形成，向北流入里海，年平均流量約為10億～15億 m3，水資源豐富。

塔里干地區地處海拔1 700 m高度以上，氣溫較干燥，晝夜溫差較大。同時受海洋季風氣候影響，每年11月下旬至次年4月下旬雨雪較集中，而5—10月干旱少雨。年平均氣溫7℃，最高氣溫一般出現在7—8月，極端氣溫40℃，最低氣溫一般出現在1月，極端氣溫-20℃。

3 主要施工工藝與施工布置

3.1 防滲墻施工工藝

沖擊反循環鉆機直接造孔;沖擊反循環鉆機配合鋼絲繩抓斗造孔;膨潤土泥漿護壁;冷拔接頭管實施墻段連接，泥漿下澆筑混凝土。

3.2 施工布置

根據施工進度計劃和渡汛要求，防滲墻施工先由兩端(左右岸)開始，向中間匯攏。

鉆機平臺布置在防滲墻軸線上游側，施工平臺布置在下游側，造孔廢漿由施工平臺邊緣的排漿溝流入集漿池集中處理和排放。制漿站、儲漿池等布置在鉆機平臺上游側施工軸線的中間部位，并在鉆機平臺上游側沿軸線各鋪設一條供漿和供水管路。

為保證超大直徑接頭管下設和起拔施工安全，導墻采用C 20混凝土，呈梯形斷面，橫斷面頂寬80 cm，底寬130 cm，高度150 cm，上下各置一層3φ22鋼筋以增強抗拉抗折強度;前后導墻寬度1.2 m。

4 槽孔施工

4.1 槽孔劃分與成槽工藝

4.1.1 槽孔劃分

槽孔長度一般劃分為7.5 m。在施工過程中，發現左岸河床段大量存在大孤石、漂石，為縮短成槽時間，減少塌孔風險，將左岸臨近河床段的3個槽孔施工長度調整為3.4 m、4.4 m和5.4 m;右岸地層條件相對較好，為減少接頭數量，部分槽孔長度調整為8.3 m，259 m軸線長度共劃分39個槽孔。

4.1.2 成槽工藝

1)沖擊反循環鉆劈法成槽，一、二期間隔施工。每個槽孔分主副孔，先鉆主孔，再劈副孔。兩鉆三抓和三鉆兩抓法，底部堅硬密實地層和基巖采用鉆劈法成槽。

2)護壁泥漿采用膨潤土漿漿，選用膨潤土為伊朗卡沙尼、德黑蘭兩市生產的石油鉆井液用膨潤土，造漿率可達15 m3/t，通過現場對新配制泥漿測試，漿液性能指標見表1。

表1 現場測試泥漿性能指標

4.2 基巖判定

由于缺少較為準確的地質資料，實際基巖面與設計有較大的出入，個別部位相10～20 m，判定基巖面深度難度加大。為保證防滲墻安全入巖，除按正常手段和方法(巖樣成分及含量、新鮮程度、棱角分明情況等)判定外，對無規律和高差較懸殊部位采用巖心鉆補充勘探，以保證槽孔真正入巖。

4.3 成槽設備

主要施工設備有:CZF—1500沖擊反循環鉆機8臺;ZX—200泥漿凈化機8臺;6PS砂石泵8臺;ZJ—1500泥漿攪拌機2臺;HS843HD利勃海爾抓斗1臺。

5 墻段連接

本工程最大施工難點為墻段連接，這也是防滲墻施工成敗的關鍵。由于設計墻體材料為C30剛性混凝土，雖配加一定比例的緩凝劑，但7 d強度仍能達到15 MPa左右，全部采用“鉆鑿法”連接施工難度很大，不僅消耗工時，而且又浪費混凝土材料。另外業主工程師對此也極為關注，主張優先采用冷拔接頭管技術，采用鉆鑿法套接不僅接縫質量稍差，更擔心施工時，在鉆頭沖擊作用下，墻體可能產生劈裂破壞，影響工程質量。本工程墻體深度超過30 m的槽段約占80%，超過40 m的槽段占43%。但厚度1 m、深度超過30 m的防滲墻工程，國內外很少使用拔管法且使用極為慎重，對于超大直徑(1 m及1 m以上直徑)接頭管拔管技術，目前尚沒有成功經驗，也沒有可以參鑒的操作性強的相關技術資料。在這種情況下，盡管存在很大風險，我們從工程特點和實際情況出發，認真分析研究，大膽使用拔管技術并摸索一些成功經驗。對少數接頭管未能下設到終孔深度的接頭孔，接頭管以下部位墻段連接采用比較常用的“鉆鑿施工法”。下面著重敘述“拔管法”進行墻段連接的實施情況。

