工程建筑

混凝土防渗墙(地连墙)“铣削法”槽孔建造工法

作者: livio 2012-11-21 12:06 来源: 国家级工法 评论(0) 浏览(1673)

1 前言

三峡二期上游围堰混凝土防渗墙工程技术复杂、难点多、风险大,专家称其综合难度世界第一。工期紧迫、施工强度高是其首要特点,除1.22万m2的墙体可在大江截流前完成外,其余3万m2要求在截流后大施工期一个枯水期内完成,当年成墙,当年抵御洪水,高峰月成墙面积约6500m2。尤其是河床深槽段,混凝土防渗墙呈双墙布置,需分期完成,轴线长度仅162m,设备投入受到限制。如此大的施工规模和施工强度,此前国内外尚无先例;如果不能在当年完成施工任务,必须在汛期围堰加高抵御洪水,讯后再挖开围堰继续施工混凝土防渗墙,三峡工程将推迟一年发电,其政治影响和经济损失不可估量;而如因为混凝土防渗墙没能形成封闭使围堰安全出了问题,其后果将不可想象。

为确保工程按期完成施工,此前确立了引进必要的国外先进设备的基本思路。为此,工程引进了一台世界上最先进的混凝土防渗墙造孔设备,德国宝峨公司生产的BC30型液压铣槽机。这种设备具有造孔工效比任何设备都高、造孔深度大、精度高、地层适应能力强等特点,但设备昂贵、运行费用高,目前国内只适合在部分水利水电工程和城市地下连续墙工程中应用。

由于在中国是首次使用BC30型液压铣槽机,为掌握该设备的使用技术,并了解其对各种地层的适应性,尤其是在全部工程使用它不可能完成全部施工任务的情况下,在何种地层使用它?采用何种成槽工法,成为一个课题。于是在大规模施工之前,在上游围堰右接头段液压铣槽机试验段进行了现场试验,以了解该设备的性能,掌握操作技术,更重要的是研究相应的成槽工法及配套机具。

通过试验工程,了解到液压铣槽机最为适用三峡工程上部均匀松散的回填层和无漂(块)石覆盖层以及中软岩石地层等几种地层,总结研究了铣削法槽孔建造工法,施工证明使用该设备在上述地层中采用本工法具有极高的成槽速度和精度。

为顺利完成三峡二期上游围堰防渗墙工程的施工任务,中国水利水电集团公司技术人员与其子公司施工单位中国水电基础局有限公司设立了长江三峡工程二期上游围堰混凝土防渗墙施工技术研究与工程实践 研究课题,掌握液压铣槽机技术、研究总结包括铣削法 槽孔建造工法等一系列施工工法均为该课题的研究内容之一。该课题成果完成后,被专家鉴定为国际领先水平,于2003年10月获大禹水利科学技术奖二等奖,2005年1月获国家科学技术进步奖二等奖。2007年5月,中国水利水电建设集团公司组织专家对本工法进行了评审,其关键技术被评审为国内领先水平。

本工法经试验工程总结研究成功后,在三峡二期上游围堰混凝土防渗墙大施工期采用,采用本工法完成了六分之一的工程量,为工程高质量的按期完工,起到了重要作用。

本工法自三峡二期上游围堰混凝土防渗墙开发应用以来,先后被开发施工单位和国内同行应用于润扬长江大桥北锚锭地下连续墙、南娅河冶勒电站混凝土防渗墙、武汉阳逻长江大桥南锚锭地下连续墙、长江向家坝水电站一期围堰防渗墙、大渡河沙湾电站一期围堰混凝土防渗墙、南水北调穿黄一期工程地连墙等国家重点工程,具有明显的经济效益和社会效益。

在电力行业标准水电水利工程混凝土防渗墙施工规范2004修订版中,本工法被写入了该规范。 

2 工法特点

和传统的成槽工法相比,本工法具有速度快、精度高、环保施工等显著特点:

地层开挖材料与固壁泥浆混合,经反循环系统排出槽外筛分净化,连续成槽;泥浆净化后返回槽内重新利用,环保施工;

