某水电站加固施工中“扩桩成墙”施工工艺研究及应用

刘 付，刘 亮

(中国水电基础局有限公司，天津，301700)

1 前言

某水电站导流明渠左导墙宽度6.2m，基础为砂岩、混合岩、碳质页岩，局部穿过F1断层带，地基状况较差。电站建成运行后，河床左侧水流不间断淘刷，导墙底部冲刷，出现较大空腔，影响导墙稳定。

2019年，为彻底解决导墙底部基础被冲刷、被侵蚀问题，并阻断导墙两侧水力联系。在设计确定实施灌注桩方案的基础上，结合施工经验及工程设计意图，通过高导墙基础底部复杂地层“扩桩成墙”技术的研究，确定采用“旋挖钻机成孔、定位导向器+冲击钻机定向冲击扩桩成槽”的施工方法，将左导墙建基面以下至桩底高程以上桩间基岩凿除，进行基岩段定向冲挖成槽，采用水下混凝土压球法开浇、接头拔管工艺套接实现成墙。该技术在不破坏原混凝土导墙整体结构的前提下，增强导墙整体稳定性，有效地完成了混凝土导墙基础的加固，在导墙底部地基岩层状态差的部位，形成一道封闭连续的防淘墙，有效解决导墙底部冲刷、淘蚀问题，从根本上消除了电站运行安全隐患。

2 “扩桩成墙”方案确定

初期左导墙设计方案为抗冲桩。为切断导墙基础部位的水力联系，更好地解决水流长期淘刷基础的问题，提出“扩桩成墙”实施理念，即使用全孔桩构造增加本体承载能力，导墙建基面下部“扩桩成墙”增强导墙基础的抗冲能力。

行业知名专家到现场踏勘、探讨，提出解决“下墙”的若干建议，主要方案为单轮铣侧面扩挖成槽、高压射水切割成槽、改装液压钻头扩桩搭接成槽等。

四种建议方案施工原理如下：

表1 成槽施工原理

四种成槽方案优缺点如下：

表2 成槽施工方案比选

通过理论研究、试验模拟比较，最终确定方案4为最优方案。

3 “扩桩成墙”施工工艺

3.1 施工流程

采用大扭矩旋挖钻机钻进灌注桩至设计底高程，随后使用85t履带吊吊装1台冲击钻(配φ80cm钻头、定位导向装置)，分别由桩孔两侧，进行由上至下的定向扩挖成槽施工。定位导向器的最下缘厚度为55cm，冲击钻头随定位导向器凹槽向下冲击、劈打侧面，形成既定方向及深度的槽段。期间配合旋挖定期捞渣、清孔，连通成墙。经槽型验收后，采用“水下混凝土压球法开浇、接头管拔管套接法”工艺实施浇筑，即在分组的套接孔下设接头管，导管浇筑串联孔的桩、墙混凝土。

由以上工序不断循环作业，最终在导墙要求深度范围内，形成桩及一道连续的防渗防淘墙。以1#、2#桩为例，施工流程简述如图1所示。

图1 “扩桩成墙”施工流程

3.2 施工工艺

3.2.1 旋挖钻机成孔

3.2.1.1 桩位测量放样

测量人员根据桩位施工图将“扩桩成墙”抗冲桩桩位逐一放样定位，用醒目十字线画出桩位点，做好标识并妥善保护。

3.2.1.2 旋挖钻机就位

放样完成后，旋挖钻机按照拟定分组施工顺序就位，确保对位准确、钻机牢固平稳。旋挖钻机移动时，应由专人指挥，同时做好桩位点保护。

3.2.1.3 旋挖钻机钻进

开孔前，对开孔位置、孔位中心、平台高程进行复查。确认无误后，将钻头中心点对准桩位十字线交叉点，调平钻头、调直钻杆，低速稳压开孔作业。首先完成1#孔成孔作业，然后移机钻进2#孔，完成2#成孔施工。

