趙 毅

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

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“重錘式”測(cè)斜儀器的研究與應(yīng)用

趙 毅

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

在高噴防滲墻施工中，鉆孔是整個(gè)高噴施工工序的第一步，孔斜直接關(guān)系到高噴防滲墻墻體的整體連接，因此孔斜測(cè)量是高噴成孔質(zhì)量驗(yàn)收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，孔斜測(cè)量?jī)x器的選擇和使用是保證高噴防滲墻施工質(zhì)量的重點(diǎn)之一。本文介紹了“重錘式”測(cè)斜儀的構(gòu)造，測(cè)斜原理，理論依據(jù)，測(cè)斜工法與步驟及其注意事項(xiàng)。

桐子林水電站 高噴鉆孔 重錘式 測(cè)斜儀器 構(gòu)造原理 依據(jù)工法步驟

1 概述

在高噴防滲墻施工中，高噴鉆孔孔斜控制是制約施工質(zhì)量的重點(diǎn)，孔斜直接關(guān)系到高噴防滲墻墻體的整體連接，是成墻的關(guān)鍵所在。如孔斜控制不到位，將會(huì)導(dǎo)致樁體間出現(xiàn)開叉無法有效搭接等嚴(yán)重后果，故孔斜控制與測(cè)量是高噴防滲墻施工質(zhì)量的重點(diǎn)之一。而孔斜測(cè)量?jī)x器的選擇和使用，則是成孔質(zhì)量驗(yàn)收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

桐子林水電站導(dǎo)流明渠圍堰高噴防滲軸線總長(zhǎng)1056.678m，最大孔深為52.0m，防滲工程量約52000m，防滲面積約45000m2，施工工期2.5個(gè)月，單月施工強(qiáng)度達(dá)21000m/月，為滿足施工強(qiáng)度需同時(shí)投入6～8臺(tái)測(cè)斜儀器，50m級(jí)深孔及單月施工強(qiáng)度均屬國內(nèi)罕見。圍堰高噴防滲屬關(guān)鍵施工控制性線路，工期短、強(qiáng)度高、組織與技術(shù)難度大、孔斜控制難度高、樁體開叉質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)大，施工成敗將直接影響相關(guān)節(jié)點(diǎn)控制目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。因此，鉆孔孔斜的控制與測(cè)量是施工成敗的重中之重。

2 測(cè)斜儀器研究背景

目前高噴鉆孔孔斜測(cè)量主要有二種手段，抗磁干擾測(cè)斜和浮漂測(cè)斜，但都不能滿足和適應(yīng)桐子林高噴工程施工需要。

2.1 抗磁干擾測(cè)斜儀

其優(yōu)點(diǎn)是成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，但成本投入太高。桐子林高噴防滲墻施工規(guī)模大、區(qū)域廣、工期緊，必須多個(gè)施工作業(yè)面同時(shí)進(jìn)行測(cè)斜工作，如不增加測(cè)斜儀器將會(huì)直接影響施工功效和進(jìn)度。但抗磁干擾測(cè)斜儀器每臺(tái)購價(jià)超過15萬元，需一次投入采購資金90～120萬元，且對(duì)使用工況要求高，要輕拿輕放，維修率高，故抗磁干擾測(cè)斜儀不利于在桐子林圍堰高噴施工中大面積使用。

2.2 浮漂測(cè)斜儀

桐子林高噴鉆孔設(shè)計(jì)偏斜率為1%，其跟管護(hù)壁套管內(nèi)徑為φ128mm，最大孔深達(dá)50m以上。浮漂測(cè)斜儀雖測(cè)斜數(shù)據(jù)精度可靠且可大面積應(yīng)用，但其只適用于淺孔深、大孔徑鉆孔測(cè)斜。因浮漂測(cè)斜采用“倒垂法”原理，其孔口浮漂隨測(cè)斜重錘移動(dòng)與孔口中心成倒三角，按最大偏斜1%套管內(nèi)徑φ128mm計(jì)算，其只能測(cè)定孔深為7m以內(nèi)的區(qū)域，使用局限性較大。故浮漂測(cè)斜儀不能適應(yīng)桐子林工程實(shí)際施工需要。

