樹根樁及灌漿加固技術在紫蘭壩水電站GIS樓基礎加固中的應用

胡德春

（華電四川寶珠寺水力發電廠，四川廣元 628003）

0 概述

紫蘭壩水電站位于四川省廣元市境內，是白龍江干流開發規劃中的最后一個梯級電站。電站裝機3×34 MW，水庫庫容 0.392 億 m3，電站以發電為主，兼有改善下游航運等綜合效益。電站為河床徑流式電站，屬中型Ⅲ等工程，樞紐主要建筑物級別為3級?？拐鹪O防烈度為6度。紫蘭壩水電站工程樞紐由5孔泄水閘、右岸河床式電站廠房及左右岸混凝土副壩等建筑物組成。

電站工程于2003年10月正式開工建設，2006年7月28日首臺機組投產，2007年5月第三臺機組順利并網發電。2007年12月通過四川省電力公司組織專家組的樞紐竣工安全鑒定。歷經近兩年的運行，各建筑物運行狀況良好。

GIS樓布置在安裝間下游側，為三層鋼筋混凝土框架結構，采用鋼筋混凝土片筏基礎，坐落于回填砂礫石地基上。施工期間曾經因地基問題出現過不均勻沉降，設計針對沉降也提出了處理方案。專家組咨詢后認為：GIS樓沉降趨于穩定，可暫不進行處理，但應加強變形監測。根據咨詢意見，采用靜力水準結合表面式兩向測縫計對GIS樓進行沉降變形監測，并將監測項目引入電站自動化監測系統。根據首臺機發電至2008年5月地震近兩年的監測資料分析，沉降變形值較小，地基變形已趨于穩定。

在“5·12”汶川特大地震及余震的作用下，砂礫石地基受到震動擾動，又產生不均勻沉降變形，導致基礎和上部結構局部構件出現裂縫，最大沉降量為18.7 cm。對GIS樓A軸及4軸進行傾斜觀測，D軸向A軸傾斜3 cm；4軸向1軸傾斜3.6 cm。由于地震作用，鋼筋混凝土片筏基礎出現不規則裂縫，最大裂縫寬度5 mm，且有兩條貫穿裂縫。為確保電站運行安全，必須盡快對GIS樓地基和上部結構采取措施進行加固處理。

1 加固處理方案的選擇

經湖北武大珞珈工程結構檢測咨詢有限公司對GIS樓進行檢測，綜合評定等級為三級。

根據GIS樓施工情況以及目前現狀，原因均是砂礫石地基沉降引發上部結構變形受損，因此GIS樓加固處理的重點是對地基進行加固。地基加固處理主要是改善地基的力學性能，提高地基的承載力，使建筑結構保持穩定。

考慮本工程地基填土的實際情況、場地情況、方案的可實施性等因素并借鑒類似工程處理的經驗，GIS樓基礎加固采用壓力注漿結合樹根樁方案進行：對GIS樓地基進行壓力注漿，充填地基砂礫石中的孔隙，并使松散土體膠結硬化，另外利用鉆孔形成樹根樁，從而增強地基的固結度，提高其強度和抵抗變形的能力，同時對GIS樓上部梁、板、柱結構粘貼碳纖維或鋼板進行加固補強處理。

1.1 壓力灌漿方案

在GIS樓下游通風廊道內以及右側回車場布設 3 排注漿孔，間距 1.5 m，排距 0.75 m，孔深至基巖面（約18～20 m），共64個孔。在GIS樓基礎范圍內電纜廊道頂部設兩排灌漿孔，孔深為1.2 m，穿透筏板進入碎石層內。灌漿孔間排距均為1.5 m，共26個孔。1～3軸、B～D軸部位樹根樁孔之間設置5排深入基巖面的注漿孔，間排距1.3～1.4 m，共24個（詳見圖 1）。

