防滲墻槽孔坍塌成因、預防及處理技術

李保紅

（湖北大禹建設股份有限公司，武漢 430061）

1 防滲墻槽孔坍塌原因分析

1.1 護壁漿液問題

目前最常用的護壁泥漿是黏土漿液、 膨潤土泥漿兩種， 有時為了調節(jié)泥漿的黏度和膠體穩(wěn)定率等性能會在泥漿中加入堿粉等外加劑。 泥漿除了有攜帶泥削、冷卻鉆頭等作用，更主要的是其靜壓力抵抗槽壁土壓力，并在槽孔壁面形成泥皮，起保護槽壁穩(wěn)定的作用。

（1）制漿原材料黏粒少。 配置黏土泥漿使用的黏土黏粒含量太低、 砂粒含量高， 造成黏土泥漿膠體率低、穩(wěn)定性差，不易在槽壁上形成泥皮，槽孔容易坍塌。

（2）泥漿比重太小。 同種配漿材料泥漿比重小，說明含水量大， 水會浸泡槽壁造成槽壁吸水飽和自身不能穩(wěn)定發(fā)生坍塌。

（3） 膠體穩(wěn)定性差。 配制好的泥漿膠體率低或24h靜置后穩(wěn)定性差，有的達不到75%，這樣的泥漿在槽孔內會出現(xiàn)上部是水，底部是泥漿，上部起不到固壁作用，造成槽孔坍塌。

1.2 造槽方式問題

防滲墻槽孔造槽方式有抓取法、 鉆抓法、 鉆劈法、鋸槽法、射水法等，最常用的是前3種。

（1）抓斗在槽孔內的快速活動會產生抽吸作用。抓斗快速入槽造成槽內泥漿向外擠壓槽壁， 而后抓斗快速提升又造成槽壁瞬時出現(xiàn)臨空面向槽內移動（雖然有泥漿回流）， 這樣反復多次造成槽壁不穩(wěn)坍塌，尤其是對較深的槽孔尤為明顯。

（2）沖擊鉆的振動作用。沖擊鉆造槽是依靠沖擊鉆頭的動能和動量沖擊破壞地層， 每次沖擊相當于一次較小的爆破形成的震動， 長期在此種震動作用下，槽壁會出現(xiàn)不穩(wěn)定，需要說明的是該震動主要影響沖擊處較近的范圍。

1.3 地層不良問題

地層本身穩(wěn)定與否，是保證槽壁穩(wěn)定的關鍵因素。有的地層本身就很穩(wěn)定，有的地層遇水就容易坍塌，有的地層含有較多砂卵石也是不穩(wěn)定的一個重要因素。

（1）大孤石或漂石地層。地層中含有大孤石或漂石時，若采取的措施方法不當，可能導致槽壁不穩(wěn)定而發(fā)生坍塌。 尤其對硬度較大的孤石和漂石采用沖擊破碎法不僅不起作用，還會導致槽壁震動坍塌。

（2）砂卵石地層。砂卵石地層或砂礫地層屬于松散地層，防滲墻施工前未采取有效的預防措施，也會造成槽壁失穩(wěn)，發(fā)生坍塌。

（3）土堤土壩填筑質量差、密實度低，加之運行多年來不均勻沉降及管理不善出現(xiàn)白蟻危害嚴重，此時槽段內泥漿壓力大于土堤壩最小主應力， 從而土堤壩被劈裂，槽孔內泥漿很快流失，漿液面下降，槽壁失去泥漿的支撐力而坍塌。

1.4 槽段劃分不當或施工安排不合理問題

（1）槽段劃分過長，則造槽孔時槽壁臨空面過長，也容易發(fā)生槽孔坍塌。 合龍槽段布置不合理，如布置在深槽段，則很有可能造成集中滲流，槽孔坍塌。

（2）槽孔清孔結束，后續(xù)混凝土澆筑沒有及時跟上，槽孔在泥漿浸泡中停頓時間過長，也可造成槽壁被泡松軟而發(fā)生坍塌。

1.5 地表外加荷載問題

地表外持續(xù)施加振動荷載， 使得槽段地層土體凝聚力降低。 例如在粉細沙或沙土地層采用鉆劈法施工時，地層較容易在沖擊鉆振動下液化，導致槽壁土體飽和溜坡失穩(wěn)，造成槽孔坍塌。

