超深振冲碎石桩施工技术及应用

胡贵良，魏永新，刘保柱，邵增富

(1.华电金沙江上游水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.中国水电基础局有限公司三公司，四川 成都 610213；3.中国华电集团有限公司，北京 100031)

0 引 言

基础处理振冲法施工技术起源于德国，目前国外的应用深度在一般20 m以内，超过20 m深的振冲桩较为少见，孔深超过40 m的振冲桩施工起吊设备性能更是至关重要。德国某工程使用550 t吊车和大功率液压振冲器进行了68 m深的振冲挤密处理施工，英国某公司在英国软土地基中使用550 t吊车进行了近60 m深的振冲挤密施工。但采用大型起吊设备进行振冲施工成本高、安全风险较大[1]。

DL/T 5214—2016《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》[2]条文说明中已说明原规范DL/T 5214—2005规定振冲法施工处理深度不超过20 m是受当时起吊机具及施工难度的限制。振冲法基础处理的深度主要受限于起吊设备的起重能力、振冲器造孔能力以及配套附属设备的综合能力。随着施工深度的增加，对起吊设备提出了更高的要求。近十多年来，随着国家工程建设综合技术取得了很大进步，在应用机械、机具设备制造、施工工艺、应用规模等方面均接近或达到国际先进水平，特别是在工程建设难度方面，远远超过国际水平，目前在复杂地层中振冲桩最大深度34 m，海上施工最大深度近40 m，试验振冲桩深度已经达到92 m。

1 工程概况

拉哇水电站位于金沙江上游，左岸为四川省甘孜藏族自治州巴塘县拉哇乡，右岸为西藏昌都自治州芒康县朱巴笼乡，是金沙江上游13级开发方案中的第8级，上游为叶巴滩水电站，下游为巴塘水电站[3]。拉哇水电站属一等大(1)型工程，电站枢纽主要由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下厂房等建筑物组成，总装机容量2 000 MW。水库正常蓄水位2 702.00 m，相应库容23.14亿m3；死水位2 672.00 m，相应的死库容为14.9亿m3，调节库容8.24亿m3，为季调节水库。大坝施工采用隧洞导流方式，2条导流隧洞布置于右岸[3]。

拉哇水电站枢纽区河床覆盖层最大深度71.4 m，主要为河流冲积物、湖相沉积物、崩塌堆积物、岸坡坡积物组成，其中堰塞湖相沉积低液限黏土和粉土厚约50 m，具有厚度大、承载力低、压缩性高、抗剪强度低、渗透系数低等特点，工程性状差。上游围堰地基河床覆盖层最厚约65～68 m，由上至下分别为Qal-5冲积砂卵石层，厚度1.4～4.6 m；Ql-3堰塞湖静水沉积砂质粉土、粉土质砂，厚度14.7～18.1 m；Ql-2堰塞湖静水沉积层，最大厚度31.4 m，可细分为Ql-2-③黏土层，Ql-2-②粉土、砂质粉土层，Ql-2-①黏土、粉土层，厚度分别约4.0～8.5、10.0～15.0、15.2 m；底部为Qal-1冲积为主的砂卵石、块石层，最大厚度约18.0 m[4]。

拉哇围堰规模大、地质条件复杂、施工条件差、抗滑稳定及变形控制难度高。研究成果表明，为保障围堰上下游堰坡和深基坑开挖边坡稳定安全，须对堰基采取加固处理措施。振冲碎石桩加固范围为防渗墙至下游堰脚，主要对Ql-3、Ql-2-③、Ql-2-②、Ql-2-①4层进行加固，Qal-5、Qal-1和振冲碎石桩一起构成堰塞湖沉积覆盖层的排水通道。

2 振冲碎石桩主要技术指标

上游围堰基础处理碎石桩分2区布置，其中A区(桩号SY0-142.500～SY0+028.500)，桩排距及间距为3 m，梅花形布置，共布置947根桩，成桩总深度36 373 m；B区(桩号SY0+028.500～SY0+201.500)，桩排距及间距为2.5 m，梅花形布置，共布置1 226根桩，成桩总深度26 643 m。

振冲碎石桩桩径1.2 m，碎石桩的填料碎石粒径20～80 mm，其中20～40 mm约占40%、40～80 mm约占60%，个别最大粒径不超过100 mm，小于5 mm粒径的含量不超过10%，含泥量不大于5%，干容重不小于1.95 g/cm3(大理岩)，渗透系数不小于1×10-2cm/s，压缩模量不小于50 MPa，固结排水剪内摩擦角标准值不小于40°，单桩承载力不小于600 kPa。

