某电厂翻车机室深层封水设计与施工

1、    某电厂翻车机室深层封水设计与施工    吴曦摘要： 某電厂翻车机室基坑封水方案从2006年7月开始准备，经反复论证，最后根据施工现场地质并水文条件决定采用基坑四周连续墙挡土隔渗、振动钻机套管成孔高压注浆底板封堵止水的方案，取得了园满成功。在砂卵砾石层中采用振动钻机套管成孔高压注浆封堵及砼地下连续墙施工在技术上具有国内90年代先进水平，经济效益显著，同时创造了较大的社会效益。关键词：翻车机室基坑；封水；连续墙 ；挡土隔渗；振动钻机；套管成孔；高压注浆；封堵1、工程概述华中某火电厂燃料系统翻车机室，位于其主厂房东侧，距汉江600m，是燃料系统的主要构

2、筑物。其建筑形式地上部分为单层工业厂房，平面轴线尺寸28×29m,地下为砼箱形结构，基坑底面标高19.20m,局部标高20.42m。2、地质水文条件本工程所处场区地层结构±0.007.00 m为粉质粘土,渗透系数k=4.2×1043×107cm/s;7.0010.52 m 为粉细砂层，局部含少量卵砾石，渗透系数k=3×103cm/s，透水性强；10.52m以下为卵砾石层，砾石含量70% 粒径15cm，其中混有30%中砂，该层透水性极强，与汉江江水有密切的水力联系，渗透系数k=1.2×101cm/s，本地区地下水为松散岩类孔隙水，地下水

3、量极为丰富，单井换算水量10005000t/d。3、施工方案的确定及实施结合上述地质水文条件，经计算分析及优选，决定采用“液压抓斗成槽、周边地下连续墙、高压旋喷与振动钻机套管成孔高压注浆封堵基底”的基坑整体支护防渗体施工方案。4、支护及防渗体结构设计4.1 连续墙设计4.1.1 连续墙结构设计计算假定计算采用“山肩邦男近似法”，取1m单位结构来进行内力分析。1计算假定：墙体视为下端自由的弹性体；主动土压力在开挖面以上为三角形，在开挖面以下为矩形；被动土压力为开挖线以下的被动土压力，其中ax+b为被动土压力减去静止土压力x 之值；横撑设置后，即作为不动支点；下道横撑设置后，认为下道撑轴力不变，且

4、下道撑以上墙体保持原来的位置。4.1.2 有关设计计算参数土体参数：土体容重=1.8t/m3，浮容重=0.9 t/m3，内磨擦角=300，水位标高5.00m。结构参数：连续墙厚800mm，砼标号c20 配25竖向钢筋。为减少连续墙侧压力，降低造价，决定土方从±0.00到5.0m高程采用大开挖,并且开挖面积基本控制在土楔体以外, 从5.0m高程到10.70m高程采用悬臂式连续墙, 10.70m19.20 m标高采用双支撑连续墙，支撑钢管选用350，壁厚10mm。开挖截面图见下：4.1.2 悬臂式连续墙设计4.1.2.1 设计计算原理悬臂式墙的破坏,一般是绕底端b点以上某点o转动,由于精

5、确决定土压力的分布规律较为困难,一般近似假定土压力呈线性分布。墙体前侧的被动土压力，其合力为ep/k；墙身后主动土压力，其合力为ea。计算过程为首先求出入土深度t，再求得最大弯矩作用截面t0，然后求出最大弯矩m，最后根据m的大小配筋确定受拉、受压钢筋的间距。计算入土深度的方法为：如墙入土深度t，t的粘聚力c=0。由各土压力（主动、被动土压力、水压力）对墙底b的力矩平衡条件可知，mb=0，解此方程即可求得入土深度t；求最大弯距截面位置t0的方法为：利用最大弯距作用截面剪力为0的平衡条件，即q=0，解此方程即可求得t0；由此再求出主动、被动土压力、水压力对t0截面的弯距的合数和m，计算简图见下图。

6、4.1.2.2 求入土深度t由于第二层土质和第三层土质十分相似，且都在水位标高以下，为简化计算按同一土质考虑，摩擦角度=300。各层主动土压力及主动水压力。第一层ka1=tg2（450-/2）=tg2(450-270/2)=0.38p1=h1ka1=18×2×0.38=13.67kn/m第二层：ka2=tg2（450-/2）=tg2(450-300/2)=0.33p2=r，(h2+h3)ka2=10×(3.7+h3) ×0.33=3.3（3.7+h3）p主水=w(h2+h3)=10×(3.7+h3)各层土压力、水压力对p点的力矩。ma1=

