超深振沖碎石樁施工技術(shù)及應(yīng)用

胡貴良，魏永新，劉保柱，邵增富

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司三公司，四川 成都 610213；3.中國(guó)華電集團(tuán)有限公司，北京 100031)

0 引 言

基礎(chǔ)處理振沖法施工技術(shù)起源于德國(guó)，目前國(guó)外的應(yīng)用深度在一般20 m以內(nèi)，超過20 m深的振沖樁較為少見，孔深超過40 m的振沖樁施工起吊設(shè)備性能更是至關(guān)重要。德國(guó)某工程使用550 t吊車和大功率液壓振沖器進(jìn)行了68 m深的振沖擠密處理施工，英國(guó)某公司在英國(guó)軟土地基中使用550 t吊車進(jìn)行了近60 m深的振沖擠密施工。但采用大型起吊設(shè)備進(jìn)行振沖施工成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)較大[1]。

DL/T 5214—2016《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》[2]條文說明中已說明原規(guī)范DL/T 5214—2005規(guī)定振沖法施工處理深度不超過20 m是受當(dāng)時(shí)起吊機(jī)具及施工難度的限制。振沖法基礎(chǔ)處理的深度主要受限于起吊設(shè)備的起重能力、振沖器造孔能力以及配套附屬設(shè)備的綜合能力。隨著施工深度的增加，對(duì)起吊設(shè)備提出了更高的要求。近十多年來，隨著國(guó)家工程建設(shè)綜合技術(shù)取得了很大進(jìn)步，在應(yīng)用機(jī)械、機(jī)具設(shè)備制造、施工工藝、應(yīng)用規(guī)模等方面均接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，特別是在工程建設(shè)難度方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)際水平，目前在復(fù)雜地層中振沖樁最大深度34 m，海上施工最大深度近40 m，試驗(yàn)振沖樁深度已經(jīng)達(dá)到92 m。

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游，左岸為四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)，右岸為西藏昌都自治州芒康縣朱巴籠鄉(xiāng)，是金沙江上游13級(jí)開發(fā)方案中的第8級(jí)，上游為葉巴灘水電站，下游為巴塘水電站[3]。拉哇水電站屬一等大(1)型工程，電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下廠房等建筑物組成，總裝機(jī)容量2 000 MW。水庫(kù)正常蓄水位2 702.00 m，相應(yīng)庫(kù)容23.14億m3；死水位2 672.00 m，相應(yīng)的死庫(kù)容為14.9億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容8.24億m3，為季調(diào)節(jié)水庫(kù)。大壩施工采用隧洞導(dǎo)流方式，2條導(dǎo)流隧洞布置于右岸[3]。

拉哇水電站樞紐區(qū)河床覆蓋層最大深度71.4 m，主要為河流沖積物、湖相沉積物、崩塌堆積物、岸坡坡積物組成，其中堰塞湖相沉積低液限黏土和粉土厚約50 m，具有厚度大、承載力低、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、滲透系數(shù)低等特點(diǎn)，工程性狀差。上游圍堰地基河床覆蓋層最厚約65～68 m，由上至下分別為Qal-5沖積砂卵石層，厚度1.4～4.6 m；Ql-3堰塞湖靜水沉積砂質(zhì)粉土、粉土質(zhì)砂，厚度14.7～18.1 m；Ql-2堰塞湖靜水沉積層，最大厚度31.4 m，可細(xì)分為Ql-2-③黏土層，Ql-2-②粉土、砂質(zhì)粉土層，Ql-2-①黏土、粉土層，厚度分別約4.0～8.5、10.0～15.0、15.2 m；底部為Qal-1沖積為主的砂卵石、塊石層，最大厚度約18.0 m[4]。

拉哇圍堰規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件差、抗滑穩(wěn)定及變形控制難度高。研究成果表明，為保障圍堰上下游堰坡和深基坑開挖邊坡穩(wěn)定安全，須對(duì)堰基采取加固處理措施。振沖碎石樁加固范圍為防滲墻至下游堰腳，主要對(duì)Ql-3、Ql-2-③、Ql-2-②、Ql-2-①4層進(jìn)行加固，Qal-5、Qal-1和振沖碎石樁一起構(gòu)成堰塞湖沉積覆蓋層的排水通道。

