浅析高海拔地区超深防渗墙施工钢丝绳抓斗成槽技术

刘典忠，丁海龙，于光华，严 伟

(中国水电基础局有限公司西藏分公司，拉萨，850000)

引言

近年来，在西藏高海拔地区建设的众多防渗墙中，旁多水利枢纽工程海拔4100m，试验槽深度达到201.4m，成墙深度达到186m；甲玛尾矿库工程海拔4100m，最大墙深119m；雅砻水库海拔4100m，最大墙深124.05m；卓于水库工程海拔4000m，最大墙深108.5m。在上述几个超深防渗墙施工中，若单纯采用冲击钻机成槽，不但施工难度大、工期长、成本高，甚至难以达到预期的质量效果。因此，在此类超深防渗墙施工中，各工程项目均结合西藏地质条件、高原气候环境等综合影响因素，开展了一系列的防渗墙成槽试验，最终总结出以采用钢丝绳抓斗抓取副孔为主，冲击钻机钻取主孔为辅的“两钻一抓法”成槽工艺，至此，在防渗墙施工中，钢丝绳抓斗成槽施工工艺成为了超深防渗墙施工中不可缺少的部分，其关键在于抓斗方便操作、不但成槽速度快、施工工效高、成本低、防渗质量效果好，而且适用地层范围广。

1 抓斗特性与工作效能

1.1 抓斗特性

防渗墙施工所用抓斗根据其工作原理分为钢丝绳抓斗和液压抓斗两种类型，但根据几个超深防渗墙工程的施工经验，超深防渗墙由于深度大、施工难度大、要求精度高，比较适宜采用钢丝绳抓斗进行深槽施工。一般应用的钢丝绳抓斗有利勃海尔843型、利勃海尔855型和利勃海尔875型，本文主要介绍常用于超深防渗墙施工的钢丝绳抓斗利勃海尔875型抓斗特性和施工操作工艺。

利勃海尔875型钢丝绳抓斗是德国产较大型的强负荷重型钢丝绳抓斗，其重量达到了100t以上，发动机功率达到690kW，单卷扬提升力为30t，桅杆高度一般为23m～29m，成槽深度最大可到到200m左右，主机履带工作完全展开可到6m，钢丝绳直径为36mm，斗体长度9m，重量约20t～25t，开斗宽度为2.8m，厚度根据防渗墙设计厚度进行加工、更改等处理。

1.2 工作效能

钢丝绳抓斗工作原理主要靠两根钢丝绳来控制开合斗作业，抓取槽内地层的，其结构比较简单，而且还具有冲击挖掘的功能，钢丝绳抓斗在抓取过程中遇到比较坚硬的地层时，采取冲击挖掘功能时有非常突出的效果。一般较深的防渗墙，地质条件相对较差，难度也随之增大，越深的防渗墙，抓斗成槽操作难度越大；海拔越高，施工环境越恶劣，气压越低，抓斗发挥效率也降低，经统计在3000m以上高海拔地区，设备发挥的效率只能达到有效利用率的60%～70%；操作人员的操作水平直接影响到能否成槽的关键，操作人员越熟练，工作效益越高、安全系数也越大，成槽速度和质量也随之增大。总之，抓斗成槽工作效能主要是由工程地质条件、施工环境、设备生产效率和操作人员水平等综合因素决定的。

2 钢丝绳抓斗操作技术

2.1 开抓前准备工作

抓斗开抓前，准备好一切准备工作是确保防渗墙施工进度、安全和质量的关键。所以，在开抓前应做好以下准备工作：

(1)防渗墙施工修建时，基地应碾压密实，平整硬化处理，在未硬化的地面应铺设厚质钢板，操作前回转主机观察，调整平整度满足操作要求。

(2)要定位抓取槽孔的范围，清除抓斗操作半径范围内的所有障碍物，并注意安全防护设施和明显的警示标志。

(3)应做好技术交底，现场技术人员和抓斗操作人员应对工程地质、孔形、孔深和注意事项等有深入的了解，然后由机长和操作人员制定大致的抓槽方案，遇到孔斜、孔故等特殊情况时，应及时调整抓槽方案，确保槽孔质量优良。

