大直径接头管拔管技术在防渗墙施工中的成功运用

李小刚

(中国水电基础局有限公司，天津301700)

1 工程概况

塔里干(Taleghan)水利枢纽位于伊朗首都德黑兰西北135 km的塔里干山谷，山谷长100 km。位于已有的Sangeban低坝下游约700 m处。枢纽是集发电、供水及水资源保护等多功能于一体的综合性水电项目。属于设计、建造总承包的EPCT融资项目，总投资约1.4亿美元。中国水利水电工程总公司国际部2001年中标，由中国水利水电第十工程局负责整个项目的实施，国家电力公司西北水利电力勘察设计研究院负责设计咨询工作，中国水利水电基础工程局承担基础处理部分的防渗墙工作。

枢纽工程由主坝(混凝土心墙)，左岸排水洞、明渠和右岸厂房等组成，主坝设计为当地材料的堆石坝，坝顶高程1 789.00 m，正常蓄水位1 780.00 m。

主坝基础覆盖层设计采用混凝土防渗墙予以防渗。设计墙厚1.0 m，墙体嵌入基岩(沉积岩)≥0.5 m，墙体材料为刚性混凝土，混凝土标号Rc(28)=30 MPa，渗透系数 K ＜10-6cm/s。

主坝防渗墙原设计轴线长290 m，因设计变更缩减为259 m，起止桩号CO+0.00～CO+259.00，施工作业面高程1 687.5 m，防渗墙深度由轴线两端的7～8 m向中间逐渐加深至55 m左右，总成墙面积由12 900 m缩减至大约8 500 m2左右，施工工期10个月。

2 工程地质和水文气象情况

2.1 工程地质条件

Sangeban低坝坝址在山谷下游的河床最窄处，谷底高程为1 688 m，河流方向SN，两岸岸坡不对称，左岸基岩裸露，坡度约为30°，右岸大部分为覆盖层，局部有零星基岩出露，河床覆盖层厚55～60 m。

坝址区的地层主要有下第三系塔里干组的沉积岩(LT)和第四系(Q)的冲积、洪积相组成。

岩性主要为灰色到粉色的砾岩，中间夹杂紫红色砂岩，属于卡拉奇(Karaj)构造和埃尔姆山(Aiam Khu)的湖相沉积岩。砾岩基本岩石颗粒大小从砂到卵石都有。岩石组成有凝灰岩、安山岩、页岩、砂岩和砾岩等。

由于塔里干河的侵蚀和沉积作用，在坝区周围形成不连续的多种冲积、洪积覆盖层。形成第四系覆盖层。

2.2 水文气象情况

塔里干河主要由雪雨形成，向北流入里海，年平均流量约为10亿～15亿 m3，水资源丰富。

塔里干地区地处海拔1 700 m高度以上，气温较干燥，昼夜温差较大。同时受海洋季风气候影响，每年11月下旬至次年4月下旬雨雪较集中，而5—10月干旱少雨。年平均气温7℃，最高气温一般出现在7—8月，极端气温40℃，最低气温一般出现在1月，极端气温-20℃。

3 主要施工工艺与施工布置

3.1 防渗墙施工工艺

冲击反循环钻机直接造孔;冲击反循环钻机配合钢丝绳抓斗造孔;膨润土泥浆护壁;冷拔接头管实施墙段连接，泥浆下浇筑混凝土。

3.2 施工布置

根据施工进度计划和渡汛要求，防渗墙施工先由两端(左右岸)开始，向中间汇拢。

钻机平台布置在防渗墙轴线上游侧，施工平台布置在下游侧，造孔废浆由施工平台边缘的排浆沟流入集浆池集中处理和排放。制浆站、储浆池等布置在钻机平台上游侧施工轴线的中间部位，并在钻机平台上游侧沿轴线各铺设一条供浆和供水管路。

为保证超大直径接头管下设和起拔施工安全，导墙采用C 20混凝土，呈梯形断面，横断面顶宽80 cm，底宽130 cm，高度150 cm，上下各置一层3φ22钢筋以增强抗拉抗折强度;前后导墙宽度1.2 m。

4 槽孔施工

4.1 槽孔划分与成槽工艺

4.1.1 槽孔划分

槽孔长度一般划分为7.5 m。在施工过程中，发现左岸河床段大量存在大孤石、漂石，为缩短成槽时间，减少塌孔风险，将左岸临近河床段的3个槽孔施工长度调整为3.4 m、4.4 m和5.4 m;右岸地层条件相对较好，为减少接头数量，部分槽孔长度调整为8.3 m，259 m轴线长度共划分39个槽孔。