1.6 外界環(huán)境問題

（1）施工平臺出現(xiàn)問題。防滲墻施工平臺未設定散水坡度或平臺太低，一旦遇到大雨、暴雨或持續(xù)雨天，會造成雨水淹沒整個施工平臺，槽壁外水壓力增大，雨水滲入地基，減小了槽壁土顆粒間內聚力，造成大面積的槽孔坍塌。

（2）施工導墻出現(xiàn)問題。一般來說導墻不僅為造槽機械提供導向槽導向作用， 還對槽壁的支撐效應有重要作用， 可有效地約束限制槽壁兩側土體的位移。 如果導墻斷裂，則上述作用不能發(fā)揮，也容易造成槽孔坍塌。

2 槽孔坍塌預防措施

2.1 施工前預防措施

2.1.1 研究地質勘察資料

施工技術人員在造槽前應詳細了解造槽區(qū)域內的地質狀況， 造槽設計深度范圍內地層分層情況及地層土 （巖） 體物理力學性質和地下水位高程等資料。另外對土堤壩本身需要了解其透水性，如歷史上有沒有出現(xiàn)過滑坡、裂縫、較大沉降、管涌、散浸問題，堤身土體中是否含有孤石或漂石等。對堤壩基礎段有無砂卵（礫）石，如有無多厚及粒徑情況，有無地下水流動情況，有無流速大小等。 對嵌巖防滲墻，還要了解基巖情況，如為灰?guī)r，要搞清楚是否有大裂隙或溶洞、溶溝、溶槽等。如果沒有這些地質資料，必要時應進行補充勘察， 獲得詳細的地勘資料以指導后續(xù)施工。

針對獲取的地質資料，預先采取預防措施。①嵌入的基巖有溶洞， 則要根據(jù)探明的溶洞大小準備相應的混凝土材料和施工機械設備。 ②砂礫地層地下水活躍，施工前要準備一定量的水泥、水玻璃、珍珠巖、鋸末、黏土球等堵塞物備用。 ③地層中有堅硬的大孤石、漂石，可在槽孔施工前預先用地質鉆機鉆孔予以爆破破碎， 降低后期造槽施工時處理這些問題而導致槽孔坍塌的概率。

2.1.2 幫填的施工造槽平臺加固處理

大多已有的土質堤壩堤頂寬度很難滿足防滲墻造槽平臺寬度要求， 因此施工造槽平臺大多需要通過幫填形成。 有的土壩堤頂寬度只有約3.0m，遠遠不能滿足防滲墻造槽施工平臺寬度需要（一般鉆劈法要求施工平臺寬度6.0～9.0m， 抓取法和鉆抓法要求施工11.0～13.0m［2］），這種情況往往采取在枯水期降低壩堤高度， 并結合在堤壩內外一側或兩側幫填以獲取合適寬度的施工平臺， 但在汛期來臨前必須恢復至原堤壩高度。這樣的施工平臺是松散不密實的，因此需要對施工平臺幫填時進行碾壓或夯實處理，以提高平臺的承載力和抗滑動能力， 尤其新老填土界面應采取加一排或多排木樁以提高幫填部分的抗滑性。如果老填土面本身土質很松散，要在導向槽施工前首先對該土體進行振沖加密和碾壓加固。 需要說明的是振沖加密比碾壓加固影響深度深， 可以處理相對較深層土體。 一般來說碾壓法用于施工平臺面層整平壓實，振沖加密因其高頻振動，配以適量的水可將松散砂土顆粒液化后重新排列， 縮小加固體體積，從而密實相對較深地基。振沖器的選擇可參考被加固體性質， 如為砂土地基振動器功率選25～35kW，如果為砂卵（礫）石地基，則振動器功率應選大一點，可選擇不小于70kW的振動器。

