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深覆盖层土体中大型竖井开挖施工锚固技术探索

时间:2010年11月05日来源:本站原创 作者:施召云 点击:
               深覆盖层土体中大型竖井开挖施工锚固技术探索
AnchoringTechnology Exploration of Large Shaft Excavation with Deep Overburden Soil
                                               施召云
                  (二滩水电开发有限责任公司四川成都610051)
Shi Zhaoyun
(Ertan Hydropower Development Company, Ltd.  Sichuan, Chengdu 610051 2)
摘要:土层锚杆在我国深基坑支挡、边坡加固、滑坡整治、水池抗浮、挡墙锚固和结构抗倾覆等工程中的应用日益广泛;自进式锚杆是一种新型锚杆,集钻孔、锚杆安装、注浆、锚固为一体,主要用于断层破碎带岩体的支护。本文以溪洛渡水电站左右岸出线竖井上段覆盖层段开挖施工为依托,对不同地质条件下的土体锚固技术进行论证及施工实践验证,将岩石锚固技术很好的融入到复杂地质情况下的土体加固施工中,改变了传统的土体加固技术,在钻孔机具的选择、钻孔技术研究以及相关加固技术的综合运用上进行了初步探索,形成了一定的技术成果。
AbstractApplication of soil layer anchor rod is increasingly wide in foundation pit excavation retaining, slope reinforcement, landslide remediation, pool of anti-floating, anchored retaining wall and anti-overturning structure such as projects etc. in our country. Application of Self-boring is a new-type anchor, drilling、installation、bolt grouting andanchoringfor one, is mainly used for anchorage of rock bolting faults.According to the upper overburden layer excavation of left and right bank outlet shaft of Xiluodu Powerstation, by argument and practice the anchoring technology under different soil geological conditions, rock anchor technology was well integrated into soil reinforcement construction under complex geological conditions. It changed the traditional soil reinforcement technology; primary exploring was done about choice of drilling machine, drilling technology research andintegrated application of related reinforcement technology, and obtained certain amount of technical achievements.
关键词:深覆盖层、大型竖井、锚固、技术
Key Word: deep overburden, large shaft, anchor, technology
1、工程概况
溪洛渡水电站位于四川省与云南省接壤的金沙江干流上,是世界级巨型水电站。左右岸共有18台机组,总装机容量12600MW,是国内第二大水电站、世界第三大水电工程。溪洛渡水电站左、右岸的地下厂房垂直埋深均超过400m,每岸设两条出线竖井,将500kV SF6管道母线引至地面出线场,左右岸出线场高程分别为865m和870m。左岸1号、2号出线竖井上段深度251m,其中1号竖井覆盖层段深115m,2号竖井覆盖层段深126m,覆盖层段开挖直径为14m。右岸3号、4号出线竖井上段深度263m,其中3号竖井覆盖层段深65m,开挖直径为13.6m,4号竖井覆盖层段深62m,开挖直径为14.6m。覆盖层段井壁设计系统支护措施为土锚杆Φ48,L=6m,入岩5.5m,间排距1.5×1.0m,梅花型布置。
2、工程地质和水文条件
左岸1号、2号出线竖井覆盖层从上往下地层分别为洪积堆积体、冰川、冰水堆积体和古滑坡堆积体;右岸3号、4号出线竖井覆盖层从上往下地层分别为冰川、冰水堆积体和古滑坡堆积体。具体参数如表1、2所示。
左岸1号、2号出线竖井上段地层简表      表1

地层代号
1号竖井 2号竖井
顶高程 底高程 厚度 深度 顶高程 底高程 厚度 深度
洪积体(plQ3) 865 841 24 24 865 832 33 33
冰川、冰水堆积体 841 786 55 79 832 790 42 75
古滑坡堆积体 786 750 36 115 790 739 51 126
 
右岸3号、4号出线竖井上段地层简表      表2

地层代号
3号竖井 4号竖井
厚度/深度(m) 高程(m) 厚度/深度(m) 高程(m)
冰川、冰水堆积体(fglQ+glQ) 59/59 811 56/56 814
古滑坡堆积体(delQ) 6/65 805 6/62 808
 
