超長(zhǎng)土釘施工工法與機(jī)具研究1

1、超長(zhǎng)土釘施工工法與機(jī)具研究摘要：本文結(jié)合樂(lè)灘水電站左岸土石壩土釘墻工程施工實(shí)際，通過(guò)對(duì)施工技術(shù)難點(diǎn)的分析研究，介紹了在該工程中應(yīng)用的新機(jī)具、新工藝，為超長(zhǎng)土釘設(shè)計(jì)、施工提供了借鑒。關(guān)鍵詞：土釘墻 造孔 超長(zhǎng) 注漿 螺旋鉆頭 熱壓法 1. 工程概況樂(lè)灘水電站擴(kuò)建工程是紅水河規(guī)劃開(kāi)發(fā)的第八個(gè)梯級(jí)水電站，壩址位于廣西忻城縣紅渡鎮(zhèn)鎮(zhèn)府上游3Km，壩址上下游分別與已建的百龍灘水電站尾水和規(guī)劃的橋鞏水電站正常蓄水位銜接。該擴(kuò)建工程是一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉等綜合利用效益的水利水電工程。電站總裝機(jī)容量600MW， 多年平均發(fā)電量為34.95億kW.h。2. 工程地質(zhì)條件在樂(lè)灘水電站左岸邊坡（坡比1:0

2、.6）開(kāi)挖施工過(guò)程中，根據(jù)沉陷、位移觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，邊坡出現(xiàn)了位移變形，為確保左岸施工和繞壩公路的安全，設(shè)計(jì)決定對(duì)邊坡采用邊開(kāi)挖邊進(jìn)行土釘支護(hù)的方法進(jìn)行施工。本土釘墻支護(hù)的范圍為EL128.5EL113，樁號(hào)壩上0+55m壩下0+58.5m。根據(jù)2002年6月補(bǔ)勘鉆探記錄中鉆孔ZK22和ZK23的地質(zhì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后出露的土層狀況，結(jié)合施工鉆孔資料分析，該工程地質(zhì)條件如下：土坡上部23m為填土，由粘土混灰?guī)r塊石，砂土混碎石等組成，為新近未經(jīng)碾壓的填土，松散狀。中部約611m 為硬塑狀含碎石粘土，斷面粗糙，稍密中密狀，局部夾56mm硅質(zhì)巖塊石。下部為可塑狀含少量碎石粘土，厚約26m?；鶐r主

3、要為灰?guī)r，巖土相交面傾向基坑，傾角約30°。在基巖上覆有一層厚1.56m厚度不同的軟塑狀粘土，含水量高達(dá)29.6%。3. 主要施工技術(shù)參數(shù)本工程共施工土釘8排，352根（其中2根為測(cè)試釘），累計(jì)5842.42米。其中28mm1675.27米、32mm2040.01米、36mm2127.14米。土釘孔距2.0m，排距分為1.5m和2.0m兩種，鉆孔孔徑為150mm，傾角15°，孔深多數(shù)為1520m，最大孔深為36.2m，因下伏基巖面起伏，下部3排部分鉆孔嵌巖，施工中嵌巖孔均深入基巖3m。要求鉆孔孔位偏差不大于10，孔斜不大于5%，孔深誤差控制在0.5m范圍內(nèi)。典型土釘布置圖如

4、下圖：4. 土釘墻施工土釘墻支護(hù)是在基坑開(kāi)挖過(guò)程中將較密排列的細(xì)長(zhǎng)桿件土釘置于原位土體中，并在坡面上噴射鋼筋網(wǎng)混凝土面層。通過(guò)土釘、土體和噴射混凝土面層的共同工作，形成復(fù)合土體。土釘墻支護(hù)充分利用土層介質(zhì)的自承力，形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，承擔(dān)較小的變形壓力，土釘承受主要拉力，噴射混凝土面層調(diào)節(jié)表面應(yīng)力分布，體現(xiàn)整體作用。同時(shí)由于土釘排列較密，通過(guò)高壓注漿擴(kuò)散后使土體性能提高。在實(shí)際施工中采用邊開(kāi)挖邊支護(hù)的方法施工。本土釘墻支護(hù)的施工流程為：開(kāi)挖工作面，修整邊坡土釘鉆孔（土釘加工）安裝土釘土釘注漿鋪設(shè)、固定表層鋼筋網(wǎng)，設(shè)置排水孔噴射砼面層150mm開(kāi)挖下一層面。4.1 造孔施工本土釘墻工程在施工中面臨的施

