树根桩及灌浆加固技术在紫兰坝水电站GIS楼基础加固中的应用

胡德春

（华电四川宝珠寺水力发电厂，四川广元 628003）

0 概述

紫兰坝水电站位于四川省广元市境内，是白龙江干流开发规划中的最后一个梯级电站。电站装机3×34 MW，水库库容 0.392 亿 m3，电站以发电为主，兼有改善下游航运等综合效益。电站为河床径流式电站，属中型Ⅲ等工程，枢纽主要建筑物级别为3级。抗震设防烈度为6度。紫兰坝水电站工程枢纽由5孔泄水闸、右岸河床式电站厂房及左右岸混凝土副坝等建筑物组成。

电站工程于2003年10月正式开工建设，2006年7月28日首台机组投产，2007年5月第三台机组顺利并网发电。2007年12月通过四川省电力公司组织专家组的枢纽竣工安全鉴定。历经近两年的运行，各建筑物运行状况良好。

GIS楼布置在安装间下游侧，为三层钢筋混凝土框架结构，采用钢筋混凝土片筏基础，坐落于回填砂砾石地基上。施工期间曾经因地基问题出现过不均匀沉降，设计针对沉降也提出了处理方案。专家组咨询后认为：GIS楼沉降趋于稳定，可暂不进行处理，但应加强变形监测。根据咨询意见，采用静力水准结合表面式两向测缝计对GIS楼进行沉降变形监测，并将监测项目引入电站自动化监测系统。根据首台机发电至2008年5月地震近两年的监测资料分析，沉降变形值较小，地基变形已趋于稳定。

在“5·12”汶川特大地震及余震的作用下，砂砾石地基受到震动扰动，又产生不均匀沉降变形，导致基础和上部结构局部构件出现裂缝，最大沉降量为18.7 cm。对GIS楼A轴及4轴进行倾斜观测，D轴向A轴倾斜3 cm；4轴向1轴倾斜3.6 cm。由于地震作用，钢筋混凝土片筏基础出现不规则裂缝，最大裂缝宽度5 mm，且有两条贯穿裂缝。为确保电站运行安全，必须尽快对GIS楼地基和上部结构采取措施进行加固处理。

1 加固处理方案的选择

经湖北武大珞珈工程结构检测咨询有限公司对GIS楼进行检测，综合评定等级为三级。

根据GIS楼施工情况以及目前现状，原因均是砂砾石地基沉降引发上部结构变形受损，因此GIS楼加固处理的重点是对地基进行加固。地基加固处理主要是改善地基的力学性能，提高地基的承载力，使建筑结构保持稳定。

考虑本工程地基填土的实际情况、场地情况、方案的可实施性等因素并借鉴类似工程处理的经验，GIS楼基础加固采用压力注浆结合树根桩方案进行：对GIS楼地基进行压力注浆，充填地基砂砾石中的孔隙，并使松散土体胶结硬化，另外利用钻孔形成树根桩，从而增强地基的固结度，提高其强度和抵抗变形的能力，同时对GIS楼上部梁、板、柱结构粘贴碳纤维或钢板进行加固补强处理。

1.1 压力灌浆方案

在GIS楼下游通风廊道内以及右侧回车场布设 3 排注浆孔，间距 1.5 m，排距 0.75 m，孔深至基岩面（约18～20 m），共64个孔。在GIS楼基础范围内电缆廊道顶部设两排灌浆孔，孔深为1.2 m，穿透筏板进入碎石层内。灌浆孔间排距均为1.5 m，共26个孔。1～3轴、B～D轴部位树根桩孔之间设置5排深入基岩面的注浆孔，间排距1.3～1.4 m，共24个（详见图 1）。

1.2 树根桩方案

在GIS楼基础范围内，沿A轴、1轴、2轴、3轴布设树根桩，钻孔孔径220 mm，孔深至基岩面以下1.0 m。 树根桩间距 A 轴为 0.8 m，1 轴～3 轴为 1.0 m，共52个（详见图1）。

1.3 树根桩方案的确定

方案Ⅰ：树根桩的钻孔孔径为220 mm，孔深至基岩面以下1.0 m。先灌浆后灌注C25细石混凝土形成桩体，树根桩钢筋主筋选用4φ14（Ⅱ级），箍筋为 φ6＠200。 混凝土碎石粒径为 0.2～1 cm。