成槽设备电子化可控,成槽全程监控,电子纠偏装置的使用有利于保证成槽质量。

3 适用范围

通过工法研究试验及推广施工资料分析,本工法具有工效快、成槽精度高、噪音小、环保施工的优点,可达采用国内常用的冲击式钻机及“钻劈法”工效的10-20倍,采用抓斗设备及相应工法的2-4倍,成槽质量也易于保证,特别适用于在均匀的覆盖层和中低强度基岩中施工;如覆盖层中含有较大直径的漂(卵)石或岩石坚硬,虽采用本工法仍可施工,但工效低、设备磨损大、施工成本高,宜辅以其它槽孔建造工法和手段配合。由于本工法采用的液压铣槽机设备昂贵、国内市场数量有限,适用于规模大、工期紧张、精度要求严、环保要求高的工程以及采用传统成槽工法的大量通用设备布置受场地限制的混凝土防渗墙(地连墙)工程。

4 工艺原理

本工法是采用液压铣槽机铣轮旋转切削地层,并连续反循环排渣的槽孔建造工法。

液压铣槽机主要由主机和铣削头两大部分组成,主机为履带起重机,铣削头机体为一个钢制重型机架,它的功能除了固定各工作部件外,还可以为铣削提供一定的给进力,并起导向作用。机体下端有两个铣轮,铣轮上安有铣齿(牙)或滚刀,它分别由两个潜水液压马达驱动并绕水平轴相对转动。在转动中铣齿不断铣削地层,并使铣削的碎块与膨润土泥浆混合。安装在铣轮上方的液压泥浆泵抽吸泥浆并携带地层颗粒通过排渣管排出地面送至除砂系统,泥浆经除渣净化后又被送回槽孔循环使用。

本工法原理见图1。

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5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

本工法施工工艺流程见图2。

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1)工艺流程1:为使液压铣槽机开孔时铣头下卧到槽孔泥浆内并保证开孔精度,反铲或抓斗预开挖不少于2.5m,然后开孔铣削;

2)工艺流程2:铣削一期槽孔的两边单元;

3)工艺流程3:铣削一期槽孔中间单元;

4)工艺流程4:清孔换浆后浇筑一期槽孔;

5)工艺流程5:相邻一期槽孔浇筑后,择时铣削二期槽孔;采用铣削法成槽工法施工混凝土防渗墙(地连墙),一、二期槽孔一般采用铣削接头,二期槽孔一般采用一铣成槽;

6)工艺流程6:清孔换浆后浇筑二期槽孔。

5.2 操作要点

5.2.1施工导墙、平台及槽口预开挖

施工导墙宜为钢筋混凝土结构,其规格应根据设计的墙体深度、预计的成槽周期、地基密实程度确定,以保证施工期间槽口的稳定、施工设备和人员的安全。

施工平台宜整体或部分为混凝土结构,配筋情况根据具体情况确定,以保证安全兼顾经济为总体原则。施工平台中间某部位或远离混凝土防渗墙轴线的一侧应布置排水沟,以便于施工废水排出,保证现场文明施工。

5.2.2一期槽长度的确定

对于一期槽长的确定,除了考虑施工周期、槽壁稳定、混凝土浇筑上升速度等因素之外,还应该考虑与成槽工法直接相关的因素:两侧临空铣削的中间单元长度,不宜超过铣削架总体开度的1/2-2/3,特别是相对坚硬的地层,如此考虑的出发点是,中间单元铣削时,便于铣削架的稳定和成槽质量。一般情况下,一期槽孔采用三铣成槽,长度为7-7.5m。