2.1 洪积体(plQ3):
主要由含碎砾石低液限粘土组成,结构不均一,浅表部细颗粒含量较高,随深度增加块碎石含量逐渐增多,土体内随机分布有块碎石经钙泥质胶结形成的孤石,成分主要为砂岩、泥灰岩和玄武岩,孤块石含量约占10~20%。土体天然含水量18%,<5mm的粒径含量约占80%,<0.075mm粒径的细粒含量约占50%,土体天然快剪摩擦角11~13°。该层土体属中密~密实土,粘粒含量较高,性状较差,土体自稳能力差。土体透水性弱,可灌性差,地下水不丰富,主要表现为湿润和浸水。
2.2 冰川、冰水堆积体(fgl+glQ21):
主要由玄武岩块碎石夹角砾砂层组成,粒径差别较大,内夹1~5m孤块石,含量约占20~30%,碎石粒径以2~6cm为主,部分为钙质接触式胶结,结构稍密~中密。物性指标:湿密度ρ=2.06g/cm3,天然含水率w=5.95%,>2mm颗粒含量70%,<0.075mm粉粘粒含量11%,土体天然快剪摩擦角30~33°。该层以粗颗粒为主,具一定的自稳能力,但土体具架空结构,结构不均一,块碎石之间结合力差。土体透水性较强,可灌性好,地下水不丰富,主要表现为浸水和滴水。
2.3古滑坡堆积体(delQ21):
由三叠系紫红色砂页岩和石灰岩块碎石组成,岩石较坚硬,滑坡体基本保持了滑动前的地层顺序,类似基岩,但破碎严重,架空现象明显,以孤块石为主,含量约占40~50%。物性指标:湿密度ρ=1.94g/cm3,天然含水率w=2.4%,<5mm颗粒含量10%~24.72%,土体天然快剪摩擦角27~30°。该层主要由孤块石等粗颗粒组成,具一定的自稳能力,但土体具架空结构,结构不均一,块碎石之间结合力差。土体透水性较强,可灌性好,吸浆量大。地下水较丰富,地表基覆界线附近可见较多地下水出露点,单个出水点流量一般20~30L/min,普遍分布有连续的地下水位线,雨季大致高于滑带约10m。
3、工程特点
溪洛渡水电站电缆出线竖井是目前为止水电工程中规模最大的竖井群,具有鲜明的个性,规模巨大且均穿过深厚覆盖层,地质条件复杂,对于水电工程来说,尚未有规模类似建成的竖井,施工不确定性因素及风险很大。因此在国内水电工程领域还没有任何单位对如此巨大规模和复杂地质条件的竖井施工技术进行全面系统的研究,特别是在竖井覆盖层支护施工技术方面还没有可以借鉴的成功经验和技术。
根据本工程项目的地质情况,由于覆盖层中含有大量碎石,且胶结密实,土锚杆施工困难,结合其地质结构的独特性,为使一期支护对覆盖层土体达到很好的锚固效果,拟对土锚杆与自进式锚杆进行生产性试验,直观有效的比较其对土体的锚固效果,从而确定本工程土体一期支护的具体参数,并为同类工程提供有效的参考依据。
4、土锚杆与自进式中空锚杆结构特点
4.1 土锚杆结构特点
    本工程中采用的土锚杆为Φ48无缝钢管制作,在端头制作成锥型结构以利于在杆体插杆施工过程中利于穿入土体中,并且为确保灌浆施工的简便性,在杆体底部2.5m范围内,垂直于杆体90°钻小孔,孔径10mm,小孔间距为15cm梅花形布置。
4.2 自进式中空锚杆结构特点
自进式中空注浆锚杆集钻孔、注浆、锚固为一体,克服了其它锚杆的繁杂工序,节省大量施工时间,加快施工进度,具有施工方便、快捷、成孔率高、施工成本低、锚固力强的特点。与非自进式锚固材料相比具有适用性、灵活性、方便性等诸多优点,广泛应用于岩体加固工程中,在土体加固工程项目中运用较少。其结构主要优点为:
(1)由于自进式中空锚杆技术是集钻进、注浆、锚固为一身,即自进式中空锚杆体既是钻杆,又是注浆管,同时也是锚固力产生物体。由于不使用套管,工序不复杂,还可以根据工程需要截成任意长度和任意连接,极大的简化了施工工序。
(2)自进式中空锚杆避免了在坍孔、卡钻情况下无法插入锚固材料和注浆管的难题,而且自进式中空注浆锚杆在钻孔过程中有间隔器跟进,使钻杆始终处于钻孔中央,确保浆液包裹锚杆达到规定标准。具有成孔率高,施工效率高的特点。
(3)钻头和钻杆深入土层中,可增加灌浆体摩擦力及握持力。自钻式中空锚杆的钻头可使水泥浆渗入施工作业的地层中,使杆身与泥土紧密结合。锚杆是螺纹钢管,增强了与水泥的粘合力,有效地提高了抗拉力和承载力。
 
