软基地质条件下原型观测仪器的施工
王超
中水一局
[摘要] 本文结合河南省西霞院反调节水库泄洪闸基础及电站厂房基础部位原型观测仪器在安装埋设过程中的实际施工情况，阐述了施工中遇到的施工难点及解决方法，并作出了特别说明、提出了自己的看法。
[关键词] 软基础 倒垂钻孔 多点位移计 渗压计 压力盒
一、概述
小浪底水利枢纽配套工程——西霞院工程是一座以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用的大型水利工程，西霞院工程泄洪闸及电站厂房基础部位共设倒垂坐标仪2套，多点位移计16套，浅孔渗压计76支，深孔渗压计9套，桩间压力盒9支，桩顶压力盒6支。地质钻孔揭露厚度大于58m，以棕红色粉质粘土岩及土红色、灰白色微胶结泥质粉砂岩、泥质砂岩为主，局部为微胶结砾岩、砂砾岩，泥质粉砂。该地层总体上成岩作用差，观测仪器安装难度较高，在如此复杂的地质条件下进行原观仪器的安装，在水电系统中也是比较少见的。
二、各种仪器的埋设特性及施工难点
各种仪器的埋设特性及施工难点详见表一，为了充分说明西霞院工程厂房及泄洪闸部位地质条件的复杂，本文列举了几个比较有代表性多点位移计钻孔地质描述柱状图，详件后附。
表一
基础各种仪器的埋设特性及施工难点
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仪器名称
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埋设特性
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施工难点
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倒垂坐标仪
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垂直于坝基础钻孔埋设；测量坝基础的绝对位移。
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地质条件差，专用倒垂孔钻机无法施工，采用冲击钻机、泥浆护壁进行成孔，则其孔斜控制及测量成为施工难点；钻孔孔径大、易塌孔，安装倒垂保护钢管时如何保证其垂直度成为施工难点。
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多点位移计
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垂直于坝基础钻孔埋设；测量坝基础的沉降。
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地质条件差，钻孔深度大，有个别钻孔有比较大的涌水压力，成孔后极易塌孔。
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浅孔渗压计
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基础开挖面以下0.5m埋设；测量坝基础地下水的扬压力。
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地质条件差，钻孔浅、采用钻机钻孔太浪费，人工挖孔开挖量较大，对基础破坏大，如何能做到既经济施工又保证基础不被破坏成为浅孔渗压计埋设的施工难点。
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深孔渗压计
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基础砼防渗墙下游1.8m处钻孔埋设；测量坝基础地下水在各高程的扬压力。
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软基础，只适用于地质钻机泥浆护壁钻孔，但渗压计的测头部分在安装过程中又怕泥水进入而导致仪器无法正常工作，所以渗压计的钻孔清洗成为深孔渗压计埋设的施工难点。
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桩间压力盒
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基础抗滑桩之间基础表面埋设；测量坝基础所承受来自基础上部砼的压力。
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压力盒上部必须保证回填原状砂砾料，而压力盒上部又不允许直接与砂砾料接触而造成应力集中，所以如何对压力盒上部进行回填成为压力盒埋设的施工难点。
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桩顶压力盒
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基础抗滑桩桩顶部埋设；测量坝基础抗滑桩所承受来自基础上部砼的压力。
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三、各种仪器的施工方法
