覃家沱水文站水位测井
钻孔灌注桩施工技术
周国良
（水电八局三峡施工局 湖北宜昌 443133）
[摘要]：覃家沱水文站位于三峡工程左岸电厂下游400m处，设计流速5m/s，是三峡施工局承建的两个水文站难度最大的一个。本工程为季节性工程，受长江夏汛影响大，水下工程部分只能在枯水季节施工；靠近厂坝泄洪区，水急、浪大，给施工带来很大不便；地质情况复杂，离左岸二期施工围堰不到100m，钻孔过程中易塌孔，成孔困难，钻孔灌注桩孔深大（最大孔深为34.83m）。我局以方案最优报价最低中标。
[关键词]：钢沉箱 钻孔 泥浆护壁 钢筋笼 混凝土灌注
1 工程概况
覃家沱水位测井建设工程位于三峡坝区左岸电站厂房下游，该工程主要由竖井、站房及钢栈桥组成。
竖井建基面高程为57.00m，井口高程为79.00m，基础为钻孔灌注桩基础，桩承台为方形（平面尺寸为6.5m×6.5m），高1.5m。灌注桩共4根桩，桩直径为1m，桩距3m，进入弱风化层2m，最大桩深34.83m，相应桩尖最低高程为22.17m。井身为圆筒形钢筋混凝土结构，内圆直径为1.5m，外圆直径为2.5m，壁厚50cm，井身高度为20.5m。
站房为单层框架现浇混凝土结构，站房室内净高3.6m；上部结构屋面由4根250×300mmC20钢筋混凝土框架柱支撑，柱基锚固于水位井圆盘之上；屋面采用100mm厚C20现浇混凝土板；屋顶设有300×200mm环向框架梁。
在竖井顶部观测室与岸边梯道之间设有钢栈桥作为交通通道。钢栈桥桥面宽1m，共设两跨，跨度分别为14m、25 m；中间支墩为直径1m的钢筋混凝土实心柱。
覃家沱水位测井建设工程如下图所示：
- 主要施工方案
主要施工方案有：⑴.钢沉箱制作与安装；⑵.钻孔灌注桩采用2台CZ-30Ⅱ型冲击钻机钻孔；⑶. 造孔护壁；⑷. 导管法水下混凝土灌注。
- 技术要点与难点
钢沉箱的安装及安装后的稳定与防水是整个工程能否顺利实施的关键，泥浆护壁是钻孔能否成功的关键，浇注强度和两孔砼均衡上升是导管法水下混凝土灌注能否成功的关键。
- 施工方法
4.1 钢沉箱及钻孔平台的制作与安装
由于水下开挖是用抓斗式挖泥船进行开挖的，基础面不可能象陆上开挖一样平整，施工单位采用在基础面上浇筑一层混凝土来进行找平，以减少后期吊放钢沉箱的困难。先通过岸坡搭设的浮桥将泵管接至8m×8m平台基础面上方后，再通过垂直导管将混凝土送入浇筑部位。基础面平均高程为▽55.0m，垫底混凝土顶面高程为▽56.0m。
钢沉箱整体高11m，宽6.45 m×6.45 m，共分三节，节与节用高强螺栓连接，第一节高3m，第二节高3m，第三节高5m。第一节钢沉箱内安装4个护脚(单个高0.5m、壁厚6mm、直径1.4 m)，并与钢沉箱连为整体；护脚内放有4个内护筒（单个高13m、壁厚10mm、直径1.3m）。钢沉箱总重量为44.74T。钢沉箱接缝防水采用40mm厚、宽100mm整体防渗橡胶垫，并用防震胶粘接，高强螺栓压实连接。
每节钢沉箱均在河岸▽67.0 m施工平台进行组装。当第一节钢沉箱在经监理工程师验收合格后，用200T吊车将其吊入水中。当沉箱底部一端接触到基础混凝土后，吊车的吊钩保持稳定状态，同时用型钢对沉箱底部其它部位垫实，局部采用铁板凳进行垫实。通过测量、检测沉箱各个角的高程，并将相对高差控制在5cm以内，以保证整个沉箱的垂直度。
第一节沉箱安装就位后，为保证其稳定性，需及时浇筑其外侧的护底混凝土，护底混凝土顶面高程为▽58.0m。护底混凝土浇筑施工参照垫底混凝土浇筑施工进行，即通过浮桥将泵管接至沉箱上方后，再通过垂直导管将混凝土送入浇筑部位。