5、工難點(diǎn)有：土釘超長(zhǎng)（最大孔深達(dá)36.20m，為當(dāng)前國(guó)內(nèi)之最，設(shè)計(jì)一般采用土釘長(zhǎng)度L與開(kāi)挖深度H之比為L(zhǎng)/H=0.61.2范圍，土釘長(zhǎng)度為15.020.0米，）、設(shè)備難以滿(mǎn)足扭矩要求；土層松散、孔隙率大、含水率高成孔難度大；以及塌孔、縮徑、等方面的困難。傳統(tǒng)施工工藝因?yàn)榭咨钶^淺，大多采用螺旋鉆進(jìn)造孔，這種工藝在孔深超出10.0m以后，往往因?yàn)橥馏w對(duì)鉆具的摩擦和設(shè)備扭矩不足而鉆進(jìn)困難，在土體極松散的情況下，鉆具拔出后也會(huì)因?yàn)樗锥斐沙煽茁实偷默F(xiàn)象。 為此，我們從施工工藝、施工設(shè)備、施工技術(shù)等方面進(jìn)行了探索和改進(jìn)，根據(jù)施工進(jìn)度要求結(jié)合施工工藝特點(diǎn)，我們采用一臺(tái)20m3/min空壓機(jī)供給風(fēng)力，鉆孔采

6、用英格索蘭KR803-02全斷面液壓鉆機(jī)，ODEX工法偏心跟管鉆進(jìn)。其鉆進(jìn)工藝基本原理是：使用鉆桿連接一套鉆具（沖擊器、中心鉆頭、偏心鉆頭、穩(wěn)桿器），沖擊器在高風(fēng)壓作用下，帶動(dòng)中心鉆頭沖擊鉆進(jìn)，偏心鉆頭在鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩作用下，甩出偏心，擴(kuò)孔，套管在穩(wěn)桿器作用下強(qiáng)行跟進(jìn)的鉆孔方法。鉆孔開(kāi)孔5.0m使用150mm螺旋鉆鉆進(jìn)，以確保造孔施工時(shí)避免對(duì)邊坡表層土體產(chǎn)生破壞，5.0m以后使用偏心鉆頭跟套管鉆進(jìn)，利用鉆頭的沖擊、振動(dòng)擾動(dòng)孔壁周?chē)馏w，改變其密實(shí)度；利用套管跟進(jìn)保證在流態(tài)粉質(zhì)粘土層的成孔。針對(duì)鉆孔深度大，鉆進(jìn)時(shí)在流態(tài)粉質(zhì)粘土層和基巖界面極易產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，容易造成套管變形和增加土釘鋼筋置入難度的情況，

7、我們采取了在界面處使用低壓、低速、反復(fù)掃孔的措施加大該部位孔徑，以保證鉆孔孔斜、消除錯(cuò)臺(tái)的方法進(jìn)行處理。本工程累計(jì)施工鉆孔352個(gè)，均一次性成孔。由于下設(shè)土釘不及時(shí)，有28孔因?yàn)榻涤?，邊坡土體含水率增加，在置入土釘時(shí)發(fā)現(xiàn)有塌孔、縮徑現(xiàn)象。實(shí)踐證明，該項(xiàng)造孔工藝的改進(jìn)在造孔施工進(jìn)度、成孔率等方面較傳統(tǒng)工藝均有很大提高，不僅順利的完成了工程施工，確保了工程質(zhì)量，同時(shí)也為后續(xù)工序的施工在質(zhì)量、工期上提供了可靠的保證。4.2 土釘加工本工程土釘鋼筋采用28、32、36螺紋鋼進(jìn)行加工，使用10圓鋼按每23m間距設(shè)對(duì)中支架，長(zhǎng)度不低于50，采用焊接的方法將其焊接在土釘鋼筋上。加工時(shí)配備好注漿管、排氣管、止

8、漿袋。技術(shù)難點(diǎn)：本工程土釘最大長(zhǎng)度為36.20 m，單根鋼筋長(zhǎng)度為12.00 m，土釘需進(jìn)行加長(zhǎng)連接，土釘設(shè)計(jì)強(qiáng)度為250KN，采用什么連接方式和如何確保連接強(qiáng)度是土釘加工的技術(shù)難題之一；另外，本工程地質(zhì)條件為松散土體，成孔性差，常規(guī)的釘頭和對(duì)中支架加工方法極易在置入時(shí)嵌入孔壁土體中，如何保證土釘鋼筋在置入時(shí)順利施工就成了加工時(shí)的又一技術(shù)難點(diǎn)。加工時(shí)，我們采用熱壓法鋼筋直螺紋連接技術(shù)對(duì)進(jìn)行鋼筋連接加長(zhǎng)，使用SM40等強(qiáng)度直流螺紋滾壓機(jī)對(duì)鋼筋進(jìn)行螺紋加工，使用連接套筒進(jìn)行加長(zhǎng)連接。該連接方法與傳統(tǒng)搭接、錯(cuò)結(jié)、對(duì)結(jié)等焊接加工工藝相比（特別是32、36等大直徑鋼筋），具有加工方便，現(xiàn)場(chǎng)連接速度快，連

