佟 弢，武傳鵬

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220)

引言

隨著我國沿海港口建設(shè)的日益發(fā)展，建（構(gòu)）筑物對于勘察場地水文地質(zhì)條件的要求日益提高。對于基巖埋藏深度較淺的勘察場地，研究勘察深度內(nèi)巖層的水文地質(zhì)條件尤為重要。當建（構(gòu)）筑物在巖體上或巖體內(nèi)進行修建時，必須研究其范圍內(nèi)的巖體滲透性，作為巖體水文地質(zhì)條件的重要參數(shù)。工程實際中對巖體的滲透性，經(jīng)常使用壓水試驗進行研究。不同于水利水電勘察行業(yè)，水運勘察行業(yè)對于此類試驗經(jīng)驗并不豐富。通過規(guī)范壓水試驗流程及選用不同止水栓塞進行對比試驗，為提高較破碎風化巖層壓水試驗效率及準確性，本文提供了一些參考及經(jīng)驗。

1 工程概況

山東某翻車機房工程在基槽開挖過程中存在巖面埋藏較淺的情況。工程場地位置較特殊，東側(cè)距離碎石護岸僅20m 左右，海水與潛水連通，直接開挖容易造成海水倒灌，造成重大安全事故。為避免上述情況發(fā)生，結(jié)合工程場地的工程地質(zhì)條件，本工程擬采用高壓旋噴樁及柔性地連墻共同形成防滲帷幕，防滲止水帷幕底端需要放置于巖面以下?，F(xiàn)場勘察成果揭示工程場地上部以填土為主，中部為粘性土及粗礫砂，下部為強風化基巖層，巖性以膠南群片麻巖為主?？辈旖沂镜膹婏L化巖層整體風化強烈，巖芯呈散體狀或碎塊狀。為探明強風化基巖層的透水性，對防滲帷幕入巖深度進行指導，本工程進行了現(xiàn)場壓水試驗。

2 試驗設(shè)備選擇

2.1 供水設(shè)備

本次現(xiàn)場壓水試驗選用BW-450 型三缸水泵，其使用流量為172～450 L/min，能提供＜5 MPa 的穩(wěn)定水壓，其在額定壓力下的出水量符合規(guī)范要求?，F(xiàn)場配備一臺ZS1115 柴油機為水泵提供動力。

2.2 量測設(shè)備

1）水壓表的最大量程為2.0 MPa，經(jīng)檢測符合反應靈敏、卸壓后指針回零及量測范圍滿足能控制在極限壓力值1/3～3/4 的要求。

2）選用專用液體流量計測量試驗注水管壓水流量，能較好的適應本次的試驗壓力與試驗水泵出水能力。

3）水位測量采用電測水位儀，除探頭部分與水接觸外，其它所有導線均絕緣，反應靈敏可靠。

2.3 止水栓塞

在進行壓水試驗之前應挑選適宜的止水栓塞設(shè)備。本次試驗的重點為通過使用不同種類的止水栓塞進行對比試驗，測試其在較破碎的強風化巖體中的止水效果。

各類常用栓塞設(shè)備的優(yōu)劣統(tǒng)計見下表1。

表1 各類栓塞設(shè)備優(yōu)劣統(tǒng)計

考慮到本次試驗的經(jīng)濟性與適宜性，選擇單管頂壓式及水壓式進行對比試驗以測試其在較破碎強風化巖中的止水效果。圖1(a)為采用以上兩種方式止水的試驗裝置圖。

1）單管頂壓式

對于頂壓式止水栓塞，由圖1 所示，其止水原理為：由上部鉆機自重提供壓力，使止水橡膠球通過隔片發(fā)生擠壓變形，達到止水的目的。由圖1 可知，單管頂壓式止水栓塞是通過每個橡膠球和孔壁的線接觸進行止水。由于其常規(guī)型號長度較短，橡膠球個數(shù)偏少，應對此次試驗我們重新加工了頂壓式止水栓塞，止水橡膠球增加至8 個，橡膠球外徑φ75 mm，長度100 mm。通過增加橡膠球與孔壁的接觸次數(shù)，加長栓塞長度，增強其止水效果。栓塞整體長度約1 120 mm。