在沉箱外侧护底混凝土浇筑完成3天后，再依次安装上面两节沉箱，节与节之间用高强螺栓连接，由潜水员在水下完成。每根钢护筒吊装时，均通过潜水员在水下辅助作业进行导向，使护筒顺利地吊入护脚内，然后对护筒的铅直度和护筒的中心位置进行检测，在满足要求后用型钢将护筒与钢沉箱连接固定，并将四根钢护筒连接成一整体。
当沉箱全部安装就位后，需浇筑其内侧的护底混凝土，以对护筒进行有效地稳固。内侧护底混凝土浇注施工参照沉箱外侧护底混凝土浇注施工进行，对混凝土面高程严格控制在▽57.0m左右。
在钢沉箱及护筒安装完成后，即可在沉箱上部安装钻孔平台，钻孔平台的主梁采用4根36a工字钢，次梁采用6根25a工字钢，操作平台面板采用散钢模板满铺，平台的几何尺寸为8.4m×7.2m。钢沉箱四周搭设钢管栏杆，高1.2米，与临时栈桥栏杆连成一体。
钻机操作平台如下图所示：
4.2 钢沉箱拆除
① 安排潜水员对沉箱周边进行清淤，直至水平连接螺栓便于被割除为止；
② 割除钢沉箱内侧中下节连接处（高程59.0m）的水平连接螺栓，并对钢沉箱内充水至高程61.5m平衡；
③ 割除钢沉箱内侧中上节连接处（高程62.0m）的水平连接螺栓，并对钢沉箱内充水至高程66.2m平衡；
④ 割除钢沉箱外侧中上节连接处（高程62.0m）的水平连接螺栓（潜水员水下作业）；
⑤ 采用70t吊车将上节钢沉箱吊至▽67m马道氧割解体；
⑥ 割除钢沉箱外侧中下节连接处（高程59.0m）的水平连接螺栓（潜水员水下作业）；
⑦ 采用50t吊车将中节钢沉箱吊至▽67m马道氧割解体。
4.3 钻孔施工
在钢沉箱顶面的钻机工作平台上，于对角线上的二个桩孔位置各摆放一台CZ-30Ⅱ型冲击钻机，使用全站仪调整钻机位置，使钻头的中心与灌注桩中心重合。
钻孔的施工布置及施工程序如下：
根据现场施工条件及安排，在陆地就近布置。结合实际情况，泥浆池仅布置一个供浆池，砖砌体结构，储量为15m3左右。在施工平台上布置砂石泵和沉淀池，孔内泥浆经砂石泵或用抽砂桶抽回沉淀池，沉淀后自流回孔内回收利用。
⑵.护壁泥浆
①.制浆：本工程采用膨润土泥浆，膨润土质量标准采用《钻井液用膨润土》（SY5050-85）。拌制方法：采用ZJ-400L高速搅拌机，按规定的配合比先往桶内加水，必要时加入适量纯碱和CMC等外加剂，再加入膨润土，各种材料的加量误差不大于5%。每槽浆的搅拌时间为5～7分钟。施工开始时先按表5- 1中配合比进行配制，经对各项指标检测后再根据检测结果对照表中配比进行调整。新制泥浆各项指标要求满足表5-2。
②.质量要求：新制膨润土浆存放24h后使用，并对储浆池内泥浆经常搅动，保持各项指标均衡，避免沉淀或离析。在钻进过程中当泥浆性能恶化时，抽出泥浆进行净化处理，并及时补充新浆。在泥浆池周围设置排水沟，防止污水或雨水流入后污染泥浆。新制泥浆24h后从储浆池内取样，测量比重和漏斗粘度。施工过程中对泥浆密度和粘度经常进行检测。
表5-1 新制泥浆配合比（Kg）
| 膨润土 | 纯碱 | CMC | 聚丙烯酰胺 | 水 |
| 5～8 | 0～0.5 | 0～0.1 | 0～0.05 | 100 |
表5-2 新制泥浆性能指标
| 密度(g/cm3) | 粘度
（s） |
失水率(ml/30min) | 泥皮厚（mm） | 胶体率(%) | 含砂率(%) | 静切力(Pa) | PH值 |
