中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810000
摘要：我国西部山区地质条件复杂，地质构造、地层岩性多变，大多数水电工程建在西部地质复杂的高山峻岭中，建（构）筑物地基处理非常重要和必要，松散堆积体作为一种特殊的工程地质现象，在山区水电建设中，经常给工程带来较大的经济损失，并危及到人员、设备和水工建筑物的安全，国内高边坡开挖的选择，一般都避开松散堆积体，因此，松散堆积体边坡开挖技术经验较少，本文仅以黄登水电站左岸缆机平台开挖支护工程实践为例，研究松散堆积体边坡开挖支护技术，为将来其它工程相似地质加固起到很大指导作用。
关键词：松散堆积体；高边坡；开挖支护技术
1概述
左岸缆机平台部位地形坡度较陡，上下游均分布有冲沟，上游开口线外为6#冲沟，下游设计边坡开挖区内为8#冲沟；地表分布为覆盖层，厚度一般5m~15m，基岩为三迭系小定西组的变质火山碎屑岩夹变质凝灰岩；上游侧岩体完整，工程地质条件较好；下游侧为倾倒蠕变岩体，岩体呈碎裂状，强风化，8#冲沟下游为堆积体，主要由孤石、块石及碎石组成，孤石、块石及碎石缝隙中填充粉砂土，工程地质条件较差。
左岸缆机平台EL.1735m以上、坝横0+95以下游地质为松散堆积体，在施工过程中，左岸缆机平台EL.1735m～EL.1795m，坝横0+100～0+155段设计永久边坡因受地质条件影响发生塌滑，塌滑发生后，造成该区域锚索破坏失效，并使EL.1765m以上的网板梁、锚拉板钢筋混凝土发生塌滑断裂，锚拉板脱空厚度达到2～3m，浅层支护的网喷混凝土、锚杆及排水孔被破坏。
优化支护措施：采用调整开挖坡比、布置Φ32自进式锚杆 L=9m、锚索加锚拉板进行深层岩体加固边坡整体稳定、系统排水孔及回填脱空锚拉板。
2施工方法
2.1施工程序
EL.1735m～EL.1795m，坝横0+100～0+155段边坡开挖，高60m的4层边坡采取支护面紧跟开挖面的分段分台开挖，一层设计边坡首先开挖上半层，支护完成后再进行下半层边坡开挖支护，即按贴坡锚拉板混凝土长12.5m为一个单元划分开挖单元，采用半层开挖支护完成后，以混凝土浇筑方法“跳仓”浇筑，即“跳单元”开挖方式进行下半层边坡开挖的方法进行施工，具体详见施工分区典型示意图1：
施工顺序：
一区的开挖支护→二、四区的开挖支护→二、四区锚拉板浇筑→三、五区开挖支护及二、四区对应上部一区锚拉板浇筑→三、五区锚拉板浇筑及二、四区锚索→剩余锚拉板及锚索施工。
图1 EL.1735～EL.1750边坡施工分区典型示意图
2.2土石方开挖施工方法
高程1735m以上塌滑区的清坡开挖施工，高程1765m以上2层塌滑边坡的分区，可根据塌滑锚拉板的处理，分为上下游俩个区，在处理被破坏悬挂锚拉板的同时，先施工下游未悬挂锚拉板区域的清坡及开挖工作，待高程1780m以上，下游区深层永久支护完成，高程1765m～高程1780m下游区浅层常规支护完成，上游悬挂的锚拉板处理完成后，再进行上游塌滑区的清坡开挖施工，高程1735m~高程1765m的清坡开挖工作可不分区进行施工。
2.3自进式锚杆施工
自进式锚杆是钻杆及锚杆合而为一，在风化岩，碎岩层，回填区，砂，粘土，园卵石层等不需套管护壁，即能形成锚孔，保证锚固与注浆效果。操作简便，快捷省时，节省工作量，减少工程成本。
2.3.1锚杆类型
滑塌区自进式锚杆，其主要形式为：Ф32，L=9.0m，锚杆全长采用水泥砂浆注浆。
2.3.2材料
⑴ 锚杆：采用良好的厚壁无缝钢管材料、表面有螺纹式的注浆钻进锚杆。
⑵ 水泥：水泥砂浆中的水泥应采用强度等级不低于32.5级的普通硅酸盐水泥；
⑶ 水、砂的质量必须满足《水工混凝土施工规范》DL/T5144的有关规定。砂采用最大粒径小于2.5mm，细度模数不大于2.0的坚硬耐久的中细砂。
