塑性混凝土防滲墻墻下帷幕灌漿預(yù)埋管技術(shù)研究

張 宗 福， 楊 雪 梅， 舒 媛

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

銀江水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是金沙江中游水電開發(fā)的最后一個(gè)梯級(jí)，其施工導(dǎo)流采用三期導(dǎo)流方式。一期圍堰采用塑性混凝土防滲墻作為防滲體系，防滲墻入巖1 m，墻厚0.6 m。防滲墻施工軸線長(zhǎng)度為407.3 m，其中樁號(hào)K0+56～K0+95.8范圍要求在防滲墻內(nèi)預(yù)埋帷幕灌漿管，以便于工程后期帷幕灌漿的施工，減少混凝土的鉆孔時(shí)間。該段總共需要埋設(shè)26根預(yù)埋管。

銀江水電站防滲墻工程屬于嵌巖式，防滲墻在成槽過程中見基巖面后入巖部分的成槽采用沖擊鉆機(jī)鉆劈法施工，其防滲墻與基巖的接合面部分可能存在破碎的基巖，將會(huì)形成防滲的薄弱環(huán)節(jié)[1]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)階段，該部位地勘資料顯示基巖段裂隙相對(duì)發(fā)育且?guī)r體強(qiáng)度較高。為了保證該部分的有效防滲，滿足基坑下挖深度要求，對(duì)該段設(shè)計(jì)采用墻底帷幕灌漿，通過帷幕灌漿實(shí)現(xiàn)混凝土防滲墻以下的防滲。

預(yù)埋管下設(shè)質(zhì)量的好壞對(duì)于后續(xù)施工的進(jìn)度及施工難度影響很大。因此，如何采取有效措施提高預(yù)埋管的質(zhì)量至關(guān)重要。依托該工程防滲墻下預(yù)埋管施工，研究了預(yù)埋管施工技術(shù)，從而即經(jīng)濟(jì)、又合理地完成了預(yù)埋管作業(yè)。

2 預(yù)埋管施工技術(shù)方案

該項(xiàng)目防滲墻采用塑性混凝土，設(shè)計(jì)終凝強(qiáng)度僅為5 MPa，強(qiáng)度較低且因墻體上不宜實(shí)施鉆孔，故其墻下的帷幕漿灌需要依靠預(yù)埋灌漿實(shí)現(xiàn)，即在防滲墻施工完成后通過預(yù)埋的灌漿管直接對(duì)墻下基巖部分進(jìn)行帷幕灌漿鉆灌施工，從而避免了在塑性混凝土防滲墻上進(jìn)行鉆孔施工對(duì)原本強(qiáng)度較低的墻體產(chǎn)生破壞，降低了墻體損壞帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 工程難點(diǎn)

2.1.1 墻體較薄，個(gè)別預(yù)埋管桁架內(nèi)需下設(shè)澆筑導(dǎo)管

由于帷幕灌漿孔間距為1.5 m，防滲墻單元長(zhǎng)度為6.2 m，因此，Ⅱ期槽整槽不可避免地均需下設(shè)預(yù)埋管，同時(shí)，由于墻厚只有60 cm，桁架除去保護(hù)層及角鋼的寬度，其內(nèi)側(cè)間距只有40 cm左右。而澆筑導(dǎo)管接頭部位的直徑可達(dá)30 cm，極易造成導(dǎo)管掛在預(yù)埋管桁架上而導(dǎo)致鑄管或拔出預(yù)埋管桁架。

2.1.2 地質(zhì)情況復(fù)雜，孔斜率較難控制

一期圍堰防滲墻預(yù)埋管的施工部位自上而下分別由回填層、沖積卵石、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、卵礫石層及黑云母閃長(zhǎng)巖(基巖)構(gòu)成?；靥顚哟嬖谳^大孤石，其硬度高、粒徑大且較松散，易漏漿塌孔；砂卵石層也存在較大孤石，一般粒徑不大于30 cm，主要是回填層和砂卵石層的孔斜較難控制。為保證桁架下設(shè)，要求垂直度必須高于設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而增加了施工難度。