(4)做好槽内泥浆的输送与换浆工作，确保输送到槽内的泥浆质量优良，能够完全起到固壁、稳定地下水位，防止坍塌的效果。

(5)在刚开抓前，要全面掌握施工设备的工作性能，检查机械设备的工作状况、斗体内钢丝绳和斗体各提升轮的完好率，确保设备安全、操作灵活；抓槽过程中，要固定抓槽长度和范围，对准孔位，定位参照点，确保钢丝绳在每一次抓取过程中都在同一个点下放和提升，以保证槽孔的垂直不偏斜。槽孔形成后，应进行二次扫孔，确保槽孔成型质量、主副孔之间的连接完全达到预期的效果。在整个抓槽过程中，若发现问题应及时停止抓槽作业，并采取措施处理后再行施工，严禁对抓斗快放猛冲和强制提升等危险操作。

2.2 抓斗成槽方法

在超深防渗墙施工中，一般主要以三钻两抓法为主，冲抓法和重锤法辅助施工的成槽方法。

2.2.1 三钻两抓法

三钻两抓法是超深防渗墙施工中最主要的成槽方法，是将防渗墙一个槽段划分为3个主孔、2个副孔，先采用冲击钻机钻取主孔，然后再用钢丝绳抓斗正常抓取副孔。此方法的优点是冲击钻先完成了主孔施工，对抓斗施工起到了良好的导向作用，孔型和孔斜比较好控制，同时冲击钻在成孔时，将周边副孔内的地层挤密或将孤块石或交接岩进行了破碎，减少了抓斗施工难度，同时起到稳定的固壁作用，使抓斗抓槽不易产生漏浆或塌槽，提高了施工质量。缺点是超深防渗墙中施工成槽时间长，当地下水作用大或固壁质量不好时，槽段长时间浸泡容易产生塌槽。施工中应加强组织、提高成槽速度，在较短时间内完成槽段混凝土浇筑施工。

2.2.2 冲抓法

冲抓法是在成槽过程中，遇到比较密实和漂石的复杂地层条件时，运用斗体自身的重量冲击力，将密实地层冲击破碎或松散，然后再通过反复循环抓取作业，将密实地层抓除，也可反复冲击松散砂砾石地层，提高抓取工效。冲抓法可以克服地层密实，相对难抓的地层，一般在遇有地层较密实、有交接岩或砂卵石地层中运用，能有效提高抓取进度，当成槽超过密实地层时，再采用正常的抓斗抓取法成槽施工。

2.2.3 重锤法

重锤法主要是对地层中的大型孤块石、漂石或槽底风化基岩进行冲击破坏后，再用抓斗抓取成槽的一种辅助施工方法。在使用重锤前，应对提吊重锤的钢丝绳、绳卡和重锤主体进行仔细检查，确定重锤直径与抓斗斗体相吻合，将重锤与抓斗钢丝绳连接固定并复核检查，然后将重锤吊至需要冲砸的槽孔，放置与导向槽水平，把抓斗主钢丝绳设置归零，在缓慢放到冲砸面，并反复提放几次确定冲砸面的虚实后，向上提升距被砸面0.5m左右高度进行试探性的冲砸，然后再进一步确认冲砸面虚实后进行正常冲砸，冲砸时根据被砸体的硬度，逐渐调整冲砸高度，当为单点冲砸时，反复将其冲砸破碎，直到穿过冲砸体或达到预定深度止，当地层复杂有连续孤石时，可用重锤一直往下冲砸到底。为多点冲砸时，应反复调整冲砸点位，确保整个槽段均穿过被冲砸体。重锤冲砸完成后，再利用钢丝绳抓斗进行抓槽作业，在抓槽前，应将抓斗缓慢放入，在放入时若遇不顺畅的情况，可用闭合斗体短程冲击下放到底。当放到冲砸面有卡斗、提放不顺畅现象时，应先利用斗体再次冲击，反复开闭斗体等，确保斗体活动自如后进行抓槽作业，从而避免卡斗事故发生。

2.3 抓斗成槽施工

在超深防渗墙中进行正常抓取时，抓斗操作人员应高度集中注意力，根据地层的特性，确定抓斗冲击高度、冲击次数、闭合速度、闭合次数等，再通过观察斗体上部堆积或坠落的泥块，判断地层的条件，适时调整适宜地层的抓槽参数，以此达到最高的抓取效率。

对于粒径比较小的砂卵石层，一般是提起斗体1.0m左右并稳定后，用自由落体冲击1、2次，放松主绳快速闭斗，反复抓取2次后，再提斗出槽倒渣，翻转斗体180°进行下一个回次的抓取。根据出渣的粒径和数量以及进尺的快慢，不断调整冲击高度和斗体闭合次数来取得最高成槽效率。

对于粒径比较大的漂石或块石层抓取，应稍微提高冲击高度，放慢闭合速度，多闭合几次后，再分析钢丝绳传上来的震动情况后调整抓取，必要时先采用冲抓法再进行正常抓槽法作业。

