三峡三期土石围堰防渗工程施工技术
http://www.ctgpc.com.cn (2003-05-28 08:51) 中国三峡总公司网站
文章编号：1006-6349(2003)05-0019-04
马德淅 李焰 霍文章
（葛洲坝集团三峡指挥部，湖北宜昌 443134）
摘要： 三峡工程三期土石围堰防渗工程设计采用高喷防渗墙上接土工合成材料心墙型式，下接水泥灌浆帷幕。其中防渗墙采用了振孔高喷、钻喷一体化、常规高喷和自凝灰浆防渗墙四种工艺施工，帷幕采用墙体内埋管孔内卡塞孔口及孔内循环灌浆施工。
关键词： 三峡； 振孔高喷； 钻喷一体化； 常规高喷； 自凝灰浆 中图分类号：TV 551.3 文献标识码：B
1 引言
三峡三期上、下游土石围堰分别为Ⅳ、Ⅲ级临时建筑物，上游防渗轴线全长400.98 m，墙厚0.8 m，最大墙深35.5 m，防渗轴线呈直线形式布置。下游防渗轴线全长426.35 m，墙厚1.0 m，最大墙深28.0 m，防渗轴线呈折线形式布置，土石围堰平面布置图见图1，典型断面（以上游为例）见图2。上游围堰防渗采用单排高压旋喷灌浆上接土工合成材料心墙形式，造墙施工平台高程为72.0 m，上接土工合成材料心墙呈“之”字敷设至高程82.0 m，高喷墙下接帷幕钻灌至岩体q≤50 Lu止；地层自上而下大致分为：回填风化砂、全风化、强风化、弱风化四层。下游围堰防渗采用双排高压旋喷墙上接土工合成材料心墙型式，高喷墙墙顶高程为69.0 m，其上土工合成材料“之”字敷设至高程79.0 m，对于基础透水岩体及右岸坡透水带采取防渗帷幕灌浆处理。地层条件与上游比四层全有较少，部分地段缺全风化，少数地段只有回填风化砂和弱风化两层。
三期上、下游土石围堰防渗工程墙体设计总面积20 357 m2，墙下帷幕3 000 m，施工工期40 d，造墙施工招标文件要求采用振孔高喷工艺，帷幕灌浆采用墙内埋钢管施工。其工程特点是：工期紧、强度高、任务重。造墙与灌浆难点是造墙。
针对工程施工特点、难点，比对国内有关防渗工程实例以及振孔高喷工艺目前技术状况，短时间、大面积采用振孔高喷工艺完成三期三峡上、下游土石围堰高喷墙施工任务，尚存三个未解决的主要问题：⑴成墙深度难以达到上游设计墙深35.5 m，下游28.0 m；⑵墙底嵌入坚硬的花岗岩0.5m无成功把握；⑶机具设备社会存有量少，且需大量投入资金试验、改造和制做。
因此单一的造墙工艺方案难以满足工程要求，经研究决定，在规模造墙施工前，进行了以振孔高喷为主，常规高喷为辅，钻喷一体化和自凝灰浆防渗墙为技术储备方案的现场工艺试验。试验结束后成果经专家评审认为：四种工艺各有所长均可采用，只要合理的进行工艺配置可满足工程快速施工的需要？ Ｒ虼耍？?期土石围堰防渗墙施工是在试验研究成功的基础上，采用了四种成墙工艺、进行科学组合之后得以顺利完成的。
质量技术要求：钻孔精度≤1%，嵌入花岗岩弱风化层0.5 m。单排成墙厚度不应小于80 cm，双排旋喷成墙厚度不小于1.0 m，且满足以下技术指标：
高喷墙 自凝灰浆墙
抗压强度R28 ≥3 MPa ≥0.5 MPa
抗折强度T28 ≥0.8MPa 渗透系数K20 ≤i×10-5 ≤i×10-6
墙体允许渗透坡降J ＞50 ＞40
初始切线模量E0 500？800MPa 120？240 MPa 2 主要施工设备简介
振孔高喷机：是近年来研制的新设备，由振孔机桩架、振动锤和高喷管组成。底架长12 m，宽6？7 m，桩架高35 m，提升力200 kN，液压步履行走。成孔原理为用大功率振动锤将整根的高喷管快速送至预定深度成孔。振动锤为双电机型，功率有60 kW和90 kW两种，有振动和旋转功能配振管实现旋、摆、定喷施工作业。高喷管可组装成单管、双管和三管。一般采用一机两泵配制。
常规高喷机具：重探厂生产的XY-2型地质钻机；山东泰安灌浆公司生产的GP-5高喷台车。一般采用一机一泵配制。
