富含裂隙水復雜地質深基坑錨索成孔技術研究

王付德，林育佳，陳顯標，許秋鵬

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概況

廣東省韓江高陂水利樞紐工程廠房尾水段基坑為狹長狀，呈東西走向，樁號YSK0+675～YSK0+900。基坑臨水側為預留巖埂兼做圍堰，巖埂坡比1∶1.50，無須支護(后期需挖除)；靠山側與新建省道平行，坡頂距離省道約3.00～4.00 m。基坑坡頂高程為▽42.28 m～41.00 m，坑底設計高程為▽23.00 m，開挖深度約17.00～18.00 m。基坑靠山側邊坡坡比為1∶1，采用60.00 cm厚鋼筋混凝土+無粘結預應力錨索支護(錨索共設計M1和M2兩種型號，均為1 000 KN無粘結預應力錨索，其中M1=28.00 m,M2=20.00 m，錨索采用7×φ15.20 mm，fpyk =1 860.00 MPa高強度低松弛鋼絞線，錨索孔孔徑為φ130.00 mm，M1和M2 錨固段長度進入弱風化巖均為≥8 m，錨索孔入射角垂直于坡面)，基坑平面示意圖如圖1所示。

圖1 廠房尾水段基坑平面示意圖

根據現場開挖及地勘資料顯示，基坑靠山側邊坡工程地質構造復雜，巖土體風化界面起伏大，裂縫發育，巖石破碎，完整性差，坡面裂隙水比較豐富。YSK0+700～YSK0+775樁段還存在發育斷層F8，產狀N40°～45°W/NE∠65°～75°，寬1.00～3.00 m，斷層破碎帶充填構造角礫巖、片狀巖為主，風化劇烈，呈風化土夾強風化巖塊土狀，兩側圍巖巖體裂隙發育，互相切割，巖石破碎，完整性差，山體潛水從裂隙中流出。

2 錨索成孔難點分析

2.1 工程地質構造復雜，風化界面起伏大，坡面裂隙水比較豐富

從施工現場揭露的地質情況分析，基坑邊坡巖土體風化界面起伏大，裂縫發育，巖石破碎，完整性差，省道以上山體內水通過巖石裂隙從坡面流入基坑。YSK0+700～YSK0+775樁段邊坡存在發育斷層F8，斷層內富含地下水，容易出現蠕動變形或順層滑塌。錨索鉆孔需穿越多種地層，易發生塌孔、卡鉆，排渣困難等現象。

2.2 錨索孔入射角大、

根據設計圖紙，開挖后坡面坡比為1∶1，錨索孔入射角為45°，即錨索鉆機鉆頭應垂直坡面方能滿足設計要求，比常規錨索入射角為35°偏大。

2.3 孔內水位較高

根據此工程水文資料，枯水期韓江壩址下游常水位為▽24.50m～▽26.50 m間。根據計算錨索孔常水位以下均屬于水下作業施工，按▽24.50 m常水位計算，第一排(▽39高程)～第四排(▽27高程)，孔內水深在4.56～13.54 m間，地下水位高是造成錨索塌孔增多、卡鉆、沖擊錘堵塞、排渣困難等現象。

3 富含裂隙水復雜地質深基坑錨索成孔技術研究

3.1 研究目的

本次項目試驗研究范圍：廠房尾水段基坑YSK0+700～YSK0+775樁段邊坡，高程從▽26.50m至▽42.48m，長度75.00 m，寬度16.00 m。由于邊坡巖體破碎且富含裂隙水，斷層帶寬1.00～3.00 m，成孔困難將成為施工中的重點與難點。研究目的旨在采用新技術、新方法解決復雜地質條件下無粘結預應力錨索成孔的施工問題，避免因塌孔造成工期延誤和施工成本增加，同時也為今后類似地質條件下錨索成孔施工奠定基礎。

3.2 研究內容

①詳細了解此工程錨索施工范圍內地質構造特點，進一步明確破碎層厚度及弱風化巖實際深度，為錨索鉆孔施工提供準確技術支持。

②通過試驗性錨孔鉆孔，選擇合適的空壓機、鉆機及其配套鉆具。

③通過干成孔工藝、泥漿護壁成孔工藝、套管跟進成孔工藝、超前導管固結灌漿成孔工藝、多種組合成孔工藝鉆孔技術試驗，經濟比較，確定適合此工程錨索成孔方法。

3.3 成孔技術研究

3.3.1 錨孔鉆孔取芯，分析現場地層情況

為進一步了解錨索施工范圍內地質構造特點，明確破碎層厚度及弱風化實際深度，為錨索鉆孔施工提供準確技術支持，經綜合考慮，重點對YSK0+700～YSK0+775樁段施工范圍進行現場地質巖芯取樣，取樣部位YSK0+737，▽35.00 m和▽27.00 m高程兩處各取一個芯樣，YSK0+773，▽35.00 m和▽27.00 m高程兩處各取一個芯樣，共計4個芯樣，兩樁段地質情況：