| 1.02～1.06 | 16～20 | ≤20 | ≤3.0 | ≥95 | ≤4 | 1～2.5 | 8～10 |
造孔前先往孔内加入适量粘土，以使钻头平稳钻进，再适时加入膨润土泥浆护壁，必要时投放适当的粘土以改善泥浆的性能。在钻孔施工过程中，孔内泥浆标高与江水位基本持平。造孔过程中，不停地补充浆液，禁止向孔内泥浆中加入清水；停钻时定时搅拌孔内泥浆，并保持孔内具有规定的水位和要求的泥浆密度和粘度；当泥浆性能恶化时，将泥浆抽出进行净化处理，并及时补充新浆。两台钻机造孔过程中产生的泥浆均进入沉淀池，经沉淀处理后回流入孔内再利用。钻孔过程中，每进尺30～50cm检测孔斜一次，发现有偏差及时纠偏，孔斜控制标准为1%。根据设计要求，桩基应深入弱风化岩层2.0m以上，故各孔钻孔过程中，根据循环泵或提砂桶抽出的岩样及进尺情况，详细记录开始进入弱风化岩层时的孔深，并按进尺30～50cm取岩样一次，达到设计标高后，及时复核地质情况是否与设计相符，并请地质工程师进行岩样鉴定，如有异常情况，及时上报监理、设计予以处理。各孔经地质工程师确认进入弱风化层2.0m以上，并经监理工程师确认孔深之后，方可终孔。
为了进一步防止塌孔，在钻孔时同时采用内钢护筒护壁。钢护筒壁厚10mm，内径100cm，加工成每3m一节，现场逐节焊接加长。钢护筒随造孔深度增加逐渐接长，其底部比钻头工作区域高1～2m，护筒下至流沙层以下2m后可停止接长。
⑷.特殊情况处理
①. 钻孔孔斜超标时，采用回填一定高度粘土再重钻等方法进行处理。
②.成孔过程中，当发现泥浆漏失严重时，在回浆沟内投放锯木等止漏材料止漏，或抛填粘土等。
4.4 钢筋笼施工
⑴.钢筋笼制作：
钢筋笼加强筋和箍筋在钢筋厂加工，其余钢筋均直接运至施工现场，现场进行制作加工。首先在现场马道上搭设一约30m2的简易加工棚，用于存放钢筋及加工钢筋笼。钢筋的保管和加工按招标文件和规范的有关规定进行，其允许误差严格按施工详图和设计要求执行。钢筋笼的制作分节进行，每节长6.0m。为防止钢筋笼运输和定位过程中变形，起吊前分别在钢筋笼的顶部和底部加强筋上焊接两根Ø25的钢筋，呈“十”字分布；顶部一节根据桩的长度进行定制。制作完成后，每隔1.5m左右在同一水平面呈对称放四块5×5×5cm预制水泥垫块，并用扎丝将其与主筋绑扎牢固，以保证保护层厚度，钢筋笼的主筋净保护层不小于设计规定值。制作好的钢筋笼用防雨布盖好，以防生锈。
在桩孔验收合格及钢筋笼制作、验收合格后，采用吊车分节吊放入孔内。吊入桩孔内时，保持缓慢下放，防止碰撞桩壁，如下放时遇到困难，不强行下插，并立即查明原因，及时作出处理。安放到位后进行检查，其底面高程允许误差为±50mm。灌注混凝土前采取措施在孔口固定钢筋笼位置，以确保混凝土净保护层厚度和钢筋的垂直度以及在混凝土浇注过程中不发生移位和变形。因钢筋笼采用分段制作，各桩钢筋笼均通过焊接而成。焊接方法是：将钢筋笼下放，当其最顶部加强筋到达桩口时，用4根2″焊接钢管支撑加强筋，放置在置于桩圈外的方木上，再将与之对接的钢筋笼吊至其上方，对接好后，采用绑条焊接。重复上述操作，直到钢筋笼满足设计要求为止。
4.5 钻孔灌注桩混凝土施工
混凝土灌注采用导管法施工，混凝土导管选用壁厚为5mm、直径Ø250的无缝钢管，每根长2～3m左右，采用丝扣连接，导管用钻机进行吊装，导管底部距孔底25～40cm。导管吊放完成后，在管内置入可浮起的隔离塞球，上端接不小于0.6m3的漏斗。