2.2 預(yù)埋管施工工藝

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

為了消除因管體自身的垂直度及混凝土澆筑時(shí)混凝土的沖擊力作用對(duì)管體定位的影響，不能采用“單根鋼管埋設(shè)法”，而需采用各根鋼管焊接成一整體桁架的“組合式直接預(yù)埋鋼管法”[2]。采用角鋼制作專門用于支撐、定位預(yù)埋管的骨架，并將預(yù)埋鋼管焊接固定在骨架中間。預(yù)埋管對(duì)口焊接處采用鋼筋箍焊加固的方式進(jìn)行連接，并需保證預(yù)埋管的整體垂直度，使其滿足帷幕灌漿鉆孔施工孔斜的要求。鑒于桁架懼怕受壓變形，桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及起吊方案等需要考慮避免桁架受壓。

2.2.2 預(yù)埋管的選擇

帷幕灌漿先導(dǎo)孔鉆孔孔徑為75 mm，生產(chǎn)孔的鉆孔孔徑為56 mm，最終項(xiàng)目部選擇了φ91 mm無(wú)縫鋼管，壁厚3.5 mm，理論重量為7.38 kg/m，單槽最大埋管長(zhǎng)約80 m，重約0.6 t。

預(yù)埋管內(nèi)徑為84 mm，大于先導(dǎo)孔孔徑要求，其壁厚主要考慮預(yù)埋管需要具有一定的抗彎強(qiáng)度，能夠防止受混凝土擠壓變形。

2.2.3 桁架設(shè)計(jì)

灌漿預(yù)埋管定位架應(yīng)根據(jù)每個(gè)槽段的尺寸及槽段內(nèi)灌漿孔的設(shè)計(jì)位置制作[3]，根據(jù)帷幕灌漿孔的間距為1.5 m，槽段長(zhǎng)6.2 m的實(shí)際情況，需綜合考慮導(dǎo)管、接頭孔等，經(jīng)初步預(yù)計(jì)，一個(gè)槽段可埋設(shè)3～5個(gè)帷幕灌漿孔支架。若預(yù)埋管和導(dǎo)管等重合或鄰近，在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)可適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)管和預(yù)埋管的位置。17號(hào)槽段的定位架平面圖見圖1。

圖1 定位架典型平面圖

水平定位架寬度均為50 cm，兩側(cè)各留5 cm保護(hù)層厚度，其長(zhǎng)度根據(jù)預(yù)埋管的數(shù)量、接頭孔位置及導(dǎo)管位置進(jìn)行調(diào)整，但需保證槽與槽之間的預(yù)埋管間距在設(shè)計(jì)及規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

水平定位架根據(jù)最淺孔深確定個(gè)數(shù)，并需保證各層定位架之間的間距≤5 m。例如17號(hào)槽，其最小孔深為19.1 m，布置有5層定位架。定位架在四個(gè)側(cè)面加設(shè)“十字”斜撐以確保桁架剛度、增加桁架的抗壓能力；該槽段可以埋設(shè)4跟預(yù)埋管，故定位架內(nèi)側(cè)的間距約為4.6 m，外側(cè)寬50 cm，順槽方向兩側(cè)均勻布置高5 cm的耳朵，Φ16 mm螺紋鋼，梅花形布置以確保保護(hù)層的厚度。

由于防滲墻底部基巖面具有一定的坡度，故對(duì)其下部需準(zhǔn)確測(cè)量各孔位的深度，將異型段做成與基巖面吻合的臺(tái)階型斷面以保證桁架的穩(wěn)定。桁架豎向結(jié)構(gòu)見圖2。