⑷ 水泥砂浆：砂浆标号必须满足施工图的要求，注浆锚杆水泥砂浆的抗压强度等级为25Mpa；
⑸ 外加剂：按施工图要求，在自进式锚杆水泥砂浆中添加的速凝剂和其它外加剂，其品质不得含有对锚杆产生腐蚀作用的成分。
2.3.3施工方法
⑴ 施工程序
自进式锚杆施工程序见图2：
图2 自进式锚杆施工程序框图
⑵ 施工方法
① 布孔：按施工图纸在施工面测量定位布置钻孔位置，其孔位偏差应不大于100mm，图纸未作规定时，自进式锚杆的孔轴方向垂直于开挖面。
② 钻孔：塌滑区自进式锚杆为Ф32，L=9m的，钻孔采用100B（D）型潜孔钻机进行钻孔。
③ 锚杆接长：9m长的自进式锚杆，由三节3m锚杆连接而成。在每节锚杆钻到位后，使用专用连接套连接。
④ 验孔：对孔位、孔深、斜度进行检查，验收合格后方可进入下道工序。
⑤ 注浆、：按配合比拌制砂浆，采用注浆机注浆，砂浆标号不低于M25。
锚杆注浆的水泥砂浆强度等级必须满足设计要求，其配合比应在以下规定的范围内通过试验选定：
水泥∶砂 1∶1~1∶2（重量比）；
水泥∶水 1∶0.38~1∶0.45。
⑥ 封堵：采用M25水泥砂浆进行封孔。
锚杆注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔锚杆。
2.4堆积体锚索施工方法
堆积体锚索，分为1000KN级和1800KN级两种。为保证成孔堆积体锚索中应采用跟管法施工，根据跟管的原理不同分为偏心跟管和同心跟管。
2.4.1偏心跟管
偏心钻具主要由三部分组成，稳杆器、偏心轮和中心钻头，其工作原理为：正常钻进时，通过冲击器的震动冲击作用，带动偏心钻具进行钻孔，钻进时由于离心力及摩擦力的作用，偏心轮朝外偏出从而达到扩大孔径的目的，再通过稳杆器的冲击带动套管跟进，钻孔产生的岩粉通过稳杆器上的键槽吹出孔内。钻孔结束时，通过反转，使偏心轮收拢提出钻管，套管留在孔内护壁而成孔。造孔过程中套管及时护壁，避免周围松散体和风化块石因钻孔扰动而绷塌卡钻。具体跟管造孔施工程序如下：
⑴ 钻机安装 为保证锚孔质量，使锚孔在施工过程中及成孔后其轴线的倾角、方位角符合设计及规范要求，必须保证钻机就位的准确性、稳固性。钻机安装注意事项如下：
调平：用水平尺测校管架平台水平度，并修整水平度误差，确保平台平整度。
平面接触：钻机机台木与施工平台必须平面接触。
顶得稳：各支、顶受力杆件要与钻机、架管紧密接触。
卡得牢：用卡固扣件卡牢钻机、使钻机牢固固定在工作平台上。
对得准：钻机立轴轴线方位角与锚孔轴线方位角一致，立轴轴线倾角与钻空倾角一致。
基础稳固：钻机基础工作面牢实稳固，高架平台基础面，并加密钻机平台下部管架，保证平台足够刚度。
⑵ 试运转钻机并校核方位测校开孔钻具轴线和倾角，使其与锚孔轴线和倾角一致，然后拧紧紧固螺杆。
⑶ 钻孔施工以上各项工作准备充分后，经监理工程师现场验收合格并指示开孔钻进后，方可开机钻进。钻孔过程中的注意事项如下：
① 用管架搭设套管支架，给跟管钻进提供定位和导向作用。开钻前，让偏心钻头伸出套管靴，正转速度达到一定时，张开偏心钻头，方可进行钻进。特别注意偏心跟管钻进，在确认钻头到达孔底后，先回转，待正常后，再开风冲动钻进。
② 跟管钻进至需要深度位置后，即可将跟管钻头、冲击器、钻杆提升出孔内，根据需要可一次跟管到位，或先跟管钻进至需要深度后再用常规钎头钻进至设计深度。
③ 用高压风彻底冲扫钻孔后，在套管内放入导向钢管，导向钢管接头采用剖口连续满焊，导向钢管外表面涂刷防腐蚀沥青漆2遍，刷漆前将铁锈、氧化皮、油污、灰尘、水分等清除干净。下入导向钢管后，用液压拔管机将套管拔出。
④ 为防止套管靴打脱落，在套管尾部增加一个同步给进装置，套管靴与套管之间实行焊接。
图3 偏心跟管钻具结构图