2.3 重錘式測(cè)斜儀

根據(jù)桐子林水電站高噴防滲墻的施工特點(diǎn)，為更好地完成施工任務(wù)提高功效并保證施工質(zhì)量，按照“倒垂法”和“相似三角形”原理對(duì)測(cè)斜設(shè)備進(jìn)行研究改進(jìn)和發(fā)展。并自制研發(fā)出“重錘式”測(cè)斜儀，通過試驗(yàn)和對(duì)比，完全滿足桐子林電站高噴鉆孔測(cè)斜的要求。該測(cè)斜儀有如下優(yōu)點(diǎn)：①可操作性強(qiáng)；②不受孔內(nèi)地下水、孔徑和孔深影響；③測(cè)斜過程簡(jiǎn)便快捷；④制作簡(jiǎn)單且易于大量使用；⑤成本低廉(每臺(tái)制作成本0.3萬元)，適用于深孔測(cè)斜，其測(cè)斜精度可高達(dá)千分之一。

3 儀器結(jié)構(gòu)

“重錘式”測(cè)斜儀器的構(gòu)造主要分為主體結(jié)構(gòu)和輔助工具兩大部分。

主體結(jié)構(gòu)分為七個(gè)部份，即對(duì)中圓盤、測(cè)繩、平衡支架、調(diào)平螺母、重錘(測(cè)鐘)、連接管套、手動(dòng)卷揚(yáng)等；輔助工具包括十字架、萬能量角器、鋼板尺、水平尺、鋼卷尺等(見圖1)。

圖1 “重錘式”測(cè)斜儀器結(jié)構(gòu)

(1)對(duì)中圓盤：設(shè)置于測(cè)斜儀器頂部，其直徑與護(hù)壁套管及測(cè)斜儀連接管套外徑一致，設(shè)有一小孔處于圓盤中心(中心孔)，測(cè)繩從中穿過連接重錘；

(2)測(cè)繩：為直徑1mm的細(xì)小鋼繩，其作用是連接重錘。當(dāng)重錘下放至預(yù)測(cè)孔內(nèi)時(shí)，測(cè)繩隨重錘被牽引至孔內(nèi)并隨之?dāng)[動(dòng)，在孔口測(cè)量測(cè)繩與孔口中心或參照物X、Y方向的偏斜距離，從而計(jì)算得出方位角和偏斜率；

(3)平衡支架：由六根長(zhǎng)短相等的φ22mm圓鋼組成，分為三組，每組分上下兩部分，中間由調(diào)平螺母將上下兩部分連接；

(4)調(diào)平螺母：兩端由絲扣連接組成，可自由伸縮調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度。其作用是調(diào)節(jié)平衡支架局部高度，使測(cè)斜儀器豎直向下，對(duì)測(cè)繩及重錘進(jìn)行居中調(diào)節(jié)；

圖2 對(duì)中圓盤結(jié)構(gòu)

圖3 平衡支架及調(diào)平螺母結(jié)構(gòu)

(5)重錘：其作用為牽引導(dǎo)向測(cè)繩，測(cè)繩系于重錘中心，牽引測(cè)繩至指定孔深位置，重錘半徑略小于連接套管半徑2.5mm，為對(duì)稱中空式模塊鑄件，頂端設(shè)4個(gè)對(duì)稱的透氣孔以保證其順利快速下放；

(6)連接管套：為測(cè)斜儀器底座，內(nèi)設(shè)與護(hù)壁套管相匹配的螺紋絲扣，其作用為連接護(hù)壁套管，并固定測(cè)斜儀器。(見圖4)；

圖4 連接管套結(jié)構(gòu)

(7)手動(dòng)卷揚(yáng)：連接和控制測(cè)繩下放，為測(cè)繩提供支點(diǎn)；

(8)鋼板尺：以十字架或萬能量角器為參照物，測(cè)讀X、Y方向偏斜數(shù)據(jù)，為計(jì)算偏斜率提供數(shù)字依據(jù)；

(9)十字架：作為孔口偏斜測(cè)量的參照物，測(cè)量時(shí)確保參照物在任意孔深位置保持不變，以保證數(shù)據(jù)的精確性；

(10)萬能量角器：作為孔口偏斜測(cè)量的參照物，并測(cè)量孔口偏斜角度；

(11)水平尺：測(cè)量測(cè)斜儀器垂直度；

(12)鋼卷尺：測(cè)量測(cè)斜儀器架高，為孔斜率計(jì)算提供依據(jù)。

4 測(cè)斜原理

“重錘式”測(cè)斜儀采用“相似三角形”原理，其理論模型為“正三角形”。

“重錘式”測(cè)斜儀連接固定于護(hù)壁套管后對(duì)測(cè)斜重錘進(jìn)行調(diào)中，重錘牽引測(cè)繩懸垂于孔口中心，使測(cè)斜儀對(duì)中圓盤中心E點(diǎn)與孔口中心A點(diǎn)連接成一條直線，確保EA垂直于地面。測(cè)斜儀與護(hù)壁套管之間采用螺紋剛性連接，護(hù)壁套管壁厚達(dá)6mm，采用雙扣圓弧螺紋剛性連接，整個(gè)套管連接后基本為一條直線。