2）水壓式

對于水壓式止水栓塞，由圖1(b)所示，其止水原理為：由一根高壓注水管與止水栓塞膠囊處連接，通過注水使其膠囊膨脹，達到止水的目的。由圖1(b)可知，水壓式止水栓塞是通過膠囊膨脹整體與孔壁接觸。不同于頂壓式止水栓塞的是，水壓式是注水膠囊與孔壁是面接觸，不需孔底過水濾管提供反力，但水壓式使用過程中需經(jīng)常注水及放水，效率較低。本次使用的水壓式止水栓塞，長度920 mm，膨脹外徑約φ76～150 mm。

圖1 止水試驗裝置圖

3 現(xiàn)場對比試驗

3.1 試驗壓力及對比試驗布置

本次的試驗壓力分三級，依次進行升壓降壓，各個分級壓力為P1、P2、P3、P4及P5，升壓段為P1-P3，降壓段為P3-P5（其中P4=P2、P5=P1），P1、P2、P3采用0.3MPa、0.6MPa 和1MPa[1]。

水壓表安裝在測壓管路上，管路與試驗段相連通，本次的試驗段壓力可按下式進行計算：

式中：

P—試段壓力（MPa）；

Pp—水壓表指示壓力（MPa）；

Pz—水壓表中心位置至本次試驗壓力零線的等效水柱壓力（MPa）。

本次翻車機房工程現(xiàn)場試驗，參照勘察場地的地層情況，共布置了三個壓水試驗鉆孔，孔號為Y1、Y2 及Y3，在每個壓水試驗鉆孔中對強風化巖做2 組壓水試驗，共計六組。

選擇Y1 孔進行兩組對比試驗，在Y1 第1 試驗段使用水壓式進行止水，在Y1 第2 試段使用單管頂壓式進行止水。根據(jù)現(xiàn)場試驗效果，在Y2 和Y3 孔進行驗證試驗，為規(guī)避其偶然性。選擇出在較破碎的強風化巖中現(xiàn)場試驗效率較高，止水效果較好的栓塞類型。

3.2 試驗流程

1）成孔

本次使用XY-150 型鉆機進行鉆探成孔。上部土層成孔孔徑為φ127 mm，進入強風化巖層后變徑為φ108 mm。上述對比試驗中擬采用的止水栓塞長度為920 mm 和1120 mm，均大于規(guī)范中8 倍孔徑（864 mm）的要求。全程使用清水鉆進，每鉆進1米跟進套管一次，直至強風化巖面結(jié)束。對強風化巖面以上各土層，利用套管進行初步止水，隔絕上部潛水層及承壓水層對試驗的干擾。進入第一組試驗段成孔深度不大于6 m（試段長度約5 m，栓塞長度約1 m），試驗完成后繼續(xù)成孔至8～9 m，重復上述過程，直到試驗結(jié)束。

2）洗孔

成孔結(jié)束后，將巖芯管放置于孔底，水泵柴油機油門調(diào)至最大，使水泵達到最大出水量，然后進行洗孔，清洗約20 分鐘后，發(fā)現(xiàn)孔口回水較清澈，無肉眼可見的巖石粉末顆粒，結(jié)束洗孔。

3）設(shè)備檢查及試段隔絕

設(shè)備檢查：檢查各壓力、注水管線與止水栓塞的完整性及是否堵塞，各壓力、流量測計在最大壓力與水泵最大出水量的情況下是否能正常工作，電測水位儀是否靈敏。重點檢查鉆桿連接處的密封程度，使用防水膠帶對鉆桿接頭進行處理，做到完全密封。經(jīng)各項檢查，各試驗裝置均能正常工作。