偏心跟管虽然是一种比较成熟的跟管钻进方法，但由于堆积体地质结构的复杂性，严重制约了其成孔的速度，主要问题有孔内事故频繁发生。主要孔内事故有：a 管靴及套管断裂；b 钻头、钻杆或钻具某部位断裂掉于孔内；c 钻具抱（卡）于孔内，转不动或不能上下活动等。对于孔深大于50m的钻孔，采用先用大一级孔径的偏心钻具跟管，钻至一定深度后，估计管靴将要断裂的时候，将钻具连同管靴一起拔出，更换为正常孔径（φ168mm）的偏心钻具顺原孔重新跟管，这样做有效减小二次跟管时的孔内阻力，最大可能的减小孔内事故的发生，提高一次成孔的概率，降低物质材料损耗。
2.4.2同心跟管
偏心跟管虽然是一种比较成熟的施工工艺，但其本身依然有不可避免的缺点，主要体现在：
⑴ 由于地层岩性的不均一性，尤其是架空层的存在，在偏心轮的作用下，导致钻孔呈罗旋线形而非直线，在钻进时上部掉块，小块石掉于偏心轮与中心钻头之间随偏心轮一起转动，极易卡钻，造成孔内事故，一旦发生事故，由于受套管强度及钻机扭矩的限制，很难解决，往往造成钻孔报废，不得不重新开孔。
⑵ 在钻进中，遇到大孤石的情况频繁发生，一旦遇到孤石，由于围岩阻力的增大，极大地限制了偏心轮的扩孔效果，有时甚至偏心轮无法偏出，钻孔不进尺，即使缓慢进尺，所钻孔的断面形状也会呈椭圆形而非圆形，钻孔的有效孔径有随孔深增加而减小的趋势，这样一来，钻孔越深、阻力越大，一旦阻力超过套管及管脚的强度，就导致套管或管脚被拉断，而一旦被拉断就只有将钻具连套管一同拔出，更换新套管后再扫孔钻进从而无法继续钻进。在实际施工过程中，一个直径超过2m的孤石，采用偏心跟管钻进，很难一次顺利通过，这样不仅大大增加了施工成本，还加大了工人的劳动强度。
这样不仅很好地解决了在孤石中跟管钻进困难的问题，还确保了跟管的深度，在实际的施工过程中，一般一次跟管的深度可达40m以上，若采用先大大一级孔径、后正常跟管的方法施工，最大的跟进深度达到了60m，大大增加了成孔的效率，提高了成孔速度。
图4 同心跟管钻具结构图
同心跟管钻进同样有不足之处，主要是若一次跟管深度不能达到基岩面附近而发生套管、管靴或同心钻具某部位断裂事故时，处理事故的难度比采用偏心钻具大，发生事故后会造成钻孔报废和冲击器等埋于孔内，加大了施工物资材料的消耗。
2.4.3堆积体锚索施工技术特点
⑴ 锚索造孔技术特点
由于卡钻、管靴和套管断裂是主要孔内事故。预防的方法有：
① 每个孔开孔时必须使用新管靴，严格规定管靴的使用寿命；
② 勤取钻在钻进过程中密切注意钻孔进尺一旦发生异常情况必须立即取钻查明情况，并制定具体的解决办法。
⑵ 调整索体结构
吊装设备难到位，一般采取人工下索安装；施工期堆积体边坡一直处于蠕滑变形状态，山体持续变形，且钻孔沿程滑移速度不均，孔内经常出现“错台”，堆积体厚度大、成因及组成复杂，下索过程中，索体在孔内蠕动时经常发生塌孔，索体下不到位，造成多次扫孔、重复下索安装。在施工过程中采取了调整隔离支架孔位布置（孔位不要求严格对称）、用拨接头管的方式将锚固段的排气管替代自由段的进浆管等措施减小塑料隔离支架直径、部份地段将锚固段的塑料隔离支架改为自制的能减小摩阻力并能起导向作用的 “灯笼形” 钢筋隔离支架等工程措施调整锚索体结构，在减小下索难度、降低劳动强度、提高工效等方面效果良好。
⑶ 提高锚墩混凝土强度迅速提供锚固力
设计要求锚固段水泥浆液结石强度为M35，外锚墩混凝土强度C35，锚索施工期，堆积体仍处于蠕滑变形状态，边坡稳定形势严峻，为实现快速锚固，快速增加堆积体锚固力，施工时，根据当时堆积体边坡各部位变形情况，采取提高锚固段水泥浆液结石强度至M50及外锚墩混凝土强度至C60，以提高其早期强度，使其3～5天强度达到设计要求，减少锚索施工周期循环时间16～18天，为蠕滑变形堆积体边坡抢险加固综合治理工程实现快速施工、快速增加锚固力、抑制边坡变形抢得先机，赢得了更长的综合治理时间。
