防渗墙成套造孔挖槽工法技术体系分析

2021-11-02武奇维韩用伟连常成王猛王晓川赵春亮

工程建设与设计 2021年19期

武奇维，韩用伟，连常成，王猛，王晓川，赵春亮

（1.中国水电基础局有限公司,天津301700；2.中国电建集团山东电力建设有限公司,济南250000）

1 引言

目前，随着我国基础建设的不断推进，基础建设的区域正在朝着超深与复杂地质条件的地区深入。而在这些区域中，施工难度普遍较高，作为施工过程中的重要组成部分，防渗墙槽孔施工得到了相关领域的重视。如何对现有的技术进行优化和改进，以制定综合目标最优的方案，仍是值得研究的问题。为此，有必要对防渗墙成套造孔挖槽工法技术体系做进一步的研究。

2 研究现状

基于我国建设市场的基础和条件，防渗墙工程主要采用的造孔挖槽设备有冲击式钻机、冲击反循环钻机、回转钻机、液压抓斗、钢丝绳抓斗、液压铣槽机等[1]。这些设备有着不同的适应性和技术特点，需要根据实际情况进行合理选择。主要防渗墙造孔挖槽设备技术特性见表1。

表1 主要防渗墙造孔挖槽设备技术特性

3 防渗墙成套造孔挖槽工法技术方案的优化组合比选要点

3.1 根据设备底层适应性进行初选

首先，工作人员要对施工区域的地质资料进行全方位的收集和详细的研究，重点是对渗透参数和物理力学指标进行确定。在此基础上，结合实际的设计要求，对设备组合的方式进行初选。如工程涉及超深与复杂地质条件，则要以钻机与钢丝绳抓斗配合的方式为首选，并适当配取液压抓斗，以钻抓法的施工方案开展施工作业，如施工现场的面积和资源受到限制，则以改进钻劈法为主要施工方法，并以回转钻机为补充。通过这种方式，通常可以选出2～3个初步的方案[2]。

3.2 根据工期要求进行方案筛选

在方案已经初步拟定后，要根据设计图纸和设备的参数，对设备数量和每台设备所承担的工作量进行精确计算，进而对施工工期进行确认。在设备数量的确定上，要以均衡生产作为基本原则。在计算完成后，如初步拟定的方案中有难以满足工期的，则要对此方案予以放弃[3]。

3.3 根据具体的条件和要求排除方案

在方案筛选完成后，要根据实际情况中的有关因素，做进一步选择。在这一环节中，要依照以下几个原则加以进行：一是要满足工程安全和施工安全的要求，以确保墙体的质量；二是要满足环境保护方面的要求，噪声和振动等均不应超标；三是要确保设备运行不破坏施工场地；四是要考虑施工区域的气候条件和交通条件是否会构成影响；五是要考虑材料供应和爆破条件等因素是否会制约相应施工方案的顺利开展[4]。

3.4 根据经济情况比较和确定方案

针对比选方案，进行经济比较，最终确定防渗墙槽孔施工方案与设备资源，成本对比应采用全口径计算综合成本，不应单一计算造孔费用。

4 常用的防渗墙成套造孔挖槽工法技术体系研究

4.1 改进钻劈法

改进钻劈法的起步相对较早，早在20世纪50年代末的密云水库防渗处理施工中就已经得到广泛应用。如今，这种方法已经得到了较大程度的改进。对超深防渗墙槽孔稳定性差，特别是漏浆塌孔风险高的情况和孤、漂（块）石地层钻机施工难度大的难题，针对严重架空、渗透性强的地层，为防止严重漏浆塌孔，研究应用了“平打法”和“分段钻劈法”，充分挤密地层，减少漏浆塌孔。针对超深防渗墙底部小墙钻头难于定位、施工效率低，孤、漂（块）石地层钻机施工效率低的难题，大幅提高了造孔效率。这种方法地层适应能力强，除城市工程噪声要求严的工程外，几乎可以应用于所有地层的工程施工。目前，仍是我国水利水电工程应用最广泛的工法技术之一，大量应用于国内水库大坝、围堰工程和病险水库防渗处理工程中。具体来看，该方法的工艺流程如下：在已建好的施工平台基础上，预先按照防渗墙的宽度做好导墙。“钻劈法”施工先施工主孔，再劈打副孔，主副孔相连形成一个槽孔。主孔是一个独立的钻孔，钻头直径等于墙厚，副孔在2个主孔之间，长度大于主孔。钻劈法施工的副孔在防渗墙轴线方向上的长度，黏性土地层为1.0～1.25倍主孔直径，砂壤土和砂卵石地层为1.2～1.5主孔直径。主副孔劈打完成后，将钻机调整至小墙位置，从上至下至设计孔深，形成一个完整的连续的等厚度的槽孔。

