軟基地質(zhì)條件下原型觀測儀器的施工
王超
中水一局
[摘要] 本文結(jié)合河南省西霞院反調(diào)節(jié)水庫泄洪閘基礎(chǔ)及電站廠房基礎(chǔ)部位原型觀測儀器在安裝埋設(shè)過程中的實(shí)際施工情況，闡述了施工中遇到的施工難點(diǎn)及解決方法，并作出了特別說明、提出了自己的看法。
[關(guān)鍵詞] 軟基礎(chǔ) 倒垂鉆孔 多點(diǎn)位移計(jì) 滲壓計(jì) 壓力盒
一、概述
小浪底水利樞紐配套工程——西霞院工程是一座以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用的大型水利工程，西霞院工程泄洪閘及電站廠房基礎(chǔ)部位共設(shè)倒垂坐標(biāo)儀2套，多點(diǎn)位移計(jì)16套，淺孔滲壓計(jì)76支，深孔滲壓計(jì)9套，樁間壓力盒9支，樁頂壓力盒6支。地質(zhì)鉆孔揭露厚度大于58m，以棕紅色粉質(zhì)粘土巖及土紅色、灰白色微膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，局部為微膠結(jié)礫巖、砂礫巖，泥質(zhì)粉砂。該地層總體上成巖作用差，觀測儀器安裝難度較高，在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下進(jìn)行原觀儀器的安裝，在水電系統(tǒng)中也是比較少見的。
二、各種儀器的埋設(shè)特性及施工難點(diǎn)
各種儀器的埋設(shè)特性及施工難點(diǎn)詳見表一，為了充分說明西霞院工程廠房及泄洪閘部位地質(zhì)條件的復(fù)雜，本文列舉了幾個(gè)比較有代表性多點(diǎn)位移計(jì)鉆孔地質(zhì)描述柱狀圖，詳件后附。
表一
基礎(chǔ)各種儀器的埋設(shè)特性及施工難點(diǎn)
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儀器名稱
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埋設(shè)特性
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施工難點(diǎn)
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倒垂坐標(biāo)儀
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垂直于壩基礎(chǔ)鉆孔埋設(shè)；測量壩基礎(chǔ)的絕對位移。
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地質(zhì)條件差，專用倒垂孔鉆機(jī)無法施工，采用沖擊鉆機(jī)、泥漿護(hù)壁進(jìn)行成孔，則其孔斜控制及測量成為施工難點(diǎn)；鉆孔孔徑大、易塌孔，安裝倒垂保護(hù)鋼管時(shí)如何保證其垂直度成為施工難點(diǎn)。
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多點(diǎn)位移計(jì)
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垂直于壩基礎(chǔ)鉆孔埋設(shè)；測量壩基礎(chǔ)的沉降。
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地質(zhì)條件差，鉆孔深度大，有個(gè)別鉆孔有比較大的涌水壓力，成孔后極易塌孔。
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淺孔滲壓計(jì)
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基礎(chǔ)開挖面以下0.5m埋設(shè)；測量壩基礎(chǔ)地下水的揚(yáng)壓力。
