瀑布沟边坡锚索钻孔成孔方案选择
2022-07-14李云
李 云
(湖南水利水电工程监理承包总公司,湖南 长沙 410007)
1 基本情况
瀑布沟水电站右岸拉裂体地质特征为岩体卸荷、松弛较强烈,最大卸荷、松弛深度达90 m,卸荷、松弛岩体中局部充填次生泥和次生泥膜;拉裂体治理工程,为库区右岸拉裂体第三期边坡治理,主要通过深层锚索,将拉裂体滑动面增大抗滑摩擦阻力,以阻止拉裂体变形。边坡治理锚索,为1 500kN型锚索,长度共有5种,分别为50m、55m、60m、65m、70m,施工工期共计8个月。
2 锚索孔成孔生产性试验
边坡治理锚索,分布于高边坡,为选择经济高效的施工方法,在保证工程施工质量、安全,以及规定的合同工期的前提条件下,最大限度地降低施工成本,决定进行锚索孔钻孔成孔生产性试验。
2.1 试验孔的选择
通过现场考察及地质情况分析,选择具有代表性的锚索钻孔作为试验孔,分别编号为1#孔(设计孔深65 m)、2#孔(设计孔深70 m)、3#孔(设计孔深55 m)主要采用砂浆固壁钻孔成孔;4#孔(设计深度70 m)、5#孔(设计深度60 m)、6#孔(设计深度65 m)采用全程跟管钻孔成孔。
2.2 砂浆固壁成孔方案
根据现场施工条件,施工时,为保证钻孔成孔,主要采取固壁灌浆、跟管固壁(前6~9 m)的方式进行。必要时在固壁灌浆中加入细砂,以增加固壁效果。
1)1#孔钻孔成孔过程情况。该孔于2016年10月7日采用Φ168 mm跟管开孔,砂浆固壁,至2016年10月30日终孔,历时24天。
材料消耗:跟管量6 m;水泥用量30 678 kg;砂用量28 517 kg;速凝剂1 533 kg;水泥、砂、速凝剂用量分别为:601 kg/m、559 kg/m、30 kg/m。
施工过程中出现卡钻、反复扫孔的情况较多(未含其它影响因素);从材料消耗量以及施工效率值,可判定该孔裂隙发育,地质情况较差。
2)2#孔钻孔成孔过程情况。该孔于2016年10月1日采用Φ168 mm跟管开孔,采用砂浆固壁,至2016年11月6日终孔,历时37天(过程中因其它因素有8天未施工)。
材料消耗:跟管量9 m;水泥用量41 747 kg;砂用量34 342 kg;速凝剂1 827 kg。水泥、砂、速凝剂用量分别为:1 125 kg/m、925 kg/m、49 kg/m。
该孔在钻进过程中出现卡钻、反复扫孔的情况较多(未含其它影响因素),钻进困难。从现场施工过程、材料耗量以及施工效率值,可判定该孔裂隙发育,地质情况较差,在0~46.1 m尤为突出。
3)3#孔钻孔成孔过程情况。该孔于2016年10月7日采用Φ168 mm跟管开孔,至2016年10月23日钻至33.8 m时埋钻,历时17天,2016年10月22日至2016年10月23日反复钻孔、扫孔,因岩层破碎、裂隙较多,导致卡钻钻头脱落,故此孔试验无法继续进行。
该孔设计总长为55 m,在钻进至33.8 m时,因掉钻无法继续进行,作为废孔处理,但仍然可以根据前33.8 m固壁灌浆以及钻进情况进行说明。
材料消耗:跟管量6 m;水泥用量22 248 kg;砂用量20 828 kg;速凝剂1 112 kg。水泥、砂、速凝剂用量分别为:800 kg/m、749 kg/m、40 kg/m。
该孔在钻进至33.8 m后,遇孤石卡钻、掉钻,经反复取钻无果,该孔仍然存在钻进困难等现象。从现场施工过程、材料耗量以及施工效率值,可判定该孔裂隙发育,地质情况较差。
2.3 全程跟管钻孔成孔方案
通过前面选择3束锚索进行固壁灌浆钻孔成孔试验,由于时间太长,不能满足合同工期要求,故此,选择3束锚索进行全程跟管钻孔成孔试验:
4#孔:0~39 m全跟管钻进,地质体现为堆积体,土夹石,为山体覆盖层,无返风;跟管钻进2天,速度较快,效率较高;39~45 m为破碎层、塌孔、卡钻,拔钻用时3天;45~52.5 m裂隙分层较大,出现掉钻现象,捞钻头用时5天;52.5~54 m,孤石,跟管钻进极度困难,进尺1.5 m,用时4天;54~61.5 m,岩层较完整,岩石硬度较大,跟管跟进困难,用时6天;61.5~70 m,岩层完整裸钻钻进,用时2天;总用时:22天。