3 振冲碎石桩施工方法

拉哇上游围堰基础处理碎石桩分2期施工[5]。一期施工右岸，由左岸束窄河床过流；二期施工左岸，由右岸束窄河床过流。振冲碎石桩施工是在填筑的施工平台上进行，施工程序为右岸一期施工平台填筑→一期振冲碎石桩施工→右岸一期施工平台拆除→2020年汛期度汛→左岸二期施工平台填筑→二期振冲碎石桩施工→左岸二期施工平台拆除→2021年汛期度汛，汛后实施大江截流。

本工程振冲碎石桩施工最大深度达65 m，施工难度和质量控制难度大，远超国内外现有水平，无施工先例可循。经研究，综合考虑围堰基础处理深度范围、工期进度、节约成本、降低造价等因素，本工程针对不同的孔深分别采用2种不同的施工工艺。对孔深小于40 m的振冲碎石桩，采用上部回填部分平台和Qal-5层引孔、常规振冲器造孔制桩的施工工艺；对孔深大于40m的振冲碎石桩，为彻底解决振冲工法瓶颈限制，采用上部回填部分平台和Qal-5层引孔、SV70碎石桩机利用伸缩式导杆连接振冲器造孔制桩的施工工艺。

3.1 引孔及钢护筒埋设

本工程振冲碎石桩施工平台采用碎石土回填形成，为确保施工安全，防止平台回填部位出现塌孔，施工平台至地基Qal-5层底部均埋设直径1 m、长12 m的钢护筒护壁，护筒顶端高出地面0.20 m，埋设偏差不超过30 mm。护筒埋设过程，使用水平尺每0.5 m进行一次校正，保证护筒的垂直度。

3.2 造孔及清孔

在采用旋挖钻机钻孔时，选择双底捞截齿钻头成孔，个别孔位发现基岩后使用截齿筒钻头取芯钻进，钻孔直径0.8 m。钻进过程中适当控制钻进速度，钻头全部进入地层后加快钻进速度，遇见砂土层和软土层时减慢钻进速度并适当增加固壁材料比重和黏度，遇到孤石时增加压力、减慢下钻速度。随着钻孔深度的增加及时补充固壁材料，保持孔内水头压力，防止塌孔。发现塌孔时，需保证水量充足，使孔内充满水，同时加大固壁泥浆使用浓度，放慢造孔速度，在通过塌孔区域后恢复正常造孔速度。固壁材料采用金桩壁高分子环保化学泥浆，可有效提高旋挖钻机施工钻孔质量，具有比重小、含砂率极低、黏度高、渗透能力强、性能持久性强、清洁环保等优点，其与水的配合比为1∶1 000。在钻进过程中，注意钻机孔斜指示仪，发现偏斜，及时纠正。为减少塌孔，成孔尽量一次不间断完成，孔内固壁液面不低于地下水位。

采用振冲器造孔时，利用SV70碎石桩机伸缩式导杆连接振冲器，运用“水气联动”的方法进行造孔。振冲器贯入土中应保持垂直，偏斜度控制在不大于桩长的1%以内，当观察钻机孔斜指示仪发现孔斜超标时，要立即修孔。当遇到密实砂层、砂砾石层时加大水量，减小振冲器振动阻力。造孔过程中，振冲器应反复下沉、上提2～3遍进行扩孔以保证桩径满足设计要求，同时需密切关注电流变化并结合旋挖钻孔取样确定终孔深度。

造孔结束后，上下提升振冲器进行清孔，清孔电流应控制115 A以内，且孔内泥浆变稀，黏度降低。清孔时将孔口附近的泥块、杂物清除，以免掉入孔内造成堵孔，清孔后将水压和水量减少到维持孔口有一定量回水，以防止地基土中的细颗粒被大量带走。通过观察孔口返出泥浆的含泥量，并量测泥浆的黏度，当发现无明显泥块、碎渣等杂物时，清孔可以结束。采用振冲造孔时，由于孔内泥、砂、石等杂质较多，通常需要适当延长清孔时间并采取措施，以保证清孔质量。