施工平臺向外應有0.2%～0.5%的坡度， 能夠排水、排渣、排漿通暢，倒?jié){平臺應向外有2%～3%的坡度，保證施工期間不積水，水更不會滲入地基。

2.1.3 合理劃分槽段和設置恰當?shù)暮淆埗?/p>

密實度差或已有裂縫、白蟻危害嚴重、曾發(fā)生過塌陷或滑坡的堤壩，可將槽段縮短一些。槽段長度一般為5.0～7.0m，最大不超過9.0m，其布設原則不僅依靠地層情況還要結合混凝土的澆筑能力、 地下水位高度、泥漿的儲備和供應能力等綜合考慮，即結合施工整體安排考慮。槽段布置太短會形成較多接頭，不利于抗?jié)B效果，布置過長會增加槽孔坍塌的可能性。根據(jù)多個項目施工經(jīng)驗得出“槽淺段長，槽深段短；地下水位低段長，地下水位高段短；密實地層段長，松散地層段短；有漂石地層段短，無漂石地層段長”的總體原則。如槽深在20m以內，槽長宜為7.0m左右，槽深20.0m以上，槽長宜為6.0m左右，但槽深在地下水位以上，槽深在20.0m以內，段長可增加到9.0m，甚至更長，只要保證槽孔不坍塌即可。但對坡較大且高度較高的土堤壩（高度超過50m），設置過長的槽段，在泥漿作用下可能會引起壩體劈裂，不利于壩坡安全。

合龍段類似與河道截流的合龍口，是造槽施工的最后一槽段，此時其兩邊的槽段均已施工完成， 滲水集中從合龍段穿過。 如果合龍槽段設置在深槽，則集中滲流速過快，不利于槽孔穩(wěn)定，如果合龍槽段選太淺的槽，則較深槽孔因上述原因同樣施工困難， 合龍槽也起不到應有作用。規(guī)范［3］規(guī)定“合龍段的槽孔長度以短槽為宜，盡量安排在槽深較淺、條件較好的地方”， 根據(jù)筆者經(jīng)驗證明土壩建造防滲墻合龍槽段宜選擇在最深槽孔約1/3～1/2深度的槽段。

2.1.4 制漿材料選擇

施工前選用優(yōu)質的黏土或膨潤土制配泥漿，對槽孔固壁作用非常明顯。 泥漿固壁的機理主要有2個， 一是依靠槽孔內泥漿的靜壓力來抵抗槽壁側向壓力， 二是附著在槽壁上的泥皮產生的抗剪效應對槽孔穩(wěn)定產生較大作用。 有的學者認為槽孔本身的拱效應也起到一定作用， 但不可否認的是90%以上的作用是靠泥漿發(fā)揮的， 因此泥漿性能的好壞對槽孔壁穩(wěn)定至關重要。

黏土作為常用制漿材料相對較經(jīng)濟， 一般施工當?shù)馗浇梢哉业?，但天然黏性土黏粒含量不高，導致配制的泥漿黏度較低，對于土質槽孔來說尚可，對容易坍塌地基的槽孔就不太適合。 因此選用制漿材料要根據(jù)地質情況綜合確定， 一般來說易坍塌的地基需要較好的泥漿，制漿材料可選擇優(yōu)質膨潤土，地質條件較好的地基制漿材料考慮經(jīng)濟效益可選擇當?shù)仞ね?。無論是選取用哪一種材料制漿，配置出的泥漿性能達不到要求，均應輔以外加劑調節(jié)，比如加入適量羧甲基纖維素鈉可增加泥漿黏度并改善其膠體性、 加入適量石粉可增加泥漿比重等。 對于多層地基，應按照最容易坍塌的地層選擇制漿材料。

配制好的泥漿須經(jīng)檢驗才可使用， 一般主要檢測泥漿5項性能指標，即比重、黏度、含沙率、膠體率、失水率。事實上槽孔坍塌不僅與泥漿有關，還與槽孔所處位置的地下水位有關。地下水位太高，泥漿中的自由水不會通過槽壁滲透， 則保護槽壁的泥皮不能附著，槽壁也就不穩(wěn)定。 有資料［2］統(tǒng)計顯示，地下水位和泥漿黏度與槽孔坍塌的可能性關系如表1。

表1 不同地基條件下孔壁坍塌的可能性與需要的泥漿黏度

2.2 施工中預防措施

2.2.1 間隔槽段造槽

理論上，2個槽孔間隔越遠， 施工時相互影響就越小。 目前混凝土防滲墻常用的施工順序是分二序間隔進行的，施工規(guī)范［3］也是這樣規(guī)定。 一般來說，為了避免槽間相互影響， 同時施工法人槽孔遵循間隔跳槽法施工， 最常用的跳槽法是中間間隔3個槽孔，穩(wěn)定性較好的地層也可間隔1個槽孔，穩(wěn)定性差的地層可間隔5個或7個槽孔。 但間隔槽孔也不宜再多，否則起不到相互影響作用，且造槽機械搬運距離遠不經(jīng)濟。

