扁钻头冲切法建造薄壁防渗墙槽孔施工方法

2016-03-26王亚莉李保红

中国农村水利水电 2016年5期

王亚莉，李保红

(湖北大禹水利水电建设有限责任公司，武汉 430061)

混凝土防渗墙建造技术在我国水利水电行业应用广泛，常用的造槽方法多种多样[1]，但是这些方法对施工设备和方法要求较高，且施工设备大多是近些年研制或从国外进口，一般比较笨重、昂贵[2]，最重要的是它们只适用于强度较低的砂土层等软弱地基以及全风化岩的地基造槽，对于风化岩以及具有一定强度(抗压强度为大于6 MPa)的岩层和含有较大孤石、漂石的砂卵石层，采用这些方法和设备都难以达到目的。为了解决此类地层的薄壁防渗墙造槽问题，我们从2000年起利用冲击造孔的原理，经过试验对冲击法钻头和施工工艺加以改进升级，用板式扁形钻头代替原冲击法的十字钻头(或圆钻头)，逐渐形成一种新的造槽施工技术方法，即冲切成槽施工法。该工法可适应各种地层、设备简单、工程造价低，被湖北省科协等5部门联合评为“先进操作法”。而后经过这些年又在十多个防渗墙工程中使用并加以改进，该施工技术法已经成熟，2013年该法被中国水利工程协会收录为施工工法(工法编号：SDGF1009-2012)，在水工行业推广应用。

1 施工技术原理

冲切法造槽是利用板式扁形钻头的自重在一定的高度自由下落产生的动能、动量来冲击和破坏地层，其钻头底部是长宽比例约10:1的长方形截面，两壁面是平行的两块钢板，整个钻头就像一块板体，工作时钻头对槽壁像刀切一样形成垂直壁面，钻头底部地基在冲击力作用下被击碎，冲切屑在循环泥浆的带动下排出地表，形成一个垂直地面的长方体型槽孔。

2 冲切法造槽施工设备

冲切法造槽的主要施工机械与冲孔灌注桩以及其他泥浆护壁成槽法施工机械有部分类似，但又不完全相同。

(1)冲击钻机[3]通常为2种。①ZN-CJ型走管式冲击钻机，最大提升能力为5 t，人工手柄式操作，冲程可人工调节。②CZ型及其改进型轮胎式冲击钻机，最大提升能力为8 t，机械自动操作，四级冲程高度，(改进型可实现无级调节)。这两种类型的冲击钻对于不同的地层可以采用不同的冲程和频率。一般软弱地基采用小冲程，砂卵石层和岩石地层采用大冲程。在两种施工方法中都使用这样的冲击钻机作为主要设备。

(2)与冲孔灌注桩使用圆钻头不同的是冲切成槽法使用的钻头为板式扁钻头，该种扁钻头底长2.0～2.5 m，底宽22～35 cm，高度2.5 m左右，重2.0、3.0、3.5 t等多种。钻头底部正背面两侧镶焊有钢爪齿，以减少冲击接触断面，同时在底部间隔槽中间留有泥浆输送通道和泥浆阻力释放孔，以提高泥浆的除渣效果和减轻冲击过程中泥浆对钻头冲击的阻力，提高成孔效率。板式扁钻头示意图见图1。

1-吊环，上部与冲击钻机钢丝绳连接；2-正循环泥浆进浆管，接泥浆输送管路；3-内加固骨肋，增加钻头刚度，同时提供冲击时泥浆上升通道；4-两侧向钢板，增加钻头刚度；5-正背面钢板，造槽主要板面，增加钻头刚度；6-正背面钢爪齿，冲击破坏地层，加快造槽速度图1 板式扁钻头示意图Fig.1 Schematic diagram of flat bit

钻头宽度一般选择比设计槽孔宽度小3～5 cm较为合适。比如槽孔宽度为25 cm，应选择底宽22 cm的钻头；槽孔宽度为30 cm，应选择底宽26 cm的钻头；而槽孔宽度为40 cm，应选择底宽35 cm的钻头。

(3)泥浆系统设备与普通泥浆护壁循环造槽一样，有用于正循环的泥浆泵及管路和除渣用的给泥浆内充入气体以提高泥浆除渣能力气举反循环空压机以及抽渣泵等。

3 冲切法造槽施工工艺

3.1 导向槽施工

冲切法造槽钻头重量大，开钻时钻头在空中不受约束，可以360°自由回转，很难保持沿预定的造槽轴线冲切，而且随意碰撞孔壁造成坍塌，也无法达到预定的槽孔垂直度。为了保护槽口壁和控制槽孔能达到预定垂直度，在冲切成槽施工前首先要施工导向槽，其目的是将钻头限制在导向槽内运动，不得随意乱摆动，起到对钻头的导向作用。根据SL174-96的有关规定，导向槽宽度比钻头约宽10 cm，导向槽深度60～80 cm为宜[4]，太浅了起不到导向作用，太深了又不经济。