1.2 樹根樁方案

在GIS樓基礎范圍內，沿A軸、1軸、2軸、3軸布設樹根樁，鉆孔孔徑220 mm，孔深至基巖面以下1.0 m。 樹根樁間距 A 軸為 0.8 m，1 軸～3 軸為 1.0 m，共52個（詳見圖1）。

1.3 樹根樁方案的確定

方案Ⅰ：樹根樁的鉆孔孔徑為220 mm，孔深至基巖面以下1.0 m。先灌漿后灌注C25細石混凝土形成樁體，樹根樁鋼筋主筋選用4φ14（Ⅱ級），箍筋為 φ6＠200。 混凝土碎石粒徑為 0.2～1 cm。

方案Ⅱ：若方案Ⅰ進行過程中鉆孔難以成孔，就采用壁厚10 mm、直徑219 mm的無縫鋼管作為套管下入鉆孔內，直接在鋼管內拋入碎石，采用注漿管壓入砂漿成樁。

選擇165號孔作為樹根樁生產性試驗孔，共注入水泥201.8 t。 第一次掃孔（φ219 mm）至5 m左右塌孔，注入0.5∶1水泥漿液待凝，第二次掃孔至8 m左右塌孔，注入0.5∶1水泥漿液待凝，第三次掃孔至12 m左右塌孔。GIS樓地基砂礫石層由于地下水的沖掏及地震震動形成部分空洞，灌漿吸漿量極大。由于地下水、砂礫石粒徑大小、待凝時間、鉆進方法等因素影響，水泥漿液與地基砂礫石膠結并不好，導致生產性試驗孔掃孔多次塌孔，樹根樁方案Ⅰ無法實施，只能選擇樹根樁方案Ⅱ。

圖1 灌漿孔、樹根樁平面布置圖Fig.1 Layout of the root pile holes and grouting holes

2 壓力注漿施工

本工程的灌漿處理不同于常規的帷幕灌漿和固結灌漿，因此在進行灌漿施工時，必須控制好如下技術要點：（1）無水鉆孔；（2）有序鉆孔灌漿；（3）嚴控灌漿壓力；（4）盡量減小灌漿施工對GIS樓的影響。

2.1 灌漿生產性實驗

灌漿前選取GIS樓右側475.5 m高程的53號孔作為先導孔進行生產性鉆灌試驗施工，并取樣做密實度測試，分段壓漿，進行鉆孔、漿液灌注試驗，及時整理分析試驗資料，確定地基砂礫石土的灌漿參數。通過試驗尋找適合的漿液配合比、灌漿壓力、鉆孔施工工藝等，為后續施工提供決策參數依據。該孔共鉆孔 18.7 m，灌注水泥漿 124.33 t。 試驗證明采取套管跟進成孔，自下而上、孔口封閉、孔底循環跟管灌漿工藝在本工程是可行的。

2.2 施工工藝及方法

灌漿采取“自下而上、孔口封閉、孔底循環跟管灌漿”的施工工藝。

灌漿的施工順序為：孔位、鉆機校正→成孔→鉆孔驗收→灌漿管路安裝→制漿→分段灌漿→灌漿結束及封孔。

2.3 灌漿孔分序

按先外圍封閉后內部灌注的施工順序進行施工。灌漿孔統一編號，并嚴格按照分排分序加密的原則進行。除1.2 m注漿孔分Ⅱ序施工外，其余部位分Ⅲ序施工，施工順序為Ⅰ序→Ⅱ序→Ⅲ序。同一排相鄰的兩個次序孔之間，以及后序排的一序孔與其相鄰部位前序排的最后次序孔之間，巖層中鉆孔灌漿的高差不小于15 m。下一孔序的鉆孔必須等上一孔序的鉆孔灌漿結束后方可開始施工。對于同序孔，仍應按照逐孔加密的原則進行施工。