預(yù)埋管的單根長(zhǎng)度若小于槽深，則需采用焊接的方式連接預(yù)埋管。由于管壁較薄，為防止焊穿預(yù)埋管，在單根鋼管的接口處焊接了三根長(zhǎng)度為30 cm，Φ16 mm的豎向螺紋鋼筋，以方便鋼管焊接對(duì)位并確保接口處的強(qiáng)度。同時(shí)，預(yù)埋管接頭應(yīng)緊密接觸并滿焊，防止混凝土內(nèi)的砂漿、水泥漿流入預(yù)埋管內(nèi)，造成預(yù)埋管堵塞。預(yù)埋管底部需采用薄鐵皮“封底”，防止?jié)仓^程中混凝土進(jìn)入管內(nèi)。預(yù)埋管施工完畢，對(duì)其管口進(jìn)行封閉防護(hù)處理，孔口封閉采用管內(nèi)填塞編織袋或焊薄鐵板的方法，防上異物落入管內(nèi)，避免增加帷幕鉆孔的難度。

預(yù)埋管桁架的水平方向主要承受壓力，應(yīng)防止桁架扭曲變形。在預(yù)埋管桁架豎直方向下設(shè)過程中主要承受拉力，澆筑過程中可能逐漸變?yōu)閴毫?主要受導(dǎo)管埋深及混凝土流動(dòng)性影響)。澆筑過程中，應(yīng)主要防止桁架受浮力影響導(dǎo)致的桁架變形，即控制兩側(cè)的澆筑速度要均勻，及時(shí)拆管，嚴(yán)格把控混凝土質(zhì)量。

桁架采用焊接的方式連接，一定要保證各節(jié)點(diǎn)焊接牢靠，無(wú)脫焊、虛焊。

2.2.4 桁架材料的選擇

目前常用的桁架材料有鋼筋和角鋼2種，40 mm×40 mm×4 mm的角鋼每m重2.422 kg，相當(dāng)于Φ20 mm鋼筋單m的重量。角鋼相對(duì)于鋼筋來(lái)說(shuō)，其抗彎性能優(yōu)于鋼筋，而其抗彎性能是預(yù)埋管桁架不發(fā)生變形的重要前提，但相對(duì)于鋼筋而言，澆筑過程中角鋼受到的浮力更大，澆筑過程中更容易“浮籠”，因此，混凝土澆筑前需對(duì)孔口采取一定的措施預(yù)防浮籠。

2.2.5 防滲墻的成槽要求

防滲墻成槽過程中，一定要嚴(yán)格控制孔斜，將整槽孔斜率一定要控制在3‰以內(nèi)、高于設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)范要求4‰。一定要防止在下設(shè)過程中預(yù)埋管桁架頂在孔壁上造成下設(shè)困難、甚至破壞預(yù)埋管桁架或卡在槽孔內(nèi)無(wú)法提出而導(dǎo)致需要重新焊接預(yù)埋管桁架或重新造孔清槽的情況發(fā)生，既增加成本，又延誤工期。若埋設(shè)深度增大，對(duì)防滲墻成槽孔斜率的要求應(yīng)相應(yīng)提高。

另外，還需保證垂直方向的孔斜方向一致，防止形成“破浪墻”。按照18 m孔深計(jì)算，孔斜率為3‰，孔底偏差約5.4 cm；若垂直墻身方向一前一后、孔底偏差達(dá)到11 cm左右，也會(huì)造成預(yù)埋管桁架下設(shè)困難等問題。

2.2.6 預(yù)埋管的制作及下設(shè)

(1)施工測(cè)量。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及槽段劃分情況確定預(yù)埋管桁架的兩端位置。

(2)預(yù)埋管桁架的加工。槽段開始施工后，同步加工該槽段預(yù)埋管桁架，每個(gè)槽段因孔位及孔數(shù)不同，其桁架結(jié)構(gòu)圖應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)以確保在孔位偏差滿足要求的情況下盡量避開接頭孔、導(dǎo)管等位置。