方案Ⅱ：若方案Ⅰ进行过程中钻孔难以成孔，就采用壁厚10 mm、直径219 mm的无缝钢管作为套管下入钻孔内，直接在钢管内抛入碎石，采用注浆管压入砂浆成桩。

选择165号孔作为树根桩生产性试验孔，共注入水泥201.8 t。 第一次扫孔（φ219 mm）至5 m左右塌孔，注入0.5∶1水泥浆液待凝，第二次扫孔至8 m左右塌孔，注入0.5∶1水泥浆液待凝，第三次扫孔至12 m左右塌孔。GIS楼地基砂砾石层由于地下水的冲掏及地震震动形成部分空洞，灌浆吸浆量极大。由于地下水、砂砾石粒径大小、待凝时间、钻进方法等因素影响，水泥浆液与地基砂砾石胶结并不好，导致生产性试验孔扫孔多次塌孔，树根桩方案Ⅰ无法实施，只能选择树根桩方案Ⅱ。

图1 灌浆孔、树根桩平面布置图Fig.1 Layout of the root pile holes and grouting holes

2 压力注浆施工

本工程的灌浆处理不同于常规的帷幕灌浆和固结灌浆，因此在进行灌浆施工时，必须控制好如下技术要点：（1）无水钻孔；（2）有序钻孔灌浆；（3）严控灌浆压力；（4）尽量减小灌浆施工对GIS楼的影响。

2.1 灌浆生产性实验

灌浆前选取GIS楼右侧475.5 m高程的53号孔作为先导孔进行生产性钻灌试验施工，并取样做密实度测试，分段压浆，进行钻孔、浆液灌注试验，及时整理分析试验资料，确定地基砂砾石土的灌浆参数。通过试验寻找适合的浆液配合比、灌浆压力、钻孔施工工艺等，为后续施工提供决策参数依据。该孔共钻孔 18.7 m，灌注水泥浆 124.33 t。 试验证明采取套管跟进成孔，自下而上、孔口封闭、孔底循环跟管灌浆工艺在本工程是可行的。

2.2 施工工艺及方法

灌浆采取“自下而上、孔口封闭、孔底循环跟管灌浆”的施工工艺。

灌浆的施工顺序为：孔位、钻机校正→成孔→钻孔验收→灌浆管路安装→制浆→分段灌浆→灌浆结束及封孔。

2.3 灌浆孔分序

按先外围封闭后内部灌注的施工顺序进行施工。灌浆孔统一编号，并严格按照分排分序加密的原则进行。除1.2 m注浆孔分Ⅱ序施工外，其余部位分Ⅲ序施工，施工顺序为Ⅰ序→Ⅱ序→Ⅲ序。同一排相邻的两个次序孔之间，以及后序排的一序孔与其相邻部位前序排的最后次序孔之间，岩层中钻孔灌浆的高差不小于15 m。下一孔序的钻孔必须等上一孔序的钻孔灌浆结束后方可开始施工。对于同序孔，仍应按照逐孔加密的原则进行施工。

为了减少施工对建筑物的影响，建筑物内同时灌浆施工的同序孔数不能超过2个，孔间距应大于5 m，相邻注浆孔的注浆时间要间隔2 d以上。

2.4 钻孔

根据施工控制点，将每个灌浆孔的孔位都测放出来，利用手提电钻钻φ18 mm的孔标注各孔位，同时用红油漆在边墙上注明其桩号、孔号等，然后钻机就位，校正钻机，进行钻孔施工。

灌浆钻孔，室内及通风廊道采用YG-60锚固钻机，配φ110 mm套管及偏心冲击钻头风动造孔，孔径为110 mm。室外回车场采用SM3000A移动式潜孔钻机，配φ146 mm套管及偏心冲击钻头风动造孔，孔径为146 mm。穿越建筑物基础筏板、廊道底板以及回车场表面的钢筋混凝土或混凝土结构，采用直柄钻头施钻。

经设计同意，GIS楼电缆廊道顶部1.2 m灌浆孔采用手风钻钻孔，孔径42 mm，纯压式灌浆，以减少对结构的损坏及缩短工期。

钻孔的孔位误差不超过5 cm，角度误差不超过0.5°，钻机应停放水平、稳定，钻进过程中不出现移动错位现象，钻孔深度至基岩(约18～20 m)。钻孔达到设计孔深时，对孔斜、孔深进行检查验收。为防止扰动塌孔,钻孔完毕后不进行冲洗，采用空压机送风洗孔排渣。

2.5 灌浆

2.5.1 灌浆分段及压力

室内以及廊道内钻孔钻穿混凝土底板后，再钻进1.5m左右为第一段；其余灌浆分段段长采用3 m。

室外回车场、建筑物内钻孔第一段灌浆压力为0.2 MPa（指孔口处回浆压力），最后一段灌浆结束压力为 0.5 MPa。 其余灌段灌浆压力为 0.3 MPa。

2.5.2 浆液以及浆液变换

灌浆材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，浆液水灰比采用 1∶1、0.8∶1 以及 0.5∶1 三个配合比， 开灌浆液水灰比为1∶1。当吸浆量超过200L／m，且注入率大于30L／min，灌浆压力及注入率均无明显变化时，或当注入率大于 30 L／min，孔口压力＜0.1 MPa，且压力无明显上升时，应加浓一级浆液灌注。