4.1 “重錘式”測(cè)斜

測(cè)斜過程及原理：

(1)當(dāng)重錘牽引測(cè)繩沿護(hù)壁套管下放至孔底時(shí)，測(cè)繩繃直為一條直線(見圖5)，E為對(duì)中圓盤中心點(diǎn)，ED為鉛直孔的中心線，EC為鉆孔出現(xiàn)偏斜時(shí)的測(cè)繩牽引線。

(2)首先假定該孔鉆進(jìn)方向垂直向下，即該孔方位準(zhǔn)確不存在偏斜，則鉆孔中心線為ED(理論鉛直線)。如鉆孔出現(xiàn)偏斜，當(dāng)測(cè)繩被重錘牽引隨護(hù)壁套管下滑時(shí)，則形成與理論鉛直鉆孔中心線構(gòu)成一定夾角的EC(假定鉆孔偏斜的測(cè)繩牽引線)，即測(cè)繩通過孔口的位置隨之改變。

(3)理論鉛直鉆孔中心線與假定鉆孔偏斜后，測(cè)繩牽引線之間形成一個(gè)正三角形△EDC。

(4)連接孔口中心與偏斜后測(cè)繩通過孔口的位置即為孔口偏差，偏斜后測(cè)繩通過孔口的位置與中心軸線之間的距離即為孔口偏距，即AB。

(5)利用相似三角形原理，計(jì)算出孔底偏差DC，孔深為已知值，從而計(jì)算鉆孔偏斜率。

4.2 “重錘式”測(cè)斜理論依據(jù)

圖5 重錘測(cè)斜儀測(cè)斜示意

如圖5(二)所示，A、C兩點(diǎn)分別為孔口及孔底套管中心所在位置，E為測(cè)斜儀中心孔所在位置，線段ED為垂直于地面的理論鉛直鉆孔中心線；B點(diǎn)為假定鉆孔偏斜后測(cè)繩通過孔口的實(shí)際位置，因AB∥CD，形成兩個(gè)正三角形△EAB及△EDC，且△EAB∽△EDC。

因?yàn)椤鱁AB∽△EDC，所以AB/DC=EA/ED，AB/EA=DC/ED；

式中：δ——鉆孔偏斜率，以百分?jǐn)?shù)表示；

DC——實(shí)際鉆孔偏斜的水平投影長(zhǎng)度，即孔底偏距，也可以稱為偏差(d)；

ED——理論鉛直鉆孔深度，ED=EA+AD=b+c，即測(cè)斜儀器架高+鉛直孔深；

AB——孔口偏距(a)，通過測(cè)量孔口X、Y軸偏距計(jì)算求得；

EA——測(cè)斜儀器架高(b)，可直接測(cè)得；

5 測(cè)斜工法及步驟

(1)將“重錘式”測(cè)斜儀與護(hù)壁套管連接，確保絲扣表面干凈整潔，保證連接牢固可靠不得晃動(dòng)；

(2)測(cè)斜儀器固定后將重錘懸停于孔口中心，由調(diào)平螺母調(diào)節(jié)測(cè)斜儀器的垂直度(使其豎直向下垂直于地平面)，確保重錘中心與孔口中心保持一致；

(3)將萬能量角器或十字架作為參照物放置于孔口，以十字架O點(diǎn)為原點(diǎn)，X、Y軸方向?yàn)槔碚撟鴺?biāo)系，測(cè)量孔口測(cè)繩在X軸和Y軸方向的距離，得出以X1、Y1作為孔口中心的坐標(biāo)原點(diǎn)A。十字架X、Y軸的放置方向必須與規(guī)定方向一致，并確保X與Y軸方向必須垂直且夾角為90°(如圖6所示)；

圖6 孔口偏距測(cè)量

圖7 孔斜計(jì)算原理

(4)重錘牽引測(cè)繩下放至預(yù)測(cè)孔深后，如鉆孔出現(xiàn)偏斜則測(cè)繩通過孔口中心的位置將隨之改變，以萬能量角器或十字架為參照物測(cè)量測(cè)繩在孔口的X與Y軸距離，即X2與Y2為鉆孔出現(xiàn)偏斜后的空間坐標(biāo)點(diǎn)B；