4.2 抓取法

改进钻劈法因出渣方式的原因，存在重复破碎问题，所以成槽工效低；而用圆钻头造孔、打小墙可控性差，致使孔斜保证率低、孔形的质量差。因此，提高防渗墙施工工效和质量一直是大家追求的目标。由此，抓取法应运而生，并在水利水电工程领域施工防渗墙的大规模建造中得到较为广泛的应用。本项目研究重点针对超深与复杂地质条件防渗墙特点，对“抓取法”适应性进行研究。在对液压抓斗施工深度的拓展研究和重型钢丝绳抓斗及配套机具研发的基础上，本工法已经多次成功应用于超深防渗墙工程覆盖层施工。由于这种工法所使用的抓斗是通过切割抓取地层，不需要像钻机那样充分破碎地层，而且设备功率大，在适宜施工的地层，施工工效远高于采用冲击式钻机“钻劈法”施工。抓斗设备布置简洁、移动灵活、操作方便、噪声低，有利于文明施工和环境保护。本工法与“钻劈法”相比，可提高工效6～10倍。适合在较松散、中等密实以下的细颗粒地层中采用，一般标贯击数不大于22，否则施工工效将显著下降，不适于基岩施工；但钢丝绳抓斗通过重凿的辅助施工，也可以在坚硬地层或基岩中成槽。

4.3 铣削法

本工法是采用液压铣槽机铣轮旋转切削地层，并连续反循环排渣的槽孔建造工法。液压铣槽机主要由主机和铣削头2大部分组成，主机为履带起重机，铣削头机体为一个钢制重型机架，它的功能除了固定各工作部件外，还可以为铣削提供一定的给进力，并起导向作用。机体下端有2个铣轮，铣轮上安有铣齿（牙）或滚刀，它分别由2个潜水液压马达驱动并绕水平轴相对转动。在转动中铣齿不断铣削地层，并使铣削的碎块与膨润土泥浆混合。安装在铣轮上方的液压泥浆泵抽吸泥浆并携带地层颗粒通过排渣管排出地面送至除砂系统，泥浆经除渣净化后又被送回槽孔循环使用。

经大量研究分析表明，本工法具有工效快、成槽精度高、噪声小、环保施工的优点，成槽质量也易于保证，特别适用于在均匀的覆盖层和中低强度基岩中施工。但由于本工法采用的液压铣槽机设备昂贵、国内市场数量十分有限，因此，该工法通常适用于规模大、工期紧张、精度要求严、环保要求高的工程，包括场地狭窄和噪声要求高的防渗墙（城市地连墙)工程。

4.4 钻抓法

钻抓法是基于我国防渗墙工程施工引进抓斗设备后，针对冲击（反循环）钻机和抓斗不同的特点，通过2种设备的密切配合，充分发挥其不同的优势，研发的系列工法，包括“两钻一抓法”“两钻三抓法”“上抓下钻法”等。本工法总的特点是针对地层特性，充分发挥钻机地层适应能力强和抓斗工效高的各自优势，弥补对方的弱点，形成综合优势。从工程实践来看，“两钻一抓法”可应用于几乎所有地层，目前，已施工了200 m左右深度的槽孔，但当地层覆盖层中致密坚硬地层或孤、漂（块）石地层占比大于50%时，则不适宜采用。具体而言，这种工法要通过现场中试验才能最终决定。

4.5 钻铣法

本工法类似于钻抓法，是由钻机和液压铣槽机配合施工，仅仅是抓斗换为液压铣槽机。由于液压铣槽机的先进性，施工工效更高。该工法在润扬长江大桥北锚锭地下连续墙、冶勒水电站防渗墙、武汉阳逻长江大桥南锚锭地下连续墙、长江向家坝水电站一期围堰防渗墙、南水北调穿黄一期工程地连墙等工程中，都进行了研究应用，其施工效率和施工质量均较高。本工法总的特点是针对地层特性，充分发挥钻机地层适应能力强和液压铣槽机工效高的各自优势，弥补对方的弱点，形成综合优势。理论上说，这种工法可以适合各种地层，最大施工深度可达150 m以上，但由于设备昂贵，因此，更适宜于规模大、工期紧、标准要求高的大型工程项目加以采用。