銀江水電站復合地層嵌巖式防滲墻成槽施工技術(shù)研究

魏 玉 麟， 吳 鄭 飛， 李 俊 杰

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

銀江水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是金沙江中游水電梯級開發(fā)的最后一個梯級。在河床及左岸布置有河床式電站廠房，電站總裝機容量為390 MW(6×65 MW)，施工導流采用三期導流方式。

一期圍堰采用塑性混凝土防滲墻作為防滲體系，防滲墻入巖1 m，墻厚0.6 m。防滲墻施工軸線長約407.3 m，工程量約為9 500 m2。一期圍堰上游接頭段基巖出露，強風化巖體厚3～15 m，最大厚度為28.2 m，為散體結(jié)構(gòu)的Ⅴ類巖體，透水性強，其下為弱透水性的弱風化巖體。下游接頭段為人工填土層，厚5～15 m，其下部為2～7 m厚的卵石層，覆蓋層透水性強，下伏基巖為斜長角閃巖，強風化、透水性強。中間部位自上而下分別由回填層、沖積卵石、粉細砂、粉質(zhì)黏土、卵礫石層及黑云母閃長巖(基巖)構(gòu)成。回填層存在較大的孤石，硬度高、粒徑大、較松散，易漏漿塌孔；砂卵石層中也存在較大的孤石，一般粒徑不大于30 cm；粉質(zhì)黏土層的最大層厚約20 m，遇水軟化，可塑性強；基巖為黑云母閃長巖，強風化，硬度約為30 MPa。

該工程防滲墻施工主要存在以下重、難點問題：

(1)工程量大、工期緊。該工程圍堰軸線長約407.3 m，墻厚0.6 m，工程量約為9 500 m2，而合同工期僅有2個月，每月成墻面積達4 750 m2，導致工程施工強度大、工期緊。

(2)地層構(gòu)成復雜。該防滲墻施工區(qū)域地層復雜，上軟下硬，上部為覆蓋層，透水率高，同時樁號K0+060到K0+410范圍內(nèi)存在粉質(zhì)黏土層，最大層厚約20 m。鑒于粉質(zhì)黏土層遇水土體抗剪性能急劇下降，導致其不利于施工。

(3)圍堰回填期間河床水位較高。土石圍堰回填時，河床水位高于后期施工平臺高程，即施工平臺以下高程均為拋石回填，未碾壓，較為松散，最大回填深度約為12 m，導致后期施工時多次發(fā)生塌孔、漿液漏失等不良地質(zhì)情況。

對傳統(tǒng)防滲墻施工中應用較多的成槽設備如沖擊鉆、旋挖鉆機、液壓抓斗和液壓雙輪銑等進行了簡述。

2 技術(shù)方案的選擇

2.1 成槽設備比選

(1)沖擊鉆作為傳統(tǒng)的成槽設備適用范圍廣，可用于大部分地質(zhì)條件下的防滲墻施工，但其工效相對于旋挖抓斗太低，其原理為重錘沖擊破壞地層，需要較濃的漿液懸浮抓渣以保證重錘接觸新鮮的地層才能加快進度，且其一般采用抽筒除渣方式，渣漿混合在一起導致其回收較困難，泥漿浪費較大，除非地質(zhì)情況復雜或場地狹小，一般不予采用。沖擊鉆一般配有管鉆、平底鉆及方錘等鉆頭。但對于處理復雜地層，如孤石、探頭石等特殊情況時其又具有一定的不可替代性。

(2)旋挖鉆機工效高，廣泛應用于旋挖樁，而且其自帶垂直度監(jiān)測功能，能夠較好地控制孔斜，但不能處理孤石或處理進展緩慢、成本較高。其原理是依靠施加壓力將鉆具截齒壓入巖石，在強大的動力頭輸出扭矩作用下使巖石產(chǎn)生剪切破碎[1]。其配備的鉆頭形式較多，常見的有筒鉆、撈砂斗、螺旋鉆等，可根據(jù)地層進行選擇。

(3)液壓抓斗作為新型成槽設備其效率高，工效可達約100延米/d，但其一般需要其他鉆機引孔、配合成槽。對于地質(zhì)條件較好的工程可以直接采用抓取法施工；但對于存在孤石和基巖等強度較高的地層，則因其工效低或無法應用。