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地質(zhì)條件差，鉆孔淺、采用鉆機(jī)鉆孔太浪費(fèi)，人工挖孔開挖量較大，對基礎(chǔ)破壞大，如何能做到既經(jīng)濟(jì)施工又保證基礎(chǔ)不被破壞成為淺孔滲壓計(jì)埋設(shè)的施工難點(diǎn)。
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深孔滲壓計(jì)
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基礎(chǔ)砼防滲墻下游1.8m處鉆孔埋設(shè)；測量壩基礎(chǔ)地下水在各高程的揚(yáng)壓力。
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軟基礎(chǔ)，只適用于地質(zhì)鉆機(jī)泥漿護(hù)壁鉆孔，但滲壓計(jì)的測頭部分在安裝過程中又怕泥水進(jìn)入而導(dǎo)致儀器無法正常工作，所以滲壓計(jì)的鉆孔清洗成為深孔滲壓計(jì)埋設(shè)的施工難點(diǎn)。
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樁間壓力盒
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基礎(chǔ)抗滑樁之間基礎(chǔ)表面埋設(shè)；測量壩基礎(chǔ)所承受來自基礎(chǔ)上部砼的壓力。
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壓力盒上部必須保證回填原狀砂礫料，而壓力盒上部又不允許直接與砂礫料接觸而造成應(yīng)力集中，所以如何對壓力盒上部進(jìn)行回填成為壓力盒埋設(shè)的施工難點(diǎn)。
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樁頂壓力盒
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基礎(chǔ)抗滑樁樁頂部埋設(shè)；測量壩基礎(chǔ)抗滑樁所承受來自基礎(chǔ)上部砼的壓力。
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三、各種儀器的施工方法
㈠ 倒垂坐標(biāo)儀
1、鉆孔及其孔斜測量方法
鉆孔：
①根據(jù)西霞院廠房及泄洪閘部位地質(zhì)狀況及倒垂孔安裝技術(shù)要求，采用150型沖擊鉆機(jī)進(jìn)行倒垂鉆孔，并采用外徑450mm，長度3m的鋼管做測斜器。
②在鉆機(jī)頂部采用4根鋼絲繩固定，鉆機(jī)底座采用螺紋鋼筋與混凝土預(yù)埋鋼筋焊接在一起，保證鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中不會移位。
③鉆機(jī)在鉆孔過程中每0.5~1m測一次孔斜，如發(fā)現(xiàn)孔斜超出要求時(shí)，立即回填卵石重新鉆孔糾偏，直至孔斜合格為止后方可繼續(xù)鉆進(jìn)；
④鉆孔施工所需要的泥漿循環(huán)池采用0.5m高的沙袋圍成。
鉆孔孔斜的測量方法：
①在孔口地面的上下游和南方向各做一個(gè)中心點(diǎn)的控制點(diǎn)，以確定鉆孔的中心點(diǎn)；
②在孔口用鋼卷尺測量鋼絲繩距孔口中心點(diǎn)的長度（S1）、鉆機(jī)頂部滑輪中心距孔口地面段鋼絲繩的長度（L1）；
③根據(jù)鋼絲繩上的記號或水尺測量測出孔底至地面的孔深（L2），依據(jù)相似三角形原理計(jì)算得出孔底至設(shè)計(jì)線的孔斜（S2），如圖1所示，用公式表示為：
S2=S1（L2+ L1）/L1
圖1 倒垂鉆孔孔斜測量原理圖
2 、倒垂保護(hù)鋼管的安裝及垂直度的控制方法：