9、接強(qiáng)度高（套筒連接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果為520570MPa），能保證被連接的鋼筋在同一軸線上等優(yōu)點(diǎn)。加工時(shí)保證接頭螺紋長(zhǎng)度不低于8，絲扣完整度不低于80%，連接套筒長(zhǎng)度不低于15，以保證鋼筋端頭連接長(zhǎng)度。 針對(duì)釘頭和對(duì)中支架容易嵌入孔壁土體的情況，我們采取了紡錘形釘頭和在對(duì)中支架設(shè)置船形滑板的加工工藝，紡錘體和滑板均采用1.0鍍鋅鐵皮制作，紡錘體直徑加工為130140，使它在土釘置入時(shí)起到探頭和擴(kuò)孔的雙重作用。其加工形式示意圖如下： 經(jīng)改進(jìn)加工工藝，本工程土釘置入施工進(jìn)展順暢，注漿施工證明孔內(nèi)暢通，拉拔試驗(yàn)在設(shè)計(jì)荷載的1.35倍拉拔力作用下仍無(wú)位移，證明土釘連接工藝可靠，強(qiáng)度滿(mǎn)足施工要求。4.3

10、注漿本工程注漿要求采用純水泥漿進(jìn)行注漿，注漿強(qiáng)度等級(jí)不低于12Mpa，3天強(qiáng)度不低于6 Mpa。注漿采用425普通硅酸鹽水泥，配備水：水泥0.400.45:1的純水泥漿，漿液中加入適量的膨脹劑，采用重力低壓方法注漿，注漿壓力采用以確保土體不出現(xiàn)隆起或外移的0.40.6Mpa。技術(shù)重點(diǎn)：土釘土體松散、裂隙發(fā)育，下伏基巖起伏、裂隙、溶溝、溶槽發(fā)育，施工中如何在保證質(zhì)量的前提下控制漿液注入量及其擴(kuò)散范圍，是注漿工序的技術(shù)控制重點(diǎn)和難點(diǎn)。施工中，我們配備一臺(tái)ZJ400型高速攪拌機(jī)和一臺(tái)J600型儲(chǔ)漿攪拌桶用于制漿，另配備2臺(tái)BW20040型中壓泥漿泵用于輸送漿液和注漿。注漿時(shí)，在泥漿泵和土釘孔口各安裝

11、壓力表一只，由安裝在泥漿泵上的壓力表控制送漿壓力，保證輸漿管路安全，由安裝在孔口的壓力表進(jìn)行孔內(nèi)注漿壓力控制。施工中嚴(yán)格控制漿液濃度，對(duì)超耗現(xiàn)象適時(shí)采用限壓、限流、間歇等方法進(jìn)行處理。針對(duì)地層裂隙發(fā)育，注漿后漿液存在流失的情況，在注漿結(jié)束第二日采取對(duì)注漿孔進(jìn)行檢查復(fù)灌的方法以保證注漿段長(zhǎng)度。本土釘墻工程累計(jì)鉆孔5842.42m，耗漿量為340750.5L，耗灰量為416851.45，平均每米耗灰量為71.35。這與該工程土體松散、裂隙喀斯特地形發(fā)育的特征是相符合的。5. 拉拔試驗(yàn) 本工程拉拔試驗(yàn)在注漿結(jié)束28天注漿強(qiáng)度達(dá)到70后進(jìn)行。拉拔試驗(yàn)孔位由監(jiān)理工程師根據(jù)注漿記錄指定。本工程指定的拉拔試

12、驗(yàn)孔為F8和F53號(hào)孔。本工程拉拔試驗(yàn)采用 1臺(tái)ZB4500型電動(dòng)油泵，1臺(tái)YC60型千斤頂（均為海威姆公司產(chǎn)品）在臨時(shí)搭設(shè)的施工平臺(tái)上進(jìn)行張拉試驗(yàn)施工。其拉拔試驗(yàn)施工方法見(jiàn)下圖。測(cè)試釘?shù)脑囼?yàn)采用分級(jí)連續(xù)加載，加載時(shí)保持勻速、緩慢，首先施加初始荷載，使加載裝置保持穩(wěn)定后，以后的每級(jí)荷載增量為設(shè)計(jì)荷載的20%。在每級(jí)荷載施加完畢后立即記下位移讀數(shù)并保持荷載穩(wěn)定不變，繼續(xù)記錄以后1、6、10min的位移讀數(shù)。施工時(shí)，首先施加初級(jí)荷載20KN，以后每級(jí)荷載增加40KN，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的250KN。經(jīng)拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)土釘F8在設(shè)計(jì)荷載作用下無(wú)位移，F(xiàn)53在設(shè)計(jì)荷載的1.35倍拉拔力作用下仍無(wú)位移，證明該土釘墻工程施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，各項(xiàng)施工工藝的改進(jìn)均取得了成功。6.結(jié)論 通過(guò)本土釘墻工程施工實(shí)踐和拉拔試驗(yàn)證明，本工程在土釘施工機(jī)具、施工工藝、施工技術(shù)上的改進(jìn)是成功的，其意義如下：1. 為超長(zhǎng)土釘設(shè)計(jì)、施工的可行性進(jìn)行了施工實(shí)踐，提供了寶貴的技術(shù)參數(shù)；2. 為超長(zhǎng)土釘施工在造孔工