2.2.2 巡查巡視

無論是鉆劈法、抓取法或鉆抓法，造槽時隨時要有人觀測槽孔內泥漿面有無異常下降， 巡視槽孔段附近堤壩是否出現(xiàn)裂縫、有無泥漿出漏、施工平臺有無沉陷或開裂等異?，F(xiàn)象。

2.2.3 砂卵（礫）石地層優(yōu)選鉆劈法

砂卵石地層建造槽孔，最大的難題是槽孔漏漿，根據(jù)經(jīng)驗優(yōu)先使用鉆劈法配以比重較大的泥漿，沖擊鉆機可將泥漿中的物質擠向槽孔兩側壁地層，起到穩(wěn)固槽壁的作用， 同時被沖擊鉆機沖擊破壞的地層均成為粉狀或碎屑， 通過沖擊過程將這些物質擠入卵石間空隙起到充塞作用， 而后在泥皮的保護下穩(wěn)定槽孔。

2.2.4 間隙攪動泥漿

施工期間，難免有各種原因致使造槽中斷，泥漿在槽孔內停放時間較長，泥漿上部會出現(xiàn)析水，槽段在水中浸泡，造成上部槽壁不穩(wěn)，此時應輕輕攪動泥漿，保持泥漿上下均一，以穩(wěn)定槽壁。

2.2.5 更換泥漿

造槽過程中，泥漿因攜帶大量的泥（巖）屑等逐漸失去應有的性能，需要時常檢測，對不合格泥漿及時做沉砂、摻入新漿、加外加劑調節(jié)等相應的處理，處理不好的須堅決廢棄換新，以加強護壁效果，減少坍塌槽孔的可能性。

2.2.6 槽孔漏漿

槽孔漏漿是造槽過程中最常見的問題， 一般因堤壩填筑質量差地層松散、砂礫石、大漂石或地層有滲漏通道。造槽期間發(fā)現(xiàn)槽孔內泥漿異常下降，應立即中斷造槽，快速向槽孔內補充泥漿，使槽孔內漿面高度不低于導墻底部。同時向泥漿中摻加膨潤土、粉煤灰、鋸末、人造纖維甚至稻草等一種或幾種堵漏材料。 如果仍沒有效果，可向孔底投放黏土或黏土球、水泥、砂等都漏材料，用鉆頭搗實并擠入漏漿通道。需要特別說明的是在此過程中必須持續(xù)向槽孔內注漿，保持泥漿面不下降。

2.2.7 清孔結束與混凝土澆筑間隔時間

槽孔清孔完成后，盡快實施混凝土澆筑，規(guī)范［3］規(guī)定此間間隔不應超過4h。 因清孔所用泥漿比重相對較低，清孔結束后還需移開造槽機械、澆灌設備進場、下入導管和埋件等，對深槽孔而言，這些工作需要較長時間，但泥漿靜置時間過長，上部泥漿會出現(xiàn)析水后不足以抵抗槽壁的側向力， 也可能導致槽孔坍塌，因此在槽孔清孔后應縮短澆筑前的等待時間，降低坍塌槽孔的可能性。

2.2.8 地層孤（漂）石造成塌孔

根據(jù)經(jīng)驗，直徑大于50cm且硬度較大的孤石、漂石在鉆劈法造槽時，用沖擊鉆難以擊碎，且因震動較大，極易造成槽孔坍塌事故。一般采用水下爆破法處理，一種爆破方式是水下裸露定向聚能爆破法，另一種是水下鉆孔爆破法。

水下裸露定向聚能爆破法可解決直徑不大于1.0m的孤石、漂石，此法可直接增加鉆孔進尺。 水下裸露定向聚能爆破裝置如圖1 ， 該裝置為內外雙層筒結構形式，筒間用黏土填實，用以增加裝置的慣性并對爆破起緩震作用。 爆破筒外壁可選用鋼管或1.0～2.0mm 厚 的 鐵 皮制成， 下設導線主要承擔爆破裝置的質量和對爆破筒的定位導向作用， 測繩用來測量孔深度以確保爆炸物到達預定位置。 爆破前盡量清理干凈孔底沉積物， 攪動孔內泥漿，加大泥漿密度。