5.2.3固壁泥浆及墙体材料

反循环成槽工法的普遍特点是,对泥浆的质量要求比较高。泥浆的性能特点需要考虑多次循环利用;特别是对于包括铣接头的墙段连接的铣削成槽工法,更应该考虑泥浆被墙体材料污染的问题。一般的做法是,在漏失地层中,一期槽需关注泥浆漏失问题,适用粘度指数(粘度、动切力)相对高一些的泥浆;二期槽因泥浆易被墙体材料污染,易使用粘度指数相对低一些的泥浆,成槽结束后,再根据泥浆检测情况,换一些性能更合适清孔和墙体材料浇筑的新鲜泥浆。不同阶段泥浆性能指标可参考国家电力行业标准水电水利工程混凝土防渗墙施工规范(DL/T 5199-2004)中有关规定。

为便于二期槽成槽施工,对于采用铣接头墙段的工程,宜考虑早期强度低的墙体材料。

5.2.4二期槽开始铣削的时间

二期槽开始铣削的时间不宜过早,龄期太短的一期槽墙体材料对泥浆具有更明显的污染;一般需待两侧一期墙体材料达到70%设计强度(7天龄期)后进行,一期墙体材料达到上述强度后宜尽早安排施工二期槽,以免随着强度的增加,增加二期槽成槽的难度。

5.2.5本工法对地层的适应性

不同的地层和不同的工程要求,选择不同的设备组合与施工工法至关重要,通过在三峡二期上游围堰右接头试验及后来推广应用证明,本工法虽然设备工艺先进,但对地层亦有它的适应性和相对的局限性,现分述如下:

1)结构均匀的覆盖层,该工法可以充分发挥它的铣削优势,工效高,槽形好,非常适用;

2) 铣削成槽工法对坚硬块球体适应性较差,铣齿易于磨损崩裂,成槽工效明显降低,设备易损坏,槽形亦受影响,铣槽机作业受到局限,发挥不出先进设备的作用;

3)对于石碴体、碎块石、砂卵砾石等疏松结构地层,槽内泥浆迅速沿疏松大孔隙急剧漏失,浆面下降,威胁槽孔安全,使铣削成槽工法不能正常展开,三峡工程采用回填挤压堵漏和预灌浓浆措施,可以解决该地层的泥浆漏失问题。

4)对于中等硬度的基岩,一般情况下铣削成槽工法可以直接应用,效率高于其它成槽设备,机械损耗小,槽形好;但遇有基岩风化程度不均一,内含有未风化硬核、硬块岩性,铣削成槽工法就显得困难,进度缓慢,一般需借助钻爆结合重凿冲击配合施工。

5)对于岩性新鲜、完整坚硬、强度、研磨性均较高的基岩,在铣削成槽时设备配件磨损严重,成槽效率极低,需考虑与其它设备配合或特殊的设备配件,或者采用爆破、重凿等其他辅助成槽措施。

6 材料与设备

常规配合本工法的材料主要为优质固壁泥浆,宜优先使用钠基膨润土泥浆。膨润土质量等级要求及泥浆质量控制指标,水利水电工程可按照国家电力行业标准水电水利工程混凝土防渗墙施工规范(DL/T 5199-2004)有关要求。

本工法的主要设备包括液压铣槽机及与之配套的泥浆净化装置。国内目前主要的液压铣槽机型包括德国宝峨公司生产的BC30、BC40及CBC25型铣槽机,其各自性能参数见表1及表2;

国内项目亦使用过法国地基公司的HF12000型铣槽机,其性能特点见表3。

常用的泥浆净化装置有德国宝峨公司产BE500型及国内的类似产品,以BE500型泥浆净化装置为例,其性能参数见表4。

7 质量控制

7.1 一般标准

铣削成槽工法的质量控制主要体现在铣削过程中对成槽偏斜率的控制,电力工程按国家电力行业标准水电水利工程混凝土防渗墙施工规范(DL/T 5199-2004)有关规定执行,国内现行规范一般要求为不超过4‰。

对于需要下设仪器、接头管(板)、钢筋笼等混凝土防渗墙(地连墙)的铣削成槽,设计部门对成槽偏斜率需另外提出要求,国内的工程经验为,最高可控制在2.5‰~3‰。 

表1 BC30及BC40铣槽机相关性能参数

 

BC30

BC40

主机型号

Bauer BS110

Liebherr 883HD

主机起重量(t)