為了減少施工對建筑物的影響，建筑物內同時灌漿施工的同序孔數不能超過2個，孔間距應大于5 m，相鄰注漿孔的注漿時間要間隔2 d以上。

2.4 鉆孔

根據施工控制點，將每個灌漿孔的孔位都測放出來，利用手提電鉆鉆φ18 mm的孔標注各孔位，同時用紅油漆在邊墻上注明其樁號、孔號等，然后鉆機就位，校正鉆機，進行鉆孔施工。

灌漿鉆孔，室內及通風廊道采用YG-60錨固鉆機，配φ110 mm套管及偏心沖擊鉆頭風動造孔，孔徑為110 mm。室外回車場采用SM3000A移動式潛孔鉆機，配φ146 mm套管及偏心沖擊鉆頭風動造孔，孔徑為146 mm。穿越建筑物基礎筏板、廊道底板以及回車場表面的鋼筋混凝土或混凝土結構，采用直柄鉆頭施鉆。

經設計同意，GIS樓電纜廊道頂部1.2 m灌漿孔采用手風鉆鉆孔，孔徑42 mm，純壓式灌漿，以減少對結構的損壞及縮短工期。

鉆孔的孔位誤差不超過5 cm，角度誤差不超過0.5°，鉆機應停放水平、穩定，鉆進過程中不出現移動錯位現象，鉆孔深度至基巖(約18～20 m)。鉆孔達到設計孔深時，對孔斜、孔深進行檢查驗收。為防止擾動塌孔,鉆孔完畢后不進行沖洗，采用空壓機送風洗孔排渣。

2.5 灌漿

2.5.1 灌漿分段及壓力

室內以及廊道內鉆孔鉆穿混凝土底板后，再鉆進1.5m左右為第一段；其余灌漿分段段長采用3 m。

室外回車場、建筑物內鉆孔第一段灌漿壓力為0.2 MPa（指孔口處回漿壓力），最后一段灌漿結束壓力為 0.5 MPa。 其余灌段灌漿壓力為 0.3 MPa。

2.5.2 漿液以及漿液變換

灌漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比采用 1∶1、0.8∶1 以及 0.5∶1 三個配合比， 開灌漿液水灰比為1∶1。當吸漿量超過200L／m，且注入率大于30L／min，灌漿壓力及注入率均無明顯變化時，或當注入率大于 30 L／min，孔口壓力＜0.1 MPa，且壓力無明顯上升時，應加濃一級漿液灌注。

2.5.3 灌漿

灌漿采取“自下而上、孔口封閉、孔底循環跟管灌漿”的施工工藝，即采用套管護壁鉆至設計孔深，安裝射漿管及花管，漿液通過花管深入巖層的一種灌漿方法。灌漿時使用拔管機自下而上拔出套管和射漿管，分段進行孔底循環、孔口封閉壓力灌漿施工。施工程序為：套管護壁終孔→安裝灌漿管→拔起套管（3 m）→安裝灌漿塞→制漿灌漿→再拔套管及灌漿管（3 m）→灌漿至上部段完畢→灌漿結束及封孔。

灌漿前，應對灌漿設備進行檢查，確認運轉正常后再制漿。將原料按配合比定量加入到灌漿機的攪拌桶內。每桶漿液攪拌時間不少于3 min，然后經濾網放入儲漿桶，邊灌邊攪，連續作業。灌漿記錄采用三參數自動記錄儀記錄。

利用布設在GIS樓478.50 m層的靜力水準對灌漿過程中建筑物的抬動、沉降量進行監測。變形數值不應超過±3 mm，施工中如發現測點變形異常，應立即調整灌漿壓力或暫停施工。