(4)液壓雙輪銑法作為專用的入巖地下連續(xù)墻施工設備以其成槽(硬巖層)效率高(較之抓斗高 4～5倍)、孔形規(guī)則(垂直度可控制在 3‰以下)、安全、適應地層范圍較廣等優(yōu)點已在發(fā)達國家普遍采用。雙輪銑槽機雖適合入巖施工，但其機械主要依賴進口，整機購進、租賃費用昂貴且設備維護復雜、費用較高。一般在工程量大(≥1.8萬m3、槽深>40 m)、工期緊，且中等風化巖層入巖施工在地墻總工程量中占比較大、其他成槽設備無法施工及地下連續(xù)墻在敏感構(gòu)筑物附近等條件下才考慮采用雙輪銑[2]。

項目部針對該工程特點、難點并從項目經(jīng)濟性出發(fā)進行綜合考慮，最終選用聯(lián)合成槽技術(shù)，即利用沖擊鉆、旋挖鉆機和液壓抓斗三種設備成槽，并且該工藝在西南地區(qū)的使用尚屬首次。該工藝充分將各設備的特性與地層特點緊密結(jié)合，“液壓抓斗吃軟，沖擊鉆啃硬”，使設備施工能發(fā)揮出最大工效，進而加快了施工進度。

2.2 工藝對比及確定

防滲墻施工技術(shù)是基坑開挖工程中安全、快速、經(jīng)濟的一項重要施工措施。目前國內(nèi)的防滲墻施工技術(shù)一般采用單一的成槽設備或兩種設備相結(jié)合應用。但該工程防滲墻施工區(qū)域受地質(zhì)條件的限制，單獨采用沖擊鉆需要大量的成槽設備及輔助設備且工效較低，組織難度大，很難滿足工期要求；若采用兩種設備施工(沖擊鉆(旋挖)和抓斗相結(jié)合)，又因沖擊鉆引孔慢或抓斗抓取基巖困難，工效不能滿足施工要求。目前還有一種采用旋挖鉆機套打法鉆進基巖段的施工方法，但為保證抓斗連續(xù)施工，可能需要一臺旋挖鉆機單獨進行基巖段的鉆進，而套打法單側(cè)懸空、軟硬不均，極易出現(xiàn)偏孔，形成“小墻牙子”，影響施工質(zhì)量。而采用旋挖+抓斗+沖擊鉆三種設備進行防滲墻成槽施工，則可充分將各設備的工效發(fā)揮到最大，既加快了施工進度，又節(jié)約了成本，進而實現(xiàn)了雙贏。

為減少漿液浪費、避免污染環(huán)境，該工程采用裝載機、渣土車及泥漿凈化機代替了傳統(tǒng)的倒渣平臺。

2.3 施工工藝

2.3.1 工藝流程

成槽工藝流程為：

場地平整及水電風漿管路鋪設→導向槽澆筑→槽段劃分→旋挖鉆進主孔及鑒定基巖面→抓斗抓取上部覆蓋層→沖擊鉆鉆劈法處理基巖段。

2.3.2 設備的選用

針對該工程的特點和難點并從項目經(jīng)濟性綜合考慮，該項目最終選用聯(lián)合成槽技術(shù)，即利用沖擊鉆、旋挖鉆機和液壓抓斗三種設備成槽。

沖擊鉆選用ZZ-6A型沖擊鉆，設備工效約為4.5 m2/d。旋挖鉆機選用中聯(lián)重科ZR220A，最大鉆孔深度為60 m，最大鉆孔直徑為2 000 mm，該工程設計階段的最大成墻深度約為43 m，可滿足施工要求，預估工效約為100延米/d。液壓抓斗選用金泰SG46A型液壓抓斗，最大成墻深度為75 m。為滿足抓斗機施工回轉(zhuǎn)以及防滲墻施工具有足夠的工作面，必須沿防滲墻軸線兩側(cè)開挖15 m 左右的施工平臺[3]。