①將外徑273mm、壁厚8mm的無縫鋼管切割為長度2.6m/根，并對鋼管內(nèi)外壁進(jìn)行防腐刷漆處理；
②將鋼管兩端加工成絲扣，再根據(jù)絲扣尺寸加工相應(yīng)尺寸的管箍；
③在倒垂鉆孔上部用槽鋼制作一個(gè)倒垂保護(hù)鋼管的安裝支架；
④根據(jù)鉆孔的中心點(diǎn)在支架上制作兩個(gè)保證鋼管垂直度的固定點(diǎn)；
⑤在安裝倒垂保護(hù)鋼管前在第一根鋼管底部中心點(diǎn)上系一根長度滿足安裝要求的魚線，然后在管內(nèi)灌滿水，用浮漂配合魚線測量鋼管的有效孔徑及垂直度是否符合要求，如符合要求，繼續(xù)安裝第二根鋼管，
⑥第一根鋼管與第二根鋼管采用管箍連接（加膠圈做防漏水處理），然后在管內(nèi)灌滿水，用浮漂檢測鋼管的垂直度是否滿足要求，如不符合要求將管箍卸開后重新聯(lián)結(jié)，如符合要求，繼續(xù)進(jìn)行第三根鋼管的安裝。以此類推，直至最后一根鋼管安裝完畢，安裝原理詳見圖2。
圖2倒垂保護(hù)管安裝原理圖
3、倒垂鉆孔的回填灌漿
倒垂保護(hù)鋼管安裝完成后立即采用灌漿泵進(jìn)行回填灌漿，防止塌孔。在灌漿過程中必須注意灌漿壓力，以保證不會因灌漿壓力過大造成保護(hù)鋼管有效孔徑超出設(shè)計(jì)要求。
4、施工中應(yīng)注意的問題
①工序連接必須緊密。在類似地質(zhì)條件下，即使有泥漿護(hù)壁，也極其容易塌孔，這就要求成孔后立即進(jìn)行下步工序：保護(hù)鋼管的安裝與灌漿。
②孔斜測量必須嚴(yán)格要求，避免進(jìn)行回填返工。
③軟基地質(zhì)條件下倒垂保護(hù)鋼管必須采用管箍絲接，以節(jié)省下管時(shí)間，防止塌孔。
㈡多點(diǎn)位移計(jì)
1、鉆孔方法
①在儀器安裝位置挖一個(gè)1m×1m×1m的坑，待基礎(chǔ)墊層砼澆筑時(shí)，用砼將坑填平（如圖4所示）；
②在鉆孔附近挖一個(gè)深1m×1m×0.5m的坑做循環(huán)泥漿池；
③采用SGZ-III鉆機(jī)按照安裝點(diǎn)位采取循環(huán)泥漿護(hù)壁的方法鉆一個(gè)直徑為110mm，深度滿足設(shè)計(jì)要求的鉆孔。
2、儀器安裝方法
①根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)各個(gè)錨頭的設(shè)計(jì)深度計(jì)算出各測桿以及測桿保護(hù)管的長度，將測桿以及測桿保護(hù)管裁好；
②安裝前在平整的場地上對儀器進(jìn)行試安裝，將儀器各部件調(diào)試好；
③鉆孔施工結(jié)束后立即進(jìn)行儀器的現(xiàn)場組裝，將組裝好的儀器的錨頭、測桿、灌漿管一起放入鉆孔內(nèi)（如圖3所示）；
④儀器安裝完成后馬上將灌漿管與灌漿機(jī)連接完畢，采用灌漿機(jī)將水泥砂漿注入鉆孔內(nèi)直至砂漿將循環(huán)泥漿完全置換完畢為止；
⑤由于在灌漿結(jié)束后，水泥砂漿還會出現(xiàn)少量的沉淀，所以要在灌漿結(jié)束24小時(shí)后再進(jìn)行一次補(bǔ)漿，以保證各個(gè)錨頭完全被水泥砂漿包裹。
⑥補(bǔ)漿結(jié)束后將儀器的傳感器部分按照設(shè)計(jì)要求調(diào)試完畢；
⑦儀器外露部分采用鋼保護(hù)罩保護(hù)，以保證多點(diǎn)位移計(jì)傳感器部分處于凌空面狀態(tài)（如圖4所示）。
圖3 多點(diǎn)位移計(jì)灌漿原理圖
圖4 多點(diǎn)位移計(jì)保護(hù)罩及回填砼示意圖
3、施工中應(yīng)注意的問題
①多點(diǎn)位移計(jì)的安裝必須在白天進(jìn)行。
② 多點(diǎn)位移計(jì)錨頭中心點(diǎn)的允許誤差要控制在±10cm以內(nèi)。
③ 鉆孔完成后立即進(jìn)行回填灌漿，防止鉆孔塌孔而造成多點(diǎn)位移計(jì)測桿部分無法放入鉆孔；
④ 灌漿機(jī)的灌漿壓力應(yīng)控制在0.5Mpa以內(nèi)，以防灌漿壓力過大造成儀器上浮。
