深水鋼板樁圍堰防滲技術(shù)分析和堵漏施工方法

吳德東，周杰

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門353600）

1 工程概況

廣東穗莞深城際軌道交通項(xiàng)目東江北特大橋主跨為（75 m+125 m+125 m+75 m）連續(xù)梁；其處于新塘鎮(zhèn)東江北干流內(nèi)河-Ⅲ級(jí)航道，其中，76#主墩的施工水位為+3.36 m，水流速度V=1.5 m/s，河床標(biāo)高-8.806 m，嵌埋式承臺(tái)，承臺(tái)底標(biāo)高為-14.506 m，頂標(biāo)高為-9.506 m，墩位處水深12.3 m，承臺(tái)埋置深度為6.1 m。承臺(tái)內(nèi)砂層主要有3 m中砂、1.5 m全風(fēng)化砂巖、1 m強(qiáng)風(fēng)化砂巖、0.5 m中風(fēng)化含礫砂巖。

該橋址深水承臺(tái)經(jīng)過多種方案進(jìn)行綜合比選，在安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)綜合比較下，最終選擇鋼板樁圍堰無封底干挖施工，深水圍堰采用24 m拉森SP-ⅣW形鋼板樁加雙拼H型鋼圍檁作為內(nèi)支撐。通過建模計(jì)算，其圍堰的整體抗傾覆穩(wěn)定性、抗管涌穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度等均滿足驗(yàn)算要求。在鋼板樁的設(shè)計(jì)位置，先用旋挖鉆引孔穿透強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化層至設(shè)計(jì)鋼板樁底標(biāo)高，再回填密水性強(qiáng)的粉質(zhì)黏土。由于鋼板樁插打垂直度難以控制和鉆孔偏差，部分鋼板樁未準(zhǔn)確打入引孔內(nèi)，致使其入土深度無法達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求，甚至在承臺(tái)底以上1 m。鋼板樁圍堰在開挖基坑內(nèi)砂土和巖層過程中，隨著潮起潮落造成的動(dòng)水壓力，水頭差增大，圍堰內(nèi)外承壓水連通，形成了滲透路徑，先后3次出現(xiàn)了流沙土現(xiàn)象，并且水頭壓力擊穿未封堵密實(shí)的引孔，形成管涌。對(duì)此，針對(duì)出現(xiàn)涌水的位置范圍及流量大小等原因進(jìn)行分析并積極采取了應(yīng)對(duì)措施。

2 圍堰滲水原因及堵漏措施

2.1 鋼板樁接口縫隙水

在深水中超長(zhǎng)鋼板樁插打時(shí)豎直度整體不好控制，鋼板樁之間咬合接縫也會(huì)存在空隙，鎖口接縫不嚴(yán)密時(shí)便出現(xiàn)漏水。根據(jù)鋼板樁的“自愈”原理，即抽水后樁縫入口處水力坡降變大，附近的砂層會(huì)發(fā)生滲透破壞，細(xì)砂顆粒會(huì)隨水流進(jìn)鋼板樁的縫隙內(nèi)，而樁縫出口處水力坡降向外迅速降低，細(xì)顆粒進(jìn)入后就會(huì)滯留并逐漸填滿樁縫，隨著鋼板樁內(nèi)外水頭差增大，縫內(nèi)砂土逐漸被壓密，滲透系數(shù)逐漸變小，部分接縫漏水會(huì)自動(dòng)消失。如果仍發(fā)生漏水情況則可采用細(xì)沙拌合木屑沿接口從上至下迅速拋落，利用水位差產(chǎn)生的吸附力使其填充間隙。

另外，針對(duì)淺水鋼板樁水頭差較小情況，合樁后接縫間隙仍然大，此時(shí)可采用“JY-669”水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料注射縫口，漿液遇水后自行分散、乳化、發(fā)泡，立即進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成不透水的彈性膠狀固結(jié)體，具有抗?jié)B止水性能，在水中可長(zhǎng)久保持原形。漿液遇水反應(yīng)形成彈性固結(jié)體物質(zhì)的同時(shí)，釋放CO2氣體，借助氣體壓力，漿液可進(jìn)一步壓進(jìn)鋼板樁間的空隙內(nèi)，實(shí)際使用效果良好。圖1為鋼板樁圍堰滲水圖。

