消能防冲桩板联合施工技术

冷珍华 张吉顺

中国葛洲坝集团市政工程有限公司 湖北 宜昌 443002

1 工程概况

江坪河水电站为一等大（1）型工程,工程下游河道消能防冲设计方案为“大口径防冲板（桩）+边坡面板”，防冲板（桩）分为三种型式：Ⅰ型为板桩联合结构，上部板厚2m深度为12～28m，下部桩径2.0m桩长7～23m；Ⅱ型桩桩径1.5m，桩长12～20m；Ⅲ型防冲板厚1.5m,板深度为7～16m。冲刷重点防护区采用Ⅰ型板桩联合结构，上部布置混凝土防冲板，下部设置防冲桩，板（桩）顶布置混凝土连梁，提高防冲板桩的整体性[1]。

2 板桩联合结构施工方案优化及比选

2.1 原设计方案分析

防冲桩板的原设计方案是“桩+板”间隔布置，即沿着防冲轴线，每隔（桩心间距）4m布置Φ2m的钢筋混凝土桩，然后在桩与桩之间设置宽度为2m的混凝土板，与桩连接起来形成一个整体。桩和板的施工均采用人工挖孔法。

采用该方案，在实际施工中主要存在以下不利施工的因素：

2.1.1 工期无法保障。因防冲桩板轴线较长，按此方案来分割的施工单元过小，为保证工程进度，需同时安排多个作业面施工。根据相关安全规范要求，相邻作业的挖孔桩，其作业面必须预留不小于5m的安全距离。本工程中挖孔桩的直径仅为2m，以此来划分，同一部位的桩板要划分为四序来间隔施工，大大延长了施工周期，无法满足电站下闸蓄水的节点目标。

2.1.2 施工安全无法保障。防冲桩板均采用人工挖孔法施工，板和桩的直径只有2m，作业空间狭小，作业人员的避让空间严重受限。同时挖孔桩的最大桩深达32m，此环境下作业安全风险极高，作业人员人身安全无法得到保障。

2.2 优化后方案分析

结合水布垭工程防淘墙施工成功经验，将防冲桩板结构进行优化，采用“上部宽竖井+下部圆形桩”相结合的桩板联合施工方案，即上部防冲板采用长×宽=8×2m的混凝土板，板的深度为7～28m，板下部设置Φ2m的防冲桩，桩的深度为6.2～20m。

相比原设计方案，此方案施工工序由最少四序施工变为了两序施工，加快了施工进度，减少了同时施工的作业面数量，加大了单个作业面的空间，施工安全风险有效降低，并且进一步增强了防冲桩板结构的整体性，有效保障工程质量。

3 板桩联合结构施工

3.1 施工布置

“上部宽竖井+下部圆形桩”的联合布置和施工方案，采用Ⅰ序、Ⅱ序间隔施工。先施工Ⅰ序桩板，桩板开挖完成并进行钢筋制安和混凝土浇筑，浇筑完成7d后，再进行相邻部位的Ⅱ序桩板施工。桩板联合施工部位的主要设施有井口防护及提升系统、卷扬机、空压机、临时存渣堆等。

3.2 施工方法及工艺流程

工艺流程步骤如下。

3.2.1 首先完成桩（板）上方边坡的开挖和支护工作，并布置测量监测点。

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3.2.2 然后开挖或回填修筑防护工程桩顶平台至设计高程。测量放样，完成Ⅰ、Ⅱ序桩板井的锁口衬砌施工。周边采用“高压旋喷灌浆+帷幕灌浆”防渗处理。

3.2.3 完成防渗后，做好截排水沟和井口安全防护措施，安装调试好开挖提升系统，进行桩板井的开挖与支护工作。桩板联合分Ⅰ、Ⅱ序相间施工，先施工Ⅰ序桩板，后施工Ⅱ序桩板。

3.2.4 桩板井内采取自上而下人工分层开挖，覆盖层内分层厚根据土质情况按0.6～1.5m控制，每开挖一层衬砌砼支护一层；进入基岩采用手风钻造孔，密孔小药量弱松动爆破，层厚按1.5～2m控制，岩层地质较差部位采用衬砌砼支护，完整性较好的弱风化基岩采用喷锚支护。