5.1 接頭管選型及拔管設備

接頭管選用圓形接頭管，接頭連接方式為側旋卡塊式，規格見表2。

表2 圓形接頭管技術規格

拔管機選用中國水電基礎局有限公司自行研制的YBJ—1200型全液壓拔管機，系統由油源供應、拔缸回路、抱緊回路、油液冷卻等部分組成。主要技術參數如下:

1)系統額定壓力:25 MPa，最高壓力30 MPa(短時間內)。

2)系統流量:100 L/min(最大)。

3)電機功率:45 kW。

4)拔管力(4支油缸):25 MPa時，3 600 kN，最大3 800 kN(理論);30 MPa時 4 500 kN，最大4 560 kN(理論)。

5)拔管速度:658mm/min 25 MPa時，3 600 kN，最大3 800 kN(理論);25 MPa時，3 600 kN，最大3 800 kN(理論)。

6)抱緊力:25 MPa時，2300 kN，最大2 460 kN(理論)。

7)拔管機尺寸(長 ×寬 ×高):2200×2200×1700mm。

5.2 接頭管下設

下管設備由水電十局提供—日本加藤50 t輪胎吊。

下設前檢查拔管設備正常使用情況，按計劃下設深度配管，底部優先選用長管(9 m)，上部用短管調整，合理配置接頭管連接接頭數量。接頭管連接時做到側旋卡塊完全到位。由于吊車起吊能力有限，且就位又不能過于接近槽孔口，吊車下設接頭管最大深度達36 m左右。

為摸索拔管深度，總結經驗，在吊車能力有限的情況下，我們利用拔管機液壓缸與其底座僅有的30多厘米空間高度，自制了一個抱緊圈(卡盤)，配合拔管機努力實現自行倒桿功能—自行下管;但因現場技術條件限制，自制卡盤與拔管機配合自行下設接頭管安全系數較小，出于安全方面的考慮，只將SW-9號槽孔的一個端孔接頭管下設到48 m深度。

5.3 接頭管起拔

5.3.1 拔管時間的掌握

拔管法必須要克服三種阻拔力——流態混凝土對接頭管的黏結力，混凝土對接頭管的摩擦阻力和接頭管自重。在起拔接頭管過程中，既能保證接頭管安全拔出，又要保證拔管后混凝土孔壁不坍塌，形成反園弧光滑端面的接頭孔，合理、準確掌握拔管時間是成功的關鍵。接頭管開始起拔時間通常要依據和參考混凝土初凝時間和坍落度喪失時間，本工程主要通過現場試驗摸索和掌握拔管的最佳時機。

5.3.1.1 通過試驗掌握拔管所需第一手資料

混凝土凝結時間經現場試驗室通過貫入法試驗求得，初凝時間為17 h，終凝時間為23 h。在第一個槽孔混凝土開澆前，取若干個試模(150 mm×150 mm×150 mm)將混凝土裝入成型，分別在成型后不同時間拆模，通過這種簡易模擬試驗的辦法觀察混凝土隨時間變化凝結狀態變化情況和坍落度喪失情況。

表3 混凝土凝結狀態變化和坍落度喪失現場簡易試驗結果

5.3.1.2 確定拔管時間

因混凝土初凝時間較長，如果按此初凝時間指導拔管，對于超大直徑接頭管來說，把握不好必將鑄管，風險是極大的。其實，指導拔管以混凝土坍落度完全喪失的時間或稍大于這個時間較為適宜。通過槽孔(SW-1、3、5、40)拔管實踐，我們將混凝土處于靜態條件下，坍落度完全喪失的時間(實際為混凝土試樣完全成型時間，約8 h左右)確定為接頭管起拔時間。