(5)將鉆孔出現(xiàn)偏斜后的(X2，Y2)與孔口中心原點(diǎn)(X1，Y1)相比較，計(jì)算得出相應(yīng)X與Y軸的偏距，即ΔX=X2-X1、ΔY=Y2-Y1，由此計(jì)算孔口綜合偏距a，根據(jù)“重錘式”測(cè)斜原理，從而計(jì)算鉆孔偏斜率及孔底偏距(如圖7)。

6 計(jì)算方法

根據(jù)“重錘式”測(cè)斜儀的測(cè)斜工法，結(jié)合圖6、圖7，所示計(jì)算過程如下：

孔底偏差：d=δ×(b+c)。

其中，b為架高，c為孔深，均可直接量取。

各象限孔斜方位圖在坐標(biāo)系中表示如下(見圖8)

若X1

若X1Y2 孔斜偏向第二象限，如圖8②；

若X1>X2、Y1

若X1>X2、Y1>Y2 孔斜偏向第四象限，如圖8④。

圖8 孔斜方位偏斜坐標(biāo)示意

7 孔斜測(cè)定注意事項(xiàng)

(1)鉆孔質(zhì)量驗(yàn)收過程必須嚴(yán)格受控，準(zhǔn)確測(cè)量鉆孔深度，并在終孔驗(yàn)收表格上填寫正確，作為孔斜率的計(jì)算依據(jù)；

(2)測(cè)斜過程中必須確保測(cè)斜儀器的連接牢固可靠，不得隨意晃動(dòng)，以確保測(cè)斜數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確；

(3)孔口萬能量角器或十字架的架設(shè)方位必須嚴(yán)格控制，X、Y軸的放置方向必須與規(guī)定的方向一致。在測(cè)斜過程中，必須嚴(yán)格控制其方位的準(zhǔn)確性；

(4)孔口偏斜數(shù)據(jù)的測(cè)量，必須由專人掌控和讀數(shù)，確保測(cè)斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

(5)測(cè)斜過程中，當(dāng)測(cè)繩在重錘的牽引下達(dá)到預(yù)定孔深時(shí)，應(yīng)保證測(cè)繩處于靜止?fàn)顟B(tài)后方可讀數(shù)，以確保讀數(shù)的準(zhǔn)確性；

(6)測(cè)斜應(yīng)記錄最大偏差及孔底偏差，在測(cè)斜記錄表格上按規(guī)定的X軸與Y軸方向，描繪孔斜方位圖。

8 結(jié)語

桐子林電站導(dǎo)流明渠圍堰高噴防滲墻工程在質(zhì)量控制上取得了前所未有的輝煌戰(zhàn)績(jī)，克服了工期緊、任務(wù)重、施工組織管理難度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、防滲技術(shù)難度高、52m超深孔孔斜控制難度大等重重難關(guān)，得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理三方對(duì)圍堰防滲質(zhì)量“滴水不漏”的高度評(píng)價(jià)，一舉打破西南地區(qū)高噴無用論，并創(chuàng)下多項(xiàng)全國第一，塑造了圍堰高噴防滲大孔深、超強(qiáng)度、高難度施工的典范，進(jìn)一步證實(shí)深孔高噴防滲在技術(shù)質(zhì)量上的可行性，為高噴施工生產(chǎn)組織、技術(shù)實(shí)施、質(zhì)量控制積累了豐富可靠的經(jīng)驗(yàn)，拓展了高噴技術(shù)應(yīng)用范圍。

“重錘式”測(cè)斜儀在桐子林電站導(dǎo)流明渠圍堰高噴防滲墻施工中得到了充分的應(yīng)用和驗(yàn)證，為高噴施工孔斜的測(cè)量及控制提供了可靠的保障，施工中具有可操作性強(qiáng)、測(cè)斜簡(jiǎn)便快捷、制作簡(jiǎn)單、成本低廉，適于大規(guī)模使用、測(cè)斜精度高的特性，在桐子林高噴施工中起到了不可替代的關(guān)鍵性作用，完全適用于大孔深、超強(qiáng)度、大規(guī)模使用的施工要求。

〔1〕馬植侃，汪 濱，劉建明.鉆探工程學(xué).中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998，(1).

〔2〕張文淵.水利工程施工質(zhì)量的主要因素與控制措施[J].水電站設(shè)計(jì)，2004，(2).

趙 毅(1977.08-)，四川綿陽人，工程師。中國水電七局成都水電建設(shè)工程有限公司從事水利水電施工管理工作。

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2095-1809(2015)05-0098-05