7、15;( +h2+h3)+=9.11+13.67×(3.7+h3)+6.84×(3.7+h3)2ma2= =0.55×(3.7+h3)3m水=1.67×(3.7+h3)3则m=ma1+ma2+m水m=9.11+13.67×(3.7+h3)+6.84×(3.7+h3)2+0.55×(3.7+h3)3+1.67×(3.7+h3)3=9.11+13.67×(3.7+h3)+6.84×(3.7+h3)2+2.22×(3.7+h3)3被动土压力第一层：kp1=tg2(450+/2)=tg2(45

8、0+370/2)=4p1=h4kp1+22×3×4=264kn/m(h4旋喷体厚度初定为3m)第二层：kp2=tg2(450+/2)=tg2(450+300/2)=3p2=1，(h3-h4)kp2=10×(h3-3)×3=30×(h3-3)水压力：p水=w(h3-h4)=10×(h3-3)各被动土压力及被动水压力对p点的力矩：mp1= ×(1/3×3+h3-3)+=264×3/2×(h3-2)+264×(h3-3)2/2=132×(h3-3)2+396h3-264mp2= =

9、 =5×(h3-3)3m水被=1.667×(h3-3)3则m被=mp1+mp2+m水被m被=6.667×(h3-3)3+132×(h3-3)2+396h3-264求入土深度h3利用mb=0，解方程：m主=m被/k (k被动土压力系数，取k=1.5)则9.11+13.67×(3.7+h3)+6.84×（3.7+h3）2+2.22×(3.7+h3)3=解得h3=8mh3/(h1+h2)=8/(2+3.7)=1.4则入t深度处悬臂之比为1.44.1.2.3求最大弯矩作用截面位置t0.沿to面作一分离体，取上半部分作剪力分析：主动大

10、压力剪力（包括水压力）a、主动土压力（包括水压力）q主=+1h1ka1(h2+t0)+ka2 +=13.68+76×(3.7t0)+6.65×(3.7+t0)2被动土压力（包括水压力）q被= +3kp1h4(t0-h4)+kp2 +=396+264×(t0-3)+20×(t0-3)2求弯矩作用截面t0：由q主=q被，则13.68+76×(3.7+t0)+6.65×(3.7+t0)2=396+264×(t0-3)+ 20×(t0-3)2得t0=5m。4.1.2.4求t0截面处弯矩：m主=(1/3h1+h2+t0)+

11、1h1ka1+2ka2+解得m主=2106kn.mm被=(t0-2/3h4)+ 3kp1h4 +2kp2+解得m被=1769kn.m则mt0=2106-1769=927kn.m4.1.2.5墙体截面配筋计算求受拉钢筋面积as：已知h=800mm、b=1000mm (取1 m单位分析)，m=927kn.m，钢筋配双层网片，受压钢筋间距初定22125，砼标号c20。材料强度的设计值：fcm=11n/mm2，fy=fy=31010n/mm2as，=380.1×8=3041mm2求受壓区受压钢筋as的压力与它相应的一部分受拉钢筋as1的拉力所形成的弯矩m1。m1= fyas(ho-as)=3

12、10×3041×(800-60-40)=659.85kn.m此时as1= as=3041mm2求受压区砼的压力与相应的受拉钢筋as2的拉力所应承受的弯矩m2。m2=m-m1=927-659.85=267.15kn.m求受拉钢筋as求截面抵抗力矩系数szsz=0.044查表得rs=0.977，2=0.0552b=0.544as2= =1192mm2求as：as=as1+as2=4233mm2选25100，a配=490.9×10=4909mm24.1.3双支撑连续墙设计：4.1.3.1土压力计算：地面荷载取q=100kn/mm2，出于安全考虑总的-5.0m至-10.7

13、m标高内的土体重量荷载作用于-10.7m平面。主动土压力ka=0.33主动土压力及侧压力：p=(，h+q)ka=(10×8.5+10)× 0.33=31.35kn水压力：p水=rwh=10×8.5=85kn则合力为：31.35+85=116.35kn主动土压力、水压力、地面荷载引起侧压力合力的斜率：=(r.h+q)ka/h=13.69被动土压力kp=3.0，因内侧土已固结封水，故取干容重ep=×kp=18×3x=54x4.1.3.2求入土深度及横撑轴力和弯矩由公式：nk=1/2hok2+hokxm-ni-bxm-1/2axm2(式13-21)2