2.5.4 結束標準

在規定的灌漿壓力條件下，當注入率≤1 L／min時，持續灌注30min即可結束灌漿。灌漿完畢后，應及時采用“壓力灌漿封孔法”進行封孔，并將孔口抹平。

2.5.5 特殊情況的處理

（1）鉆孔過程中發生串漿時，立即停止鉆進并起拔護壁套管，同時封堵已成孔。然后對串漿孔采取降壓限流或間歇灌漿的方法進行處理，待該孔灌漿結束后再進行串漿孔的鉆進。

（2）灌漿段吸漿量大，灌漿難于結束時，應采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿、灌注水泥砂漿以及加水玻璃等措施，經處理后仍應掃孔，重新按照技術要求進行灌漿。灌漿過程中，發現冒漿、建筑物或回車場路面抬動時，立即停灌進行間歇灌漿。

（3）灌漿施工過程中，GIS樓基礎情況較原設計有所變化，基礎的可灌性好、吸漿量大，造成投資增加，工期延長。由業主組織設計、監理和施工單位召開了白龍江紫蘭壩水電站GIS樓基礎灌漿咨詢會，對前期基礎灌漿資料進行了分析，設計方中國水電顧問集團西北勘測設計研究院提出了《白龍江紫蘭壩水電站工程GIS樓地基加固灌漿成果分析及控制灌漿措施》，此后的基礎加固灌漿均按此措施進行控制性灌漿。經過最后的檢查驗收，控制性灌漿效果較好，滿足GIS樓地基加固的要求。

2.6 檢查及驗收

本工程壓力灌漿的檢查驗收包括：鉆孔取芯結石情況檢查、密度測試、復灌效果及灌漿資料檢查等。

復灌孔根據施工情況現場確定檢測孔6個。復灌漿量小于鄰近孔平均灌漿量的30%即為合格，復灌壓力為 0.3～0.5 MPa。 檢查孔復灌結果、密度測試及資料分析表明，壓力灌漿質量合格。

3 樹根樁施工

3.1 施工設備

樹根樁成孔采用YG-60錨固鉆機，配φ219 mm鋼套管及偏心沖擊鉆頭風動造孔?；炷涟柚撇扇娭茢嚢铏C進行，拌制能力滿足細石混凝土澆筑進度高峰期所有需要。由于本工程混凝土量小，單根樁混凝土量不到1 m3，采用室外拌和人工手推車運輸澆筑。

3.2 施工材料

鋼套管：鋼套管采用φ219 mm、壁厚10 mm的無縫鋼管。

水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。水泥細度要求通過80 μm方孔孔篩的篩余量不大于5%。必須符合規定的質量標準。

砂石骨料：混凝土澆筑采用天然砂，砂子粒徑小于 2.5mm，碎石粒徑為 0.2～1cm，滿足 DL／T5144-2001《水工混凝土施工規范》要求。

3.3 施工工藝流程

施工測量樁孔定位→鉆機就位→鉆孔→鋼套管跟進成孔→終孔驗收→細石混凝土澆筑→樁頭處理。

3.4 施工方法

3.4.1 樁孔定位

根據施工控制點，將每個樹根樁的孔位都測放出來，用紅油漆在邊墻上注明其樁號、孔號等，然后鉆機就位，校正鉆機，進行鉆孔施工。

3.4.2 鉆孔

采用YG-60錨固鉆機，配φ219 mm鋼套管及偏心沖擊鉆頭風動造孔，孔徑為220 mm。達到設計孔深后，對鉆孔進行驗收并利用風壓將孔內殘渣吹出孔外。樹根樁設計孔深為深入基巖1 m，孔位平面允許偏差±20 mm，鉆孔垂直度和斜度偏差不得大于1%。