按照設(shè)計(jì)圖紙下料，焊接預(yù)埋管桁架，桁架的焊接場(chǎng)地應(yīng)平整以保證桁架的垂直度。

(3)預(yù)埋管的下設(shè)及保護(hù)。待槽孔驗(yàn)收合格后方可下設(shè)預(yù)埋管。下設(shè)前，先按照既定的孔位做好記號(hào)，將加工好的桁架先檢查一遍，看其是否有脫焊或漏焊，灌漿管布置的是否合理以及垂直度符合要求否，防止預(yù)埋管吊裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)接頭焊接不平直形成“硬彎”[4]。然后采用25 t吊車在現(xiàn)場(chǎng)起吊，使桁架預(yù)埋管中心與孔位相對(duì)應(yīng)、誤差小于技術(shù)要求的允許值。下設(shè)到位后需對(duì)孔口進(jìn)行妥善保護(hù)，防止混凝土進(jìn)入預(yù)埋管內(nèi)。

該工程預(yù)埋管的最大深度為19.5 m，故桁架采用一次性加工成型、整體起吊的方式下設(shè)。預(yù)埋管吊點(diǎn)選擇在桁架上方兩端及下方中間，桁架上方兩端的2個(gè)吊點(diǎn)為主吊點(diǎn)(兩個(gè)主吊點(diǎn)一定要中心對(duì)稱，防止桁架偏心受力導(dǎo)致變形)，下方為輔吊點(diǎn)，輔助主吊點(diǎn)將桁架由水平狀態(tài)調(diào)整為懸垂?fàn)顟B(tài)，入槽前將輔吊取下來(lái)，由上方2個(gè)主吊點(diǎn)慢慢將桁架下設(shè)到指定位置。下設(shè)到指定位置后，在槽孔內(nèi)用2～3根槽鋼橫跨導(dǎo)向槽將桁架放置在槽鋼上，保持桁架呈懸垂?fàn)顟B(tài)，其垂直方向不承受壓力，防止桁架變形。

預(yù)埋管桁架相當(dāng)于重量小的鋼筋籠，需采取有效措施防止桁架上浮，如保證混凝土的流動(dòng)性，控制澆筑速度、減少導(dǎo)管埋深及孔口增加固定措施等。

預(yù)埋管在完成下設(shè)定位后，最具有難度的是混凝土澆筑過程對(duì)其帶來(lái)的擾動(dòng)，尤其是混凝土澆筑至鋼筋籠區(qū)域時(shí)對(duì)鋼筋籠產(chǎn)生的上浮或下沉，將導(dǎo)致其發(fā)生位移或偏斜、甚至斷裂。為了保證預(yù)埋管在槽孔內(nèi)擾動(dòng)最小，施工時(shí)必須控制混凝土質(zhì)量及澆筑速度，保證混凝土塌落度為20～24 cm，擴(kuò)散度不小于340～400 mm且和易性良好。混凝土面剛到桁架底高度時(shí)，一定要控制好澆筑速度，將速度控制在2～3 m/h，及時(shí)拆管，導(dǎo)管埋深不大于4 m。

(4)檢查預(yù)埋管。預(yù)埋灌漿管在完成埋設(shè)后及防滲墻混凝土澆筑完成時(shí)，需要對(duì)預(yù)埋管進(jìn)行質(zhì)量檢查。為了準(zhǔn)確地測(cè)出其垂直度，一般采用“測(cè)斜儀”以 5 m 為一段對(duì)整孔進(jìn)行檢測(cè)并記錄詳細(xì)數(shù)據(jù)，之后對(duì)孔口做好保護(hù)，避免雜物掉入。同時(shí)，還要檢查預(yù)埋管間距(主要是槽與槽之間、預(yù)埋管之間的間距是否滿足要求)。

對(duì)于預(yù)埋管損壞或間距大于設(shè)計(jì)值的情況，預(yù)埋管是無(wú)法進(jìn)行彌補(bǔ)的，如果影響到灌漿質(zhì)量，可以選擇在墻體鉆孔以實(shí)施墻下的帷幕灌漿用于保證基礎(chǔ)防滲；也可以在該孔位的上下游進(jìn)行加密或補(bǔ)強(qiáng)灌漿進(jìn)行處理，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)。

(5)預(yù)埋管方案的優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，項(xiàng)目部對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到降低施工難度、降低施工成本的目的。