4.1.2 成槽工艺

1)冲击反循环钻劈法成槽，一、二期间隔施工。每个槽孔分主副孔，先钻主孔，再劈副孔。两钻三抓和三钻两抓法，底部坚硬密实地层和基岩采用钻劈法成槽。

2)护壁泥浆采用膨润土浆浆，选用膨润土为伊朗卡沙尼、德黑兰两市生产的石油钻井液用膨润土，造浆率可达15 m3/t，通过现场对新配制泥浆测试，浆液性能指标见表1。

表1 现场测试泥浆性能指标

4.2 基岩判定

由于缺少较为准确的地质资料，实际基岩面与设计有较大的出入，个别部位相10～20 m，判定基岩面深度难度加大。为保证防渗墙安全入岩，除按正常手段和方法(岩样成分及含量、新鲜程度、棱角分明情况等)判定外，对无规律和高差较悬殊部位采用岩心钻补充勘探，以保证槽孔真正入岩。

4.3 成槽设备

主要施工设备有:CZF—1500冲击反循环钻机8台;ZX—200泥浆净化机8台;6PS砂石泵8台;ZJ—1500泥浆搅拌机2台;HS843HD利勃海尔抓斗1台。

5 墙段连接

本工程最大施工难点为墙段连接，这也是防渗墙施工成败的关键。由于设计墙体材料为C30刚性混凝土，虽配加一定比例的缓凝剂，但7 d强度仍能达到15 MPa左右，全部采用“钻凿法”连接施工难度很大，不仅消耗工时，而且又浪费混凝土材料。另外业主工程师对此也极为关注，主张优先采用冷拔接头管技术，采用钻凿法套接不仅接缝质量稍差，更担心施工时，在钻头冲击作用下，墙体可能产生劈裂破坏，影响工程质量。本工程墙体深度超过30 m的槽段约占80%，超过40 m的槽段占43%。但厚度1 m、深度超过30 m的防渗墙工程，国内外很少使用拔管法且使用极为慎重，对于超大直径(1 m及1 m以上直径)接头管拔管技术，目前尚没有成功经验，也没有可以参鉴的操作性强的相关技术资料。在这种情况下，尽管存在很大风险，我们从工程特点和实际情况出发，认真分析研究，大胆使用拔管技术并摸索一些成功经验。对少数接头管未能下设到终孔深度的接头孔，接头管以下部位墙段连接采用比较常用的“钻凿施工法”。下面着重叙述“拔管法”进行墙段连接的实施情况。

5.1 接头管选型及拔管设备

接头管选用圆形接头管，接头连接方式为侧旋卡块式，规格见表2。

表2 圆形接头管技术规格

拔管机选用中国水电基础局有限公司自行研制的YBJ—1200型全液压拔管机，系统由油源供应、拔缸回路、抱紧回路、油液冷却等部分组成。主要技术参数如下:

1)系统额定压力:25 MPa，最高压力30 MPa(短时间内)。

2)系统流量:100 L/min(最大)。

3)电机功率:45 kW。

4)拔管力(4支油缸):25 MPa时，3 600 kN，最大3 800 kN(理论);30 MPa时 4 500 kN，最大4 560 kN(理论)。

5)拔管速度:658mm/min 25 MPa时，3 600 kN，最大3 800 kN(理论);25 MPa时，3 600 kN，最大3 800 kN(理论)。

6)抱紧力:25 MPa时，2300 kN，最大2 460 kN(理论)。

7)拔管机尺寸(长 ×宽 ×高):2200×2200×1700mm。

5.2 接头管下设

下管设备由水电十局提供—日本加藤50 t轮胎吊。

下设前检查拔管设备正常使用情况，按计划下设深度配管，底部优先选用长管(9 m)，上部用短管调整，合理配置接头管连接接头数量。接头管连接时做到侧旋卡块完全到位。由于吊车起吊能力有限，且就位又不能过于接近槽孔口，吊车下设接头管最大深度达36 m左右。

为摸索拔管深度，总结经验，在吊车能力有限的情况下，我们利用拔管机液压缸与其底座仅有的30多厘米空间高度，自制了一个抱紧圈(卡盘)，配合拔管机努力实现自行倒杆功能—自行下管;但因现场技术条件限制，自制卡盘与拔管机配合自行下设接头管安全系数较小，出于安全方面的考虑，只将SW-9号槽孔的一个端孔接头管下设到48 m深度。