60

120

发动机功率(kW)

297

605

主机单绳拉力(kN)

160

300

铣轮扭矩(kNm)

2×81

2×100

宽度(mm)

640-2400

800-2100

长度(mm)

2800

2800

高度(m)

15.40

11.50

泥浆泵

6’’

6

重量(t)

25-35

30-45

7.2 质量保证措施

7.2.1应该根据地层特性和铣削成槽深度、预计铣削成槽周期,建造坚固的导墙和施工平台,保证铣削初期的良好导向和铣削过程中设备的稳定; 

表2 CBC25铣槽机相关性能参数

BS 120主机

 

 

CAT 3408 DTA发动机

kW

365

挤压卷扬

 

 

拉力

kN

110

最大拉力(4道动滑轮)

kN

440

 MBC 25铣槽机

 

 

成槽长度

mm

2.790

成槽宽度

mm

640 1.500

成槽深度

m

60

扭拒 (每个齿轮箱)

kN˙m

81

铣槽轮转速

r/min

0 25

泥浆泵

 

5

处理能力(最大)

m/hr

250

 

7.2.2  选用质量优良的固壁泥浆,保持槽内泥浆面的水平,保证铣削过程中槽壁的稳定;

7.2.3选用经验丰富的操作手,铣削过程中适时监控成槽垂直度,发现偏斜及时纠正; 

表3 HF 12000液压铣主要技术参数

设备型号

HF 12000

主机型号

利勃海尔 HD 883

最大开挖深度

150m

开挖尺寸

0.62~2×2.8m

发动机功率

铣槽机动力站:400 KW

起重机:400 KW

最大起重能力

120

泥浆泵排量

400m3/h

泥浆净化设备

450m3/h

铣槽机机体及动力站重量

48

履带式起重机整机重量

110

 

7.2.4条件允许时,采用超声波测井仪器检查铣削完成的槽壁偏斜,和铣削过程的监控进行对比,及时纠正超出许可的偏斜;

7.2.5对于铣削工法连接的墙段,二期铣削成槽的偏斜需考虑相邻一期槽的偏斜,验收时对比检查,保证墙段可靠连接。

8 安全措施

8.0.1认真贯彻安全第一,预防为主的方针,根据国家有关规定、条例,结合施工单位安全标准,建立完善的安全体系,成立专门的安全结构,按照安全生产责任制的管理模式,明确各级人员的安全职责;

表4 BE500泥浆净化装置性能参数

最大处理泥浆能力

500 m3/h

泥浆最大密度

1.8 t/m3

泥浆马氏粘度

<40 s

泥浆含砂率

<18%

泥浆泵功率

2×45 kW

泥浆泵排量

250 m3/h

振动电机功率

6×2 kW

粗筛网筛规格

5×5 mm  

细筛网眼规格

0.4×25 mm

8.0.2按照混凝土防渗墙(地连墙)施工对安全的一般要求,根据作业现场具体情况,制定切实可行的安全操作规程,规程需涵盖现场所有的相关作业,包括安全用电、用水、高空作业、防火等措施等;

8.0.3在施工强漏失地层时,为防止槽孔坍塌将铣头埋在槽孔中,应采取必要的地层堵漏方案和槽孔建造过程中的堵漏措施,并随时观察槽孔状况,必要时及时将铣头提出槽外;

8.0.4液压铣槽机属大型昂贵施工机械,设备运输与工地搬迁时应特别注意安全,工地道路要平整坚实;

8.0.5如在雨季、冬季施工,应该制定相应的防雷、防冻、防滑等措施;

8.0.6在制定的安全操作规程的基础上,设立现场各类安全警示牌,组织例行的和不定期的安全检查,并作好记录,及时整改不合格的安全事项,消除安全隐患。

9 环保措施

9.0.1严格遵守国家和地方有关环境保护的法律、规章和制度,成立专门的环境管理部门,设立专门人员执行项目环境管理具体事务;

9.0.2根据项目特点,制定专门的环境保护技术措施,合理进行现场施工布置,便于现场废水、废渣控制及排放;