3.2 打先导孔

在每个单槽冲击之前，在槽孔一端或两端利用回转钻机或冲击钻机先打先导孔，孔径与槽孔宽度相同或相近，孔深应大于设计槽深50 cm，在先导孔内安设气举反循环装置。施做先导孔的目的一方面是增加钻头在冲切地层过程中的临空面，便于冲切；另一方面在先导孔内安装设备有利于使冲切破碎物流入孔内通过设备及时排出地面，避免重复冲切，以提高冲切效率。工程实践证明，当先导孔的孔径、深度、垂直度等满足设计要求时，先导孔不仅可起到上述作用，还能起到一定的导向作用。

3.3 冲切成槽

3.3.1槽孔划分

防渗墙沿防渗轴线可划分为若干槽段，各个槽段分两序施工，每个槽段称为一个单槽，其长度依据钻头长度而定，一般为6.0～8.0 m。单槽造槽时，又分主槽孔和副槽孔，先施工主槽孔，后施工副槽孔。一般来说副槽孔长度为钻头长度1/2～2/3，副槽孔太短钻头冲切时容易倒向已经冲切完成的主槽孔，太长又容易因钻头在槽内沿槽孔方向左右摆动，从而在槽孔底部形成凸起没能冲切完的小墙[5]。根据实践经验当副槽孔长度超过钻头长度的2/3时，则须在副槽孔成槽后，对槽底进行全面扫底，其目的就是清除主副槽孔间没有被冲切掉的小墙。

3.3.2冲切

(1)开槽冲切。开槽冲切指从开始冲切至钻头高度的2/3进入导向槽深度以下地层的作业过程。因导向槽深度只有60～80 cm，钻头提升高度不应超出导向槽，冲幅也应较低约30 cm即可，同时掌握好当钻头冲击到槽底，钢丝绳刚好垂直，不能过于松弛，否则钻头倒向导向槽，会对其造成破坏。

(2)全面冲切。开槽冲切完成即进入全面冲切过程，此时的冲幅可以加大，根据地层情况进行调整改变，根据我们的经验：一般黏土、淤泥质土等软弱地层冲幅为50～60 cm，砂卵(砾)石地层冲幅可加大为80 cm为宜。

(3)成槽冲切。一般水工防渗墙大多都会进入相对不透水地层，当冲切至基岩时，因岩层硬度增大，较小的冲击能量不足以破坏岩层，因此需要加大冲击幅度，来达到设计要求的嵌岩深度，此过程与冲击冲孔灌注桩嵌岩类似。

3.3.3成槽过程中防偏纠偏

(1)防偏。冲切成槽过程中如遇孤石、漂石或冲击不水平的岩面(比如斜面岩层)，极容易发生槽孔偏斜。对于孤石、漂石，可采取以小冲程为主，辅以大冲程配合。对于不水平的岩面，可先用小冲程对岩面冲击形成一定深度的槽坑后(相当于增大钻头底部与岩层的接触稳定面)，而后可用大冲程冲击。遇到坚硬岩层时，也可先用地质钻机钻导孔，既可提高冲击效率，又可避免槽孔偏斜。

(2)纠偏。成槽过程中及时检查槽孔的偏斜情况，一旦发生偏斜后必须及时纠偏，具体做法是当地层是土层且偏斜度不大时，可将钻头提起悬空对偏斜壁的反向侧上下反复刮擦槽壁；当偏斜较大时，可回填土夯实至偏斜处上部后，而后重新该段成槽；当地层是砂卵(砾)石或岩层时，可向偏斜槽内投碎石料，然后重新冲切，这种方法简便易行，纠偏的效果较好。

3.3.4循环泥浆

冲切成槽施工对泥浆制备、泥浆性能、泥浆循环系统的要求与通常的泥浆护壁防渗墙造槽孔没有本质区别，只是冲切成槽对泥浆的性能及循环要求更高。因为与常规钻头冲击一样，板状扁钻头本身也不易携带泥渣出槽孔外，泥渣主要靠泥浆的循环带走，因此加强泥浆循环对于提高钻进速度非常重要。在施工过程，除采用通过钻头上的泥浆进浆管将泥浆送入槽孔内的正循环系统外，还要配以安装在先导孔内的管路进行气举反循环定时抽吸泥浆。根据我们经验：气举反循环采用的供气空压机送气量为2.6 m3/min，用Φ108 mm的地质套管作出浆管，即可满足深度40 m的槽孔使用。Φ108 mm地质套管口径大，便于将粗颗粒快速排出，较大地提高了成槽效率。