①YSK0+737，▽35.00m邊坡地層結構：孔深30.00 m，0.00～6.00 m風化土，6.00～9.00 m全風化土夾強風化塊狀土(斷層帶),9.00～17.00 m強風化巖，17.00～30.00 m弱風化花崗巖。

YSK0+737，▽27.00 m邊坡地層結構：孔深30.00 m，0.00～5.00 m風化土，5.00～8.00 m全風化土夾強風化塊狀土(斷層帶),8.00～30.00 m弱風化花崗巖。

②YSK0+YSK0+773，▽35.00 m邊坡地層結構：孔深30.00 m，0.00～1.00 m風化土夾強風化巖，1.00～30.00 m弱風化花崗巖。

YSK0+YSK0+773，▽27.00 m邊坡地層結構：孔深22.00 m，0.00～2.00 m風化土夾強風化巖，2.00～22.00 m弱風化花崗巖。

③地層分析：根據巖芯地質情況分析，基本與設計提供地質及水文資料吻合，邊坡巖土體風化界面起伏大、裂縫發育、裂隙水比較豐富、巖石破碎、完整性差、存在發育斷層F8，地質構造復雜。

3.3.2 試驗性錨孔鉆孔，選擇合適的空壓機、鉆機及其配套鉆具

由于此工程地質構造復雜，而且邊坡裂隙水豐富，孔內水位較高，為了提高鉆孔效率及成孔質量，減小因設備不滿足施工要求而退場產生的費用，在錨孔正式施工前，有針對性進行試驗性鉆孔，然而后根據試驗孔鉆進情況選擇合適的空壓機、鉆機及其配套鉆具。經現場查勘結合地質取芯孔地質構造情況，分別在YSK0+773，▽39.00 m和YSK0+737，▽27.00 m，YSK0+756，▽27.00 m三處設置3個試驗性鉆孔。其中YSK0+773，▽39.00 m和YSK0+737，▽27.00 m采用HQD100支架式潛孔鉆機(配套設備：15.30 m3/min、 P 風=0.80～l.O0 MPa移動式空壓機，沖擊器CIR110，低風壓潛孔鉆沖擊器鉆頭φ120～φ135)鉆孔，YSK0+756，▽27.00 m采用YC420履帶式潛孔鉆機(配套設備：17.00 m3/min、 P 風=0.80～1.00 MPa移動式空壓機、沖擊器CIR110，低風壓潛孔鉆沖擊器鉆頭φ125～φ135)鉆孔。在鉆孔過程中發現孔內巖石破碎、排渣困難，堵塞沖擊器、塌孔、卡鉆、孔口出水、清孔風壓不足等現象，如下圖2所示，通過試驗孔成孔過程各項參數記錄，合理調整鉆孔設備。

圖2 ZGYX415履帶式潛孔鉆機成孔和HQD100支架式潛孔鉆機成孔圖

3.3.3 多種成孔工藝鉆孔技術試驗和分析3.3.3.1 干成孔工藝

施工工藝流程為: 鉆機鉆進(直徑130.00 mm)→空壓機清孔→錨索安裝→注漿固結→孔口返漿后終止注漿。

YSK0+760～YSK0+776樁段基坑邊坡采用干成孔工藝，試驗區段M1錨索8根，間距為4.00 m×4.00 m，位于邊坡▽35.00 mm及▽39.00 mm高程處；M2錨索8根，間距為4.00 m×4.00 m，位于邊坡▽31.00 mm及▽27.00 mm高程處，各高程位置錨索均為4根。干成孔工藝采用HQD100支架式潛孔鉆機，經試驗，此基坑邊坡采用常規干成孔工藝發現鉆孔排渣困難，易卡鉆，錨孔伴有流塑狀的黏性土流出，無法成孔，不適用于此工程，如圖3。

圖3 干成孔工藝現場施工圖片圖

3.3.3.2 泥漿護壁成孔工藝

成孔工藝流程為: 開挖泥漿池→鉆機鉆進→泥漿護壁→清孔→錨索安裝→一次注漿固結→孔口返漿后終止注漿。

選用XY-1型地質鉆機，直徑為40.00 mm鉆桿和130.00 mm鉆頭，鉆頭和鉆桿都是自身螺紋絲扣連接；泥漿護壁以2TGZ-60/210 型注漿泵為主，采用濕作業方法，泥漿從鉆桿內進入鉆孔內，形成正循環出渣，作業示意如圖4。