5.3.2 接頭管起拔

起拔接頭管前，首先要克服黏結力，黏結力是水泥水化作用而產生的與管壁的膠結力，隨時間延長而增大。雖然它不是主要的阻拔力，但是破除黏結力同時，可減少上提接頭管負荷，使接頭管在垂直方向上形成自由空間;同時根據接頭管活動時的難易程度，也就是起拔力大小，對何時起拔接頭管具有一定指導意義。經現場混凝土成型試驗，混凝土靜止4 h后開始喪失流動性，說明已經開始形成黏結力，此時就可以適當活動接頭管對其予以破除。本次施工在實際操作時，一般是在混凝土停止擾動后，也就是處于靜態達4 h開始微微活動接頭管，起拔量≤10 cm。

通過實踐，接頭管開始活動時，超過30 m深度接頭管起拔力一般可達到4 MPa。如果起拔力達不到4 MPa，可不必急于活動;若達到4 MPa，可開始適當活動并每隔1 h活動一次即可，起拔量根據起拔力增大可適當增大。在所下設接頭管中有一部分是在混凝土處于靜態4 h后開始活動的。

起拔接頭管時應掌握拔管設備安全性能，避免鑄管事故發生。YBJ—1200液壓拔管機額定壓力為25 MPa，去除工業技術水平的影響，筆者認為其工作壓力不超過額定壓力的70%應該是安全的。隨著混凝土靜止時間的延長，起拔力將隨之增大。實際施工中，當時間接近和達到8 h，深度超過30 m的接頭管，起拔力一般增大到12～15 MPa左右，最大時達到了17 MPa(初略估算相當240 t起拔力)，此時就開始逐節起拔接頭管。拔管時，由吊車配合，當起拔力小于吊車起吊能力后，由吊車直接起拔。

5.3.3 墻段連接施工成果

經過精心施工，拔管法施工接頭達1 025 m，占接頭總工作量1 307 m的92.2%，鉆鑿法施工占7.8%。累計下設接頭管37孔，成功起拔接頭管36孔，拔管深度超過30 m的達27孔，占接頭孔總數71%。拔管后，通過對接頭孔深度測量，孔深基本接近接頭管的下設深度，說明拔管時機的掌握是合適的、恰當的。最大拔管深度達48 m，拔管后接頭孔深度達43 m，創造了國內外拔管法實施墻段連接的新記錄。其中SW-13-7接頭孔接管長42 m，孔內34 m，孔外8 m，因吊車起吊能力有限，抱著減少鉆鑿工作量的想法，嘗試拔管機自行松卡，孔外接頭管自行放入孔內幾米后及時抱緊。結果操作失控，接頭管落入孔內，以致于撈取失敗而鑄管。這也是一部分接頭管未能下設到終孔深度的原因所在，但這次鑄管事故與“拔管法”施工工藝技術無因果關系，屬于偶然而非必然，故本工程拔管成功率可以說達到了100%。表4為部分接頭管下設與起拔技術數據統計。

表4 接頭管下設和起拔技術數據統計

表4 接頭管下設和起拔技術數據統計 續表

6 混凝土生產與澆筑

混凝土攪拌使用伊朗制造的自動化混凝土拌和系統，拌和站安裝2臺1.0 m3攪拌機，綜合生產能力30 m3/h。稱料、配料由計算機自動控制。混凝土中水泥參量500 kg/m3，砂率0.42，骨料為二級配。

混凝土澆筑采用水下直升導管法，選用導管直徑為250 mm。生產出的混凝土熟料由3～4輛6 m3混凝土攪拌運輸車運至槽孔口(運輸距離800 m)，釋放到儲料倉內，下放入槽。混凝土面上升速度3～5 m。