5#孔:0~40.5 m地质为松散体,土夹石,属于坡面的覆盖层;全程跟管钻进用时3天;40.5~46.5 m孤石;跟管跟进速度极慢,跟管容易发生位移;偏离孔轴线,用时10天;46.5~51 m破碎层裂隙较大,塌孔、掉钻;用时8天;51~60 m岩层较为完整,裸钻钻进,用时2天。总用时:23天。
6#孔:0~42 m地质破碎土夹石,属于山体覆盖层,跟管跟进用时3天;42~48 m破碎岩层,裂隙较大;塌孔卡钻;用时6天;48~51 m孤石,跟管发生位移,偏离孔轴线,及时调整偏角用时7天;51~54 m,岩层破碎空洞,掉钻,捞钻用时6天;54~57 m,岩层较完整,岩石硬度强,跟管受损,进度缓慢,用时4天;57~65 m岩层较完整,裸钻钻进用时1天。总用时:27天。
3 成孔方案问题分析
3.1 全部采用固壁灌浆成孔方案问题分析
3.1.1 施工进度的满足
1)合同工期要求的可行性分析。1#孔(孔深65 m)钻孔成孔历时24天、2#孔(孔深70 m)钻孔成孔历时37天、3#孔钻孔33.8m历时17天(单算钻孔进度,不计成孔),3台钻机总共钻进168.8 m,3台钻机平均每天钻进2.16m,本合同共有241个锚索孔,总计15 145 m,3台钻机完成全部钻孔需要7 012天,要想在合同工期内完成钻孔,需要钻机88台,显然不科学,也不现实,且还不算锚索灌浆及锚索张拉所需时间,采用固壁灌浆,无法在合同工期内完成钻孔成孔工作。
2)施工的连续性及施工效率分析。1#孔施工连续性及效率:从开钻至成孔结束历时24天,固壁灌浆15次,其中灌浆后的待凝时间合计约为10天、全天停水1天,实际有效钻孔及灌浆时间约为13天,如果把待凝时间不作为施工时间,则施工效率54.2%,相对较低,不满足常规施工效率值(80%以上),且成孔施工的连续性受到影响,各施工设备的利用率低。
2#孔施工连续性及效率:从开钻至成孔结束历时37天(其中8天未施工),固壁灌浆20次,其中灌浆后的待凝时间合计约为14天、停电1天、停水1天,实际有效钻孔及灌浆时间约为13天,如果把待凝时间不作为施工时间,总的施工效率为35.1%,如果除去施工单位自身原因引起的停工8天,则施工效率为56.7%,相对较低,该孔不满足常规施工效率值,且成孔施工的连续性受到影响,各施工设备的利用率低。
3#孔施工连续性及效率:从开钻至33.8 m结束历时17天,固壁灌浆11次,其中灌浆后的待凝时间合计约为8天,实际有效钻孔及灌浆时间约为9天,如果把待凝时间不作为施工时间,施工效率为52.9%,相对较低,该孔不满足常规施工效率值,且成孔施工的连续性受到影响,各施工设备的利用率低。
3.1.2 施工质量的保证
采用固壁灌浆对于施工质量的保证来说,主要有钻孔过程中的质量影响和成孔后的质量影响。
钻孔过程的影响:由于本工程所处位置为拉裂体,岩层破碎,地质差,裂隙发育,空腔大,固壁灌浆若连续灌注,材料耗用将增大且无法控制,故采取了灌浆待凝及掺加速凝剂的方式。在施工中造成中断、无法连续,反复扫孔后重新校定,易造成施钻人员心理上的麻痹大意,而影响施工质量。
成孔后的可持续情况:固壁灌浆成孔后,由于砂浆强度相对较低,遇到较大空腔处,易产生应力集中,难以长时间维持孔段不变形,且易塌孔,给锚索下索、灌浆、张拉等后续工序造成施工困难和质量隐患。
3.1.3 施工安全风险
本工程属于高边坡施工,山下材料堆放点高程为EL865,而锚索孔大多在EL985~1000m,最大高差135m,材料吊装运输靠卷扬机缆绳,存在较高的安全风险,固壁灌浆所需材料为水泥、砂等,比跟管单位材料重,运输频次多,安全隐患大。
本工程主要施工时期为2016年4—9月,为工程当地当年的主汛期,降雨较多,对于拉裂体来说,存在边坡滑蹋、飞石等不安全因素,施工期越长,安全风险越高。
3.1.4 设备利用率
若假设在砂浆待凝时间段内将设备进行另外孔的钻进,则需要移动钻机,移动频次增加,虽然可提高设备的利用率,但人工费用会增加,施工效率也会大打折扣。
3.2 全程跟管成孔方案问题分析
3.2.1 技术问题
通过锚索全程跟管钻进施工,过程中出现如下问题:
根据4#~6#试验孔钻进情况,前40 m地质是松散堆积体属于山体覆盖层,跟管进尺15 m/天;跟管钻进速度较快,施工效率较高;但是,随着孔的钻进,山体的深入,地质条件发生改变,出现各种影响进尺的状况;据此全程跟管平均1 m/天,施工进度极度缓慢,故此;全程跟管钻进成孔施工方案,花费施工时间太长,严重延误施工工期,不能满足施工合同的工期要求。
锚索全程跟管钻进成孔,施工难度较大,锚索孔轴线要随时测量调整,施钻人员操作过程中不容易控制,发生孔轴线偏移问题,将导致锚索孔钻孔失败。
3.2.2 费用相对较大
4#孔跟管41根,1.5 m/根,61.5 m;5#孔跟管34根,1.5 m/根,51 m;6#孔跟管38根,1.5 m/根,57 m;总共169.5 m。根据钢材市场销售行情385元/m,需要:169.5×385=65 257.5元;费用远远超过了预期成本,不利于工程经济效益;故此,全程跟管的钻孔成孔方案不适用于实际施工中。
4 最终成孔方案比较分析与选择
通过以上方案在技术上的可行性分析,若全部采用固壁灌浆方案在工期上无法满足要求,在施工质量及安全上也存在较大隐患;若全部采用跟管施工,则有可能施工成本增加太多且工期也会存在问题,为寻求较优方案,根据地质条件及现场条件,主要在跟管数量上进行多方案比较。以下拟定8个方案进行逐个分析,在费用不额外增加的情况下,选择最佳方案。见表1。
表1 钻孔成孔方案比较
4.1 材料单价分析
1)采用砂浆固壁,所需材料主要有水泥、砂、速凝剂。根据上述试验孔对水泥、砂、速凝剂的用量,砂浆固壁单位长度的钻孔成孔所需费用统计如表2。
表2 砂浆固壁费用计算表
2)采用跟管固壁,所需材料为跟管,跟管单价采用合同价格,为385元/m。
4.2 本工程钻孔成孔材料总费用分析(含施工效率统计)
本工程总计241束锚索,总共钻孔长度为15145 m,其中锚固段长度为1 928 m(单束锚固段长度为8 m)。根据现场地质条件,孔段平均前6 m为覆盖层,拔钻后无法成孔,必须采用跟管。
通过对试验孔钻孔成孔技术经济分析,采用砂浆固壁效果(前6~9 m为跟管)和全部采用跟管成孔并不理想,甚至在工期等要求方面无法实现。将低于常规施工效率和无法成孔的方案应舍去,即方案编号为1、2、7、8舍去。
对于方案3~6,尽量选择材料费用低且施工效率高的方案。
方案3和4,跟管30~35 m,虽然能达到常规施工效率,但在30(35)~40 m孔段仍处于裂隙发育、钻孔易塌孔、卡钻等地质区段,且固壁灌浆材料用量相对难以控制,方案3的施工效率一般,施工工期保证率不高。
方案5和6,跟管40~45 m,能达到常规施工效率,钻孔40 m之后,基本越过了地质情况复杂、裂隙发育的区段,靠近锚索孔的锚固段,但在40 m之后若继续采用跟管,根据4#~6#试验孔情况表明,施工效率反而降低,这是因为:40 m之后,跟管难以推进,即便推进,也难以保证轴线不偏移,且易发生掉钻。
综上,为保证高效施工,选择满足合同工期且较经济的方案,方案5比较优越,即跟管固壁和砂浆固壁相结合的施工方案。前40 m采用跟管固壁,40 m之后采用砂浆固壁(除锚固段之外),既能达到施工效率,又能在费用上可控,因为前40m跟管,基本能保证每天15 m的钻进速度,40 m之后,已经越过地质复杂、裂隙非常发育的区段,采用砂浆固壁,砂浆固壁材料能可控,不需要多次灌浆待凝。对于材料费用来说,方案5的费用,比方案1~4并未增加很多,比方案6略有降低,但保证率高,成本可控。
5 结 语
对于高边坡锚索施工来说,如何确定钻孔成孔方案,往往不能片面受制于某一材料或辅助项目单价高,例如:本工程中跟管与砂浆的比较表面上跟管比砂浆费用高,若草率确定施工方案,不仅会导致施工成本无法满足目标成本,还难以保证工程的施工质量及安全。要寻求最优的施工方案,需要考虑众多因素,包括现场的施工条件和环境、运输条件、影响施工质量的因素、施工中安全因素、施工过程中因某些原因暂停等,需要通过技术经济分析比较,才能做出最优施工方案的选择,在满足合同要求的前提下使施工成本最低。
本工程通过6个试验孔钻孔成孔技术经济比较,最终确定了适合工程实际条件的钻孔成孔方案,从而保证质量、工期,且费用最省,成效显著。