㈢淺孔滲壓計(jì)
1、滲壓計(jì)的成孔：
① 在儀器安裝位置挖一個(gè)深1m的坑；
② 將一根直徑110mm的PVC管用電鉆在管上鉆間距2cm、直徑1 cm的孔
（如圖5所示）；
③ 將鉆好孔的PVC管纏上土工布垂直放入坑內(nèi)（如圖6所示）；
④ 人工回填并夯實(shí)的開挖原狀料（如圖6所示）。
2、滲壓計(jì)的安裝：
①將滲壓計(jì)前端的透水石取下在清水中浸泡2小時(shí)以上；
②為了保證儀器進(jìn)水口的通暢，防止污水泥漿進(jìn)入進(jìn)水口所以在滲壓計(jì)的前端用中細(xì)砂做成人工過濾層，人工過濾層外用多層紗布包裹；
③先在PVC管中放入50cm的洗凈中粗砂，然后將包裹好的滲壓計(jì)放入管中，滲壓計(jì)放好后繼續(xù)回填洗凈中粗砂，直至將PVC管填滿為止（如圖6所示）。
圖5 PVC花管制作示意圖
圖6 滲壓計(jì)安裝示意圖
3、施工中應(yīng)注意的問題
①人工回填并夯實(shí)的開挖原狀料時(shí)必須按照人工夯實(shí)的規(guī)范進(jìn)行以保證恢復(fù)基礎(chǔ)原貌；
②用于回填滲壓計(jì)的中粗砂必須是洗凈的。
㈣深孔滲壓計(jì)
1、滲壓計(jì)的成孔：
①將直徑110mm的鋼管截成2m一段，然后將鋼管兩端分別加工成絲扣（一端在鋼管內(nèi)部加工成內(nèi)絲，一端在鋼管外部加工成外絲），使鋼管首尾能夠連接；
②廠房及泄洪閘基礎(chǔ)面開挖到設(shè)計(jì)高程以后，采用全站儀定出鉆孔的位置；
③在鉆孔附近挖一個(gè)深1m×1m×0.5m的坑做循環(huán)泥漿池；
④采用SGZ-III鉆機(jī)按照鉆孔點(diǎn)位在基礎(chǔ)上先鉆進(jìn)2m，然后將加工好的鋼管利用鉆機(jī)上的卷揚(yáng)放入孔內(nèi)；
⑤鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)2m后，將第二根鋼管與第一根鋼管用絲扣連接，繼續(xù)利用鉆機(jī)上的卷揚(yáng)將鋼管放入孔內(nèi)，以此類推，每鉆進(jìn)2m連接一根長2m的鋼管，直至鉆孔鉆到設(shè)計(jì)深度（如圖7所示）；
⑥鉆孔鉆到設(shè)計(jì)深度以后，用循環(huán)的清水對鉆孔反復(fù)清洗，直至將鉆孔內(nèi)的循環(huán)泥漿全部清洗干凈為止；
2、滲壓計(jì)的安裝：
①將滲壓計(jì)前端的透水石取下在清水中浸泡2小時(shí)以上；
②為了保證儀器進(jìn)水口的通暢，防止污水泥漿進(jìn)入進(jìn)水口所以在滲壓
計(jì)的前端用中細(xì)砂做成人工過濾層，人工過濾層外用多層紗布包裹；
③在鉆孔內(nèi)回填洗凈的中粗砂，回填的高程為第一支滲壓計(jì)的安裝高程；④將第一支滲壓計(jì)放入鉆孔內(nèi)（如圖8所示）；
⑤在滲壓計(jì)上部回填1m高的洗凈中粗砂（如圖8所示）；
⑥在中粗砂上部回填0.5m高的膨潤土（如圖8所示）；
⑦利用鉆機(jī)上的卷揚(yáng)將鋼管拉出2m，在絲扣處將鋼管卸下一節(jié)；
⑧繼續(xù)回填洗凈的中粗砂，直至回填到第二支滲壓計(jì)的安裝高程（回填過
程中根據(jù)回填的高度繼續(xù)將鋼管分節(jié)卸下來）；
⑨以此類推，直至將各高程滲壓計(jì)全部安裝完畢，同時(shí)將鋼管全部拉出（如
圖8所示）。
圖7 深孔滲壓計(jì)鉆孔示意圖
圖8 深孔滲壓計(jì)安裝示意圖
3、施工中應(yīng)注意的問題：
滲壓計(jì)的電纜必須用管子保護(hù)好，以防回填中粗砂過程中將電纜拉斷；
㈤壓力盒
1、樁間壓力盒的安裝方法：
①在廠房基礎(chǔ)上部40cm砂礫料回填并碾壓完成后，定出樁間壓力盒的安
裝位置；
②人工將壓力盒安裝位置處的回填砂礫料挖除，露出原基礎(chǔ)面（如圖9所
示）；
③在基礎(chǔ)面上鋪設(shè)6cm水泥砂漿（第一層砂漿），并用水平尺找平（如圖9
所示）；