圖1 鋼板樁圍堰滲水圖

2.2 局部滲水及管涌

因鋼板樁垂直度0.5%的偏差控制，21 m長(zhǎng)鋼板樁可控最大水平偏位達(dá)1 600 mm×0.5%=8 mm。隨著圍堰抽水及開挖過程中鋼板樁在水壓作用下產(chǎn)生水平位移變形，造成鋼板樁外側(cè)與河床土層剝離形成縫隙，且由于每日2次潮汐落差大、水流速度快對(duì)外河床進(jìn)行沖刷的影響，鋼板樁與河床接觸面縫隙便越擴(kuò)越大，隨著時(shí)間推移形成過水通道沿樁底滲入進(jìn)而形成管涌，在該承臺(tái)圍堰中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)潛水員探測(cè)縫寬可達(dá)2～25 cm，砂層流失形成孔洞。

深水圍堰施工的水頭差壓大，鋼板樁入土深度不足，開挖后原河床地質(zhì)被破壞，土體失穩(wěn)，易造成瞬間管涌，應(yīng)全過程監(jiān)控并做好應(yīng)急防范措施，包括救生用品、堵漏沙袋、金湯水不漏、引流卸壓管、壓漿設(shè)備等應(yīng)急物資儲(chǔ)備。圍堰抽水前和抽水后應(yīng)對(duì)河床沖刷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可提前對(duì)外河床進(jìn)行加固處理。

2.2.1 填補(bǔ)縫隙

初期對(duì)鋼板樁圍堰四周水下進(jìn)行封水膠條等材料填補(bǔ)與河床土層縫隙，并上蓋裝填黏性土袋防止沖刷。

2.2.2 水下高壓旋噴注漿施工

利用水下高壓旋噴注漿施工起到止水帷幕的作用。即對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)（或后期出現(xiàn)滲漏點(diǎn)處）采取二重管法高壓復(fù)合旋噴的方法進(jìn)行加固處理，將漿液與空氣形成復(fù)合噴射流沖切原松質(zhì)土層，并沿樁壁產(chǎn)生升揚(yáng)置換作用，使土體及砂層固結(jié)，同時(shí)，可對(duì)沖切范圍外的周圍土體漿液滲透而進(jìn)行填充擠壓，具備結(jié)石率高、帷幕強(qiáng)度高、防滲性能優(yōu)的特點(diǎn)。其中，水下高壓旋噴樁施工工藝的固結(jié)強(qiáng)度取決于旋噴噴射壓力、漿液水灰比、攪動(dòng)半徑和提升速度，以及土質(zhì)砂層強(qiáng)制混合固化體特性。該圍堰施工時(shí)按梅花形布置2排間距30 cm、樁徑500 mm旋噴樁，樁深至承臺(tái)底1 m處或中風(fēng)化層無法鉆進(jìn)為止，旋噴參數(shù)為提升速度20～25 cm/min，旋噴轉(zhuǎn)速20～22 r/min，噴射壓力20～30 MPa，壓縮空氣壓力0.7～0.8 MPa，水灰比1∶1，噴嘴直徑2.2 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣試驗(yàn)強(qiáng)度值可達(dá)到9 MPa，能達(dá)到防滲目的。

2.2.3 放坡開挖

方案設(shè)計(jì)時(shí)放大圍堰尺寸，干挖時(shí)對(duì)鋼板樁邊角進(jìn)行放坡開挖，維持原不透水層土體的穩(wěn)定，防止水土從鋼板樁基坑底部反竄上來，造成流土或管涌；具備條件時(shí)可先進(jìn)行四周圈梁澆筑，鞏固土坡，封閉滲水，同時(shí)防止鋼板樁漏水，造成由上至下的沖刷。此種放坡方式對(duì)強(qiáng)風(fēng)化中風(fēng)化巖層處理相當(dāng)有效。

2.3 滲水及管涌治理

2.3.1 引流

土層對(duì)圍堰底部水有一定的滲透阻擋作用，可以通過疏通等方式對(duì)水壓進(jìn)行釋放，采用無封底施工時(shí)澆筑30 cm墊層，并設(shè)置排水溝，排水盲溝及開設(shè)集水坑等形式釋放水壓。對(duì)于出現(xiàn)小的泉眼涌水同樣采用卸壓引流的方式，用直徑426～610 mm的鋼管填充級(jí)配較好的砂和碎石過濾材料，蓋住涌水點(diǎn)以防砂土流失，或者插入φ48 mm小管打孔成眼，用密目濾網(wǎng)包封引流，同時(shí)在四周用金湯水不漏等速凝材料進(jìn)行反壓封堵，及時(shí)遏止?jié)B流出現(xiàn)大范圍管涌。