9.0.3定期、及时清理现场施工生产垃圾,保持施工平台干净、整洁;

9.0.4按照规定地点弃渣弃浆,避免污染;

9.0.5及时维护现场施工道路,及时清理遗洒在施工道路上的垃圾及废料;

9.0.6旱季施工需在施工场地做好洒水等防尘措施;

9.0.7如施工场地对噪音控制有特殊要求,需制定并采取相应的降噪、隔音等措施。

10 效益分析

10.0.1“铣削法”槽孔建造工法由于采用了世界上最先进的混凝土防渗墙(地连墙)施工设备,在相对松软、均匀的覆盖层地层和中低强度的匀质岩石地层中相对其它设备有着极高的工效,可达采用国内常用的冲击式钻机及“钻劈法”工效的10-20倍,采用抓斗设备及相应工法的2-4倍;成槽质量也易于保证,经济效益显著。

10.0.2对于工期紧张、施工质量有特殊要求的工程,比如需要下设重型钢筋笼的地连墙工程,铣削成槽和传统的钻进成槽工法相比,有突出的优越性;

10.0.3因为采用了先进的反循环排渣,在高性能泥浆处理的辅助下,地层开挖料和泥浆很好的分离,便于施工废渣的清理和运输,有利于现场文明施工和环境保护;

10.0.4和传统的成槽工法相比,因为采用了高效的设备,对劳动力数量的要求大为降低;

10.0.5本工法自三峡二期上游围堰混凝土防渗墙开发应用以来,先后被开发施工单位和国内同行应用于润扬长江大桥南锚锭地连墙、冶勒廊道混凝土防渗墙、阳逻长江大桥南锚锭地连墙、长江向家坝水电站一期围堰、大渡河沙湾电站一期围堰混凝土防渗墙及南水北调穿黄一期工程地连墙等国家重点工程,具有明显的经济效益和社会效益。

11 应用实例

11.1 应用实例1:长江三峡二期上游围堰混凝土防渗墙工程

11.1 .1工程概况

三峡二期围堰是工程最重要的临时建筑物之一,它是工程二期施工时期的安全屏障,其中上游围堰更是重中之重:其轴线全长1439.59m,最大高度82.5m,最大填筑水深达60m,最大挡水水头达85m,混凝土防渗墙最大高度73.5m,在世界围堰工程中均属罕见。堰体深槽段典型剖面图见图3。

3.jpg

 

图3 堰体深槽段典型剖面图

作为围堰成败的技术关键的混凝土防渗墙轴线全长997.634m(在桩号0+140.82以左为高喷混凝土防渗墙),成墙面积约4.1万m2。其中深槽段长度162m采用中心距为6m的双墙,双墙之间设5道隔墙,深槽断两边均为单墙。墙体厚度除液压铣生产性试验段为0.8m外,其余均为1.0m。墙体材料为塑性混凝土和柔性材料。混凝土防渗墙上部接土工膜,下部接帷幕灌浆。 

上游围堰混凝土防渗墙施工技术复杂,风险大,其主要特点是:

1) 地质条件复杂:原始砂卵石层和堰体水下平抛砂卵石层孔隙率大,易漏浆塌孔;两岸漫滩及河床段分布有新淤粉细砂层,松软,物理力学指标低,槽孔稳定性差;在覆盖层及全风化岩中,有相当数量的块球体,岩性坚硬,成槽困难;河槽左侧基岩陡坡高30m,坡度超过70°,墙体嵌岩困难。

2) 墙体深度大,大于50m的墙体面积达13700m2,最大深度达74m,这对成槽精度要求很高,槽段连接难度大。

3) 工程量大、工期短、施工强度高,约6个月的大施工期要求完成约3万m2的工程量,平均月成槽强度在0.5万m2左右,最高月强度要求达0.65万m2左右,为当时全国单道混凝土防渗墙之最。