14、1/3axm2-1/2(hok-b-ahkk)xm2-(hok-b)hkkxm-nihik-hkkni+1/2hkkhok2-1/6ho2k=0(式13-20)2式中：nk第k道支撑的轴力（kn）；主动土压力斜率；xm入土深度（m）；hok墙体高度（m）；hkk底层支撑高度（m）；a被动土压力ep(kn)；b土体粘结力（一般取0）。设有顶横撑，开挖至6.5m，此时k=1；hok=6.5m，hmk取6.2m；nk=n1。代入公式13-20得：54xm3/3-(13.69×6.5054×5)xm2/2(13.69×6.5) ×5xm(13.69×6

15、.52/2513.69×6.53/6)=0解得：18xm3+181xm2444.9xm342.4=0xm=2.6m代入公式13-21，求n1n1=13.69×6.52/2+6.5×13.69×2.6054×2.62/2=338kn求在此情况下墙体的截面弯矩：m1=13.69×1.53/2=15.4kn.mm2=1/2×13.69×6.52×1/3×6.5338×(6.51.5)=-1143kn.m因m2小于悬臂墙的弯矩，故按悬臂墙配筋偏安全。求第二道横撑所受的轴力及弯矩：设第二道横撑设

16、在-17.2m，此时k=2，n1=234kn，hok=8.5m，h1k=7m，h2k=2m，nk=n2，由公式13-20，求xm，54xm3/3(13.69×8.5054×2)xm2/2(13.69×8.5) ×2xm(234×72×23413.69×8.52×2/213.69×8.53/6)=0。解得：18xm3+8.36xm2232.7xm757.8=0xm=4.5m，取xm=5m，由公式13-21，求n2n2=13.69×8.52/2+8.5×13.69×2338054

17、×22/2=338kn求此时墙体的截面弯矩：m1=15.4kn.m，m2=-1143kn.m，m3=-125.4kn.m各截面的弯矩均小于悬臂连续墙的弯矩，故配筋可采用悬臂连续墙的配筋不变。4.1.3.3水平支撑的设计由以上计算可知，墙体上部每米推力为338kn，已假定每4米设一钢管支撑，则每根钢要承受压力为1352kn。承载力验算：钢管采用350，壁厚b=10mm，则其回转半径为r=2/4d=2/4(330+5)=11.84cm，钢管截面面积a=dt=33×1=33cm2。由其支撑长度11m，得其长比为：=l/r=1100/11.84=92.9查gb j17-88附表3.

18、1得其稳定系数=0.699故其承载力为n=afy=33×102×0.699×190=1376kn>1352kn故安全。4.2封底厚度的设计4.2.1有关参数的选定根据施工经验及规范要求旋喷孔及高压注浆孔统一定为1m孔距，旋喷体孔径130，采用三重管法注浆，高压注浆孔径89，固结体溶重22kn/m3。4.2.2旋喷体厚度计算：旋喷体厚度假设为x0，顶标高为-10.7m，水位标高-7.8m，则喷体底面处的水压力为：(10.7+x07.8)t/m2=(2.9+x0)t/m2。由平衡条件知：2.9+x=2.2x，则x=2.4m。故取旋喷体厚度为3m。4.2.3高压注

19、浆体厚度计算：高压注浆体厚度假定为5m，顶标高为-21.3m，因开挖后面标高-18.9m,则注浆体底面处的水压力为21.3+5-7.8=1.85mpa，此平面的固结体重力为5×0.22=1.1 mpa，由高力平衡条件可知，这有0.75 mpa的浮力未平衡，考虑到连续面与注浆体有很好的摩按作用，假定浮力为0.75×11/2=412.5kn。注浆体的抗弯计算：取注浆体抵弯强度取30n/mm2，注浆体与连续墙连接面按固结考虑，则跨中弯矩为：m=1/12×q×l2=1/2×0.75×112=7.56kn.m式中q未平衡浮力；l底板计算跨度则弯