5.3 接头管起拔

5.3.1 拔管时间的掌握

拔管法必须要克服三种阻拔力——流态混凝土对接头管的黏结力，混凝土对接头管的摩擦阻力和接头管自重。在起拔接头管过程中，既能保证接头管安全拔出，又要保证拔管后混凝土孔壁不坍塌，形成反园弧光滑端面的接头孔，合理、准确掌握拔管时间是成功的关键。接头管开始起拔时间通常要依据和参考混凝土初凝时间和坍落度丧失时间，本工程主要通过现场试验摸索和掌握拔管的最佳时机。

5.3.1.1 通过试验掌握拔管所需第一手资料

混凝土凝结时间经现场试验室通过贯入法试验求得，初凝时间为17 h，终凝时间为23 h。在第一个槽孔混凝土开浇前，取若干个试模(150 mm×150 mm×150 mm)将混凝土装入成型，分别在成型后不同时间拆模，通过这种简易模拟试验的办法观察混凝土随时间变化凝结状态变化情况和坍落度丧失情况。

表3 混凝土凝结状态变化和坍落度丧失现场简易试验结果

5.3.1.2 确定拔管时间

因混凝土初凝时间较长，如果按此初凝时间指导拔管，对于超大直径接头管来说，把握不好必将铸管，风险是极大的。其实，指导拔管以混凝土坍落度完全丧失的时间或稍大于这个时间较为适宜。通过槽孔(SW-1、3、5、40)拔管实践，我们将混凝土处于静态条件下，坍落度完全丧失的时间(实际为混凝土试样完全成型时间，约8 h左右)确定为接头管起拔时间。

5.3.2 接头管起拔

起拔接头管前，首先要克服黏结力，黏结力是水泥水化作用而产生的与管壁的胶结力，随时间延长而增大。虽然它不是主要的阻拔力，但是破除黏结力同时，可减少上提接头管负荷，使接头管在垂直方向上形成自由空间;同时根据接头管活动时的难易程度，也就是起拔力大小，对何时起拔接头管具有一定指导意义。经现场混凝土成型试验，混凝土静止4 h后开始丧失流动性，说明已经开始形成黏结力，此时就可以适当活动接头管对其予以破除。本次施工在实际操作时，一般是在混凝土停止扰动后，也就是处于静态达4 h开始微微活动接头管，起拔量≤10 cm。

通过实践，接头管开始活动时，超过30 m深度接头管起拔力一般可达到4 MPa。如果起拔力达不到4 MPa，可不必急于活动;若达到4 MPa，可开始适当活动并每隔1 h活动一次即可，起拔量根据起拔力增大可适当增大。在所下设接头管中有一部分是在混凝土处于静态4 h后开始活动的。

起拔接头管时应掌握拔管设备安全性能，避免铸管事故发生。YBJ—1200液压拔管机额定压力为25 MPa，去除工业技术水平的影响，笔者认为其工作压力不超过额定压力的70%应该是安全的。随着混凝土静止时间的延长，起拔力将随之增大。实际施工中，当时间接近和达到8 h，深度超过30 m的接头管，起拔力一般增大到12～15 MPa左右，最大时达到了17 MPa(初略估算相当240 t起拔力)，此时就开始逐节起拔接头管。拔管时，由吊车配合，当起拔力小于吊车起吊能力后，由吊车直接起拔。

5.3.3 墙段连接施工成果

经过精心施工，拔管法施工接头达1 025 m，占接头总工作量1 307 m的92.2%，钻凿法施工占7.8%。累计下设接头管37孔，成功起拔接头管36孔，拔管深度超过30 m的达27孔，占接头孔总数71%。拔管后，通过对接头孔深度测量，孔深基本接近接头管的下设深度，说明拔管时机的掌握是合适的、恰当的。最大拔管深度达48 m，拔管后接头孔深度达43 m，创造了国内外拔管法实施墙段连接的新记录。其中SW-13-7接头孔接管长42 m，孔内34 m，孔外8 m，因吊车起吊能力有限，抱着减少钻凿工作量的想法，尝试拔管机自行松卡，孔外接头管自行放入孔内几米后及时抱紧。结果操作失控，接头管落入孔内，以致于捞取失败而铸管。这也是一部分接头管未能下设到终孔深度的原因所在，但这次铸管事故与“拔管法”施工工艺技术无因果关系，属于偶然而非必然，故本工程拔管成功率可以说达到了100%。表4为部分接头管下设与起拔技术数据统计。