⑷ 控制水泥灌入量
山体边坡部份地段岩体风化、卸荷、崩塌及岩体蚀变等物理地质现象较发育，顺层结构面透水性相对较弱，顺坡卸荷剪切裂隙一般张开，锚固段灌浆时，经多次灌注，仍难以达到灌浆结束标准，节理裂隙不能完全被堵塞，不能保证设计锚固长度，由于过量注入水泥浆液，不但费财、费力、费时、降低施工效率，增加工程成本，而且会堵塞有效的排水通道，将大大降低设计排水系统的排水效果，采取锚固段固壁灌浆、限制灌注浆量等措施处理，在减少水泥灌入量方面取得了良好效果；自由段采用包裹土工布及细帆布处理，有效地解决了松散堆积体地层水泥灌入量大的难题，不但降低了工程成本，而且减少了工序施工循环时间，进一步提高了施工效率。1000KN级无粘结锚索应采用φ90隔离架，减小索体直径。锚固段灌浆在锚索入孔检查合格后进行。灌浆水泥应采用新鲜普通硅酸盐水泥，水泥浆抗压强等级不得低于M50（28d）。采用水泥浓浆灌浆，水泥浆的水灰比按室内实验结果推荐的并经监理工程师批准的水灰比进行。采用排气法注浆，浆液由孔底注入，空气、水由排气管排出。在锚固段灌浆完后将排气管上部拔出1~2m。以排气管作为张拉段的灌浆管。当岩石内有裂缝时，可采用间歇灌浆。灌浆过程中采用GJY—III灌浆自动记录仪和人工记录对灌浆进行全过程监控。
2.5排水孔施工
塌滑区地质条件较差属堆积体，排水孔，孔径为Φ76mm，L=5.0m，孔内放置外径为Φ60 mm，内径为Φ20 mm，端部用200g/m2土工布封扎的塑料盲沟管。
排水孔造孔采用QY-100B型潜孔钻使用直径为Φ110mm的偏心钻头跟管钻进，跟管为直径Φ108mm，δ=3.5mm的钢管，造孔达到设计孔深后，拔出跟管，按设计要求插入塑料盲沟管。
2.6锚拉板施工
2.6.1 分层、分段及模板选用
塌滑区高程1765m以上锚拉板施工，分段按设计图纸以12.5m长为一段，高程1735m~高程1765m边坡锚拉板施工，分段不大于6m，由两侧向中间同时施工，分层均按高度3.0m控制。
钢筋直接运至现场加工安装，锚拉板混凝土施工采取分段跳仓浇筑；模板采用组合钢模及木模拼装；混凝土浇筑完毕，采用洒水养护。
2.6.2混凝土回填施工
高程1750m~高程1780m边坡脱空部位的混凝土回填时，为便于现场施工，确保回填密实，需在已完成的锚拉板表面按间距4~6m造孔3~5个，造孔使用YT-28型手风钻，必须打穿锚拉板，对手风钻造孔完毕的部位，人工使用风镐进行扩挖，使回填孔直径达到400mm~500mm，混凝土回填时通过该回填孔进行施工。
2.6.3锚拉板空腔回填灌浆施工
⑴ 灌浆顺序
预埋进、回浆管→管内通风→检查灌区封闭性→堵漏处理→进浆管口持续进浆→观察上部回浆及排气管口出浆情况，测量出浆比重达到1.70g/cm3左右时→改为出浆管口继续进浆灌注→达到灌浆结束标准→灌浆结束→关闭阀门→待凝7d→灌浆质量检查
⑵ 灌浆一般要求
① 根据空腔形成情况，进行布孔或提前预埋灌浆管，待灌区封闭，具备施工条件后，由施工单位、监理、业主、设计联合对该部位检查后实施灌浆。
② 本次回填灌浆压力宜控制在0.3Mpa左右。
③ 回填灌浆I序孔采用单级水灰比0.5：1水泥砂浆灌注，II序孔采用1：1、0.5：1的两级水灰比的纯水泥浆液灌注，I、II序孔施工间隔时间为3天。
④ 灌浆质量检查在该部位回填灌浆结束7d后进行。
⑶ 钻孔与埋管
① 灌浆前需对施灌的锚拉板进行钻孔埋管或提前预埋管，以每个锚拉板为一个灌浆单元，自下而上布孔埋管，钻孔采用手风钻造孔，孔径为Φ50mm，孔深以穿过空腔10cm为宜，I序孔孔位布置：进浆管口1#、2#、3#，回浆管口4#、5#，排气管口6#、7#、8#；II序孔孔位布置：进浆管口9#、10#，排气管口11#、12#。见下图：