2 振沖碎石樁主要技術(shù)指標(biāo)

上游圍堰基礎(chǔ)處理碎石樁分2區(qū)布置，其中A區(qū)(樁號(hào)SY0-142.500～SY0+028.500)，樁排距及間距為3 m，梅花形布置，共布置947根樁，成樁總深度36 373 m；B區(qū)(樁號(hào)SY0+028.500～SY0+201.500)，樁排距及間距為2.5 m，梅花形布置，共布置1 226根樁，成樁總深度26 643 m。

振沖碎石樁樁徑1.2 m，碎石樁的填料碎石粒徑20～80 mm，其中20～40 mm約占40%、40～80 mm約占60%，個(gè)別最大粒徑不超過100 mm，小于5 mm粒徑的含量不超過10%，含泥量不大于5%，干容重不小于1.95 g/cm3(大理巖)，滲透系數(shù)不小于1×10-2cm/s，壓縮模量不小于50 MPa，固結(jié)排水剪內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值不小于40°，單樁承載力不小于600 kPa。

3 振沖碎石樁施工方法

拉哇上游圍堰基礎(chǔ)處理碎石樁分2期施工[5]。一期施工右岸，由左岸束窄河床過流；二期施工左岸，由右岸束窄河床過流。振沖碎石樁施工是在填筑的施工平臺(tái)上進(jìn)行，施工程序?yàn)橛野兑黄谑┕て脚_(tái)填筑→一期振沖碎石樁施工→右岸一期施工平臺(tái)拆除→2020年汛期度汛→左岸二期施工平臺(tái)填筑→二期振沖碎石樁施工→左岸二期施工平臺(tái)拆除→2021年汛期度汛，汛后實(shí)施大江截流。

本工程振沖碎石樁施工最大深度達(dá)65 m，施工難度和質(zhì)量控制難度大，遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有水平，無施工先例可循。經(jīng)研究，綜合考慮圍堰基礎(chǔ)處理深度范圍、工期進(jìn)度、節(jié)約成本、降低造價(jià)等因素，本工程針對(duì)不同的孔深分別采用2種不同的施工工藝。對(duì)孔深小于40 m的振沖碎石樁，采用上部回填部分平臺(tái)和Qal-5層引孔、常規(guī)振沖器造孔制樁的施工工藝；對(duì)孔深大于40m的振沖碎石樁，為徹底解決振沖工法瓶頸限制，采用上部回填部分平臺(tái)和Qal-5層引孔、SV70碎石樁機(jī)利用伸縮式導(dǎo)桿連接振沖器造孔制樁的施工工藝。

3.1 引孔及鋼護(hù)筒埋設(shè)

本工程振沖碎石樁施工平臺(tái)采用碎石土回填形成，為確保施工安全，防止平臺(tái)回填部位出現(xiàn)塌孔，施工平臺(tái)至地基Qal-5層底部均埋設(shè)直徑1 m、長(zhǎng)12 m的鋼護(hù)筒護(hù)壁，護(hù)筒頂端高出地面0.20 m，埋設(shè)偏差不超過30 mm。護(hù)筒埋設(shè)過程，使用水平尺每0.5 m進(jìn)行一次校正，保證護(hù)筒的垂直度。

3.2 造孔及清孔

在采用旋挖鉆機(jī)鉆孔時(shí)，選擇雙底撈截齒鉆頭成孔，個(gè)別孔位發(fā)現(xiàn)基巖后使用截齒筒鉆頭取芯鉆進(jìn)，鉆孔直徑0.8 m。鉆進(jìn)過程中適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度，鉆頭全部進(jìn)入地層后加快鉆進(jìn)速度，遇見砂土層和軟土層時(shí)減慢鉆進(jìn)速度并適當(dāng)增加固壁材料比重和黏度，遇到孤石時(shí)增加壓力、減慢下鉆速度。隨著鉆孔深度的增加及時(shí)補(bǔ)充固壁材料，保持孔內(nèi)水頭壓力，防止塌孔。發(fā)現(xiàn)塌孔時(shí)，需保證水量充足，使孔內(nèi)充滿水，同時(shí)加大固壁泥漿使用濃度，放慢造孔速度，在通過塌孔區(qū)域后恢復(fù)正常造孔速度。固壁材料采用金樁壁高分子環(huán)?；瘜W(xué)泥漿，可有效提高旋挖鉆機(jī)施工鉆孔質(zhì)量，具有比重小、含砂率極低、黏度高、滲透能力強(qiáng)、性能持久性強(qiáng)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其與水的配合比為1∶1 000。在鉆進(jìn)過程中，注意鉆機(jī)孔斜指示儀，發(fā)現(xiàn)偏斜，及時(shí)糾正。為減少塌孔，成孔盡量一次不間斷完成，孔內(nèi)固壁液面不低于地下水位。