2.3.2 混凝土封堵

對(duì)已形成大的管涌造成圍堰內(nèi)外貫通，要回水平衡內(nèi)外水壓。先對(duì)涌水處的鋼板樁底角進(jìn)行錨固，用振動(dòng)錘插打1 cm厚直徑10 cm的鋼管至鋼板樁底50 cm以上，管內(nèi)放置7 cm鋼棒，以防止鋼板樁因管涌水壓產(chǎn)生擾動(dòng)造成應(yīng)力突變，失去剛性，增加處理難度。安排潛水員水下探測(cè)管涌范圍，在圍堰外側(cè)局部增打1圈鋼板樁，對(duì)涌口位置進(jìn)行合圍，切斷貫水路徑源頭。對(duì)合圍內(nèi)河床吸泥，將砂礫和回流素土全部清理，再根據(jù)合圍面積采用單導(dǎo)管或多導(dǎo)管進(jìn)行水下混凝土封底，澆筑高度為以高出河床2～3 m為宜，封底一次到位，確保封底效果，不得形成水平斷層或縱向斷面。圍堰內(nèi)水下焊接擋板以同樣方法進(jìn)行水下混凝土封堵，為保障再次抽水后鋼板樁與混凝土因?yàn)閯傂越佑|而形成間隙（水壓越大，鋼板樁變形與混凝土面脫離形成新的導(dǎo)流孔洞），可在澆筑前在緊貼鋼板樁邊插入預(yù)埋壓漿花管，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%以上后進(jìn)行壓漿，以完全封閉滲水通道[1]。

2.3.3 對(duì)圍堰進(jìn)行壓漿防滲加固

對(duì)鋼板樁外側(cè)與河床有縫隙的區(qū)域進(jìn)行壓漿填實(shí)擠密。根據(jù)地質(zhì)情況、鋼板樁入土深度、承臺(tái)埋深及水下壓漿作用半徑確定壓漿管的平面布置和埋置深度，再埋設(shè)注漿管，可先用地質(zhì)鉆機(jī)等設(shè)備進(jìn)行造孔。在鋼板樁上搭設(shè)牛腿支承平臺(tái)，確保壓漿管的定位及埋深，采用水泥漿摻加水玻璃速凝劑進(jìn)行雙液壓漿，以填充河床空洞和鋼板樁縫隙。根據(jù)壓漿速度調(diào)整雙液比例，既保證速凝效果及強(qiáng)度且不堵管，注漿壓力值為水深壓力加土壓力值以上，但不宜過高防止造成原土破壞[2]。該主墩承臺(tái)圍堰在每一處鋼板樁接口處布置1根壓漿管，埋深為設(shè)計(jì)鋼板樁底處，壓漿采用水泥漿配比1∶1（質(zhì)量比），水玻璃與水1∶4（體積比），雙液壓漿比為1∶0.2（體積比），該混合液凝結(jié)時(shí)間為17 s，滿足水下注漿施工要求，BW-150壓漿機(jī)注漿壓力值取1 MPa，壓漿結(jié)束后穩(wěn)壓2 min，確?；旌弦禾畛涞轿?，待漿液固結(jié)體強(qiáng)度達(dá)到后開始抽水。

通過以上處理方法，該深水鋼圍堰承臺(tái)施工順利完成。

3 滲水堵漏施工安全技術(shù)措施

作業(yè)前，根據(jù)施工方案對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行有針對(duì)性的安全技術(shù)交底；搭設(shè)施工安全作業(yè)平臺(tái)并設(shè)置護(hù)欄。作業(yè)中，作業(yè)人員必須配備落水救生設(shè)備；基坑開挖中，實(shí)時(shí)做好監(jiān)控量測(cè)，同步觀察滲漏水情況，在漏水持續(xù)增大的情況下必須先堵水，確保安全后方可作業(yè)。

4 結(jié)語

以上防滲分析和堵漏方法均在實(shí)際施工中總結(jié)而來，每一種處理方法均取得了良好的效果，最終該承臺(tái)的施工在全國首次實(shí)現(xiàn)了鋼板樁圍堰在深水淺覆蓋層中的運(yùn)用，不僅節(jié)省了成本，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，而且為今后類似工程提供了借鑒。