钻喷一体化机具：由自制底座和塔架与重探厂生产的GQ-60型地质钻机组合而成，机具的优点是一次定位可连续完成钻孔、喷浆工作，减少了移动定位工序。塔高18.5 m，单根喷管长最大16 m，可配单、双管，步履方式行走。一般采用一机一泵配制。
自凝灰浆设备：德国宝峨生产的BS655型抓斗、抓挖最大深度40 m；W-1001挖掘机（兼步履式吊车）起吊重量15 t；重锤7 t（圆凿、方凿各2个）。
3 防渗墙施工
3.1 造墙工艺与布置
上游造墙采用自凝灰浆、钻喷一体化、常规高喷三种工艺组合施工（见图2）。
自凝灰浆由水泥、膨润土、缓凝剂、分散剂与水配置而成，在用抓斗、反铲挖槽过程中，将这种浆液注入槽孔中，起固壁作用，固化后为防渗墙体。在我国虽有应用的工程实例，但在大型水电站土石围堰防渗工程中尚未应用。据规模施工前的现场试验结论看：墙体强度低，墙下第一段灌浆有被掏空的可能，宜布置在堰体填筑最早，造墙时段最长的部位，以便对墙下帷幕进行重复灌浆。由于浆液固化时间虽然可通过配比调节，但调节范围只限于24h内，当槽深较大难以在浆液固化之前成槽时不宜采用，故布置在右侧。
钻喷一体化实际是常规高喷钻、喷合一的改进工艺。常规高喷钻、喷
分离，施工工序有：造孔→移开钻机→喷机就位→孔口试喷、 下喷管→上提开喷等。一体化简化为：钻孔→投球、上提开喷二道，工效大大提高。常规高喷一般用合金钻头或金刚石钻头及其它冲击等钻头成孔，一体化钻具采用石油勘探牙轮钻头，其结构特殊、寿命长、钻进速度快，能适应各种地层全断面钻进。鉴于一体化为改进工艺、新设备、新机具，工艺经验不多，为确保工程质量和工期，施工布置时将其放在常规高喷之间以备一体化设备出现问题时常规高喷补救。 左、右岸端头为三墙加厚区，施工场地小岸坡有1m厚斜面砼护坡，设计嵌入砼0.5m，因此采用入岩能力较强的常规高喷施工。 下游造墙由振孔高喷和常规高喷工艺组合施工（见图3）。
振孔高喷是用大功率振动锤直接将高喷管送至预定深度即开始上提的一种高喷技术。喷射注浆机理同常规高喷相似，造孔采用振、转结合同时进行，下管速度快，成孔机理先进且不需固壁材料。规模造墙施工前的现场试验表明，在风化砂回填层造24 m深孔时只需5 min左右，且有一定的入岩能力。由于成孔快可采用小孔距不分序连续施工，工效高，适宜于双排防渗墙部位，缺点是目前孔深有限（试验时最大孔深24.5 m），因此布置在孔深较浅的右侧。
左右岸接头加厚区（四排墙）、砼斜坡段同上游一样采用常规高喷施工。
3.2 上游墙施工方法
工艺流程：测量放样→先导孔施工→高喷孔、自凝灰浆挖槽施工→墙体埋灌浆钢管→帷幕灌浆→质量检查
（1）先导孔是测量放样后造墙前的第一施工项目，目的是确定墙底线。先导孔造孔采用XY-2型地质钻机造孔，膨润土浆固壁。取芯要求为：风化砂回填地层每5 m取一次样，以下100%取样（芯）。孔深要求进入花岗岩弱风化5 m，孔距20 m一个，特殊部位根据地质条件依监理要求加密，孔径φ75 mm。在自凝灰浆以外的一体化和常规高喷部位，先导孔兼作高喷Ⅰ序孔，取芯完成后按设计参数立即进行高喷作业。
(2)常规高喷：分Ⅲ序钻喷。造孔采用地质钻机，固壁采用膨润土泥浆，达到设计深度后移开钻机喷机就位进行地面孔口试喷，并检查高压系统的完好性及设备的可靠性和检查压力、转速、提速等满足要求后开始下设喷管至孔底，为防止喷管下设过程中泥砂堵塞喷嘴，边喷水边下管(但水压不宜太大)。然后原地旋转喷射至孔口冒浆开始按设计要求的技术参数进行喷射灌浆。喷射过程中，发现不冒浆时停止提升，原地静喷至孔口冒浆再提升。因机械故障、孔内事故等原因而造成的施工参数未达到设计要求的孔段，要进行复喷，其重复搭接长度≥0.5 m。上游墙孔距0.6？0.75 m，孔径？130 mm？ ？