表4 接头管下设和起拔技术数据统计

表4 接头管下设和起拔技术数据统计 续表

6 混凝土生产与浇筑

混凝土搅拌使用伊朗制造的自动化混凝土拌和系统，拌和站安装2台1.0 m3搅拌机，综合生产能力30 m3/h。称料、配料由计算机自动控制。混凝土中水泥参量500 kg/m3，砂率0.42，骨料为二级配。

混凝土浇筑采用水下直升导管法，选用导管直径为250 mm。生产出的混凝土熟料由3～4辆6 m3混凝土搅拌运输车运至槽孔口(运输距离800 m)，释放到储料仓内，下放入槽。混凝土面上升速度3～5 m。

7 施工中采取的技术措施

7.1 提高拔管成功率，减少铸管风险的技术措施

液压站就位用水平尺测量底座水平度，保证水平，底部要坚实。其中心与槽孔端孔中心对正，力求两个中心相互重合，避免受力后发生偏斜而导致接头管起拔时压向孔壁，增大摩阻力。

严格要求槽孔两个端孔的孔斜率和孔型完好，保证接头管顺利下入，且处于垂直状态。如端孔偏斜严重，接头管将处于偏斜状态，会给拔管工作带来难度。

对于没有下设到终孔深度的接头管，当混凝土浇筑接近接头管底部时，应控制浇筑速度，避免流态混凝土对接头管底部扰动导致接头管偏斜或移位，使接头管施工失败。

安排专人负责拔管工作，严格按照拔管操作要求进行接头管活动与起拔。开始活动没有下设到终孔深度的接头管时，不得松开抱紧卡盘，避免接头管掉入孔内形成事故。当接头管未正式起拔前应勤活动，随时了解接头管摩阻力大小，不可超过起拔设备的安全承受能力。

为尽量减少接头管在孔内滞留时间，浇筑混凝土时做到及时拆卸导管，使埋住接头管的混凝土及早处于静止状态，为活动和起拔创造条件。

接头管下设结束后，应将底阀门关闭，避免混凝土进入;如果混凝土流入管内，就会凝固封死管底口，起拔时，管底部势必要形成真空状态，加大起拔力，增大接头管的施工难度。

7.2 槽孔安全施工技术措施

本防渗墙工程2002年8月开工，正值干旱无雨季节，施工区内地下水位高程底于施工面高程约10 m。且先施工两岸较浅槽孔，基本不受地下水位影响，未发生过塌孔现象。但随着施工槽孔的逐渐加深，也进入了雨雪季节，地下水位增高，仅低于施工面高程3～4 m左右，同时26～40 m深度段为粉砂含量很高的粉质黏土层，相对不稳定。受地层条件和地下水位影响，几个槽孔(如 SW-9、11、13、21 号槽孔)施工时均发生了不同程度塌孔现象，其中以SW-11号槽孔尤为严重(该槽孔26～38 m塌方约400 m3，采用M 10水泥砂浆回填，并将槽孔分割成SW-11A、SW-11B两个槽孔)。

为确保槽孔施工安全，首先适当增大泥浆比重，新制泥浆密度调整到1.08～1.10 kg/cm3，加强泥浆性能的改善;保证6PS砂石泵工作状态良好，做到密封水不被抽吸到泵内，遏止因失水对槽孔内泥浆稀释破坏。第二，调整槽孔造孔施工手段。主孔施工终孔后，先施工2#、6#副孔(槽孔按7 孔施工)，4#副孔暂留做临时支护。待1#～3#、5#～7#彻底施工结束，最后施工4#副孔，在最短时间内成槽，缩短整个槽孔受泥浆浸泡和地下水影响时间。第三，采用抓斗成槽不能将上部全部抓空，亦留一抓做临时支护。第四，1 d保证对施工槽孔内泥浆检测1～2次，如泥浆性能受到破坏，做到及时补充和更换部分新浆。

7.3 低温季节施工防护措施

防渗墙施工期覆盖整个冬季，夜间气温在 -17℃左右，白天在0℃左右，施工困难。为确保施工进度和混凝土正常施工，主要对混凝土入仓温度进行控制。采取的防护措施有:用热水搅拌混凝土;槽孔浇筑人员配备齐全，准备工作到位、及时;混凝土运到孔口后，加快浇筑速度;尽量安排白天浇筑混凝土等。冬季施工混凝土温度均控制在12℃以上。