④水泥砂漿鋪設(shè)24小時(shí)后，在已經(jīng)凝固的水泥砂漿表面再鋪設(shè)一層水泥砂
漿（第二層砂漿），鋪設(shè)厚度以3cm為宜（如圖9所示）；
⑤將壓力盒放在后鋪設(shè)的水泥砂漿上面，邊旋轉(zhuǎn)、邊擠壓同時(shí)用水平尺控制使之保持水平；
⑥用大于10kg的負(fù)重壓在壓力盒表面（如圖9所示）；
⑦負(fù)重24小時(shí)后，移去負(fù)重，在壓力盒表面再鋪設(shè)一層水泥砂漿進(jìn)行保護(hù)
（如圖10所示）；
⑧砂漿鋪設(shè)24小時(shí)后，人工回填并夯實(shí)原狀料（如圖10所示）。
2、樁頂壓力盒的安裝方法：
①在廠房基礎(chǔ)上部40cm砂礫料回填并碾壓完成后，定出樁頂壓力盒的安
裝位置；
②人工將壓力盒安裝位置處的回填砂礫料挖除，露出砼抗滑樁表面；
③人工用錘子、釬子將砼抗滑樁表面找平，然后在樁表面上鋪設(shè)6cm水泥砂漿（第一層砂漿），并用水平尺找平（如圖11所示）；
④水泥砂漿鋪設(shè)24小時(shí)后，在已經(jīng)凝固的水泥砂漿表面再鋪設(shè)一層水泥砂
漿（第二層砂漿），鋪設(shè)厚度以3cm為宜（如圖11所示）；
⑤將壓力盒放在后鋪設(shè)的水泥砂漿上面，邊旋轉(zhuǎn)、邊擠壓同時(shí)用水平尺控制使之保持水平；
⑥利用三腳架將大于10kg的負(fù)重壓在壓力盒表面（如圖11所示）；
⑦負(fù)重24小時(shí)后，移去負(fù)重，在壓力盒表面再鋪設(shè)一層細(xì)砂進(jìn)行保護(hù)（如
圖12所示）；
⑧人工回填并夯實(shí)原狀料（如圖12所示）。
圖9 樁間壓力盒安裝示意圖
圖10 樁間壓力盒上部回填示意圖
圖11 樁頂壓力盒安裝示意圖
圖12 樁頂壓力盒上部回填示意圖
2、施工中應(yīng)注意的問題：
①人工回填并夯實(shí)原狀料時(shí)必須按照人工夯實(shí)的規(guī)范進(jìn)行；
②樁頂壓力盒回填細(xì)砂時(shí)一定要保證細(xì)砂中不含有大顆粒石子。
四、結(jié)語
根據(jù)西霞院工程復(fù)雜的地質(zhì)情況，合理使用施工設(shè)備，采取有效的施工措施，確保了所有原觀儀器的施工質(zhì)量（原型觀測儀器的安裝合格率100％，到目前為止均正常運(yùn)行），保證了原型觀測工作順利有序的進(jìn)行。
后附一
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孔口坐標(biāo)：樁號：D1+756.059，壩下0+002.317；高程：93.278
孔號：BX4-01 傾角：0 方位：0 鉆孔日期：2005-5-9 13:00~2005-5-19 8:30
鉆機(jī)型號：SGZ-Ⅲ 孔徑：110mm 鉆頭類型：金剛石
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后附二
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孔口坐標(biāo)：樁號：D1+901.004，壩下0+002.491；高程：95.023
孔號：BX4-13 傾角：0 方位：0 鉆孔日期：2005-6-25 19:00~2005-6-30 7:00
鉆機(jī)型號：SGZ-Ⅲ 孔徑：110mm 鉆頭類型：金剛石
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后附三
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孔口坐標(biāo)：樁號：D1+776.012，壩下0+002.498；高程： 95.502
孔號：BX4-03 傾角：0 方位：0 鉆孔日期：2005-6-19 19:00~2005-6-23 10:30
鉆機(jī)型號：SGZ-Ⅲ 孔徑：110mm 鉆頭類型：金剛石
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