3.4.3 細石混凝土澆筑

（1）本工程混凝土標號為C25，施工前，通過室內試驗成果進行混凝土配合比設計，并報送審批后施工。

（2）混凝土的坍落度：20～25cm。

（3）混凝土取樣試驗：混凝土澆筑過程中，按照規范規定，在澆筑現場進行混凝土取樣試驗。

（4）混凝土拌和

①用磅秤稱量混凝土所需砂石骨料、水泥和水后，用強力攪拌機拌制混凝土，拌制過程中配料必須嚴格遵守混凝土配料單，嚴禁擅自更改配料單。

②設備生產率必須滿足本工程高峰澆筑強度的要求，所有稱量、指示、記錄及控制設備都應有防塵措施。設備稱量應準確，偏差不應超過相關規范的規定。

（5）澆筑：由于本工程樹根樁混凝土工程量不大，約為52 m3，單根為1 m3，采用手推車入倉、導管法澆筑。筏板內樁孔在澆筑混凝土前應鑿毛處理，保證樁頭混凝土澆筑密實。澆筑前下入φ32mm塑料管，用高壓風將孔內積水吹出，保持孔內清潔?；炷翝仓Ч懿捎弥睆?08mm無縫鋼管，壁厚5mm。單節長度分為1.0 m。導管連接采用絲扣連接。

導管下至距孔底50 cm處，上部連接在漏斗出料管上。C25細石混凝土用手推車推入，經漏斗、導管直至孔底，根據澆筑量逐級提升導管直至孔口。導管下放和提升采用三腳架、手拉葫蘆、卡瓦托盤配合使用。

3.5 檢查及驗收

本工程樹根樁的檢查內容包括：鉆孔取芯結石情況檢查、密度測試及資料檢查等。根據施工情況，現場確定取芯檢查孔2個。通過樹根樁的取芯檢查及密度測試，證明施工效果良好。

4 結 語

（1）在“5·12”特大地震中，紫蘭壩水電站 GIS樓與以基巖為地基的建筑物相比，受損程度更為嚴重，說明以基巖為地基的建筑物抗震性能更好。因此，對GIS樓基礎采用樹根樁深入到基巖進行加固處理的方案是可行的。同時采用壓力灌注水泥漿來改善地基的工程地質條件，進一步提高基礎的強度和穩定性。

（2）應選取合適的孔作為先導孔進行壓力灌漿和樹根樁的生產性試驗，并取樣做密實度測試，分段壓漿，進行鉆孔工藝、漿液灌注、灌注細石混凝土等試驗，及時整理分析試驗資料，確定地基砂礫石土的灌漿參數、樁體的施工工藝。通過試驗尋找出適合的漿液配合比、灌漿壓力、鉆孔施工工藝等，為后續的壓力灌漿和樹根樁施工提供決策參數依據。

（3）GIS樓地基加固工程開始采用壓力灌漿，由于可灌性好，吸漿量大。根據這一現象，在滿足GIS樓地基加固要求的基礎上，設計單位提出了控制灌漿的具體方案。通過檢查孔的資料分析，發現控制灌漿的效果很好，完全滿足地基加固的要求。

（4）經設計同意，GIS樓電纜廊道頂部1.2 m灌漿孔采用手風鉆鉆孔，孔徑42 mm，純壓式灌漿，以減少對結構的損壞及縮短工期，根據檢查孔的資料判斷，其效果很好。GIS樓內的樹根樁采用地質鉆對88 cm厚的鋼筋混凝土筏板打孔，以減小對原結構的破壞，然后采用偏心鉆機打孔，套管跟進的施工工藝，采用人工澆筑細石混凝土，通過樹根樁的取芯檢查，發現施工效果很好。

（5）GIS樓內地基條件復雜，有廢棄的吊車梁、鋼筋、大孤石等，在施工場地狹小、原有設備保護及環保等因素影響下，施工難度較大，應選擇合適的施工機具設備，科學合理地組織施工，并加強施工安全管理。施工過程中，參與各方均嚴格按設計、規范要求進行施工及工程管理，施工質量得到了保證，確保了GIS樓基礎加固的實現。

（6）經過對GIS樓地基加固處理開始到施工結束5個月后（共9個月）的沉降觀測資料分析，GIS樓的地基變形趨于穩定，說明GIS樓地基加固工程的施工工藝、參數滿足設計要求，達到了設計目的，確保了GIS設備的安全可靠運行。