㈠ 倒垂坐标仪
1、钻孔及其孔斜测量方法
钻孔：
①根据西霞院厂房及泄洪闸部位地质状况及倒垂孔安装技术要求，采用150型冲击钻机进行倒垂钻孔，并采用外径450mm，长度3m的钢管做测斜器。
②在钻机顶部采用4根钢丝绳固定，钻机底座采用螺纹钢筋与混凝土预埋钢筋焊接在一起，保证钻机钻进过程中不会移位。
③钻机在钻孔过程中每0.5~1m测一次孔斜，如发现孔斜超出要求时，立即回填卵石重新钻孔纠偏，直至孔斜合格为止后方可继续钻进；
④钻孔施工所需要的泥浆循环池采用0.5m高的沙袋围成。
钻孔孔斜的测量方法：
①在孔口地面的上下游和南方向各做一个中心点的控制点，以确定钻孔的中心点；
②在孔口用钢卷尺测量钢丝绳距孔口中心点的长度（S1）、钻机顶部滑轮中心距孔口地面段钢丝绳的长度（L1）；
③根据钢丝绳上的记号或水尺测量测出孔底至地面的孔深（L2），依据相似三角形原理计算得出孔底至设计线的孔斜（S2），如图1所示，用公式表示为：
S2=S1（L2+ L1）/L1
图1 倒垂钻孔孔斜测量原理图
2 、倒垂保护钢管的安装及垂直度的控制方法：
①将外径273mm、壁厚8mm的无缝钢管切割为长度2.6m/根，并对钢管内外壁进行防腐刷漆处理；
②将钢管两端加工成丝扣，再根据丝扣尺寸加工相应尺寸的管箍；
③在倒垂钻孔上部用槽钢制作一个倒垂保护钢管的安装支架；
④根据钻孔的中心点在支架上制作两个保证钢管垂直度的固定点；
⑤在安装倒垂保护钢管前在第一根钢管底部中心点上系一根长度满足安装要求的鱼线，然后在管内灌满水，用浮漂配合鱼线测量钢管的有效孔径及垂直度是否符合要求，如符合要求，继续安装第二根钢管，
⑥第一根钢管与第二根钢管采用管箍连接（加胶圈做防漏水处理），然后在管内灌满水，用浮漂检测钢管的垂直度是否满足要求，如不符合要求将管箍卸开后重新联结，如符合要求，继续进行第三根钢管的安装。以此类推，直至最后一根钢管安装完毕，安装原理详见图2。
图2倒垂保护管安装原理图
3、倒垂钻孔的回填灌浆
倒垂保护钢管安装完成后立即采用灌浆泵进行回填灌浆，防止塌孔。在灌浆过程中必须注意灌浆压力，以保证不会因灌浆压力过大造成保护钢管有效孔径超出设计要求。
4、施工中应注意的问题
①工序连接必须紧密。在类似地质条件下，即使有泥浆护壁，也极其容易塌孔，这就要求成孔后立即进行下步工序：保护钢管的安装与灌浆。
②孔斜测量必须严格要求，避免进行回填返工。
③软基地质条件下倒垂保护钢管必须采用管箍丝接，以节省下管时间，防止塌孔。
㈡多点位移计
1、钻孔方法
①在仪器安装位置挖一个1m×1m×1m的坑，待基础垫层砼浇筑时，用砼将坑填平（如图4所示）；
②在钻孔附近挖一个深1m×1m×0.5m的坑做循环泥浆池；
③采用SGZ-III钻机按照安装点位采取循环泥浆护壁的方法钻一个直径为110mm，深度满足设计要求的钻孔。
2、仪器安装方法
①根据多点位移计各个锚头的设计深度计算出各测杆以及测杆保护管的长度，将测杆以及测杆保护管裁好；
②安装前在平整的场地上对仪器进行试安装，将仪器各部件调试好；
③钻孔施工结束后立即进行仪器的现场组装，将组装好的仪器的锚头、测杆、灌浆管一起放入钻孔内（如图3所示）；
④仪器安装完成后马上将灌浆管与灌浆机连接完毕，采用灌浆机将水泥砂浆注入钻孔内直至砂浆将循环泥浆完全置换完毕为止；
⑤由于在灌浆结束后，水泥砂浆还会出现少量的沉淀，所以要在灌浆结束24小时后再进行一次补浆，以保证各个锚头完全被水泥砂浆包裹。
⑥补浆结束后将仪器的传感器部分按照设计要求调试完毕；
⑦仪器外露部分采用钢保护罩保护，以保证多点位移计传感器部分处于凌空面状态（如图4所示）。
图3 多点位移计灌浆原理图
图4 多点位移计保护罩及回填砼示意图
3、施工中应注意的问题
①多点位移计的安装必须在白天进行。
② 多点位移计锚头中心点的允许误差要控制在±10cm以内。
③ 钻孔完成后立即进行回填灌浆，防止钻孔塌孔而造成多点位移计测杆部分无法放入钻孔；
④ 灌浆机的灌浆压力应控制在0.5Mpa以内，以防灌浆压力过大造成仪器上浮。
㈢浅孔渗压计
1、渗压计的成孔：
① 在仪器安装位置挖一个深1m的坑；
② 将一根直径110mm的PVC管用电钻在管上钻间距2cm、直径1 cm的孔
（如图5所示）；
③ 将钻好孔的PVC管缠上土工布垂直放入坑内（如图6所示）；
④ 人工回填并夯实的开挖原状料（如图6所示）。
2、渗压计的安装：
①将渗压计前端的透水石取下在清水中浸泡2小时以上；
②为了保证仪器进水口的通畅，防止污水泥浆进入进水口所以在渗压计的前端用中细砂做成人工过滤层，人工过滤层外用多层纱布包裹；
③先在PVC管中放入50cm的洗净中粗砂，然后将包裹好的渗压计放入管中，渗压计放好后继续回填洗净中粗砂，直至将PVC管填满为止（如图6所示）。
图5 PVC花管制作示意图
图6 渗压计安装示意图
3、施工中应注意的问题
①人工回填并夯实的开挖原状料时必须按照人工夯实的规范进行以保证恢复基础原貌；
②用于回填渗压计的中粗砂必须是洗净的。
㈣深孔渗压计
1、渗压计的成孔：
①将直径110mm的钢管截成2m一段，然后将钢管两端分别加工成丝扣（一端在钢管内部加工成内丝，一端在钢管外部加工成外丝），使钢管首尾能够连接；
②厂房及泄洪闸基础面开挖到设计高程以后，采用全站仪定出钻孔的位置；