20、曲应为=m/w= =1.85mpa<3mpa（可行）5、连续及高压旋喷注浆封底的施工5.1地下连续墙的施工5.1.1工作及施工原理地下连续墙是在地面上用特种开槽设备，在泥浆护壁的情况下，沿需支护基坑的四周开挖一条，狭长的深槽，在槽内设置钢筋笼并浇筑水下砼，从而筑成一段钢筋砼墙段，以若干墙段连接形成一条连续的地下墙，而起到挡土隔渗之用。地下连续墙施工技术自1950年首次应用于意大利米兰工程以来已有50多年的历史。国内在地下水位高、渗透系数大的砂砾石和卵砾石层中采用连续墙施工尚未见有先例。地下连续墙采用逐段施工方法，且周而复始地进行，每段的施工过程，大致可分为五步，即：在始终充满泥浆的沟槽中

21、，利用专用挖槽机械进行挖槽；放入挡板；将已制备的钢筋笼下沉到设计高度；插入水下灌筑砼导管，浇砼；待砼初凝后，拔去挡板。此为地下连续墙的主要施工工艺过程，此外还包括施工前的准备，泥浆制备处理等。5.1.2地下连续墙主要施工工艺地下连续墙作为一种地下工程,共施工过程由诸多工序组成，附图为液压、抓斗开槽，泥浆护壁的平面布置。其导墙施工，泥浆制备和处理，钢筋笼制作和吊装以及水砼浇筑等主要工序，现分述如下：5.1.2.1导墙施工导墙作为地下连续墙施工中必不可少的构筑物，首先具有控制地下连续墙施工精度，规定沟槽的位置走向，其次还起到维持稳定液面的作用。导墙内存蓄泥浆，为保证槽壁的稳定，泥浆液面始终保持高于

22、地下水位1 m左右的高度；导墙还起到挡土的作用。5.1.2.2护壁泥浆在地下连续墙挖槽过程中，泥浆的作用是护壁、携渣、冷却机具，其主要功能为护壁。泥浆的正确使用，是保证挖槽成败的关键，泥浆具有一定的密度，在槽内对槽壁有一定的静水压相当于一种液压支撑，渗入土墙的泥浆能形成一层透水性很低的泥皮，有助于维护土壁的稳定性；在挖槽工程中泥浆因较高的粘性，它能使土渣悬浮起来，随同泥浆排出槽外。地下连续墙泥浆配比为水：膨润土：碱=360kg：36kg：1.6kg，膨润土矿物成分： sio2为 65%,al2o3为15%，fe2o3为2.6%，co2为1%,mgo为1%，细度为260目。地下连续墙泥浆液体溶重

23、1.2g/cm3。5.1.2.3槽段开挖开挖槽段是地下连续墙施工中的重要环节，约占工期的一半，一个槽段根据墙体的平面布置尺寸一般为26m，宽度为6001200mm,本工程设计宽度800mm。开挖深度14m内一般4小时，19m内一般68小时，槽段用液压抓斗开挖，挖出的泥渣用汽车及时运出场外。5.1.2.4钢筋笼的加工和吊放钢筋笼按一个槽段做成一个整体，因为要考虑搬运起吊、安放，钢筋笼制作后要求有一定的刚度，在钢筋笼内布置一定数量（一般为二榀）的纵向桁架，用吊车起吊安放，入槽时最重要的是使钢筋笼对准单元槽段中心，垂直而又准确地插入槽内，不因侧摆动而造成槽壁坍塌，钢筋笼的吊放一般每段半小时。5.1.

24、2.5水下砼浇筑开槽至设计标高后，测定槽底残留的土渣厚度，并进行清底，即浇孔，一般每次清孔用时1小时，清除的方法一般在土渣还没有沉淀之前用新泥浆把槽内的泥浆置换出来，也就是常说的泵吸法换浆清孔。地下连续墙的浇筑过程具有一般水下砼浇筑的施工特点，砼一般是流态，坍落度一般控制在15cm20cm，要求具有良好的和易性和流动性，浇筑时砼是用导管在泥浆中进行的。由于导管内砼密度大于外部泥浆密度，利用其内外压力差使砼从导管内流出，导管插入砼深度应控制在24m，砼浇筑过程中，导管不得作横向运动，否则会使沉渣或泥浆混入砼内，砼要连续浇筑，不能长时间中断。槽段的浇筑可分为跳格式和按序逐段施工两种，翻车机室工程是