（3）钻喷一体化施工：本次施工过程中由于导流器机械原因未过关，部分孔投球不能配合到位，增加了不应有的提钻验孔和孔口试喷两道工序，尚待改进完善。其它如膨润土浆固壁，检查压力、转速、复喷等工艺同常规高喷。一体化孔距0.6？0.75 m，孔径？130 mm。
（4）回灌：常规高喷和钻喷一体化喷射灌浆完毕后均需做移机回灌（向孔内回灌水泥浆或冒出的弃浆），直到浆面不再下沉为止，以保证墙顶设计高程。
（5）孔斜控制：常规高喷钻机就位后将机身调平，保证“三点一线”，并用水平尺复核，开孔偏差≤5 cm；钻喷一体化机具就位后调平底座和调直塔架，开孔时用水平尺复核钻杆使之铅直。部分孔（包括常规高喷孔）采用了基岩帷幕孔测斜仪进行抽验。
（6）钻埋灌浆管：常规高喷、一体化墙体桩体成墙达24 h以上，用地质钻配合金或金刚石钻头造？110 mm的孔，孔深至墙底以上0.5 m，孔口高出地面0.2 m，孔内冲洗干净注0.5∶1水泥净浆，再下？91 mm的无缝钢管，每节6 m丝扣连接。
（7）自凝灰浆施工：采用“纯抓法”和“抓凿法”配合施工，即由抓斗先抓风化砂，遇到硬岩以后采用重凿冲击破碎，然后由抓斗抓出破碎的岩块，直至设计孔深。
3.3 下游墙施工方法
下游墙施工工艺流程及常规高喷施工方法同上游墙，不再敖述。振孔高喷施工方法如下：
（1）振孔高喷墙：采用双泵大流量不分序连续施工。
测量放样后首先沿防渗轴线进行导槽开挖，导槽宽1 m，深2？3 m，用机械挖槽后再用人工回填1？2 m，导槽可以消除浅部个别石块对振管的阻扰，减少废浆的污染。振孔机调平以后即进行振孔施工，首先送浆和供压缩气，送浆采用单泵，浆量约80 L/min，风量约1.0 m3/min，待两管出浆、供压缩气正常后即可旋转振管下振。旋转速度约15 r/min，下振速度宜控制在2.0？5.0 m/min，尽可能保持匀速下振，并保持孔口冒浆冒气正常，当冒浆冒气量不足时，应放缓下振速度。振管下振到基岩面附近时要减速，发现有明显变化时，要及时标出位置，再继续慢速下振，以确保进入基岩。
振孔到达设计孔深后，即可向浆路投球器中投球，投球后约30 s，浆压明显上升，此时开动第二台浆泵，当浆压提高至35.0 MPa孔口冒浆冒气正常后，开始慢速旋转在孔底静喷30 s，然后旋转上提喷浆。孔深大于大于15 m的部分提升速度20 cm/min，小于15 m的部分提升速度30 cm/min。正常提升至距地面约1.5 m进入人工挖沟后，可适当加快提升速度，并降低喷浆压力，直至提出地面。
孔、排距原设计分别采用0.6 m？ ？.8 m，施工过程中发现桩径达1 m以上，改为孔距0.8 m，排距1.0 m。
（2）振孔高喷墙体预埋灌浆管：高喷孔上提喷射灌浆至孔口后，立即用振管带着灌浆钢管下部在原高喷孔（孔距1.6？1.8 m）插入到距墙底0.5 m止。管径φ89 mm，浅孔部分灌浆管为焊接，伸孔部分为丝扣连接，以防振动下管过程中被拉断。
（3）振孔高喷孔孔斜控制：振机两个步履管平行于防渗墙轴线就位后，依靠振机上的水平泡调平振机，水平泡居中表明振机立柱铅直，可进行振孔高喷作业。
（4）回灌：利用导槽内的浆液自然回灌。
4 墙下帷幕灌浆施工
墙体达50%强度后，在预埋钢管内采用自上而下、分段阻塞灌浆，上游采用孔口循环灌浆、下游采用孔内循环灌浆。
段长：第一段（接触段）前期2 m，第二段及以下各段段长为5 m，后期设计修改为第一段1 m，第二段为6 m，第三段及以下各段段长为5 m。
浆材：强度等级不低于42.5的普硅水泥。
灌浆压力：上游围堰第一段0.2？0.3 MPa，第二段0.3？0.5 MPa，第三段及以下各段0.8 MPa。下游围堰第一段0.3？0.5 MPa，第二段0.5？0.8 MPa，第三段及以下各段1.0 MPa。
孔径：φ76 mm，终孔孔深深入到q≤50 Lu止。
孔距：上游围堰1.8 m；下游围堰1.6？1.8 m。
