吉牛水電站廠房基礎(chǔ)引孔振沖碎石樁施工

姚福拴

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司三公司，四川成都 610213)

振沖碎石樁作為一種軟基處理方法，常用于加固港口、道路、建筑等軟粘土、松砂地基。自1977年引進(jìn)我國以來，因其具有設(shè)備簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)快捷等優(yōu)點(diǎn)，在我國得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。振沖碎石樁在水電工程中也得到了廣泛的推廣及應(yīng)用。鑒于水電工程一般修建在大河大江上或山區(qū)，地層一般都比較復(fù)雜，施工難度大，經(jīng)常會(huì)遇到需要處理漂卵石層下砂層的問題，如四川銅街子水電站左岸堆石壩壩基、陰平水電站閘壩基礎(chǔ)、龍頭石水電站壩基粉細(xì)砂層處理等。在此類地層中，振沖施工漂卵石層的穿透成為一大難點(diǎn)，如古城水電站，其地基細(xì)砂層上覆含漂砂卵礫石在施工時(shí)只打了5m左右就打不下去，被迫改用高壓旋噴灌漿處理地基。處理類似地層的施工方法一般有三種:一是施用大功率的振沖器強(qiáng)行穿透砂卵石層處理其下部的砂層，如四川銅街子水電站左岸堆石壩基，此法一般適用于砂卵石層比較松散、厚度較小的地層;二是對(duì)上部的砂卵石層進(jìn)行開挖后再處理其下部的砂層，此方法一般適用于地下水位較低、砂卵石層較薄的地層;三是利用沖擊鉆引孔穿過上部的砂卵石層再處理下部的砂層，如陰平水電站及龍頭石水電站壩基處理，此方法對(duì)地層的適應(yīng)性較好，但引孔增加費(fèi)用較多，不夠經(jīng)濟(jì)。筆者以吉牛水電站廠房基礎(chǔ)振沖碎石樁施工為例，對(duì)引孔法振沖施工工藝及技術(shù)進(jìn)行探討，以供類似工程施工參考。

1 工程概況

吉牛水電站位于四川省丹巴縣革什扎河流域下游河段，屬革什扎河流域水電規(guī)劃一庫四級(jí)方案中的第四級(jí)梯級(jí)電站，為引水式發(fā)電。廠房為地面廠房，共裝2臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2×120MW。

因地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，故對(duì)廠房基礎(chǔ)進(jìn)行振沖碎石樁加固處理，同時(shí)消除砂層液化的可能。

2 工程地質(zhì)條件

廠址位于革什扎河口上游200m的大金川河右岸I級(jí)階地上，覆蓋層最大厚度約41.33m，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)設(shè)計(jì)前期地質(zhì)資料，地層自下而上可分為三層:

①砂卵礫石層:系沖積堆積，分布于谷底基巖之上，受基巖面起伏影響，該層分布不連續(xù)，厚度變化于0(CZK02孔)～6.65m(CZK01孔)之間，頂板埋深約34.68m。卵礫石成分主要為二云英片巖，卵石粒徑一般為6～8cm，含量約15%，礫石粒徑一般為0.2～1cm及2～4cm，含量約為55%，余為粉細(xì)砂，總體結(jié)構(gòu)較均一。

②粉細(xì)砂層:沖積堆積，分布于①層、塊碎石土、基巖之上，厚度 5.66(CZK03孔)～19.83m(CZK01孔)，頂板埋深 11.28 ～16.94m，砂為含泥粉細(xì)砂，層中偶見粒徑為1～3cm的礫石。

③砂卵礫石層:沖積堆積，位于I級(jí)階地上部，層厚11.28～16.94m，卵礫石成分主要為二云英片巖，卵石粒徑一般為6～10cm，含量約15%，礫石粒徑一般為2～4cm，少量為0.5～1 cm，含量約為40%。砂為灰黃色中細(xì)砂，約占40%。地表1～2m深度范圍內(nèi)分布少量直徑為20～25cm漂石，充填物為粉細(xì)砂。在該層下部分布有一層厚約0.4m的含泥粉細(xì)砂透鏡體。另外，在地表局部分布有③a含礫中細(xì)砂層，鉆孔揭示厚度為4.2m。

3 試驗(yàn)樁施工

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

選擇有代表性地段進(jìn)行振沖試驗(yàn)，以驗(yàn)證振沖加固處理的效果。

(1)通過試驗(yàn)取得地基振沖樁參數(shù)和振沖加固后第②和③a層的抗液化能力及復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度、承載力和壓縮模量等指標(biāo)。