 
自进式中空注浆锚杆结构图    图1
5、覆盖层锚固技术生产性试验
根据设计方案,出线竖井覆盖层支护方式为土锚杆,在前期施工过程中,由于土体内部孤石含量高且内部架空现象严重,土锚杆施工极其困难。根据现场实际施工情况,土锚杆在进入土体后遇大孤石,再也无法继续施工,且不能拔出,锚杆损失量非常大。即使施工完毕的土锚杆,施工时间大大超出预期。据此情况,为进一步确定土锚杆施工方法及程序,以及采用自进式中空锚杆取代土锚杆进行土体加固的可行性,分别在出线竖井井口段及出线场内进行了土锚杆、自进式中空锚杆钻孔、灌浆试验。并通过灌浆试验进一步验证各种灌浆参数,得出较为实际的、合理的耗灰量等。
5.1 钻孔(插杆)试验
为进一步确定土锚杆施工方法及程序,在右岸3号出线竖井井口段及出线场内进行了土锚杆、自进式中空锚杆钻孔、灌浆试验。土锚杆与自进式中空锚杆插杆均采用D7液压钻进行施工,土锚杆分别采用直接造孔和先造孔后插杆两种方法进行施工。其中在右岸出线场内共施工土锚杆3根,自进式中空锚杆7根,其中3根自进式中空锚杆没有钻设花孔,4根自进式中空锚杆按技术要求在杆体上钻设花孔;结合右岸3号出线竖井井口段现场施工情况,在井口段共施工土锚杆57根(确定为生产性试验),自进式中空锚杆9根。因此,本钻孔(插杆)试验共施工土锚杆60根,自进式中空锚杆16根。
(1)土锚杆直接插杆施工:


D7液压钻钻设土锚杆施工情况    图2
采用在D7液压钻钎尾上加设连接套,将Φ48土锚杆装入连接套中,利用D7液压钻凿岩机冲击力将土锚杆压入土体中。现场在井口段不同部位共施工土锚杆10根,最大入土深度为1.5m,最小入土深度0.5m,均不满足设计要求的5.5m入土深度,合格率为零,且钻进速度缓慢,造孔平均速度为0.5~1.0m/h。              
(2)土锚杆先造孔后插杆施工:
采用D7液压钻先钻设Φ76mm土锚杆孔,然后采用在D7液压钻钎尾上加设连接套,将Φ48土锚杆装入连接套中,利用D7液压钻凿岩机冲击力将土锚杆打入孔中。由于土体钻孔后出现严重塌孔现象,钻杆退出孔内时需要多次吹孔,且成孔率低,通过此方法,现场在井口段不同部位共施工土锚杆47根、在出线场内共施工土锚杆3根,其最大入土深度为5.5m,最小入土深度3.0m,其中满足设计要求5.5m入土深度的土锚杆共5根,        
合格率为10%。该施工方法施工速度缓慢,且施工投入增加,造孔平均速度为1.5~2.0m/h。        
(3)自进式中空锚杆直接插杆施工:
采用在D7液压钻钎尾上加设连接套,将Φ32自进式锚杆装入连接套中,利用D7液压钻凿岩机冲击力将自进式锚杆带压钻入土体中。通过此方法,现场在井口段施工Φ32自进式锚杆9根、在出线场内共施工土锚杆7根(其中有3根按技术要求钻设了花孔),最大入土深度为5.6m,最小入土深度5.5m,全部满足设计要求5.5m的入土深度,合格率为100%。该施工方法施工速度快,造孔平均速度为11~16.5m/h,且成功率高。
5.2 灌浆试验
通过灌浆试验,验证灌浆方法、浆液水灰比、灌浆压力等灌浆参数,在满足设计要求的前提下,使得各种灌浆参数进一步完善、合理化,以更好的指导今后的施工。通过实际灌浆试验,根据试验段地质情况和相应的耗灰情况,分析得出更为符合实际的、合理的耗灰量。其灌浆试验具体施工工艺如下:
(1)注浆采用浆液水灰比为0.7:1和0.5:1的水泥浆液,灌浆压力为0.1~0.2Mpa。 
(2)灌浆方法:采用孔口封闭,全孔一次灌浆的方法施工。
(3)浆液变换原则
①灌浆压力尽快达到设计值,但对于注入率较大或易于抬动的孔段分级升压。
②当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或注入率不变而压力持续升高时,不得改变水灰比。
③当某级浆液注入量已达300L以上,或灌注时间已达30min,而灌浆压力和注入率均无显著改变时,换浓一级水灰比浆液灌注;
当注入率大于30L/min时,根据施工具体情况,可越级变浓。
⑤灌浆过程中,灌浆压力或注入率突然改变较大时,立即查明原因,并及时向监理人汇报,在监理人批准后,采取相特殊情况处理与技术措施。
(4)结束标准和封孔:
①在规定压力下,当注入率不大于1L/min,继续灌注30min,灌浆即可结束。
②当长期达不到结束标准时,报请监理人共同研究处理措施。
③封孔采用全孔灌浆封孔法。
(5)特殊情况处理
①灌浆过程中发现冒浆、漏浆、串浆时,根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇、待凝等方法进行处理。
②灌浆必须连续进行,若因故中断,按下述原则处理:
a尽快恢复灌浆。恢复灌浆时,使用开灌比级的水泥浆进行灌注,如注入率与中断前相近,即可采用中断前水泥浆的比级继续灌注;
b如注入率较中断前减少较多,逐级加浓浆液继续灌注;
c如注入率较中断前减少很较多,且在短时间内停止吸浆,采取补救措施。
③孔口有涌水的灌浆孔段,灌浆前测记涌水压力和涌水量,根据涌水情况,可选用下列措施综合处理,具体措施得到监理人批准:提高灌浆压力、进行纯压式灌浆、灌注浓浆、灌注速凝浆液、屏浆、闭浆和待凝等。
④当灌浆段注入量大而难以结束时,可按监理人指示选用下列措施处理:低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆、灌注速凝浆液、灌注混合浆液或膏状浆液。
6试验结论
根据本次试验情况,对在右岸出线场内试验的10根锚杆进行了开挖检查,通过反铲将各锚杆挖出,观察各锚杆周围胶结情况。
6.1灌浆情况分析
锚杆灌浆采用BW250/50灌浆泵进行灌浆,TS-2型灌浆自动记录仪进行记录。根据现场实际记录数据统计得右岸出线场内各锚杆灌浆情况统计表(表3)。
右岸出线场内各锚杆灌浆情况统计表             表3