结束标准：在设计压力下，注入率不大于1 L/min后，继续灌注60 min，可结束灌浆。
封孔：全孔结束灌浆后，采用0.5∶1水泥浆“机械压浆封孔法”封孔。封孔后孔口干缩部分，可采用砂浆继续封填密实。
5 工效分析
四种工艺工效分析见表1、表2，其中自凝灰浆不属高喷工艺，不与高喷工艺做对比分析。
注：完成自凝灰浆防渗墙2 734.498 m2，其中回填风化砂及覆盖层2 481.142 m2，全风化基岩232.358 m2，强风化基岩（包括砼）22.479 m2，累计用时1 023.03 h，综合大平均工效为64.15 m2/台日。 将工效平均值换算成每单机台班工效分别为：振孔高喷成孔42.8 m/机？台班，喷浆25.3 m/机？台班；一体化成孔29.3 m/机？台班，喷浆21.8 m/机？台班；常规高喷成孔9.9 m/机？台班，喷浆22.1 m/机？台班。可以看出成孔工效振孔高喷＞钻喷一体化＞常规高喷（喷浆因参数不同不作对比）。由此可见振孔高喷和钻喷一体化工艺先进，值得推广。
6 设计优化与修改
当造墙施工进行一个时段后，针对施工显出的质量情况和工期问题，设计对造墙施工要求进行了优化和修改。
（1）振孔高喷墙双排墙改为单排墙：下游高渠部分（见图四）振孔最先完成，第一排完成施工第二排时发现墙厚已≥1 m，固取消第二排。但在 高低渠连接段设计分别在墙轴线上、下游各加一段14.5 m长高喷墙以适应变形。
（2）高喷孔距调大，上游常规高喷分序施工，后序孔钻孔时经常出现“取芯”现象，说明孔距与喷射参数不尽合理为避免出现不连续和空洞，部分高喷孔距由0.6 m增大到0.7？0.75 m，同样下游振孔高喷孔距由0.6 m增大到0.8 m。
（3）振孔入岩深度由要求0.5 m变为0.2 m，原因是振孔机具接触硬岩后损坏严重，入岩0.5 m困难。
（4）自凝灰浆由入强风化（弱风化）0.5 m变为入全风化2 m。灰浆的凝固时间与成槽时间时有紧张，根据地质条件设计放宽要求。
（5）帷幕第一段段长改为1 m且不压水，因为墙下帷幕第一段以下各段当q值达到设计要求后不再继续钻灌，但第一段是必须灌浆的，所以不压水直接灌浆可节省工期。
7 质量检查与分析处理
防渗墙体质量检查方法为：开挖检查、钻孔取芯、注水试验；室内力学试验等四种。帷幕灌浆检查方法：主要采用钻孔取芯压水。
开挖检查：仅在振孔高喷部位进行挖坑长×深=5×3 m左右。从出露墙体看连续性好，表面较平整说明孔距合理，桩径1.2 m左右，说明喷射参数合理。
墙体钻孔取芯，芯样获得率最高达91.4%，光滑成柱状，注水试验渗透系数部分孔段达到0，最大1.16×10-6cm/s，满足设计值K≤i×10-5cm/s要求。
帷幕检查孔共完成27个孔，q值满足≤5 Lu要求。
三期土石围堰防渗工程完工后，经基坑三角堰抽水验证，上游围堰坡脚沿线渗漏量为270 L/h，下游围堰坡脚沿线渗漏量为80 L/h，防渗质量满足合同要求。
8 结语
防渗工程于2002年10月25日开工，至2002年12月10日完工，历时45d，完成工程量见表3。
三峡三期土石围堰防渗工程施工是在进行了工艺试验、成果评审基础上确定的工艺及方法。实践证明工艺可靠、方案正确、质量好、施工快，满足了基坑提前闭气抽水工期要求。
振孔高喷首次在大型水电站土石围堰防渗墙中运用和孔深、入岩等问题的增大了振孔高喷工艺实用性，使工艺方法趋向更加成熟先进。 钻喷一体化工艺思路正确，可适应各种地层，但需进一步解决好导流器与投球关系，工效还能提高。
自凝灰浆防渗墙与传统造墙工艺比再次证明成本低、工效快、墙体无接缝等优点，墙底第一段帷幕被掏空问题表现不明显，分析认为墙底灰浆混有风化砂，比净浆强度高，因而未被掏空。此次在三峡工程中运用是成功的。□ （编辑：胡少华）
收稿日期：2003-05-12
作者简介：马德淅，中国葛洲坝集团公司三峡工程施工指挥部副总工程师，高级工程师。