(2)確定最佳振沖碎石樁樁徑、樁間排距、樁長、填料級(jí)配及數(shù)量等參數(shù)。

(3)選定造孔和成樁的施工機(jī)械、施工工藝，確定施工技術(shù)參數(shù)(每米進(jìn)尺填料量、密實(shí)電流、留振時(shí)間、振沖水壓等)，為大面積振沖碎石樁施工取得合理的參數(shù)。

(4)為基礎(chǔ)振沖碎石樁施工取得質(zhì)量檢驗(yàn)的方法和要求。

3.2 試驗(yàn)樁布置

根據(jù)現(xiàn)場條件及工期要求，設(shè)計(jì)單位對(duì)試驗(yàn)孔布置如下:試驗(yàn)區(qū)分為S1、S2、S3三個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)布置3個(gè)孔，成等邊三角形布置。S1區(qū)孔間距2.5m，S2區(qū)孔間距2.2m，S3區(qū)孔間距3m。S1區(qū)樁孔深32m左右，S2區(qū)樁孔深32m左右，S3區(qū)樁孔深33m左右，設(shè)計(jì)樁徑為1m。

3.3 施工方案

在施工過程中，首先采用“直接振沖”方案施工，在經(jīng)過一段時(shí)間試驗(yàn)后，證明用振沖器無法直接穿透③層。遂將方案改為“沖擊鉆引孔后振沖”的方法施工，即先用沖擊鉆引孔穿過③層，再用150kW振沖器對(duì)其下部造孔至設(shè)計(jì)孔深后填料加密的方案。

3.4 試驗(yàn)設(shè)備

振沖施工采用ZCQ－130和ZCQ－150型振沖器，輔助造孔設(shè)備采用CZ－30型沖擊鉆機(jī)，振沖器起吊設(shè)備使用50t履帶吊車并由25t汽車吊配合施工，水泵使用ISO80－50－315型離心泵。

3.5 施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

3.6 試驗(yàn)參數(shù)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后選定的施工參數(shù)見表1。

圖1 振沖試驗(yàn)施工工藝流程圖

表1 振沖施工參數(shù)表

3.7 碎石樁填料技術(shù)要求

碎石樁填料采用具有良好級(jí)配的碎石，粒徑控制在20～100mm之間，個(gè)別最大粒徑不超過150mm，小于5mm粒徑的含量不超過10%。

3.8 施工過程

(1)“直接振沖”試驗(yàn)。

在原定試驗(yàn)區(qū)附近選點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共計(jì)造孔28個(gè)。直接振沖孔的施工過程如下:

施工高程分別為1865.5m(3個(gè)孔)以上、1862.3m(19 個(gè)孔)及 1859.6m(包括開挖的坑內(nèi))(6個(gè)孔)，施工最大孔深分別為11.5 m(底高程1853.7m)、10.4m(底高程為 1851.9 m)、5.5m(底高程為 1854.1m)，最大電流達(dá)到300A，水壓范圍為 0.5 ～1.4MPa。在 1865.3m及1862.3m高程平臺(tái)施工時(shí)上部電流高、振動(dòng)感強(qiáng)烈，明顯感覺到有大的漂卵石，施工至4～5 m時(shí)電流明顯下降、振動(dòng)感減弱，穿透卵石層進(jìn)入砂礫石層，進(jìn)度緩慢，當(dāng)施工孔深達(dá)到9m以下時(shí)造孔速度極其緩慢，基本沒有進(jìn)尺。在1859.6m高程平臺(tái)(包括開挖的坑內(nèi))施工時(shí)，5m以上電流較大，緩慢下振，當(dāng)深度達(dá)到5m時(shí)，振動(dòng)劇烈，明顯感覺有大的石頭存在，振沖器無法向下走。

施工中采取的措施及效果:

①改變水壓及水量，采取不同的水壓(水壓范圍0.5～1.4MPa)進(jìn)行試驗(yàn)，另外增加了一個(gè)旁通水管以增加水量。利用大流量、高壓力水流及振沖器的振動(dòng)力給密實(shí)的砂卵礫石層形成一個(gè)液化環(huán)境，減小振沖器的下降阻力。