3.2.1.4 孔斜、孔型控制

旋挖钻机钻进过程中，严格孔斜控制。在钻机自身垂直度控制基础上，增加过程中垂直度复核。采用超声波测斜仪进行孔斜的检测，出现孔斜偏差，及时纠偏。

旋挖钻机钻孔施工示意如图2所示。

图2 旋挖钻机分组钻进施工示意

3.2.2 冲击钻成槽[1]

旋挖钻机成孔至孔底后，采用定位卷扬机将定位导向器顺钢丝绳沿1#桩孔孔壁下放至冲槽位置，定位导向器在桩孔内贴壁平稳后，固定位置，随后下设冲击钻头，冲击钻头沿定位导向器斜面在1#桩孔内定向朝2#孔方向岩体冲击、切削、钻凿桩间基岩，直至钻凿至桩底高程以上5m处(如图3)。

在1#桩孔扩孔完成后，采用上述相同步骤，对2#桩孔朝1#桩孔方向进行扩孔，将导墙建基面下部两桩桩间基岩完全凿除(如图4)，使两个桩孔连通形成相互套接的咬合孔(如图5)。

图3 定位导向器配合冲击钻由1#→2#劈打桩间基岩

图5 单幅桩间墙成槽效果示意(单位：mm)

其中，定位导向器为本项目专门研制，如图6所示。成槽过程中采用最大厚度55cm的定位导向器配合φ80cm的冲击钻头。冲击成槽过程中，采用旋挖钻机配合孔内捞渣。

图6 定位导向器示意(单位：mm)

3.2.3 槽型检测

在冲击钻扩桩成墙形成单幅桩墙连通孔后，采用Imagenex 881A Borehore Sonar型声呐检测仪器进行槽型检测。在1#孔进行槽体连通性和成槽宽度的检测，从孔口高程下放声呐仪器，通过槽壁声呐反射信号，形成连通孔断面的成槽图形，每米检测一个断面，施测至孔底高程。

在1#孔声呐检测完成后，采用上述相同方法，对2#孔进行声呐检测。声呐检测成槽剖面如图7。

图注：高程959m，地下连续墙，墙宽0.90m，断面面积2.40m2。 图7 声呐检测成槽剖面

3.2.4 清孔、下设钢筋笼及接头管[2]

3.2.4.1 清孔捞渣

成槽检测合格后，采用旋挖钻机换平底捞渣钻头进行清孔捞渣作业。将钻渣及泥砂等沉淀物捞出孔外，捞取过程中掺入优质泥浆保证孔内液面高程。

清孔验收标准:清孔完成4h后，沉渣厚度不大于200mm。

3.2.4.2 下设接头管

清孔验收合格后，采用85t履带吊进行2#孔接头管下设。

首先，清洗、检查接头管，进行试拼接，观察垂直度；其次，在底节接头管底部绑上粗筛网或焊上钢板，防止混凝土进入管内；然后，按照试拼接的顺序逐根依次下设。

3.2.4.3 下设钢筋笼

采用左导墙顶端85t履带吊“逐节起吊，分节下设，孔口对接”的工艺，在1#孔下设钢筋笼。

3.2.4.4 下设浇筑导管

导管使用前，进行试拼装、注水密封试验，并按自下而上顺序编号、标示尺度。每次下设前，进行外观质量检查，包括表面平整度、丝扣完好性、密封完好性、连接处泥沙等。导管底口距孔底距离30cm～50cm。

3.2.5 混凝土浇筑成墙[3]

采用压球法开浇。导管埋入混凝土面的深度控制在3m～6m，最小埋入深度不得小于2m，导管勤提勤拆，严禁提出混凝土面。

1#孔浇筑混凝土过程中，需不断上下活动2#孔内接头管，通过观察接头管微动时的压力变化和同条件混凝土试块初凝状况，判断接头管起拔时机。

1#桩孔浇筑完成后，混凝土将充满1#孔和1#-2#孔桩间墙，形成一幅桩墙(如图8所示)。

图8 下设接头管、导管浇筑混凝土工序示意

按照以上1#、2#孔施工工艺，分组实施、逐孔推进，赶羊施工。每个墙段进行以2个桩孔为一组的底部基岩“扩桩成墙”施工，每组“扩桩成墙”含2个桩孔和2孔之间的一幅墙段。最终实现整个墙体底部连接，形成一道防渗防淘墙。

