深水裸巖海洋環(huán)境鉆孔樁漏漿機理分析及方案研究

張亞鋒

中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300

1 工程概述

1.1 項目簡介

福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋跨越北東口水道區(qū)段全長3.7km，橋梁基礎采用樁基礎，樁徑為φ2m、φ2.5m、φ2.8m、φ3.0m，設計最大樁長102m。

1.2 施工條件

1.2.1 氣象條件

工程所在區(qū)域為典型的海洋性季風氣候區(qū)，熱帶氣旋(臺風)是影響大橋的主要災害性天氣，每年影響施工區(qū)域臺風約4個。

1.2.2 水文條件

屬正規(guī)半日潮，橋址處最大水深42m，最大潮差7m，平均浪高1.5m。

1.2.2 地質(zhì)條件

橋址處為凝灰?guī)r和花崗巖，風化程度低，完整性好、強度高，經(jīng)對海床面掃海顯示基巖風化不均，球狀凸起、軟硬交替變化現(xiàn)象普遍，海床高差變化大，大部分墩位基巖裸露，部分墩位覆蓋層薄厚不均。

1.3 鉆孔樁施工難點

橋址處裸露基巖、斜巖面、孤石普遍及海床面巖石風化程度不均造成鋼護筒無法打入海床或打入深度不足，受潮差影響，護筒內(nèi)泥漿與外部水頭差時刻處于變化中，鉆孔過程中護筒內(nèi)泥漿滲漏現(xiàn)象普遍。

2. 鉆孔樁漏漿機理的理論與數(shù)值模擬分析

2.1 泥漿滲漏分析

結合工程實際鉆孔樁在成孔過程中泥漿滲漏現(xiàn)象實際情況分析，漏漿原因是鋼護筒打入海床深度不足，當潮落時，鋼護筒內(nèi)泥漿水頭高、壓力大，將顯著增加泥漿的滲透壓力，通過對典型滲透變形破壞模式的分析，判定是流土（流砂）問題或管涌問題。

2.2 鋼護筒附近土體滲流場數(shù)值模擬

為便于分析，采用二維平面滲流理論對單根鋼護筒底部滲流場進行模擬，模擬護筒周邊覆蓋層隨潮漲落變化而隨之變化的滲流場，計算不同位置水力坡降，確定漏漿的主要部位。

2.2.1 計算模型

（1）分析模型

分析軟件采用Comsol Multiphysics，已單墩地質(zhì)條件為例，建立寬度為60m，高度20m的分析模型，計算域單元為三角形單元，地質(zhì)為粉細砂層、塊石土層、淤泥質(zhì)土層、全風化化凝灰?guī)r層，覆蓋地層中局部有孤石。

（2）計算參數(shù)

計算中采用的土性參數(shù)來源于地質(zhì)勘查報告及補充勘查報告。

（3）邊界條件

模型邊界條件設置如下：海床覆蓋層表面設置為自由排水，水頭差為0m，模型兩側(cè)邊界約束水平方向位移并設置為非排水邊界，模型底部邊界約束豎直方向位移并設置為非排水邊界，覆蓋層中的孤石簡化為非排水邊界，鋼護筒為非排水邊界，鋼護筒周圍土層表面設置為自由排水邊界，在覆蓋層表面施加周期荷載(m)模擬潮汐產(chǎn)生的水頭差。

2.2.2 計算結果

根據(jù)計算模型進行分析，漏漿處水力坡降大于臨界水力坡降是發(fā)生滲透變形破壞的主要條件，無覆蓋層、覆蓋層較淺或覆蓋層中孤石或塊石土的存在致使護筒無法打入足夠深度是發(fā)生漏漿的主要原因。

在有覆蓋層地段，塊石土的滲透系數(shù)較大，該層孔隙水壓變化不大，水力坡降的變化主要發(fā)生在水流通過上部的粘土層逸出時低滲透性土層內(nèi)水力坡降會快速下降，與現(xiàn)場護筒內(nèi)泥漿在某時快速下降，下降到一定高度水頭不再變化基本一致。

2.3 鉆孔樁漏漿分析

通過理論、數(shù)值模擬分析得出，海水潮差的迅速變化是鉆孔樁發(fā)生漏漿的水力條件，覆蓋層淺薄或無覆蓋層是發(fā)生漏漿的地質(zhì)原因，兩種原因綜合導致了本鉆孔樁出現(xiàn)了較為嚴重的泥漿滲漏問題。通過對漏漿現(xiàn)象的深入觀察，并結合理論分析后可知，漏漿的本質(zhì)原因是由于滲透變形破壞導致的流土（流砂）現(xiàn)象。這種漏漿現(xiàn)象的具體特征為漏漿速度快，泥漿到一定深度后停止?jié)B漏。

3 鉆孔樁漏漿處理方案

根據(jù)鉆孔樁施工條件、漏漿機理理論分析以及數(shù)值模擬分析，現(xiàn)場采取“二防一補”的具體實施方案有針對性地解決漏漿問題。

3.1 “帷幕注漿法”堵漏

深水淺覆蓋層區(qū)，由于覆蓋層淺護筒打入深度不足，采用“人造覆蓋層”+“注漿帷幕”有效防止漏漿。利用吹砂設備在樁護筒周圍吹填海砂，人工制造一層覆蓋層，沿護筒一圈施做2排旋噴樁，旋噴樁之間互相咬合，形成一圈加固地質(zhì)的帷幕，實現(xiàn)改良護筒周邊土體，達到防漏效果。

3.2 “生根法”漏漿

在基巖裸露、海底高差起伏較大的區(qū)域，采用模袋圍堰+封底混凝土防止漏漿。利用鉆孔平臺兩側(cè)支棧橋為依托，采用“釣魚法”設置導向裝置精確下放鋼護筒，下放到位后迅速將支棧橋鋼管樁與護筒連接防止傾倒，所有護筒下放、連接到位后，在距鋼護筒2-3m位置下放模袋，模袋下放過程潛水員周期性水下查看模袋擺放效果并堵漏，形成一個整體圍堰后，氣舉法清底，在圍堰內(nèi)澆筑水下不離散混凝土，使護筒與海床面生根，有效防止鉆孔過程漏漿。

3.3 “回填法”堵漏

“回填法”適用范圍廣，在鉆孔過程中局部出現(xiàn)漏漿，根據(jù)漏漿速度及原因在漏漿位置回填不同比例片石+黏土、鋸末、混凝土等材料，用沖擊鉆進行反復夯擊，將漏漿處孔壁用片石混合物進行夯實、擠密，通過有效置換形成具有低滲透系數(shù)和高抗剪強度的人造孔壁，有效防止鉆孔過程漏漿。

4.結束語

通過建立模型，理論分析發(fā)生漏漿條件及原因，理論結合實踐提出的三種改善樁周土體，“補強堵漏”的施工方法并應用于現(xiàn)場實際，有效的解決了地質(zhì)復雜、深水、大潮差環(huán)境下鉆孔樁施工中的漏漿問題，應用效果良好，對同類型工程具有很大的借鑒意義。