2.5.3 灌浆

灌浆采取“自下而上、孔口封闭、孔底循环跟管灌浆”的施工工艺，即采用套管护壁钻至设计孔深，安装射浆管及花管，浆液通过花管深入岩层的一种灌浆方法。灌浆时使用拔管机自下而上拔出套管和射浆管，分段进行孔底循环、孔口封闭压力灌浆施工。施工程序为：套管护壁终孔→安装灌浆管→拔起套管（3 m）→安装灌浆塞→制浆灌浆→再拔套管及灌浆管（3 m）→灌浆至上部段完毕→灌浆结束及封孔。

灌浆前，应对灌浆设备进行检查，确认运转正常后再制浆。将原料按配合比定量加入到灌浆机的搅拌桶内。每桶浆液搅拌时间不少于3 min，然后经滤网放入储浆桶，边灌边搅，连续作业。灌浆记录采用三参数自动记录仪记录。

利用布设在GIS楼478.50 m层的静力水准对灌浆过程中建筑物的抬动、沉降量进行监测。变形数值不应超过±3 mm，施工中如发现测点变形异常，应立即调整灌浆压力或暂停施工。

2.5.4 结束标准

在规定的灌浆压力条件下，当注入率≤1 L／min时，持续灌注30min即可结束灌浆。灌浆完毕后，应及时采用“压力灌浆封孔法”进行封孔，并将孔口抹平。

2.5.5 特殊情况的处理

（1）钻孔过程中发生串浆时，立即停止钻进并起拔护壁套管，同时封堵已成孔。然后对串浆孔采取降压限流或间歇灌浆的方法进行处理，待该孔灌浆结束后再进行串浆孔的钻进。

（2）灌浆段吸浆量大，灌浆难于结束时，应采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆、灌注水泥砂浆以及加水玻璃等措施，经处理后仍应扫孔，重新按照技术要求进行灌浆。灌浆过程中，发现冒浆、建筑物或回车场路面抬动时，立即停灌进行间歇灌浆。

（3）灌浆施工过程中，GIS楼基础情况较原设计有所变化，基础的可灌性好、吸浆量大，造成投资增加，工期延长。由业主组织设计、监理和施工单位召开了白龙江紫兰坝水电站GIS楼基础灌浆咨询会，对前期基础灌浆资料进行了分析，设计方中国水电顾问集团西北勘测设计研究院提出了《白龙江紫兰坝水电站工程GIS楼地基加固灌浆成果分析及控制灌浆措施》，此后的基础加固灌浆均按此措施进行控制性灌浆。经过最后的检查验收，控制性灌浆效果较好，满足GIS楼地基加固的要求。

2.6 检查及验收

本工程压力灌浆的检查验收包括：钻孔取芯结石情况检查、密度测试、复灌效果及灌浆资料检查等。

复灌孔根据施工情况现场确定检测孔6个。复灌浆量小于邻近孔平均灌浆量的30%即为合格，复灌压力为 0.3～0.5 MPa。 检查孔复灌结果、密度测试及资料分析表明，压力灌浆质量合格。

3 树根桩施工

3.1 施工设备

树根桩成孔采用YG-60锚固钻机，配φ219 mm钢套管及偏心冲击钻头风动造孔。混凝土拌制采取强制搅拌机进行，拌制能力满足细石混凝土浇筑进度高峰期所有需要。由于本工程混凝土量小，单根桩混凝土量不到1 m3，采用室外拌和人工手推车运输浇筑。

3.2 施工材料

钢套管：钢套管采用φ219 mm、壁厚10 mm的无缝钢管。

水泥：采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。水泥细度要求通过80 μm方孔孔筛的筛余量不大于5%。必须符合规定的质量标准。

砂石骨料：混凝土浇筑采用天然砂，砂子粒径小于 2.5mm，碎石粒径为 0.2～1cm，满足 DL／T5144-2001《水工混凝土施工规范》要求。

3.3 施工工艺流程

施工测量桩孔定位→钻机就位→钻孔→钢套管跟进成孔→终孔验收→细石混凝土浇筑→桩头处理。

3.4 施工方法

3.4.1 桩孔定位

根据施工控制点，将每个树根桩的孔位都测放出来，用红油漆在边墙上注明其桩号、孔号等，然后钻机就位，校正钻机，进行钻孔施工。

3.4.2 钻孔

采用YG-60锚固钻机，配φ219 mm钢套管及偏心冲击钻头风动造孔，孔径为220 mm。达到设计孔深后，对钻孔进行验收并利用风压将孔内残渣吹出孔外。树根桩设计孔深为深入基岩1 m，孔位平面允许偏差±20 mm，钻孔垂直度和斜度偏差不得大于1%。