②施加壓力，利用裝載機(jī)自重給振沖器施加外部壓力，增加其穿透能力。

③開挖上部砂卵石，利用挖掘機(jī)開挖上部砂卵石(由于水下開挖不下去，未將砂卵石挖穿)。

④增設(shè)變頻器，利用變頻器改變振沖器振動(dòng)頻率，達(dá)到與地層相適應(yīng)的最佳擊振頻率，增強(qiáng)設(shè)備的穿透性。

通過增加旁通水管及裝載機(jī)的附加壓力，造孔孔深由原來的6m加深至9.2m(1862m高程平臺(tái)相比較);通過增設(shè)變頻器，造孔孔深達(dá)到10.4m。通過采取增設(shè)旁通水管、施加外部壓力及調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率等措施，造孔深度有所提高，但造孔速度仍很慢，而且到9～10m后造孔十分困難。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明:采用“直接振沖”的方法無法貫穿第③層。通過四方會(huì)議，最終確定采用“沖擊鉆造引孔后振沖”的方案施工。

(2)“沖擊鉆造引孔后振沖”試驗(yàn)。

①引孔直徑為80cm，孔位偏差不大于5cm。造孔前人工進(jìn)行護(hù)筒埋設(shè)，護(hù)筒直徑100cm，護(hù)筒埋入工作平臺(tái)以下1.8m，工作平臺(tái)以上留0.2m。護(hù)筒采用8mm厚鋼板卷制而成。造孔設(shè)備選用CZ－30型沖擊鉆機(jī)配備十字鉆、空心鉆等鉆具施工。共完成9根樁的試驗(yàn)，引孔工程量為151.2 m，制樁272.6m，最大引孔深度 22.8m，最大樁長34m。

②下部造孔及樁體加密。

振沖器施工的造孔時(shí)間、加密時(shí)間與深度的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，引孔深度以下的地層仍然非常密實(shí)并含有大的漂石，大部分孔段用振沖器造孔異常困難，用裝載機(jī)施加外力后下沉仍然非常緩慢，個(gè)別孔甚至需引孔到設(shè)計(jì)深度。

圖2 典型的造孔時(shí)間及加密時(shí)間隨加密深度變化分布圖

3.9 試驗(yàn)樁質(zhì)量檢測

根據(jù)施工的具體情況，由參建各方共同選取3個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行靜載試驗(yàn)和5孔進(jìn)行動(dòng)力觸探、3孔進(jìn)行標(biāo)貫原位測試。靜載、動(dòng)力觸探及標(biāo)貫成果見表 2、3、4。

表2 靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表3 碎石樁動(dòng)力觸探檢測成果統(tǒng)計(jì)表

表4 標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3.10 試驗(yàn)結(jié)論

(1)動(dòng)力觸探試驗(yàn)及3區(qū)單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果表明振沖碎石樁的密實(shí)度達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，在樁體的深度范圍內(nèi)均勻性較好，單樁豎向承載力特征值為900kN，＞750kN，壓縮模量≥65 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，成樁直徑亦能滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)通過對(duì)1區(qū)(2.5m樁間距)和2區(qū)(2.2 m樁間距)進(jìn)行復(fù)合地基的靜載荷試驗(yàn)，其結(jié)果為2.5m樁距復(fù)合地基承載力為371kPa＜500 kPa，2.2m 樁距復(fù)合地基承載力為 534kPa，＞500kPa，壓縮模量為38MPa，＞35MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)通過三個(gè)區(qū)域樁間土的標(biāo)貫試驗(yàn)，標(biāo)貫值大于VII度地震液化標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，處理后的地基不液化，滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)采用振沖器直接造孔的方法難以貫穿③層，需要采用“沖擊鉆造引孔后振沖”的方案施工，采取一定措施后造孔深度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(5)以上檢測結(jié)果說明:振沖試驗(yàn)樁施工采用的參數(shù)能夠滿足本工程的需要，可以指導(dǎo)下一步的施工。

4 振沖碎石樁的設(shè)計(jì)

根據(jù)振沖試驗(yàn)成果并結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)單位提出了以下要求:

(1)主廠房、GIS樓區(qū)振沖碎石樁以等邊三角形布置，設(shè)計(jì)成樁直徑為1m，樁間距為2.2m;回車場和廠區(qū)擋土墻區(qū)振沖碎石樁以正方形布置，樁間距為2.5m，振沖碎石樁處理深度穿透第③層(砂卵礫石層)、第②層(粉細(xì)砂層)進(jìn)入第①層(砂卵礫石層)2m以上。