25、按跳格式施工的，每个槽段浇筑砼一般为4小时。挡头板是钢制的，它应能抵抗一定的砼侧压力，施工时关键是掌握好起拨接头板的时间。如果起拨时间过早，新浇砼部分还处于流态，砼将从按头板下端流入到相邻槽段，下槽段的施工造成困难，如果提拔时间太晚，新浇砼与板胶结在一起，会造成提拔困难，强行起拔有可能造成新浇砼的损伤。起拔一般用20t的起重机，所用时间1小时。为了保证砼接头的止水效果，在二期槽孔浇砼前应对接头表面进行处理，其方法为用特制的钻头钢丝刷，将附着在接头表面的胶凝物除去。洁净标准以刷子上不带泥为合格。5.2高压旋喷注浆封底施工5.2.1工作及施工原理高压旋喷注浆法，就是利钻机把带有特别喷咀的注浆管钻进

26、土层的预定位置后,以高压设备使浆液、水、气形成高压流从喷咀中喷射出来，冲切破坏土体，钻杆以一定速度逐渐旋转上升，使液浆与土粒强制混合，待浆液凝固后土中形成一个固合体，它创始于日本60年代后期，基本种类有单管法、二重管法、三重管法三种。翻车机室工程选用三重管法，三重管法用输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。在以高压泵等高压发生装置中产生38mpa压力的高压水喷射流的周围，环绕一股0.5mpa的圆筒状气流、高压水喷射流和气流同轴喷射流冲切土体，形成较大的空隙，再由另一轴孔中0.7mpa的泥浆液填充。同时喷咀随钻孔做旋转和提升运动。5.2.2高压旋喷的主要工序高压旋喷主要为钻孔，高压喷射注浆两道工序

27、。在钻孔前根据已设计的孔距布置钻孔的顺序。其主要施工工序分述如下：5.2.2.1钻孔钻孔的第一道工序是将钻机安置到设计孔位上，使钻插头对准孔位中心，为保证钻孔达到要求的垂直度，钻机必须作水平校正，喷射注浆管允许倾斜度控制在1.5% 以内，采用jzb-1型（195kw）振动打桩机振动成孔，孔经130，钻进速度1m/1530秒。5.2.2.2高压旋喷注浆成孔时，为防止泥砂堵塞喷咀，边沉管，边射水，（水压力一般不超过1mpa，因水壓过高易造成塌孔）。钻孔到位后由下而上进行喷射注浆，此时应注意检查浆液比重，注浆流量、风量、风力、旋转提升速度等参数，并做好记录。在喷浆过程中，往往有一定数量的土粒，随着一

28、部分浆液沿注浆管管壁冒出地面。冒浆（内有土粒、水及浆液）量小于注浆量的2%为正常，超过2%或完全不冒浆时应查明原因采取有效措施。冒浆量过大的主要原因是有效喷射范围与注浆量不相适应，注浆量超出喷浆固结所需的浆量所致，减少冒浆量采取的措施有：其一，提高水的喷射压力，以切削周围的土体；其二，加快提升和旋转速度。对于冒出地面的浆液，若能迅速进行过滤沉淀除去杂质，则可再调整浓度后利用。如不冒浆应查明原因，进行处理。本工程高压旋喷注浆提升速度为5cm7cm/min，旋喷体每米水泥800kg，浆液配合比为水：水泥=100：162，容量为1.7g/cm3。5.3套管成孔高压注浆封底施工5.3.1工作及施工原理

29、高压注浆与旋喷注浆同属用浆液填充土体中的空间，固结土体的颗粒，达到止水加固效果。但旋喷注浆是用高压水切割土体，在使土体形成一个松散的空腔的同时用浆液来填充胶结颗粒，而高压注浆则是通过一定高压力的浆液注入土体中，置换出土体中的水和空气并胶结颗粒。前者，注浆压力较小（0.7mpa），后者注浆压力较大（1.5mpa）（高压注浆宜用于砂砾、石层和卵砾石层）。注浆固结土体止水施工的方式一般有旋喷注浆和高压注浆两种。成孔方式有地质钻机成孔，振动钻机成孔。在砾土层中地质钻机的成孔速度0.33m/小时，振动钻机成孔速度28.2m/小时，若在深砂砾土层采用地质钻机来成孔实施高压注浆工艺所需的时间长，而振动钻孔成孔虽快，然而在进入一定深度后，土体与钻杆的磨擦面增大，钻杆有一个极限深度超过这个深度钻杆难于钻进且难以拔出。翻车机室底层封底标高设计在-21.3 -26.3m（厚度5m），振动钻机钻进至-21.3m时就无法钻进。最后决定-21.3m 以上用振动钻机成孔预埋钢套管。-21.3 -21.6m用地质钻机成孔，高压注浆封底方案。为保证注浆止水的施工质量，封底施工注浆分-21.3 -23.3m及-23