混凝土配合比根据设计要求的性能以及原材料通过试验确定，在报监理工程师审批后执行。混凝土各原材料，如水、水泥、粗细骨料和外加剂等均按设计要求选购，混凝土由三峡工程右岸▽84混凝土拌和系统购买，经搅拌车运料到▽67.0m施工平台，混凝土泵车直接送至导管上端的漏斗。
①. 第一次灌注的混凝土以保证导管埋深1.0m以上进行控制。在灌注过程中，导管埋入深度不得小于2m，不得大于6m，并注意控制导管提升与混凝土上升速度的配合，因此，浇注过程中经常用测饼测量孔内混凝土的顶面高程，以便及时掌握导管底部的混凝土埋深。
②. 浇注开始后连续进行，直至浇至设计标高以上50～100cm，以确保孔内沉碴被完全置换，混凝土上升速度控制在不小于3米/小时。
③. 当混凝土浇注不畅通或发生堵管时，用Ø50型振捣棒对导管进行振动，也可上下抖动导管，但抖动时上提幅度不得超过30cm，防止因机械或操作失误而将导管提出混凝土面。
④. 浇注过程中，对有关检测的数据，如混凝土上升速度、导管拆卸等如实进行记录。
4.6 钻孔灌注桩塌孔、卡钻处理
⑴.概述
覃家沱水位站钻孔灌注桩孔径1.2m，孔口高程▽56.5m。移动站址后的地质条件为块石夹砂及细砂层，钻孔困难且易塌孔。2004年2月19日1点30分发生塌孔：1#孔塌孔高程▽34m（22.5m深），坍塌土将冲击钻头卡住导致钢丝绳断裂，冲击钻头被埋在坍塌土中；3#孔同样存在塌孔现象，塌孔高程▽34m（22.5m深）。
⑵.处理方案及步骤
①.处理方案
采取向孔内回填R28250#砂浆固壁，回填高程至▽57m，7天后重新钻孔。1#孔重新钻至▽36m左右时进行扩孔、处理孔内钻头。
②.处理步骤及方法
a.回填砂浆
砂浆回填采用导管法灌注施工，导管（壁厚5mm、直径φ250）用50t吊车进行吊装。砂浆由三峡工程右岸▽84m混凝土拌和系统购买，通过搅拌车运至▽67m施工平台，再用混凝土泵直接送至导管上端的集料漏斗。灌注过程中用测锤测量孔内高程并详细记录灌注单位砂浆量时孔内高程的相应变化值，直至回填到▽57m高程。
b.钻孔
在砂浆回填7天后进行钻孔，若再出现塌孔情况，则重新回填砂浆，直至钻孔施工正常为止。
c.提取钻头
1#孔在钻至▽36m左右时，改用2t弧形钻头(45#圆钢制作2.5m长)进行扩孔，直至所埋钻头周边钻到▽34m左右，然后在钻机副绳上挂一钢丝绳活结套，当活结套下放到钻头吊环高程以下时试提套绳，直至牢固地套中钻头为止。
套住钻头后，在钻机桅杆上布置5t葫芦与钻机副绳一同提升带有活结套的钢丝绳。副绳在小辐度范围内往返拉升，葫芦也一同提升；若提不动时，用弧形钻头再扩孔，直到提出钻头为止。
- 结束语
在钻孔灌注桩施工过程中，由于受河床淤积抬高、地质及水流速度等因素的影响，工程进展缓慢，待1#、3#钻孔灌注桩工程于2003年5月2日基本完成后，工程又面临长江汛期威胁，2003年6月16日工程被迫停工。由于2003年长江夏汛洪水的破坏性极大，造成覃家沱水位站钢沉箱失稳变形，钻机也被洪水冲走；于2003年11月将站址向下游顺移61米后复工。覃家沱水位测井工程在水深大、水流急、地质条件差及受汛期和左厂发电泄水等各种错综复杂施工因素影响的情况下，三峡施工局依靠科学的施工技术，严谨的切实可行的施工方案，圆满地完成了该项工程，又一次证明了科学的施工方案是工程成败的关键。
【作者简介】
周国良 水利水电第八工程局三峡施工局 工程师
三峡坝区19小区 443133
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