采用振沖器造孔時(shí)，利用SV70碎石樁機(jī)伸縮式導(dǎo)桿連接振沖器，運(yùn)用“水氣聯(lián)動(dòng)”的方法進(jìn)行造孔。振沖器貫入土中應(yīng)保持垂直，偏斜度控制在不大于樁長(zhǎng)的1%以內(nèi)，當(dāng)觀察鉆機(jī)孔斜指示儀發(fā)現(xiàn)孔斜超標(biāo)時(shí)，要立即修孔。當(dāng)遇到密實(shí)砂層、砂礫石層時(shí)加大水量，減小振沖器振動(dòng)阻力。造孔過程中，振沖器應(yīng)反復(fù)下沉、上提2～3遍進(jìn)行擴(kuò)孔以保證樁徑滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)需密切關(guān)注電流變化并結(jié)合旋挖鉆孔取樣確定終孔深度。

造孔結(jié)束后，上下提升振沖器進(jìn)行清孔，清孔電流應(yīng)控制115 A以內(nèi)，且孔內(nèi)泥漿變稀，黏度降低。清孔時(shí)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回水，以防止地基土中的細(xì)顆粒被大量帶走。通過觀察孔口返出泥漿的含泥量，并量測(cè)泥漿的黏度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無明顯泥塊、碎渣等雜物時(shí)，清孔可以結(jié)束。采用振沖造孔時(shí)，由于孔內(nèi)泥、砂、石等雜質(zhì)較多，通常需要適當(dāng)延長(zhǎng)清孔時(shí)間并采取措施，以保證清孔質(zhì)量。

3.3 填料及加密制樁

清孔完成后，將220 kW振沖器開啟并放入孔底，由孔口填料進(jìn)行加密制樁。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”，填料頂部一般應(yīng)高于振動(dòng)器8～12 m，填料后必須保證振沖器能貫入到原提起前深度，以防漏振。加密制樁自孔底開始，逐段向上，留振時(shí)間12 s，加密電流170～190 A，加密段長(zhǎng)50 cm，逐段做好振密搭接，以防漏振。在加密段長(zhǎng)內(nèi)上下活動(dòng)振沖器并密切關(guān)注電流變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流上升緩慢時(shí)及時(shí)補(bǔ)充填料量，電流迅速上升時(shí)及時(shí)判斷上升原因并采取合理措施。當(dāng)加密電流達(dá)到設(shè)計(jì)值并留振到規(guī)定的時(shí)間后，再將振沖器提升一個(gè)段長(zhǎng)，如此循環(huán)往復(fù)直至設(shè)計(jì)樁頂，樁頂加密完成后，進(jìn)行一次復(fù)振以確保樁頂密實(shí)。

4 全自動(dòng)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

本工程在施工時(shí)，通過安裝在不同設(shè)備上的傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振沖施工過程的深度、電流、電壓、水壓、水量、氣壓、氣量、填料量等實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)跟蹤，有效控制了施工質(zhì)量。

用無線傳輸?shù)姆绞?，將SV70碎石樁機(jī)中自帶的深度傳感器采集的振沖深度數(shù)據(jù)傳輸?shù)今{駛室內(nèi)的顯示屏上。

將電流互感器安裝在變頻柜中的振沖出線上，當(dāng)啟動(dòng)振沖器時(shí)，電流互感器產(chǎn)生的電流、電壓信號(hào)傳輸?shù)娇刂乒裰小?/p>

通過安裝在出水處的壓力傳感器，將施工過程中的水壓、氣壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂乒裰小?/p>