圖4 泥漿護壁成孔工藝試驗布置斷面圖

泥漿護壁成孔工藝施工時需在操作平臺內挖掘2個儲漿量約為3.00 m3的泥漿池，采用黏土或膨潤土造漿，鉆進過程中，泥漿從鉆桿進入孔內，呈正循環，形成泥漿護壁。由于此工程巖層裂隙發育有存在斷層，泥漿滲漏嚴重，清孔困難，操作復雜，施工成本相對較高，成孔進度緩慢，不適用于此工程。

3.3.3.3 超前導管固結灌漿成孔工藝

成孔工藝流程為: 鉆機鉆進(直徑50.00 mm)→穿過斷層地質帶后退桿→清孔→安裝小導管→注漿固結→7 d后錨索孔鉆進→清孔→錨索安裝→錨索注漿。

超前導管固結灌漿成孔，在錨索孔位上設置超前小導管注漿開孔位置，采用直徑為50.00 mm的YT-28鑿巖機鉆進，鉆機穿過破碎帶進入弱風化巖5.00～10.00 cm停止鉆進退桿，安裝小導管采用滲透法注入純水泥素漿(水灰比為1∶0.45)，注漿壓力為0.50～1.00 MPa，水泥標號為PO42.5R。注入水泥素漿固結錨孔周圍破碎巖體，增強圍巖整體性，可以有效防止孔壁圍巖塌落，封堵滲水通道，提高成孔效率，但穿越F8破碎帶時，因圍巖裂隙較大，局部架空現象嚴重，固結灌漿時造成大量漿液流失，施工成本相對較高，成孔進度緩慢，故此工藝適用于工程巖石破碎且裂隙較小的地質條件。超前導管注漿7d后方可進行錨索孔施工。

3.3.3.4 套管跟進成孔工藝

工藝流程為: 鉆機鉆進(孔徑165.00 mm)→Ф150.00 mm鋼套管跟進(需穿過斷層地質帶后，進入弱風化巖0.50 m以上)→退鉆桿鉆頭→換小鉆頭鉆進(孔徑140 mm)→高壓氣流吹孔→錨索安裝→注漿固結→孔口返漿后終止注漿→拔出套管。

采用YC420履帶式潛孔鉆機(配套設備：17.00 m3/min、 P風=0.80～1.00 MPa移動式空壓機、沖擊器CIR110，低風壓潛孔鉆沖擊器鉆頭φ135.00 mm～φ160.00 mm，鋼套管節φ150.00 mm×1000.00 mm×3.00 mm)鉆孔。套管跟進成孔工藝采用低風壓沖擊器鉆進，初次開孔鉆頭直徑為160.00 mm，φ150.00 mm鋼套管跟管作業，穿過斷層破碎帶后，套管跟進至弱風化巖0.50 m后退鉆桿，改用直徑135.00 mm鉆頭鉆進至設計孔深，鉆進過程中采用高壓氣流進行清孔，錨索在套管內放入，在注漿完成后且水泥砂漿初凝之前拔出鋼套管。YC420履帶式潛孔鉆機跟管成孔對地質條件適應性強，在穿越土層、破碎帶、斷層帶時都有良好地鉆進效果，具有成孔效率高、操作簡便、造價合理等優點，能有效防止孔壁圍巖塌落，保證錨索成孔施工質量。通過現場試驗、技術及經濟對比，套管跟進成孔工藝施工效率高，經濟指標比泥漿護壁成孔工藝和超前導管固結灌漿高，該成孔工藝適應于此工程錨索鉆孔施工，如圖5。

圖5 YC420履帶式潛孔鉆機跟管成孔圖

4 結語

通過此工程錨索成孔工藝現場試驗，作者總結出了一套適合富含裂隙水復雜地質深基坑錨索成孔技術。結合此工程地質構造特點，對大傾角破碎裂片巖部位采用超前導管固結灌漿成孔工藝；對于穿越F8斷裂帶等地層部位采用鋼套管跟進成孔工藝，成功解決了富含裂隙水復雜地質深基坑采用常規成孔工藝易造成孔內塌孔，鉆桿抱死、斷桿、排渣困難等問題，避免因重復返工造成的工期延誤和成本增加，同時也為今后類似地質條件下錨索成孔施工奠定了基礎。