3.3 填料及加密制桩

清孔完成后，将220 kW振冲器开启并放入孔底，由孔口填料进行加密制桩。填料以连续下料为主、间隔下料为辅，加料不宜过猛，原则上要“少吃多餐”，填料顶部一般应高于振动器8～12 m，填料后必须保证振冲器能贯入到原提起前深度，以防漏振。加密制桩自孔底开始，逐段向上，留振时间12 s，加密电流170～190 A，加密段长50 cm，逐段做好振密搭接，以防漏振。在加密段长内上下活动振冲器并密切关注电流变化情况，当发现电流上升缓慢时及时补充填料量，电流迅速上升时及时判断上升原因并采取合理措施。当加密电流达到设计值并留振到规定的时间后，再将振冲器提升一个段长，如此循环往复直至设计桩顶，桩顶加密完成后，进行一次复振以确保桩顶密实。

4 全自动质量监控系统

本工程在施工时，通过安装在不同设备上的传感器，实现了对振冲施工过程的深度、电流、电压、水压、水量、气压、气量、填料量等实时监控，从而对整个施工过程进行了动态跟踪，有效控制了施工质量。

用无线传输的方式，将SV70碎石桩机中自带的深度传感器采集的振冲深度数据传输到驾驶室内的显示屏上。

将电流互感器安装在变频柜中的振冲出线上，当启动振冲器时，电流互感器产生的电流、电压信号传输到控制柜中。

通过安装在出水处的压力传感器，将施工过程中的水压、气压数据传输到控制柜中。

在空压机一旁的出气、出水管道上安装涡街流量计，当有气体或者水流过时会有电信号的产生，从而对施工过程中的气体、水的流量进行监测。

气体阀门控制采用电动阀门，通过3种方式调节阀门的开合度。第1种方式是在监控屏幕上直接触控按钮控制；第2种方式为手动打开阀门上的盖子，在控制器上通过转换按钮(A/M键)进行阀门控制；第3种方式为手动摇杆进行阀门的开合。

5 成桩质量检测

5.1 检测内容及检测方法

依据JGJ 340—2015《建筑地基检测技术规范》[6]对振冲碎石桩进行检测，主要检测项目、方法及数量见表1。

表1 碎石桩桩身质量检测项目、检测方法、检测数量

5.2 检测结果

上游围堰地基处理工程(一期)振冲碎石桩A区完成819根桩，B区完成1 024根桩，累计完成1 843根桩。根据设计技术要求，依据表1所列本次碎石桩质量检测项目、检测方法及数量要求，一共检测完成19根桩。检测情况见表2～表4。

由室内监测试验结果得知，在现有钻芯取样平均级配下，碎石桩最大干密度为2.26～2.38 g/cm3，平均值为2.33 g/cm3；碎石桩按最大干密度制样，各级配下抗剪强度凝聚力为91～128 kPa，平均值为109 kPa，内摩擦角为40.2°～42.5°，平均值为41.4°，满足设计要求；各级配压缩模量在围压0.4～0.8 MPa或0.8～1.6 MPa下大于50 MPa，满足设计要求。

表2 室内土工试验成果

表3 重型动力触探测试成果

表4 现场渗透试验成果

根据重型动力触探检测成果，振冲碎石桩整体质量较好，桩身修正后平均重型动力触探击数均大于15击，满足设计要求，合格率100%。

根据渗透试验成果，各测点的渗透系数均满足不小于1×10-2cm/s的设计要求，合格率100%。渗透系数最小值为1.30×10-2cm/s，最大值为8.74×10-2cm/s，振冲碎石桩透水性良好。

因此，振冲碎石桩检测成果表明，在采取加固处理措施后，围堰基础明显改善了抗液化性能，提高了承载力和抗变形能力，振冲碎石桩透水性良好。

6 结 语

拉哇水电站上游围堰高60 m，基础覆盖层深超过70 m，围堰结构安全及基础处理技术在国内外水电建设史上罕见，无成熟经验可以借鉴，振冲碎石桩施工难度远超35 m以内成熟技术。在无先例可循的情况下，本工程充分利用SV70碎石桩机，通过伸缩导杆连接振冲器，在拉哇水电站上游围堰基础处理一期工程中顺利完成了最大施工深度67.74 m的振冲碎石桩施工，突破了振冲碎石桩施工的深度记录，总计完成进尺3.5万余m。施工完成后的检测成果表明，在采取加固处理措施后，明显改善了围堰基础的抗液化性能，提高了其承载力和抗变形能力，振冲碎石桩透水性也良好。本工程所采用的超深振冲碎石桩施工技术成功运用于目前国内外大规模施工的最深振冲碎石桩施工，填补了国内外技术空白，可为类似工程施工提供借鉴。