4 不同地层造槽施工技术要点

该工法实用于各种地层，尤其是风化岩以及具有一定强度(抗压强度为大于6 MPa)的岩层和含有较大孤石、漂石的砂卵石地层的薄壁防渗墙造槽，虽然基本施工原理一样，但是技术侧重点还是有一定区别。

4.1 土层及风化岩层

上世纪五六十年代修建的土堤、土坝因填方质量差，有的筑坝时未清基或清基不彻底，往往是渗漏的主体[6]，在此类建筑物中建造防渗墙是常用的防渗处理方法，在水库、堤坝加固工程中应用最多。土层及风化岩层强度相对较低，很容易冲切成槽，因此应采用低冲幅冲切,冲幅一般为30～50 cm为宜。

但因该类地层产生的钻渣速率较快，对除渣有较高的要求，同时槽壁稳定性较差，尤其是沙质土。这两项因素都是与造槽泥浆的性能有关，除渣要求泥浆应有较大的黏度、密度和较快的上升流动速度，而稳定孔壁要求泥浆不能有过大的黏度和密度，但需要泥浆要有较好的胶体率。目前常用的泥浆多为黏土浆或膨润土浆，后者比前者更容易调节满足该性能需求，后者可采用添加碱粉(掺加量为膨润土量的0.3%～0.5%)来增大黏度，提高胶体率及其稳定性，降低失水量。一般在此类地层中造槽选择密度1.05～1.1 g/cm3、黏度不小于20 s、含砂率小于5%、胶体率大于95%的泥浆较合适，当然也需要根据地层情况通过试验加以调节以获得适宜的泥浆。

4.2 软岩地层

软岩地层建造防渗墙槽孔，因岩层泥质的塑性而导致工效较低，且冲切后往往颗粒较小，泥钙质含量大，造槽过程中泥钙质易以胶体形态融入泥浆中，增大了泥浆的密度和黏度。加之软岩的塑性导致冲切下泥层包裹黏附在板式钻头上，内部堵塞泥浆通道，外部使得两板面增厚，底部冲切面形成一个“土”底板，将钻头托起，俗称“糊钻”，导致无法冲切钻进。可采用将低的泥浆密度和黏度，同时加大泥浆流量，提高泥浆循环速度，必要时加入聚丙烯胺絮凝剂(掺加量为膨润土量的0.003%)以加速泥浆沉淀，从而避免“糊钻”。施工工艺上采取加快进槽孔泥浆输送量，同时充分利用气举反循环抽排槽内泥浆以加快除渣，简单地说就是加快泥浆更换速度来快速地除渣。

4.3 砂卵(砾)石地层

砂卵石地层建造防渗墙槽孔遇到最大的问题有两个，其一是槽斜不易控制，其二是槽壁不稳定。砂卵石地层造槽往往遇到冲切钻头一边接触较大的卵石(硬基)，另一边接触相对较软的地层(软基)，造成钻头接触面软硬不均，在冲切过程中，钻头自然偏向相对较软的软基，造成槽孔偏斜，为了避免出现这类状况，冲切中可采用低冲幅高频率的办法将较大的卵石击碎，通过该段后再恢复至原来的冲切造槽施工参数。同时积极量测槽孔有无出现超标偏斜，一旦出现立即停止造槽，当偏斜超标不多时可采用在钻头槽斜相反的方向加耐磨块，当偏斜超标较大无法纠偏时可投料回填而后重新造槽。

砂卵石属于粗大颗粒，垂直冲切的槽壁上的卵石颗粒不稳定容易脱落，严重的导致塌槽[7]，造槽中需要通过调节泥浆性能来提高槽壁泥皮附着能力。可采取增大泥浆密度至1.1～1.2 g/cm3，同时可在泥浆中加入羧甲基纤维素(掺加量为膨润土量的0.01%～0.05%)以增加泥浆的黏性，使槽壁面形成防护薄膜，以稳定槽壁。同时施工工艺上可采取缩短槽孔长度至4.0～6.0 m，也可有效的预防塌槽。

因地层情况是多种多样的，以上这些方法往往也不是孤立存在的，造槽中根据地层情况适当选择调整，定可获得良好效果。