对于地层中遇到孤石的抓取，首先应适当提高冲击高度，增加冲击次数，使孤块石破碎或松动后，再进行正常抓取，在抓取时如遇到斗瓣或斗齿抱住孤石确无法完全闭合上提的情况，应使1#、2#钢丝绳同时上提，如此时孤石还不松动，再同时放松1#、2#钢丝绳，再上提或开斗后上提1号钢丝绳10cm～20cm，再闭合斗瓣，改变斗瓣或斗齿在孤石上的抓取位置，使斗体上提时对孤石作用的方向改变。经过反复冲击，抓取上提后如果孤石松动，再使用正常的抓取方法，否则采用重锤砸后再进行抓取作业。在抓斗冲击过程中应正确判断孤石的位置和粒径大小，在冲击中应尽量利用中齿冲击，避免主切刃板斗齿冲击孤石而造成斗齿折断，且冲击力度适当，避免斗体损坏。

对于交接岩体的冲抓效果不好或斗瓣不能完全闭合时，可采用定点抓取法。即当斗瓣不能完全闭合，则先提升1#钢丝绳，再闭合2号钢丝绳，让斗瓣完全闭合，再开斗往下放1#钢丝绳5cm，然后全速提升2#钢丝绳闭斗，至斗瓣闭合完毕后，再开斗往下放1#钢丝绳5cm再闭斗，如此连续操作进行抓取，此抓法就是利用反复快速闭斗的力量，破碎交接岩体的密实度和粘结力，从而达到抓取成槽的目的。

对于孤块石、漂石或风化基岩中的抓斗成槽，无论是主抓、副孔还是小墙，都必须谨慎，必要时应加大重锤的直径，采用多点重复加密冲砸，确定冲砸完成后，再下钢丝绳抓斗进行抓槽作业。重锤冲砸时，每个冲砸点的距离应控制在10cm～15cm左右，目的是使整个槽壁平直，以防卡斗事故。

2.4 设备维护保养

在西藏高海拔地区，设备自身的损耗率相对较大，且抓斗属于进口设备，当遇到设备故障或零部件损坏后，造成维修难度大、时间长、费用高、工期影响大的特点。为此，在施工中加强做好抓斗的维护保养工作尤为重要，其日常维护保养主要包含：

(1)认真阅读理解抓斗操作手册，做好设备的保养，并建立保养记录，定期不定期的对全套设备进行检查，时常检查设备的机油、润滑油和液压油的情况，排除故障。

(2)经常检查钢丝绳和斗体的连接状况，避免机上钢丝绳乱层、乱搅等现象，对于磨损的钢丝绳要及时更换。同时应经常检查钢丝绳与斗体连接锁绳器销轴的磨损状况。

(3)要及时维护，焊接加固斗体，确保斗体的强度和尺寸满足要求。

2.5 孔内事故预防措施

在超深防渗墙抓斗作业中，由于地层条件复杂多变，操作中难免出现卡头、断绳等，不可预知的孔内事故频发，为此，施工中应做好以下预防措施：

(1)对抓斗设备要经常检查维护保养，确保设备整体状态良好，时常检查维护钢丝绳、斗体和钢丝绳与斗体间的连接，及时检查加固斗体，从设备良好方面预防孔内事故发生。

(2)在成槽抓取过程中，由于槽孔较深，要严格控制斗体的上提和下放速度，并要保持整体平稳，每抓取两三斗后，应将斗体翻转180°再抓。

(3)每一次出槽入槽都要对钢丝绳、钢丝绳与斗体连接、斗体滑轮组以及斗体上的坠落物进行目视观察，若有异样或异常声响，应立即停机检查。

(4)随时观测控制泥浆面，防止因供浆不及时或泥浆质量差而引起槽段坍塌，同时要防止槽内渗浆和漏浆等现象而引起槽段坍塌的现象。

(5)在抓斗施工中，应掌握地层条件，随时调整抓槽方法，左右两抓应平着往下抓，高差不能太大，否则容易产生卡头。当遇到卡头时，应及时处理，避免造成埋斗事故。

3 结语

近年来在西藏高海拔地区施工的几个超深防渗墙工程中，利勃海尔875钢丝绳抓斗在成槽中起到了举足重轻的作用，为西藏高海拔地区的超深覆盖层地基处理提供了宝贵的经验，通过几个防渗墙施工中对钢丝绳抓斗成槽技术的研究与成功应用，大力推动了西藏地区大部分深厚覆盖层地质条件下的水利工程建设，获得了较大的经济和社会效益。