4 控制要点

4.1 技术控制要点

(1)旋挖钻机成孔孔斜率是成槽的前提条件。抗冲桩最大深度59m，桩间墙宽度0.5m，孔斜率控制不超过0.2%方可顺利成槽。每钻进2m采用成槽检测仪检测孔斜并及时纠偏，过程中，采用增加钻具长度、“低压慢钻”等措施施工。尤其加强开孔、混凝土和基岩接触段、软弱基岩接触段、斜岩等关键部位的孔斜控制。

(2)冲击钻成槽是扩桩成墙的核心工作。根据不同岩层，动态调整钻凿方法。钻至软弱地层时“轻打勤放”，即采用小冲程、高频次、勤放钢丝绳的钻进方法；遇到坚硬地层时，提前采用高强耐磨块加焊钻头，采用高冲程、低频次的点击重打法。

(3)接头管套接成墙是桩间墙施工的重点。单孔下设起拔接头管比常规防渗墙槽段内下设接头管难度陡增。保证台钳、卡子固定牢固无松动，上下管口连接处对齐，接头管下设垂直。破碎岩层、塌孔地段浇筑过程中，增加接头管活动频次和幅度，放缓混凝土浇筑速度，避免过大冲击力，造成管体倾斜，增加难度，甚至出现“铸管抱管”隐患。

(4)混凝土浇筑是成槽的关键工序，采用压球法开浇，准确计算首灌方量，保证导管埋入深度不小于1m。严格控制混凝土坍落度，连续浇筑，不得中断。

4.2 安全控制要点

(1)左导墙宽度6.2m，两侧临空，作业区间狭小，安全风险高。根据“扩桩成墙”分区分组施工情况进行区域化管理，划分责任区，明确责任人及安全职责。

(2)左导墙两侧设置硬隔离措施。在导墙明渠侧搭设宽度1.5m人行栈道，保证人员安全通行，避免与施工作业区交叉。

(3)在旋挖钻机、履带吊车、冲击钻机作业时，进行封闭隔离管理并悬挂警示标示，严禁非本工种作业人员进入施工区。

(4)起吊作业前，由技术负责人进行安全技术交底，并安排专职安全员全程监督落实，划分吊装责任区并设警示标识。吊装辐射范围内严禁人员停留，并由司索工、信号工指挥吊装作业。

5 “扩桩成墙”实施效果

左导墙“扩桩成墙”槽段连通性声呐检测817个点，其中，墙段厚度最大值1.6m，最小值0.13m，平均值0.79m，墙厚测点小于0.4m的点数34个，占比4.16%，远远小于设计指标10%的技术要求。

按照设计要求，抽取3幅桩墙钻孔取芯，并进行注水试验、孔内摄像、声波对穿检测。芯样完整、密实、无断层；孔内摄像显示混凝土无裂缝、无明显气泡、密实、完整；桩间墙对穿声波最小值3911m/s，各项指标均满足设计要求。

通过“扩桩成墙”施工技术在某水电站左导墙加固中的实施应用，在导墙的钢筋混凝土结构内成桩，在左导墙建基面以下地层内成墙，形成一道封闭连续的防淘墙，实现对混凝土导墙基础的补强加固，彻底解决了水电站混凝土导墙基础的淘刷问题，有效阻断了导墙两侧的水力联系，从根本上保障了电站的安全运行。

6 结语

“扩桩成墙”施工工艺在某水电站左导墙加固中的成功实施，填补了国内此类施工技术的空白，达到在高导墙深部基础“扩桩成墙”的目的，同时解决了施工技术参数、施工工艺、质量控制等问题，为工程施工提供科学的施工工艺和施工方法，对大型水电站已建建筑基础进行加固补强提供了解决问题的新思路、新方法，为类似工程的施工提供了指导意见。