(2)設(shè)計(jì)要求將間距2.2m布置的樁處理后復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角提高到30°以上，壓縮模量應(yīng)大于35MPa，復(fù)合地基承載力＞0.5MPa;樁間距2.5m正方形布置的樁處理后復(fù)合地基承載力＞0.35MPa;②層VII度(烈度)地震不液化。

5 振沖碎石樁施工

5.1 施工工藝

根據(jù)試驗(yàn)施工成果，采用“沖擊鉆造引孔后振沖”的施工工藝，振沖器采用ZCQ150型。

5.2 工程施工

由于生產(chǎn)性試驗(yàn)取得了較為理想的效果，正式施工中仍沿用試驗(yàn)時(shí)的振沖施工參數(shù)及機(jī)械配置形式。

(1)施工場地平整及測量放線。

施工利用挖掘機(jī)及裝載機(jī)對(duì)場區(qū)地表進(jìn)行清理及平整，根據(jù)現(xiàn)場情況，施工場地按2個(gè)平臺(tái)進(jìn)行平整，平整高程為1862.5m及1865m。

場地平整后，由測量人員根據(jù)監(jiān)理工程師提供的控制點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場放線，建立現(xiàn)場施工控制網(wǎng)。施工前，用全站儀放出每一根樁的中心點(diǎn)位置，樁位標(biāo)識(shí)采用插小紅旗的方式，這樣可以避免施工過程中出現(xiàn)漏振、錯(cuò)振、重復(fù)振的現(xiàn)象。

(2)造 孔。

①?zèng)_擊鉆機(jī)引孔。

本工程高峰期共投入16臺(tái)CZ－30沖擊鉆機(jī)引孔，引孔施工方法與試驗(yàn)相同。

②振沖器造孔。

將振沖器緩慢、穩(wěn)妥地吊起，對(duì)準(zhǔn)樁位緩慢下降，振沖器至距離地面30cm以內(nèi)，啟動(dòng)清水泵供水，待振沖器下端射水口出水的水壓、水量達(dá)到工藝要求時(shí)緩慢下放振沖器至引孔內(nèi)，待深度超過8m后，啟動(dòng)振沖器，拉緊防扭繩索，振沖器下至引孔底部后使其貫入土中進(jìn)行造孔。

造孔過程中，振沖器應(yīng)始終保持懸垂?fàn)顟B(tài)，以保證垂直成孔。當(dāng)電流值超過電機(jī)額定電流時(shí)，應(yīng)減速或暫停振沖器下沉或上提振沖器，待電流值下降后再繼續(xù)向下造孔。若孔口不返水，應(yīng)加大供水量并記錄造孔時(shí)的電流值、造孔速度及返水情況。造孔到達(dá)設(shè)計(jì)深度即可停止，并將振沖器上提30～50cm。

(3)清 孔。

造孔結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行清孔，一般清孔1～2遍，清孔時(shí)間為10min左右，直至孔口返出泥漿變稀為止。清孔時(shí)應(yīng)將孔口附近的泥塊、雜物清除，以免掉入孔內(nèi)造成堵孔，清孔后將水壓和水量減少到維持孔口有一定量的回水，以防止地基土中的細(xì)顆粒被大量帶走。

(4)填 料。

造孔及清孔后即用30型裝載機(jī)向孔內(nèi)填料。為了能順利地填入振密，填料不宜過猛，每批不宜加填太多，應(yīng)采取“少吃多餐”的原則。

(5)振 密。

依靠振沖器的水平振動(dòng)力將填入孔中的石料不斷擠向側(cè)壁土層中，同時(shí)使填料擠密，直到滿足設(shè)計(jì)要求。加密自孔底開始，逐段向上，振沖器每次上提50cm，逐段做好振密搭接，以防漏振。

(6)結(jié) 束。

制樁振密加固至孔口設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，先停止振沖器運(yùn)轉(zhuǎn)，再停止供水泵。

5.3 質(zhì)量控制

(1)引孔施工。

孔位偏差:采用全站儀放線確定樁位，待鉆機(jī)就位后在開孔前再次用全站儀進(jìn)行校核，確認(rèn)孔位偏差符合要求后方可開鉆施工;

孔深:依據(jù)勘探孔鉆孔資料，結(jié)合沖擊鉆鉆孔渣樣確定孔深已穿過③層中的漂石層，確保振沖器能順利穿透上述地層后在其下部地層內(nèi)施工;