3.2.5 桩板全部开挖支护完成后，进行钢筋安装绑扎。下部桩体钢筋笼用25t汽车吊吊装入井，防冲板的钢筋由人工在井内安装完成。钢筋安装完成后，排除积水清除浮渣，采取不分层连续浇筑至设计高程[2]。

完成Ⅰ序桩板砼浇筑达7d龄期后，按同样方法进行Ⅱ序桩板施工。

3.3 桩板联合锁口及井口防护

开挖前需进行井口锁口，并做好防护。锁口施工时，Ⅰ、Ⅱ序桩板井统一施工，锁口施工的高度范围为自井口向下1.0～1.5m（视地质情况而定）。桩板井锁口采用挖掘机开挖，再由人工修整成型，然后安装锁口钢筋，浇筑锁口衬砌混凝土，并设置高于地面18～20cm的护埂，防止地面集水、石子或杂物等落入桩内。在锁口混凝土中布置Φ22钢筋，以便固定提升系统和防护栏杆。

完成后再回填Ⅱ序桩板井，并进行Ⅰ序桩板井垂直运输系统的安装调试。提升系统主要包括钢结构提升架、卷扬机及限位器、钢丝绳、出渣料斗，作进出设备物资、出渣使用，每个桩板联合井布置两台提升系统。使用专用载人吊笼上下，井口备用悬挂软梯、保险绳，长度不小于开挖井深，以便发生突然停电等意外情况有关人员能顺利上下。

清除井口杂物，同时在井口周围设置截排水沟保证排水畅通，然后安装安全防护栏杆，以保证井口的结构稳定和井内作业人员安全。为施工Ⅰ序桩板井作好一切准备，然后进行下一循环的开挖支护施工。

为加强井口的安全稳固性，一般可在井口周边浇筑混凝土梗（宽度15～20cm、高度20cm为宜），作为拦水埂兼踢脚板。井口四周设置1高度1.2m的防护栏杆，因出渣侧受作业活动的影响，可采用伸缩式防护栏，其它三面均采用固定栏杆。

3.4 桩板联合开挖与支护施工

3.4.1 覆盖层开挖支护。为保证防冲板结构的截面尺寸为8m×2m，经计算，防冲板井开挖中设置厚度为50cm的护壁衬砌混凝土，则防冲板开挖的净尺寸为9m×3m。衬砌混凝土设置双层钢筋网片，并安装20a型工字钢支撑，间排距1.6m×1.2m，钢支撑两侧支座处竖向设置16型槽钢。

开挖过程中，堆积体、冲积体、松散地层采用人工开挖，局部辅以风镐开挖，进入强风化层后用风镐或爆破开挖，铁撮萁装土入渣斗，由2t卷扬机配0.2m3渣斗吊运出渣。每挖一层支护一层，保证施工安全。一般每层高度为0.6～1.5m，在流砂、流泥区段每节高度宜小于0.5m，特殊地质下挖孔速度应视护壁的安全情况而定，并加强支护。

图1 桩板联合覆盖层内衬砌支护图

桩板井自上而下分层开挖支护，完成一层开挖后进行护壁钢筋制安，衬砌钢筋为双层钢筋，然后立模。护壁模板采用加工制作的定型钢模板，制作成键槽形状，保证桩板联合结构尺寸和桩板竖向施工缝结合的整体性（见图1）。井内设Ⅰ20a工字钢水平支撑，钢支撑间距为1.6m，排距为1.2m，且在钢支撑两侧支座处坚向设置I16槽钢。施工过程中视地质情况在竖井周边设Φ22随机锚筋，防止竖井衬砌砼下滑和覆盖层开挖时，周边发生塌方、上部脱空。

3.4.2 岩石开挖及支护。为提高施工效率，对基岩层采用爆破开挖。采用自上而下分层爆破的方式，并配以人工出渣。分层厚度根据岩层的硬度一般控制为1.5～2.2m。为保证井壁安全，采用松动爆破方法，爆破原则为“小炮眼、密孔、小药量、周边光爆”，一方面尽量减少超挖量，同时也要保证不对支护混凝土结构造成损坏。