圖1 水下聚能爆破裝置示意圖

當孤石體積較大， 采用水下裸露定向聚能爆破其效果不太理想，但為了減少對槽孔壁的擾動，又不能加大藥量［4］，此時需要選擇水下鉆孔爆破法處理，此法是先下入套管至孤石頂部， 而后用黏土投填在套管外壁，然后再用地質鉆機在大孤石、漂石上鉆孔并下入炸藥爆破。 水下鉆孔爆破裝置如圖2，炸藥裝入爆破筒內，筒長度可取20～30cm，筒直徑比鉆孔直徑小5～10mm，根據(jù)鉆孔長度放入由一個或幾個小筒組成的爆破筒， 其總長度應小于孤石中鉆孔深度20cm左右。每一個小筒內都安放雷管，小筒支線與導線采取并聯(lián)形式， 各種器材的作用與聚能爆破器材基本一致，但是與聚能爆破比較，爆破藥筒不易達到預定位置， 所以在爆破筒下入鉆孔內時在其底部配加沉重塊向下牽引。為了避免套管被爆炸破壞，爆破前可將套管提升1.0～1.5m。

圖2 水下鉆孔爆破裝置示意圖

3 塌槽處理措施

3.1 槽孔漏漿坍塌

槽孔漏漿造成坍塌，可回填槽孔而后重新造槽?；靥畈劭卓刹捎灭ね镣粱虻蛷姸然炷痢?如采用黏土回填可在黏土中摻入碎石等材料并利用沖擊鉆夯實，尤其在已坍塌的部位上下各2.0m范圍內，須夯填密實。 如采用C10等低標號混凝土回填，可在回填混凝土強度較低時（回填后2～3d內）重新造槽孔。

3.2 槽孔（口）坍塌

（1）當槽口坍塌范圍不大時，此時導墻一般不會斷裂?？梢圆扇【o貼導向墻外邊緣間隔20～30cm斜向下插入鋼筋、鋼管或木樁，其長度根據(jù)預先判斷的坍塌位置確定并加長不少于1.0m， 然后用黏土封堵坍塌槽孔下部，上部用低標號混凝土封堵，不使水流入坍塌坑縫隙。

（2）當槽孔坍塌范圍較大時，已無法按照上述方法處理， 可采取袋裝黏土回填坍塌底部2.0～3.0m的空間， 而后上部用低標號混凝土水下澆筑法澆筑到槽口，待2～3d后重新造槽。

（3）當槽孔坍塌范圍過大，導向墻嚴重斷裂。 此種情況可采取拆除斷裂導墻， 而后用黏土分層夯實回填槽孔至施工平臺高程， 重新施工導墻， 重造槽孔。如果此時槽孔深度較大且接近完成時，為了減少工期和經(jīng)濟損失， 往往會直接沿防滲墻軸線方向架設30號以上大型型鋼， 造槽機械落在型鋼上繼續(xù)施工的方法，而不必回填槽孔。

3.3 地層不穩(wěn)定槽孔坍塌

地層土體不穩(wěn)定造成槽孔坍塌， 主要是因為土體已經(jīng)飽和、土體不密實、砂卵（礫）石透水地層等［5］，這種地層很容易塌孔。對于土體飽和或土體不密實地基可采取縮短槽段長度，將6.0m左右的槽孔長度縮短至2.0～4.0m。如果仍不行，可直接采用類似于灌注樁施工的辦法，首先完成單個樁柱，樁柱間可用雙反弧鉆頭造孔澆筑混凝土或新灌注樁柱套接，形成連續(xù)的柱式樣連續(xù)墻體。 需特別注意該法因接頭較多，槽孔斜度和孔壁清洗質量須保證。 對于砂卵石地層，可采用投填袋裝黏土，并用沖擊鉆頭“小幅度勤提勤放”，反復攪搗，使黏土可充填到卵石空隙中。

4 結語

（1）槽孔型防滲墻施工技術在我國雖然運用時間不長， 但發(fā)展迅猛， 尤其在水利水電系統(tǒng)運用較廣。隨著引進國外造槽機械技術而后國產化，使得造槽孔施工成本大幅度降低， 加之專業(yè)技術人員對槽孔坍塌進行了系統(tǒng)的研究，不斷改進措施，取得了顯著成效。

（2）合理措施可降低甚至避免坍塌事故發(fā)生。槽孔坍塌是一個事前預防、事中控制、事后補救的全過程把控的復雜綜合性強的技術問題， 需要工程技術人員能夠及時快速選取核實措施， 槽孔坍塌發(fā)生的概率是可以降低甚至避免的。