混凝土防渗墙施工大体可划分为三个阶段:1、上游围堰右接头段液压铣槽机试验阶段;试验安排在墙体轴线右端头,对液压铣进行性能和生产性检验,为大施工提供技术保证。2、预进占段施工时段;1997年大江截流前在左右预进占段堰体内进行,其目的是降低大施工高峰期的施工强度。3、大施工时段;大江截流后,在防渗施工平台形成及对堰体风化砂振冲加密后进行,这是工程的攻坚阶段,其成败直接关系到堰体1998年安全渡汛和基坑按期降水,这几个时段的施工布置参见图3,各时段施工安排见表5。 

4.jpg

 图4 三峡上游围堰防渗墙分段布置图

 11.1.2 铣削法成槽工法在工程中的应用

在三峡上游围堰混凝土防渗墙地大施工期,为发挥各种设备的优势和特长,采用铣削法成槽工法使用液压铣削机施工主要集中在深度最大、强度最高的深槽段防渗墙施工中,使用该工法完成的工程量为5350.8m2,占成槽总工程量的六分之一,对工程高质量地按期完工起到了关键性的作用。 

表5 各时段施工概况表

时 段

起止时间

完 成工程量(m2

主要成槽设备

施  工  情  况

液压铣槽机试验段

1996.9.23

1997.4.26

3740

BC-30液压铣槽机1台,钢丝绳抓斗1台,SM-400全液压工程钻机1台,CZF-1500冲击反循环钻机1台。

除完成液压铣槽机性能与生产性试验外,还进行了固壁泥浆、硬岩钻爆、灌浆管埋设、槽孔精度检测、预灌浓浆等5项专题工艺试验,收集了大量试验资料,提出了适合三峡地层的铣削法成槽工艺,成墙效率可达1200m2/台月,所建成的墙体质量良好,墙段连接采用铣削法

预进占段

1997.5.5~

8.27(左)

2997

液压铣槽机1台,钢丝绳抓斗台,全液压工程钻机1台,冲击反循环钻机25台。

左进占段采用 “上抓下钻法”和两钻一抓法成槽,墙段连接采用双反弧接头槽法。右进占段采用铣削法铣抓钻法成槽。

1997.5.10

9.20(右)

4737

大施工期

1997.11.15~8.27

30769

BC-30液压铣槽机1台,利勃海尔主机机械式抓斗1台,BH-12液压抓斗1台, SM-400全液压工程钻机3台,CZF-1200、1500、2000冲击反循环钻机25台,CZ-22、30冲击钻机20台。

左右漫滩段采用“上抓下钻法”和两钻一抓法成槽,槽段连接采用双反弧接头槽法和钻凿法。深槽段采用铣削法铣抓钻法成槽,墙段连接采用钻凿法。对块球体、陡坡采用各种爆破措施。最高月造孔6071m2,最高月成墙面积6440m2

 11.2 应用实例2:长江向家坝水电站一期围堰防渗墙工程

长江向家坝水电站是继三峡工程之后,建设在长江干流上地又一巨型电站,其一期围堰防渗墙工程同三峡工程一样,同样具有墙深量大、工期紧、地质条件复杂的特点,防渗墙面积约5万m2,是继三峡之后又一高难度的防渗墙工程。

工程施工中,投入了液压铣削机、纲丝绳抓斗、冲击式(反循环)钻机等国内外最先进的成槽设备,应用了包括铣削法成槽工法在内的多种工法,采用铣削法成槽工法使用液压铣削机施工完成了约六分之一的工程量,对工程高质量的按期完工起到了重要作用。

11.3 应用实例3:四川大渡河沙湾水电站一期围堰防渗墙工程

中国水利水电建设集团公司水电基础局于2006年5月至10月承担了四川大渡河沙湾水电站一期围堰防渗墙工程的施工任务,该工程防渗墙面积约6万m2,施工单位投入了液压铣削机、纲丝绳抓斗、冲击式(反循环)钻机等国内外最先进的成槽设备,应用了包括铣削法成槽工法在内的多种工法,采用铣削法成槽工法使用液压铣削机施工完成了约六分之一的工程量,对工程高质量的按期完工起到了重要作用。

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