钻孔爆破：采用手持式风钻钻孔，孔径Φ40mm。桩板联合部位掏槽孔孔深1.7～2.2m（楔形布置），爆破孔和周边孔深1.5～2.0m。防冲板下部的单桩爆破开挖时，一次进尺不宜过大，掏槽孔孔深可按1.7m（直孔掏槽），爆破孔和周边孔孔深按1.5m控制。

通风散烟：爆破后先洒水降尘，再利用风机通风散烟，并利用有害气体监测仪监测确认无有害气体后，作业人员方可下井。当开挖深度超过10.0m后，井内空气自然流动速度急剧减慢，且因二氧化碳气体的密度大于空气密度，造成底部二氧化碳气体含量大幅增加，氧气含量大大减少，因此，为了保证安全施工，要用大功率风机连续向孔内送风。

出渣：通风降尘完毕后，首先进行安全检查，清理井口及井壁周边浮石，进行排险，确认安全后，人工装渣入吊斗，再用卷扬机提升至井外临时堆放集中，集料到一定量后用反铲配10～15t自卸汽车及时转运至水流溪弃渣场。

锚喷支护：视岩层情况，对围岩破碎、稳定性差的部位采用锚杆、挂钢丝网或素喷砼方式支护。

3.4.3 衬砌混凝土横向侧壁拆除。桩板施工中，要对Ⅰ序和Ⅱ序之间的横向侧壁衬砌混凝土进行拆除，以保证Ⅰ序和Ⅱ序桩板之间的紧密连接。Ⅱ序桩板井的开挖，在Ⅰ序桩板混凝土浇筑7d后进行，开挖中同步拆除Ⅰ序板井施工过程中的横向衬砌混凝。拆除主要采用静态爆破方法，局部辅以风镐进行拆除[3]。

3.5 桩板结构混凝土施工

下部桩体钢筋笼采用25t汽车吊吊装入井内，防冲板的钢筋，构件在加工场集中加工，运至现场采用人工现场绑扎。当需要进行焊接作业时，需连续采用风机向井内压入空气，保证通风和排烟，焊接作业结束后，需持续通风不少于10min，确保将有害气体全部排出井外。

钢筋、预埋件、监测设施全部安装完成后，将井内浮渣、杂物等全部清理干净，并将积水抽排干净，再浇筑混凝土。混凝土浇筑中，尽量采用一次连续浇筑完成，减少施工缝。

在井口设置下料斗，接直径200～250mm的串筒或溜管往竖井内下料，串筒或溜管制作成1.5m一节，便于安拆；串筒或溜管离孔底（浇砼面）不大于1.5m，随砼浇筑增高逐节拆除。

3.6 防冲板结构衔接技术

防冲板Ⅰ序和Ⅱ序之间的衔接情况对工程的安全性能影响较大，良好的衔接技术，可有效保障工程防冲质量和可靠性。本工程中，采用在Ⅰ序和Ⅱ序桩板之间设置键槽来提高两者之间的咬合度。

4 板桩联合结构施工质量及应用效果

4.1 质量检查情况

对防冲桩板C35混凝土强度检测共168组，其中最大值47.4Mpa，最小值36.1Mpa，平均值41.8Mpa，合格率100%，抗渗和抗冻等级分别检测4组，全部符合设计要求。

4.2 应用效果

针对防冲桩板联合结构，采用“上部宽竖井+下部圆形桩”相结合的施工技术，在施工工期方面，使施工分序由四序变为两序，节约工期约9个月。在施工安全方面，增加了人工挖孔作业面积，提高了安全保障。在工程质量方面，增强了防冲桩板的结构整体性，提升抗冲能力[4]。

5 结束语

在江坪河水电站下游河道防冲桩板联合结构中采用“上部宽竖井+下部圆形桩”相结合的方式，使本工程在安全、质量上得到了保证，进度达到预期目标，证实了该施工工艺的可行性，形成了1套可复制、可推广的防冲桩板施工工艺技术，对以后在高山峡谷之中，河道狭窄、河床覆盖层深厚等条件下进行类似工程施工提供了借鉴和参考经验。