孔徑:施工中控制沖擊鉆鉆頭直徑不小于80 cm，以此保證引孔孔徑不小于80cm。

(2)振沖施工。

①造 孔。

孔位:振沖器與引孔的孔口偏差不大于100 mm，造孔過程中振沖器應(yīng)始終保持懸垂?fàn)顟B(tài)，成樁后孔位偏差不大于200mm;

孔深:為保證達(dá)到設(shè)計(jì)深度，可用電焊在振沖器的導(dǎo)管上每隔1m做一個(gè)標(biāo)記，造孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，導(dǎo)管上部應(yīng)超出地面1m以上。

②清 孔。

清孔水壓:0.6 ～1.2MPa;

清孔時(shí)間:不小于10min，直至孔口返出泥漿變稀為止。

③填料質(zhì)量控制。

填料以連續(xù)下料為主，間隔下料為輔，加料不宜過猛，原則上要“少吃多餐”，填料后必須保證振沖器能貫入到原提起前深度，以防漏振。

④加密制樁。

制樁水壓為0.1～0.5MPa、密實(shí)電流為140～160A，達(dá)到密實(shí)電流后留振10s，然后將振沖器上提50cm逐段加密，以保證樁體的加密質(zhì)量。加密施工過程中的加密電流、留振時(shí)間均由振沖施工監(jiān)控儀控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。施工前，將各標(biāo)準(zhǔn)值輸入振沖施工監(jiān)控儀，當(dāng)施工參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，振沖施工監(jiān)控儀將以響鈴的方式給予警示。鬧鈴放置在吊車駕駛室內(nèi)，響鈴時(shí)駕駛員可以迅速作出相應(yīng)的操作。

5.4 振沖設(shè)備改進(jìn)采取的措施

由于覆蓋層深厚，施工時(shí)振沖器造孔困難，為提高振沖器的穿透力并延長振沖器的使用壽命，施工中采取了以下措施:

(1)采用兩泵串聯(lián)的形式供水，增大了射水壓力和水量，出水口的水壓可達(dá)到1.4MPa以上;

(2)在頭部加焊垂直耐磨鋼板，以增加振沖器對(duì)砂層的破壞力;

(3)振沖器導(dǎo)桿中間不用法蘭連接，改用焊接方法將其連接為整體一根，并且在導(dǎo)桿外側(cè)加焊鋼筋，加重導(dǎo)管的重量以增加垂直外力，加快振沖造孔速度;

(4)振沖器水管使用耐磨的厚壁PE管，使用快速接頭，加快拆卸速度;

(5)振沖器體的所有螺絲用φ10盤圓連接，以防因螺絲退扣造成振沖器掉進(jìn)孔內(nèi)的事故發(fā)生。在振沖器與導(dǎo)桿連接處增設(shè)掛鉤，在保證減振效果的前提下提高減振器的抗彎、抗折強(qiáng)度，并且在連接部位螺絲振脫落的情況下可以避免振沖器掉進(jìn)孔內(nèi)。

6 振沖碎石樁的質(zhì)量檢測

施工完成后，分別對(duì)各部位地基的單樁承載力、變形模量及壓縮模量和復(fù)合地基的承載力、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度及液化等指標(biāo)進(jìn)行了檢測。一共做了5組復(fù)合地基靜載試驗(yàn)、8組超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)及8組標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

對(duì)照設(shè)計(jì)要求，各檢測指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;同時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定復(fù)合地基不液化。樁基工程被評(píng)定為“優(yōu)良”工程。

7 結(jié)語

(1)在復(fù)雜的覆蓋層地層中施工，采用“沖擊鉆造引孔后振沖”的施工工藝，解決了漂卵礫石層振沖成孔問題，可以滿足設(shè)計(jì)及施工要求。

(2)施工中通過對(duì)振沖器進(jìn)行技術(shù)改造，增強(qiáng)了振沖器的耐久性及適應(yīng)性，可以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件并滿足較高的施工技術(shù)要求。

(3)本工程使用國產(chǎn)大功率振沖器(ZCQ－150)，成功解決了深厚復(fù)雜覆蓋層振沖施工難題，最大制樁深度達(dá)到34m，實(shí)現(xiàn)了振沖施工新的突破，為同類工程提供了借鑒。

［1］何廣訥，編著.振沖碎石樁復(fù)合地基［M］.北京:人民交通大學(xué)出版社，2001.