3.4.3 细石混凝土浇筑

（1）本工程混凝土标号为C25，施工前，通过室内试验成果进行混凝土配合比设计，并报送审批后施工。

（2）混凝土的坍落度：20～25cm。

（3）混凝土取样试验：混凝土浇筑过程中，按照规范规定，在浇筑现场进行混凝土取样试验。

（4）混凝土拌和

①用磅秤称量混凝土所需砂石骨料、水泥和水后，用强力搅拌机拌制混凝土，拌制过程中配料必须严格遵守混凝土配料单，严禁擅自更改配料单。

②设备生产率必须满足本工程高峰浇筑强度的要求，所有称量、指示、记录及控制设备都应有防尘措施。设备称量应准确，偏差不应超过相关规范的规定。

（5）浇筑：由于本工程树根桩混凝土工程量不大，约为52 m3，单根为1 m3，采用手推车入仓、导管法浇筑。筏板内桩孔在浇筑混凝土前应凿毛处理，保证桩头混凝土浇筑密实。浇筑前下入φ32mm塑料管，用高压风将孔内积水吹出，保持孔内清洁。混凝土浇筑导管采用直径108mm无缝钢管，壁厚5mm。单节长度分为1.0 m。导管连接采用丝扣连接。

导管下至距孔底50 cm处，上部连接在漏斗出料管上。C25细石混凝土用手推车推入，经漏斗、导管直至孔底，根据浇筑量逐级提升导管直至孔口。导管下放和提升采用三脚架、手拉葫芦、卡瓦托盘配合使用。

3.5 检查及验收

本工程树根桩的检查内容包括：钻孔取芯结石情况检查、密度测试及资料检查等。根据施工情况，现场确定取芯检查孔2个。通过树根桩的取芯检查及密度测试，证明施工效果良好。

4 结 语

（1）在“5·12”特大地震中，紫兰坝水电站 GIS楼与以基岩为地基的建筑物相比，受损程度更为严重，说明以基岩为地基的建筑物抗震性能更好。因此，对GIS楼基础采用树根桩深入到基岩进行加固处理的方案是可行的。同时采用压力灌注水泥浆来改善地基的工程地质条件，进一步提高基础的强度和稳定性。

（2）应选取合适的孔作为先导孔进行压力灌浆和树根桩的生产性试验，并取样做密实度测试，分段压浆，进行钻孔工艺、浆液灌注、灌注细石混凝土等试验，及时整理分析试验资料，确定地基砂砾石土的灌浆参数、桩体的施工工艺。通过试验寻找出适合的浆液配合比、灌浆压力、钻孔施工工艺等，为后续的压力灌浆和树根桩施工提供决策参数依据。

（3）GIS楼地基加固工程开始采用压力灌浆，由于可灌性好，吸浆量大。根据这一现象，在满足GIS楼地基加固要求的基础上，设计单位提出了控制灌浆的具体方案。通过检查孔的资料分析，发现控制灌浆的效果很好，完全满足地基加固的要求。

（4）经设计同意，GIS楼电缆廊道顶部1.2 m灌浆孔采用手风钻钻孔，孔径42 mm，纯压式灌浆，以减少对结构的损坏及缩短工期，根据检查孔的资料判断，其效果很好。GIS楼内的树根桩采用地质钻对88 cm厚的钢筋混凝土筏板打孔，以减小对原结构的破坏，然后采用偏心钻机打孔，套管跟进的施工工艺，采用人工浇筑细石混凝土，通过树根桩的取芯检查，发现施工效果很好。

（5）GIS楼内地基条件复杂，有废弃的吊车梁、钢筋、大孤石等，在施工场地狭小、原有设备保护及环保等因素影响下，施工难度较大，应选择合适的施工机具设备，科学合理地组织施工，并加强施工安全管理。施工过程中，参与各方均严格按设计、规范要求进行施工及工程管理，施工质量得到了保证，确保了GIS楼基础加固的实现。

（6）经过对GIS楼地基加固处理开始到施工结束5个月后（共9个月）的沉降观测资料分析，GIS楼的地基变形趋于稳定，说明GIS楼地基加固工程的施工工艺、参数满足设计要求，达到了设计目的，确保了GIS设备的安全可靠运行。