在空壓機(jī)一旁的出氣、出水管道上安裝渦街流量計(jì)，當(dāng)有氣體或者水流過時(shí)會(huì)有電信號(hào)的產(chǎn)生，從而對(duì)施工過程中的氣體、水的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

氣體閥門控制采用電動(dòng)閥門，通過3種方式調(diào)節(jié)閥門的開合度。第1種方式是在監(jiān)控屏幕上直接觸控按鈕控制；第2種方式為手動(dòng)打開閥門上的蓋子，在控制器上通過轉(zhuǎn)換按鈕(A/M鍵)進(jìn)行閥門控制；第3種方式為手動(dòng)搖桿進(jìn)行閥門的開合。

5 成樁質(zhì)量檢測(cè)

5.1 檢測(cè)內(nèi)容及檢測(cè)方法

依據(jù)JGJ 340—2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[6]對(duì)振沖碎石樁進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)項(xiàng)目、方法及數(shù)量見表1。

表1 碎石樁樁身質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法、檢測(cè)數(shù)量

5.2 檢測(cè)結(jié)果

上游圍堰地基處理工程(一期)振沖碎石樁A區(qū)完成819根樁，B區(qū)完成1 024根樁，累計(jì)完成1 843根樁。根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，依據(jù)表1所列本次碎石樁質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法及數(shù)量要求，一共檢測(cè)完成19根樁。檢測(cè)情況見表2～表4。

由室內(nèi)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果得知，在現(xiàn)有鉆芯取樣平均級(jí)配下，碎石樁最大干密度為2.26～2.38 g/cm3，平均值為2.33 g/cm3；碎石樁按最大干密度制樣，各級(jí)配下抗剪強(qiáng)度凝聚力為91～128 kPa，平均值為109 kPa，內(nèi)摩擦角為40.2°～42.5°，平均值為41.4°，滿足設(shè)計(jì)要求；各級(jí)配壓縮模量在圍壓0.4～0.8 MPa或0.8～1.6 MPa下大于50 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 室內(nèi)土工試驗(yàn)成果

表3 重型動(dòng)力觸探測(cè)試成果

表4 現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)成果

根據(jù)重型動(dòng)力觸探檢測(cè)成果，振沖碎石樁整體質(zhì)量較好，樁身修正后平均重型動(dòng)力觸探擊數(shù)均大于15擊，滿足設(shè)計(jì)要求，合格率100%。

根據(jù)滲透試驗(yàn)成果，各測(cè)點(diǎn)的滲透系數(shù)均滿足不小于1×10-2cm/s的設(shè)計(jì)要求，合格率100%。滲透系數(shù)最小值為1.30×10-2cm/s，最大值為8.74×10-2cm/s，振沖碎石樁透水性良好。

因此，振沖碎石樁檢測(cè)成果表明，在采取加固處理措施后，圍堰基礎(chǔ)明顯改善了抗液化性能，提高了承載力和抗變形能力，振沖碎石樁透水性良好。

6 結(jié) 語

拉哇水電站上游圍堰高60 m，基礎(chǔ)覆蓋層深超過70 m，圍堰結(jié)構(gòu)安全及基礎(chǔ)處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外水電建設(shè)史上罕見，無成熟經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，振沖碎石樁施工難度遠(yuǎn)超35 m以內(nèi)成熟技術(shù)。在無先例可循的情況下，本工程充分利用SV70碎石樁機(jī)，通過伸縮導(dǎo)桿連接振沖器，在拉哇水電站上游圍堰基礎(chǔ)處理一期工程中順利完成了最大施工深度67.74 m的振沖碎石樁施工，突破了振沖碎石樁施工的深度記錄，總計(jì)完成進(jìn)尺3.5萬余m。施工完成后的檢測(cè)成果表明，在采取加固處理措施后，明顯改善了圍堰基礎(chǔ)的抗液化性能，提高了其承載力和抗變形能力，振沖碎石樁透水性也良好。本工程所采用的超深振沖碎石樁施工技術(shù)成功運(yùn)用于目前國(guó)內(nèi)外大規(guī)模施工的最深振沖碎石樁施工，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白，可為類似工程施工提供借鑒。