7 施工中采取的技術措施

7.1 提高拔管成功率，減少鑄管風險的技術措施

液壓站就位用水平尺測量底座水平度，保證水平，底部要堅實。其中心與槽孔端孔中心對正，力求兩個中心相互重合，避免受力后發生偏斜而導致接頭管起拔時壓向孔壁，增大摩阻力。

嚴格要求槽孔兩個端孔的孔斜率和孔型完好，保證接頭管順利下入，且處于垂直狀態。如端孔偏斜嚴重，接頭管將處于偏斜狀態，會給拔管工作帶來難度。

對于沒有下設到終孔深度的接頭管，當混凝土澆筑接近接頭管底部時，應控制澆筑速度，避免流態混凝土對接頭管底部擾動導致接頭管偏斜或移位，使接頭管施工失敗。

安排專人負責拔管工作，嚴格按照拔管操作要求進行接頭管活動與起拔。開始活動沒有下設到終孔深度的接頭管時，不得松開抱緊卡盤，避免接頭管掉入孔內形成事故。當接頭管未正式起拔前應勤活動，隨時了解接頭管摩阻力大小，不可超過起拔設備的安全承受能力。

為盡量減少接頭管在孔內滯留時間，澆筑混凝土時做到及時拆卸導管，使埋住接頭管的混凝土及早處于靜止狀態，為活動和起拔創造條件。

接頭管下設結束后，應將底閥門關閉，避免混凝土進入;如果混凝土流入管內，就會凝固封死管底口，起拔時，管底部勢必要形成真空狀態，加大起拔力，增大接頭管的施工難度。

7.2 槽孔安全施工技術措施

本防滲墻工程2002年8月開工，正值干旱無雨季節，施工區內地下水位高程底于施工面高程約10 m。且先施工兩岸較淺槽孔，基本不受地下水位影響，未發生過塌孔現象。但隨著施工槽孔的逐漸加深，也進入了雨雪季節，地下水位增高，僅低于施工面高程3～4 m左右，同時26～40 m深度段為粉砂含量很高的粉質黏土層，相對不穩定。受地層條件和地下水位影響，幾個槽孔(如 SW-9、11、13、21 號槽孔)施工時均發生了不同程度塌孔現象，其中以SW-11號槽孔尤為嚴重(該槽孔26～38 m塌方約400 m3，采用M 10水泥砂漿回填，并將槽孔分割成SW-11A、SW-11B兩個槽孔)。

為確保槽孔施工安全，首先適當增大泥漿比重，新制泥漿密度調整到1.08～1.10 kg/cm3，加強泥漿性能的改善;保證6PS砂石泵工作狀態良好，做到密封水不被抽吸到泵內，遏止因失水對槽孔內泥漿稀釋破壞。第二，調整槽孔造孔施工手段。主孔施工終孔后，先施工2#、6#副孔(槽孔按7 孔施工)，4#副孔暫留做臨時支護。待1#～3#、5#～7#徹底施工結束，最后施工4#副孔，在最短時間內成槽，縮短整個槽孔受泥漿浸泡和地下水影響時間。第三，采用抓斗成槽不能將上部全部抓空，亦留一抓做臨時支護。第四，1 d保證對施工槽孔內泥漿檢測1～2次，如泥漿性能受到破壞，做到及時補充和更換部分新漿。

7.3 低溫季節施工防護措施

防滲墻施工期覆蓋整個冬季，夜間氣溫在 -17℃左右，白天在0℃左右，施工困難。為確保施工進度和混凝土正常施工，主要對混凝土入倉溫度進行控制。采取的防護措施有:用熱水攪拌混凝土;槽孔澆筑人員配備齊全，準備工作到位、及時;混凝土運到孔口后，加快澆筑速度;盡量安排白天澆筑混凝土等。冬季施工混凝土溫度均控制在12℃以上。

8 施工質量控制與結果

8.1 控制標準

槽孔偏斜率:槽孔中任意一點偏斜率≤0.4%，保證墻體連續厚度。

清孔要求:泥漿密度≤1.2 kg/cm3，黏度≥30 s，含砂量≤5%，孔底沉渣厚度≤10 cm;接頭刷洗與套接要求符合《水工混凝土防滲墻施工技術規范》SL174—96規定。