2.3.3 場地布置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將輸漿、輸電線路、沖擊鉆及沖擊鉆行走平臺布置在軸線內(nèi)側(cè)，將旋挖鉆機和液壓抓斗及其輔助設備，包括裝載機、挖掘機、吊車等布置在外側(cè)，充分利用設備機動性好的特點，保證工藝流程的連續(xù)性及設備的工作時間。同時，施工場地垂直軸線方向的寬度應不小于25 m，否則各施工設備不能很好地進行交叉作業(yè)；每個施工段的軸線劃分必須長，能夠保證各設備連續(xù)作業(yè)，不會因場地不夠?qū)е略O備窩工。

2.3.4 護壁泥漿

該工程主要采用膨潤土泥漿護壁，新制備的泥漿膨化24 h后供應給施工槽段，同時在現(xiàn)場存放黏土，在鉆進過程中向孔內(nèi)投入大量的黏土以提高泥漿黏度懸浮鉆渣，從而提高鉆孔時效[4]。漿液供應一定要滿足施工進度要求，在旋挖鉆孔、壓抓斗成槽及漿液漏失時能及時向槽內(nèi)補充足夠的泥漿。

2.3.5 成槽施工

根據(jù)地層上軟下硬的特點，最終采用“三鉆兩抓法”+“鉆劈法”施工工藝：旋挖鉆進主孔，抓斗抓取副孔覆蓋層，沖擊鉆劈打基巖段副孔成槽。

采用旋挖鉆進主孔，覆蓋層鉆頭采用撈砂斗，進入基巖后換筒鉆鉆進，同時取樣鑒定基巖面，筒鉆對基巖進行切割，巖樣較完整，能夠非常準確地鑒定基巖面深度，保證施工質(zhì)量。主孔完成后，抓斗抓取副孔覆蓋層，覆蓋層抓完后沖擊鉆完成基巖段的成槽施工；鉆劈法不僅能夠很好地實現(xiàn)硬巖地層的嵌巖施工要求，確保不同方向嵌巖深度的可靠性，而且可以有效清理槽孔內(nèi)部的小墻，提升嵌巖效果[5]。旋挖抓斗完成一個槽段后繼續(xù)沿軸線施工其他Ⅰ期槽，既保證了設備的運行時間，又加快了施工進度。

2.3.6 鉆渣處理

將旋挖出渣堆放在鉆機兩側(cè)，使用裝載機清理；抓斗直接抓取巖土體上提并倒入渣土車，將其運到指定位置；使用沖擊鉆在槽孔內(nèi)產(chǎn)生的鉆渣可以利用泥漿凈化機篩出，并直接轉(zhuǎn)運至指定位置進行處理。

2.4 應用效果

銀江水電站一期圍堰防滲墻工程實際比預定節(jié)點目標提前12 d完成，成槽驗收一次合格率達100%。施工中針對防滲墻施工的復雜地質(zhì)環(huán)境，經(jīng)過反復論證和比較，采用三種設備結(jié)合的施工技術(shù)可以最大程度地降低對環(huán)境的影響和施工難度，進而最大程度地提高了施工效率、節(jié)約了施工成本，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 經(jīng)濟和社會效益

通過“旋挖+抓斗+沖擊鉆”三種設備聯(lián)合施工防滲墻技術(shù)研究，結(jié)合銀江水電站一期圍堰防滲墻工程實踐，不斷調(diào)整、優(yōu)化施工工藝，確保了所依托工程施工的安全和質(zhì)量，經(jīng)過工程應用和施工實踐，取得了以下幾方面的效益。

3.1 工期效益

銀江水電站一期圍堰防滲墻工程計劃工期為80 d，實際用時68 d，施工效率提升15%以上。

3.2 經(jīng)濟效益

(1)若采用旋挖抓斗法施工，需增加1臺旋挖機，按2個月工期計算，其成本為：該項目通過市場詢價得知：1臺旋挖鉆機施工2個月的租賃費(含進出場)為37萬元，2臺則為74萬元；1臺金泰SG46A成槽機2個月的租賃費(含進出場)為60萬元；裝載機、挖機、吊車、渣土車各1臺， 2個月的費用約為20萬元。該工藝產(chǎn)生的主要人工設備成本約為154萬元。