①考慮到豎向所受壓力較小，取消了桁架順墻身方向側(cè)面的角鋼斜撐，保留了垂直墻身方向及水平方向的斜撐，減少了加工難度，節(jié)約了成本；

②水平定位架將“十字”交叉斜撐改成“八”字型，方便了導(dǎo)管的下設(shè)及拆除，同時(shí)避免了導(dǎo)管掛桁架造成鑄管或預(yù)埋桁架上浮報(bào)廢。

2.2.7 應(yīng)用效果

銀江水電站一期圍堰防滲墻工程軸線長(zhǎng)407.3 m，壁厚0.6 m，樁號(hào)K0+56～K0+95.8范圍要求預(yù)埋帷幕灌漿管，累計(jì)埋設(shè)預(yù)埋管26根，7個(gè)預(yù)埋管桁架，最大預(yù)埋深度為19.5 m，目前該段已完成帷幕灌漿施工，預(yù)埋管成功率為100%。如果直接在墻體內(nèi)鉆孔，鉆孔偏斜過大會(huì)鉆穿墻體，對(duì)防滲墻墻體造成破壞，進(jìn)而影響到防滲效果[5]。采用預(yù)埋灌漿管技術(shù)避免了該段帷幕灌漿穿墻鉆孔的難題，縮短了工期，降低了施工成本，創(chuàng)造了巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益，所取得的經(jīng)驗(yàn)值得在同類工程中推廣應(yīng)用。

2.2.8 小結(jié)

(1)采用角鋼制作預(yù)埋管桁架，可以有效地保證預(yù)埋管桁架的穩(wěn)定性，桁架發(fā)生變形的概率較?。?/p>

(2)若埋設(shè)深度小于10 m，角鋼的規(guī)格可適當(dāng)減小，桁架的水平定位架間距可以適當(dāng)?shù)脑黾右越档统杀荆?/p>

(3)若預(yù)埋管深度增加，則需考慮增大角鋼規(guī)格及順墻方向的斜撐，以保證桁架的穩(wěn)定。

(4)桁架自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是防止桁架受壓發(fā)生形變，水平方向由于起吊肯定受壓，因此必須設(shè)置斜撐以增加其穩(wěn)定性；豎直方向在正常情況下主要受自重產(chǎn)生的拉力，澆筑過程中受到混凝土的浮力、摩擦力等可能也會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，因此需要控制水平定位架間距以避免桁架變形。

3 社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益

通過“預(yù)埋管法”進(jìn)行防滲墻下帷幕灌漿施工技術(shù)研究，結(jié)合銀江水電站圍堰防滲墻下帷幕灌漿工程的施工實(shí)踐，不斷調(diào)整、優(yōu)化預(yù)埋管施工工藝，確保了依托工程施工的安全和質(zhì)量，經(jīng)過工程應(yīng)用和施工實(shí)踐，取得了以下幾方面效益：

3.1 工期效益

此次帷幕灌漿預(yù)埋管的成功實(shí)施，有效地減少了該段墻下帷幕在墻內(nèi)造孔的時(shí)間，有效地避免了造孔破壞墻體的風(fēng)險(xiǎn)，按照墻內(nèi)造孔一次性成孔計(jì)算預(yù)計(jì)節(jié)約工期約10 d。

3.2 社會(huì)效益

相對(duì)于墻內(nèi)造孔的方式，采用預(yù)埋管成孔可以減少因帷幕灌漿造孔對(duì)墻體造成的損傷，有利于保證防滲墻的防滲效果，減少后期基坑經(jīng)常性抽排水的費(fèi)用，樹立良好的企業(yè)形象；同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)可在類似采用“墻幕”結(jié)合防滲的工程中推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究?jī)H對(duì)預(yù)埋灌漿管的工藝在理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)與總結(jié)。整個(gè)研究取得了理想的效果，但仍存在很大的改進(jìn)和提高空間，希望該研究成果能夠?qū)︻愃乒こ烫峁┮欢ǖ膮⒖己退悸贰?/p>