③在钻孔附近挖一个深1m×1m×0.5m的坑做循环泥浆池；
④采用SGZ-III钻机按照钻孔点位在基础上先钻进2m，然后将加工好的钢管利用钻机上的卷扬放入孔内；
⑤钻机继续钻进2m后，将第二根钢管与第一根钢管用丝扣连接，继续利用钻机上的卷扬将钢管放入孔内，以此类推，每钻进2m连接一根长2m的钢管，直至钻孔钻到设计深度（如图7所示）；
⑥钻孔钻到设计深度以后，用循环的清水对钻孔反复清洗，直至将钻孔内的循环泥浆全部清洗干净为止；
2、渗压计的安装：
①将渗压计前端的透水石取下在清水中浸泡2小时以上；
②为了保证仪器进水口的通畅，防止污水泥浆进入进水口所以在渗压
计的前端用中细砂做成人工过滤层，人工过滤层外用多层纱布包裹；
③在钻孔内回填洗净的中粗砂，回填的高程为第一支渗压计的安装高程；④将第一支渗压计放入钻孔内（如图8所示）；
⑤在渗压计上部回填1m高的洗净中粗砂（如图8所示）；
⑥在中粗砂上部回填0.5m高的膨润土（如图8所示）；
⑦利用钻机上的卷扬将钢管拉出2m，在丝扣处将钢管卸下一节；
⑧继续回填洗净的中粗砂，直至回填到第二支渗压计的安装高程（回填过
程中根据回填的高度继续将钢管分节卸下来）；
⑨以此类推，直至将各高程渗压计全部安装完毕，同时将钢管全部拉出（如
图8所示）。
图7 深孔渗压计钻孔示意图
图8 深孔渗压计安装示意图
3、施工中应注意的问题：
渗压计的电缆必须用管子保护好，以防回填中粗砂过程中将电缆拉断；
㈤压力盒
1、桩间压力盒的安装方法：
①在厂房基础上部40cm砂砾料回填并碾压完成后，定出桩间压力盒的安
装位置；
②人工将压力盒安装位置处的回填砂砾料挖除，露出原基础面（如图9所
示）；
③在基础面上铺设6cm水泥砂浆（第一层砂浆），并用水平尺找平（如图9
所示）；
④水泥砂浆铺设24小时后，在已经凝固的水泥砂浆表面再铺设一层水泥砂
浆（第二层砂浆），铺设厚度以3cm为宜（如图9所示）；
⑤将压力盒放在后铺设的水泥砂浆上面，边旋转、边挤压同时用水平尺控制使之保持水平；
⑥用大于10kg的负重压在压力盒表面（如图9所示）；
⑦负重24小时后，移去负重，在压力盒表面再铺设一层水泥砂浆进行保护
（如图10所示）；
⑧砂浆铺设24小时后，人工回填并夯实原状料（如图10所示）。
2、桩顶压力盒的安装方法：
①在厂房基础上部40cm砂砾料回填并碾压完成后，定出桩顶压力盒的安
装位置；
②人工将压力盒安装位置处的回填砂砾料挖除，露出砼抗滑桩表面；
③人工用锤子、钎子将砼抗滑桩表面找平，然后在桩表面上铺设6cm水泥砂浆（第一层砂浆），并用水平尺找平（如图11所示）；
④水泥砂浆铺设24小时后，在已经凝固的水泥砂浆表面再铺设一层水泥砂
浆（第二层砂浆），铺设厚度以3cm为宜（如图11所示）；
⑤将压力盒放在后铺设的水泥砂浆上面，边旋转、边挤压同时用水平尺控制使之保持水平；
⑥利用三脚架将大于10kg的负重压在压力盒表面（如图11所示）；
⑦负重24小时后，移去负重，在压力盒表面再铺设一层细砂进行保护（如
图12所示）；
⑧人工回填并夯实原状料（如图12所示）。
图9 桩间压力盒安装示意图
图10 桩间压力盒上部回填示意图
图11 桩顶压力盒安装示意图
图12 桩顶压力盒上部回填示意图
2、施工中应注意的问题：
①人工回填并夯实原状料时必须按照人工夯实的规范进行；
②桩顶压力盒回填细砂时一定要保证细砂中不含有大颗粒石子。
四、结语
根据西霞院工程复杂的地质情况，合理使用施工设备，采取有效的施工措施，确保了所有原观仪器的施工质量（原型观测仪器的安装合格率100％，到目前为止均正常运行），保证了原型观测工作顺利有序的进行。
后附一
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孔口坐标：桩号：D1+756.059，坝下0+002.317；高程：93.278
孔号：BX4-01 倾角：0 方位：0 钻孔日期：2005-5-9 13:00~2005-5-19 8:30
钻机型号：SGZ-Ⅲ 孔径：110mm 钻头类型：金刚石
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后附二
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孔口坐标：桩号：D1+901.004，坝下0+002.491；高程：95.023
孔号：BX4-13 倾角：0 方位：0 钻孔日期：2005-6-25 19:00~2005-6-30 7:00
钻机型号：SGZ-Ⅲ 孔径：110mm 钻头类型：金刚石
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后附三
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孔口坐标：桩号：D1+776.012，坝下0+002.498；高程： 95.502
孔号：BX4-03 倾角：0 方位：0 钻孔日期：2005-6-19 19:00~2005-6-23 10:30
钻机型号：SGZ-Ⅲ 孔径：110mm 钻头类型：金刚石
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