(2)若采用沖擊鉆機施工，按照2個月工期考慮，鉆機工效為4.5 m2/d，約需35臺沖擊鉆機，按常規(guī)配置3～4人/(臺×日)，需要鉆工約120人，按8 000元/(人×月)計算，每月人工費約96萬元；輔助設備增加2～3套。沖擊鉆2 000元/(臺×月)，35臺共計7萬元/月，輔助設備按3套考慮，每月需30萬元。采用純沖擊鉆施工的主要人工設備成本為266萬元，且因現(xiàn)場大量設備、人員施工，組織安排生產(chǎn)難度極大，極易出現(xiàn)窩工。

(3)若采用沖擊鉆及抓斗法施工，為保證抓斗施工連續(xù)，按照一臺旋挖100 m/d計算，需配備12臺沖擊鉆，僅人工成本即需40×8 000=32(萬元)。采用4臺沖擊鉆處理基巖段約需人工成本11萬元，16臺沖擊鉆設備折舊費為3.2萬元/月，2套輔助設備租賃費用為20萬元/月。該工藝共需成本=(32+11+3.2+20)×2+60=192(萬元)。

(4)該項目采用1臺旋挖，1臺液壓抓斗及4臺沖擊鉆，輔助設備一套，2個月的成本=(16+25+10+0.8+4.8)×2+15=128(萬元)。

(5)未澆筑倒渣平臺節(jié)約的成本為：軸線長407.3 m，倒渣平臺寬5.5 m，厚30 cm，C20混凝土單價為200元/m3，可節(jié)約成本約410×5.5×0.3×200≈13.5(萬元)。

該項目采用三種設備聯(lián)合施工，從成本上看其均優(yōu)于其他單一或兩種設備聯(lián)合施工工藝，相較于傳統(tǒng)的沖擊鉆鉆劈法施工節(jié)約成本約151.5萬元(266+13.5-128=151.5萬元)。

4 結(jié) 語

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對施工環(huán)保的要求不斷提高，傳統(tǒng)沖擊鉆施工產(chǎn)生的噪音及泥漿污染對周圍環(huán)境的影響巨大，完全不能滿足城市施工要求。而采用“沖擊鉆+旋挖鉆機+抓斗”成槽結(jié)合氣舉反循環(huán)與泥漿凈化機清理槽孔，清孔后的泥漿循環(huán)利用，泥漿消耗量少，基本不產(chǎn)生廢漿，有利于環(huán)境保護；同時，該工藝解決了傳統(tǒng)沖擊鉆施工“臟亂差”的施工面貌，有助于樹立良好的企業(yè)形象。

嵌巖式防滲墻施工過程中存在“施工效率低”“成槽質(zhì)量差”“上部軟土層易塌孔”等技術(shù)難題，國內(nèi)部分學者結(jié)合相應的工程實例，提出了相應的嵌巖式防滲墻施工工藝。但由于不同工程地質(zhì)條件的差異，所采取的施工工藝亦會有所不同。目前，入巖防滲墻施工常用的設備主要有傳統(tǒng)的液壓式抓斗成槽機(大多需鉆機配合)和新興的雙輪銑槽機。傳統(tǒng)的液壓抓斗成槽機入巖段無法獨自成槽，大多需鉆機配合施工。而液壓雙輪銑法作為專用的入巖防滲墻施工設備，其雖適合入巖施工，但其機械主要依賴進口，整機購進、租賃費用昂貴且設備維護復雜、費用較高，僅適用于工程量大、工期緊且中等風化巖層在總工程量中占比較大等復雜條件下的入巖防滲墻施工。沖擊鉆配合各類鉆頭雖然對地層適應性較廣，但工效相對于旋挖、抓斗等明顯偏低，對于圍堰防滲墻這類工期緊、工程量大的工程，需采用大量的鉆機來保證工效滿足工期要求，故單獨使用哪種方法均不能滿足要求。

在水電工程及地下連續(xù)墻建設大發(fā)展的今天，該項目采用的“旋挖+抓斗+沖擊鉆)三種設備聯(lián)合進行防滲墻施工技術(shù)具有十分廣闊的應用前景，可以獲得巨大的經(jīng)濟和社會效益。