序号
孔号 锚杆形式 水灰比 灌浆注灰量
(kg)
单位注灰量
(kg/m)
总注浆量
(L)
备注
1 1-1 Φ32自进式 0.7:1 306.10 55.65 313.65 钻花孔
2 1-2 Φ32自进式 0.7:1 306.93 55.81 314.50 钻花孔
3 1-3 Φ32自进式 0.7:1 288.97 52.54 296.10 无花孔
4 2-1 Φ32自进式 0.7:1/0.5:1 590.69 107.40 558.81 钻花孔
5 2-2 Φ32自进式 0.7:1 238.96 43.45 244.85 无花孔
6 2-3 Φ32自进式 0.7:1 181.28 32.96 185.75 无花孔
7 3-1 Φ48土锚杆 0.7:1 148.20 26.95 361.45 钻花孔
8 3-2 Φ48土锚杆 0.7:1/0.5:1 1208.13 219.66 1269.39 钻花孔
9 4-1 Φ48土锚杆 0.7:1 432.41 78.62 260.65 钻花孔
10 4-2 Φ32自进式 0.7:1 281.82 51.24 288.75 无花孔
根据现场灌浆工程量表,钻设花孔的自进式锚杆灌浆量大于无花孔的自进式锚杆灌浆量;土锚杆正常灌浆量与钻设花孔的自进式注浆量基本一致;土锚杆注浆量相互间差别较大,注浆效果不均衡。而自进式锚杆注浆量相互间差异较小,且自进式锚杆施工速度快,锚杆损失量小,且能达到土锚杆的效果,因此在实际施工过程中系统支护采用自进式锚杆。
6.2 锚杆胶结情况分析
根据右岸出线场内挖出的各锚杆灌浆后胶结情况分析,开孔后的土锚杆和自进式锚杆其锚杆周围水泥浆胶结情况基本一致,其沿杆体3m长度范围内均有不同扩散范围的胶结。土锚杆开孔段浆液扩散直径最大约35cm,最小扩散直径约15cm,杆体3m范围内浆液扩散直径平均约为25cm;自进式锚杆开孔段浆液扩散直径最大约35cm,最小扩散直径约10cm,杆体3m范围内浆液扩散直径平均约为22cm。根据现场不同位置不同规格锚杆胶结情况分析,自进式锚杆在与土锚杆同样开孔和灌浆施工工艺一致的前提下,其所达到的锚固效果基本一致。


自进式中空锚杆周围胶结情况
土锚杆周围胶结情况
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
土锚杆、自进式中空锚杆胶结情况图    图3
7、覆盖层支护参数调整
根据以上生产性试验分析,溪洛渡水电站左右岸出线竖井覆盖层段锚固技术在满足设计总要求下,以简化施工程序,减少工程投资,在总体上可以将土锚杆全部替换为自进式锚杆,其调整方案如下:
(1)将土锚杆替换为自进式锚杆,锚杆周边花孔布置及开孔要求同土锚杆,长度不变。即锚杆长度为6m,入岩5.5m。梅花型布置
(2)覆盖层段井壁:自进式锚杆的布置参数由土锚杆的1.5m×1.0m调整为1.2m×1.0m(排距1.2m、间距1.0m),梅花型布置。
8、结束语
溪洛渡水电站电缆出线竖井上段共四个井,左右岸各两个,覆盖层深度为62~126m,土中含孤石,透水性强,施工中将面临洪积体地质条件下的成井技术难题、在泥夹石和透水地层中进行大直径竖井开挖的技术难题等许多技术难题。自进式锚杆施工技术作为一种新型锚固工艺,能适应各种复杂地质条件和施工现场环境。施工时将钻进、放杆、注浆、锚固在一个流程中完成,具有施工工艺简单、成孔率高、工期短、强度高、经济效益好等优点。从该工程使用的情况看,自进式中空锚杆支护情况良好,是一项值得推广的新型施工技术。通过覆盖层开挖系统支护参数的优化对在复杂地质条件下实施深覆盖层大直径竖井施工有着重要的指导意义和借鉴作用,拓宽了今后水电站竖井布置的思路,使地下洞室的结构布置更加灵活,有了更大的选择余地。
 
参考文献
[1] 翟配松,自进式注浆钻进锚杆在边坡支护中的应用,广西水利水电,2003.3(P38-39、93)
Zhai Peisong,Application of the automatic drilling grouting anchor bar in side slope support-protection,GX WATER RESOURCES & HYDROPOWER ENGINEERING,2003.3(P38-39、93)
[2] 杜向忠,自钻式锚杆加固的应用,路基工程,2002.2(P60-62)
Du Xiangzhong,Application of Self-boring Tieback in ConSolidation,SUBGRADE ENGINEERING,2002.2(P60-62)
[3] 王书宏,自进式预应力锚杆在基坑支护中的应用,中国水运(理论版),2006.1(P56-57)
Wang Shuhong,From enters the type pre-stressed anchor rod to support and protect in the hole excavated for building foundation the application,CHINA WATER TRANSPORT,2006.1(P56-57)
 
施召云(1979--),男,四川大竹人,工程师,硕士学位,二滩水电开发有限责任公司两河口建设管理局(筹),从事水利水电工程施工技术与管理工作。
 
施召云联系方式:四川省甘孜州雅江县白玛营地两河口管理局工程技术部     
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