② 预埋管采用Φ32mm的镀锌管，埋管时内管口以深入空腔为宜，管口外漏30cm左右，外管口预留丝扣便于连接灌浆管和风管等。
图四 灌浆管口孔位布置图
③ 预埋进、回浆灌浆管时采用麻丝或棉纱缠绕管壁，管外壁抹堵漏王或水泥砂浆封闭孔壁和孔口部位，防止漏风或漏浆。
⑷ 锚拉板回填灌浆施工方案
由于本次回填灌浆采用水泥砂浆施工，灌浆必须采用砂浆泵（进浆强度在60L/min左右）施灌，具体操作为：
① 回填灌浆I序孔采用0.5：1的单级水灰比的水泥砂浆进行灌注，浆液掺加0.8～1.0%的高效减水剂；II序孔采用1：1和0.5：1的两级水灰比的纯水泥浆液进行灌注。
② 检查灌区有无漏、冒浆点，对漏浆点及时采用棉纱和堵漏王进行处理。
③ 回填灌浆I序孔从1-3#进浆管口开始依次进浆或并灌进浆，观察出浆管口和排气管口的出浆情况，若出浆或出浆比重达到1.70g/cm3左右时，将其中一个进浆管移至其它进浆管口，继续进浆灌注，观察其它出浆管和排气管口出浆情况，若出浆或出浆比重达到1.70g/cm3左右时，将另一个进浆管挪至出浆管口继续进浆，观察其它管口的出浆情况，直到各管口的出浆比重依次达到1.80g/cm3后，分别关闭各出浆管口阀门。
④ 保持其它各出浆管口间断10min左右持续放稀浆，观察各管口出浆比重。待各管口出浆比重达到1.80g/cm3后，依次关闭各管口阀门，待凝3d。
⑤ 回填灌浆II序孔从9、10#进浆管口开始并灌进浆，观察排气管口的出浆情况，若出浆或出浆比重达到1.50g/cm3左右时，改用0.5：1的水灰比的水泥浆液继续进浆灌注，观察排气管口出浆情况，若出浆比重达到1.8g/cm3左右时，保持进浆管口压力达到0.3MPa，持续灌注10min后，分别关闭出浆管口阀门，待凝3d。
⑥ 回填灌浆结束标准：在进浆管口灌浆压力达到0.3MPa的情况下，各管口出浆比重达到1.80 g/cm3左右，进浆管内单位注入量小于1.0L/min，持续灌注10min后，回填灌浆结束，待凝3d。
⑸ 异常情况处理
① 灌区出现漏、冒浆现象时应及时采用棉纱和堵漏王进行处理。
② 若排气管或回浆管长时间不出浆时，应检查灌区是否封闭，或存在漏浆现象。
③ 若进浆管口压力达不到0.3MPa的灌浆压力时，则考虑根据计算空腔理论容积来控制灌浆结束标准。
④ 灌浆中断时，应及时疏通灌浆管路，保证回填灌浆的连续性。
⑤ 若其中个别管口未出浆时，在其它管口正常灌浆结束后，对该灌浆管口进行倒灌，倒灌采用0. 5∶1的浓浆灌注，待管口无明显进浆时，且进浆管口压力达到0.3MPa，持续灌注10min后结束灌浆。
⑹ 灌后质量检查
① 引水管回填灌浆质量检查在该部位回填灌浆结束7d后进行。
② 引水管回填灌浆质量检查以灌浆结束7d后，若在检查管口注入水灰比为2∶1水泥浆液10min后，注浆量不超过12L时，则认为该灌区质量合格。
3结束语
在水利水电工程建设中，边坡开挖是一项必不可少的施工项目，松散堆积体地质情况下的的开挖支护工程时有遇到；通过对黄登水电站左岸缆机平台松散堆积体的综合治理方法的研究，为以后类似工程施工提供参考依据，尤其是松散堆积体地质情况下锚索施工方法，总结和归纳了在特别复杂的厚覆盖层、倾倒、蠕变、松弛岩体、节理发育、易滑塌的不利于钻孔的地质环境下，如何完善和改进钻孔、成孔、钻具优化施工技术获得了明显成果。
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作者简介：
王金忠，男，助理工程师，中国水利水电第四工程局有限公司。
论文作者:王金忠
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/15
标签：钻孔论文; 套管论文; 管口论文; 水泥论文; 锚固论文; 砂浆论文; 偏心论文; 《防护工程》2019年10期论文;