8 施工质量控制与结果

8.1 控制标准

槽孔偏斜率:槽孔中任意一点偏斜率≤0.4%，保证墙体连续厚度。

清孔要求:泥浆密度≤1.2 kg/cm3，黏度≥30 s，含砂量≤5%，孔底沉渣厚度≤10 cm;接头刷洗与套接要求符合《水工混凝土防渗墙施工技术规范》SL174—96规定。

8.2 质量控制情况

采用冲击返循环钻机造孔，严格控制孔斜，勤检查、勤测量;左岸河床段扩孔系数大，右岸及中间段地层软硬相对均匀，钻机钻导孔，抓斗抓取副孔，孔斜易于控制。入岩深度按1 m控制。所成槽孔孔型及入岩深度满足设计要求。

清孔采用泵吸返循环法，使用ZX—200型泥浆净化机，净化除砂效率达90%以上，粒级0.074 mm。浇筑前，泥浆密度控制在1.09～1.11 kg/cm3之间，黏度30～38 s，含砂量0.2% ～1.2%，孔底沉渣厚度也均＜10 cm。

8.3 墙体混凝土质量情况

按每个槽孔取1组抗压强度试样，每8～10个槽孔(约2 500 m3)取1组抗渗标号试样进行取样，进行混凝土强度试验检查。因目前工程尚在施工阶段，检查结果尚不能收集全，编写本文时只从现场试验室得到10组抗压试件和一组抗渗试件试验结果，均满足设计要求。

已对 SW—39A、SW—6两槽孔墙体进行取芯(孔径110 mm)，岩心完整，采取率超过90%，墙体与基岩面接触良好，夹层2～5 mm。

9 施工经验与体会

1)利用冲击返循环造孔工艺建造槽孔对本工程是适宜的。正常施工时，工效达6～8 m/台日，与传统的抽筒出渣工艺相比有明显进度优势，同时可提高清孔质量标准、节省泥浆，降低部分成本。但由于工程准备期对砂石泵、泥浆净化机等返循环工艺机具易损件配备不足，且又在工业化水平相对较低的伊朗施工，购买与加工零配件常常需要大量时间，因而造成施工停等时间过多，返循环造孔工艺的进度优势没有得到充分、合理发挥。所以充分认知施工工艺特点、优点，合理、充分配置配套配件和材料，才能真正发挥施工工艺的潜在优势，进而才能保障施工生产、加快施工进度和提高经济效益。

2)充分认识和重视泥浆在建造防渗墙槽孔时的作用与重要性，健全泥浆系统，工程才会得以顺利进行。忽视这一环节，将会给施工带来麻烦和不必要的经济损失，请同行谨记。

3)本工程“拔管法”连接接头工作量达1 025 m，若按钻凿法施工，需钻混凝土接头1 025 m，浇筑混凝土1 230 m3，按60 m/台月施工进度，在8台钻机同时施工条件下，需64 d才可完成。选择拔管法实施墙段连接，不仅接缝质量可靠，施工工艺亦不算十分复杂，同时避免了混凝土和钻凿时间的浪费，这一工艺应值得在类似工程中推广和应用。

4)本工程实践证明，超大直径(1 m及1 m以上直径)接头管拔管技术在超深(40 m以上)防渗墙工程中应用取得了成功。这次施工主要得益于3个方面:①接头管加工质量好，同心度好，不变形，接头连接紧密无旷动，因而在受到混凝土侧压力作用时连接处不会轻易发生折曲变形，也就不会产生突发起拔障碍;②选用拔管设备性能可靠;③起拔接头管的时间把握适宜。

关于接头管直径、下设深度大小与拔管设备性能匹配问题，涉及到接头管在孔内的受力情况，是极为复杂的，有待于进一步深入研究和探讨。笔者认为，“拔管法”连接工艺运用于超深超厚防渗墙工程是可行的，不必有太多顾虑和担忧。但同时也应充分认识到，在不同地质条件、不同工程特点和设备条件下，成功的因素不是一成不变的，应力求根据现场试验找出内在规律，认知每一种因素对起拔接头管的影响程度，科学应对，同时采取有效的施工技术措施才是成功的关键。

［1］马迎春.混凝土防渗墙施工技术综述［J］.黑龙江水利科技，2005，33(6):41-42.