試段隔離：Y1 孔第1 試段使用水壓式止水栓塞進行試段隔離，在檢查注水膠囊無破損后，從孔口處放入栓塞，使用鉆桿連接栓塞，連接注水膠囊的高壓注水管與鉆桿緊密捆綁，防止其纏繞鉆桿，造成栓塞難以下放。待栓塞下放至指定位置后，使用人工注水泵對栓塞膠囊進行注水，膠囊注水壓力應比壓水試驗最大試段壓力 P3（1 MPa）大0.2～0.3MPa[2]。為了保險起見，對于本次較破碎強風化巖層，膠囊注水壓力采用1.5 MPa。Y1 孔第2試段使用單管頂壓式止水栓塞進行試段隔離，利用鉆機自重，對栓塞施壓，栓塞上橡膠球受壓變形，緊貼鉆孔側(cè)壁，使試段隔離。

4）水位觀測

水位觀測：止水栓塞下置前與隔離試驗段后分別對孔內(nèi)水位進行1 次觀測（孔內(nèi)有水）。工作管內(nèi)每5 min 觀測1 次水位，當觀測值下降速率連續(xù)2 次小于5 cm/min 時，結(jié)束觀測，最后的觀測值為本次試驗的壓力零線。在Y1 孔的兩次對比試驗中，不同試段放置不同止水栓塞，待栓塞工作后，觀測水位下降速度達到規(guī)范要求。

5）試壓水及止水效果檢驗

本次試驗試壓水壓力采用1.0 MPa，延續(xù)時間15 min[3]。在確認管路暢通，各接頭無滲水情況后，對孔內(nèi)水位進行不間斷測量。

Y1 孔第1 試段采用水壓式止水栓塞，試壓水過程中，孔內(nèi)水位變化較小，止水效果良好。Y1孔第2 試段采用單管頂壓式止水栓塞，試壓水前5分鐘，孔內(nèi)水位無明顯變化，試壓水后期，孔口處涌水明顯，止水失敗。起塞檢查后，栓塞正常。上移栓塞后，繼續(xù)試壓水，仍出現(xiàn)孔口涌水的情況。更換水壓式栓塞，繼續(xù)試驗，也未止水成功。無奈只得擴孔，采用灌制混凝土塞位對試段處孔壁進行加固處理，方止水成功。

在Y2 及Y3 鉆孔4 組試驗段，均使用水壓式栓塞，Y2 孔第1、2 試段及Y3 孔第2 試段在試壓水過程中，孔內(nèi)水位均較為穩(wěn)定，止水效果較好。Y3 孔第1 試段在試壓水過程中存在水位緩慢上升的情況，經(jīng)栓塞上移調(diào)整后，孔口水位變化平穩(wěn)，成功止水。

6）正式試驗

先對注水管線進行排氣，排氣結(jié)束后正式開始試驗。試驗壓力分別采用0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa[即：P1—P2—P3—P4（=P2）—P5（=P1），P1

4 止水效果對比分析

從總體上看，本次壓水試驗共計6 組試段中，僅Y1 孔第2 試段和Y3 孔第1 試段在試壓水階段存在局部漏水情況。對各孔試驗的整體效率進行分析總結(jié)，見下表2：

表2 各試段止水效果分析表

分析上表可以得出，在較破碎的強風化巖中，使用單管頂壓式進行止水較為困難，在止水反復失敗后需配合混凝土塞位進行止水，灌入的混凝土凝結(jié)耗時較長，對試段整體試驗時間影響較大。對于Y3 第1 試段，首次試壓水過程中止水失敗，經(jīng)過與其他水壓式試段進行全過程對比分析，發(fā)現(xiàn)其原因為Y3 孔第1 試段在成孔后，孔壁浸泡了較長時間，導致試段內(nèi)強風化巖孔壁表層局部軟化，致使止水失敗。對于較破碎的強風化巖層，進行壓水試驗時，選取水壓式止水栓塞的止水效果較好，總體試驗時間較少，整體試驗效率較高。

5 結(jié)語

在應對勘察場地中較破碎的風化巖，進行壓水試驗時，適宜采用水壓式止水栓塞進行試段封閉，應同時注意強風化巖浸水后易局部軟化的特點。通過減少成孔后等待時間，達到快速有效的止水效果，提高試驗效率。本次現(xiàn)場試驗圓滿成功，所采用的試驗設(shè)備、流程及經(jīng)驗，可為后續(xù)工程參考借鑒。