8.2 質量控制情況

采用沖擊返循環鉆機造孔，嚴格控制孔斜，勤檢查、勤測量;左岸河床段擴孔系數大，右岸及中間段地層軟硬相對均勻，鉆機鉆導孔，抓斗抓取副孔，孔斜易于控制。入巖深度按1 m控制。所成槽孔孔型及入巖深度滿足設計要求。

清孔采用泵吸返循環法，使用ZX—200型泥漿凈化機，凈化除砂效率達90%以上，粒級0.074 mm。澆筑前，泥漿密度控制在1.09～1.11 kg/cm3之間，黏度30～38 s，含砂量0.2% ～1.2%，孔底沉渣厚度也均＜10 cm。

8.3 墻體混凝土質量情況

按每個槽孔取1組抗壓強度試樣，每8～10個槽孔(約2 500 m3)取1組抗滲標號試樣進行取樣，進行混凝土強度試驗檢查。因目前工程尚在施工階段，檢查結果尚不能收集全，編寫本文時只從現場試驗室得到10組抗壓試件和一組抗滲試件試驗結果，均滿足設計要求。

已對 SW—39A、SW—6兩槽孔墻體進行取芯(孔徑110 mm)，巖心完整，采取率超過90%，墻體與基巖面接觸良好，夾層2～5 mm。

9 施工經驗與體會

1)利用沖擊返循環造孔工藝建造槽孔對本工程是適宜的。正常施工時，工效達6～8 m/臺日，與傳統的抽筒出渣工藝相比有明顯進度優勢，同時可提高清孔質量標準、節省泥漿，降低部分成本。但由于工程準備期對砂石泵、泥漿凈化機等返循環工藝機具易損件配備不足，且又在工業化水平相對較低的伊朗施工，購買與加工零配件常常需要大量時間，因而造成施工停等時間過多，返循環造孔工藝的進度優勢沒有得到充分、合理發揮。所以充分認知施工工藝特點、優點，合理、充分配置配套配件和材料，才能真正發揮施工工藝的潛在優勢，進而才能保障施工生產、加快施工進度和提高經濟效益。

2)充分認識和重視泥漿在建造防滲墻槽孔時的作用與重要性，健全泥漿系統，工程才會得以順利進行。忽視這一環節，將會給施工帶來麻煩和不必要的經濟損失，請同行謹記。

3)本工程“拔管法”連接接頭工作量達1 025 m，若按鉆鑿法施工，需鉆混凝土接頭1 025 m，澆筑混凝土1 230 m3，按60 m/臺月施工進度，在8臺鉆機同時施工條件下，需64 d才可完成。選擇拔管法實施墻段連接，不僅接縫質量可靠，施工工藝亦不算十分復雜，同時避免了混凝土和鉆鑿時間的浪費，這一工藝應值得在類似工程中推廣和應用。

4)本工程實踐證明，超大直徑(1 m及1 m以上直徑)接頭管拔管技術在超深(40 m以上)防滲墻工程中應用取得了成功。這次施工主要得益于3個方面:①接頭管加工質量好，同心度好，不變形，接頭連接緊密無曠動，因而在受到混凝土側壓力作用時連接處不會輕易發生折曲變形，也就不會產生突發起拔障礙;②選用拔管設備性能可靠;③起拔接頭管的時間把握適宜。

關于接頭管直徑、下設深度大小與拔管設備性能匹配問題，涉及到接頭管在孔內的受力情況，是極為復雜的，有待于進一步深入研究和探討。筆者認為，“拔管法”連接工藝運用于超深超厚防滲墻工程是可行的，不必有太多顧慮和擔憂。但同時也應充分認識到，在不同地質條件、不同工程特點和設備條件下，成功的因素不是一成不變的，應力求根據現場試驗找出內在規律，認知每一種因素對起拔接頭管的影響程度，科學應對，同時采取有效的施工技術措施才是成功的關鍵。

［1］馬迎春.混凝土防滲墻施工技術綜述［J］.黑龍江水利科技，2005，33(6):41-42.