洞庭湖余家臺箱涵管樁封閉地下水施工技術

(湖南省洞庭水利水電建設公司，湖南 常德 415500)

為提高軟基的地基承載力，靜壓或錘入預應力管樁已成為較為廣泛應用的工程軟基處理措施。在下沉管樁的過程中，普遍在樁端加裝形狀不同的樁尖，其應用目的不外乎減少樁身下沉阻力、防止管樁空心內腔貫入泥土，避免在下沉壓力作用下對樁身管壁混凝土產生拉應力，引起樁身破壞。在洞庭湖北部水資源配置澧縣補水工程余家臺倒虹吸箱涵基礎處理施工中，為防止地下水沿管樁空心內腔涌水阻礙施工，筆者設計了鋼質無縫樁尖，并全部在該工程軟基處理中得到了有效應用。基坑在2269根空心預應力管樁施工后，實現了箱涵基坑無地下水滲水，改善了施工過程中的水文地質條件。

1 洞庭湖余家臺倒虹吸箱涵管樁工程概況

1.1 洞庭湖北部水資源配置澧縣補水工程

余家臺倒虹吸箱涵工程是湖南省洞庭湖北部水資源配置澧縣補水工程的建設內容之一，位于澧水北部淞澧垸和官垸境內，補水工程項目區南臨澧水，東臨松滋河西支，區內發育河流、溝港主要有澹水、涔水、青梅主渠、董王渠、官垸主渠等水系，整體上從北至南匯入湖南省四大河流之一的澧水干流，地坪高程約32.0～38.0m，屬沖積相堆積平原地貌，地層由第四系全新統和更新統的沖積粉質黏土、粉砂層、砂卵礫石層等組成，具有典型的沖積平原相地層二元結構。該補水工程建設范圍涉及如東鎮、官垸鎮、小渡口鎮等地，余家臺倒虹吸箱涵位于如東鎮境內。

1.2 余家臺倒虹吸箱涵工程

引澧濟澹濟涔是補水工程措施之一，該工程措施設計跨松磁河西支河床埋設余家臺倒虹吸鋼筋混凝土箱涵，箱體寬5.4m，高3.0m，壁厚0.5m,現澆兩孔2m×2m C30鋼筋混凝土結構，設計過管流量 6m3/s。為增加倒虹吸箱涵的軟基承載力，設計采用壓入管樁的基礎處理措施。余家臺倒虹吸箱涵埋設于松磁河西支河床之下，河床原地面高程26.0m，倒虹吸箱涵頂面高程22.5m，箱涵過水斷面底部高程22.5m，倒虹吸段兩翼坡比1∶6(見圖1)。

圖1 余家臺倒虹吸箱涵設計布置(高程單位：m，尺寸單位：mm)

基礎處理采用方法為：?預應力空心管樁處理：共716根，有效樁長12m，單樁容許承載力不小于700kN。樁號D0+043～D0+063、D0+306.6～D0+326.6段，采用規格為PHC-AB500-125的管樁，樁基礎呈1.60m×1.80m梅花形布置；樁號D0+063～D0+306.6段樁基礎呈1.60m×1.56m梅花形布置；?樁號D0+043～D0+133.6、D0+235.6D～0+326.6段，管樁基礎施工前，先期進行基礎換填，換填深度1.5m，換填為黃黏土，然后進行樁基礎施工(見圖2)。

圖2 余家臺倒虹吸箱涵管樁設計布置(單位：mm)

1.3 余家臺倒虹吸箱涵施工設計

余家臺倒虹吸箱涵施工共設上下游兩道圍堰(見圖3)，采用全斷面一次性攔段河床圍堰，利用河床兩側水壓平衡，圍堰水下填筑高度為5m左右，水下填筑，按照設計迎水面坡比1∶2.5，背水面坡比1∶3，堰頂寬3m，采用8t自卸汽車進占式鋪料，填出河面后利用推土機進行分層鋪料，壓路機分層碾壓，挖掘機修坡，碾壓厚度不超過50cm，挖機自河床的淺水側逐步向深水推進，嚴防涌水(水浪)，避免堰堤坍塌是圍堰成敗的關鍵，此時填筑時，應同步進行振搗振實，以減少滲漏，加強堰堤的強度和穩定性。填筑至龍口段進行龍口合龍時，采用立堵法先拋投磚渣護底，圍堰合攏成型后，用防水布將圍堰外側進行整體包封，防水布保證50cm的搭接長度，以減少滲漏，避免筑土被水沖刷流失。防水布的河床端和堰頂端，用編織袋壓牢，以防水流沖刷。圍堰內側采用塊石圍堰進行護腳，避免堰腳失穩。

圖3 余家臺倒虹吸箱涵施工布置設計

根據10年一遇10月—次年3月施工期松滋河上游水位為36.19m，確定上游圍堰頂高程為37.19m(擋水水位+1m超高)。為防止澧水倒灌，根據10年一遇10月—次年3月施工期澧水側水位為35.24m，確定下游圍堰頂高程為36.24m(擋水水位+1m超高)。

2 洞庭湖軟基工程地質及水文地質條件

2.1 洞庭湖軟基的工程地質條件

施工時，在倒虹吸箱涵上下游圍堰保護下，倒虹吸箱涵基礎開挖深度6.5m。倒虹吸管基礎為可塑狀全新統(Q4)粉質黏土和軟塑狀淤泥質粉質黏土地層。

原有工程地質勘探成果[1]表明，洞庭湖區全新統粉質黏土允許承載力90kPa，淤泥粉質黏土允許承載力85kPa，淤泥質黏土允許承載力80kPa。顯然，洞庭湖軟基工程地質條件遠不能滿足本工程倒虹吸箱涵的承載力要求。

2.2 洞庭湖軟基的水文地質條件

根據2001年勘測設計單位對于洞庭湖堤防基礎的勘探結果，粉質黏土的天然含水率為34.8%，淤泥質粉質黏土天含水率為40.1%，淤泥質黏土天然含水率為50.8%。

洞庭湖軟基全新統地層粉質黏土的滲透系數為5.58×10-6cm/s，淤泥質黏土的滲透系數為3.92×10-6cm/s，淤泥質粉質黏土的滲透系數為1.19×10-6～2.51×10-5cm/s。

土的孔隙比(e)是評價土的密實程度的重要指標，當e<0.6時，通常判斷為密實的低壓縮性土；e>1.0時，則為疏松的高壓縮性土。洞庭湖軟基全新統地層粉質黏土的孔隙比為0.955，淤泥質黏土的孔隙比為1.376，淤泥質粉質黏土的孔隙比為1.1。

上述表明，洞庭湖全新統軟基地層具有土的高壓縮性、對地下水的低滲透性和土體全飽和狀態的水文地質特征，在不破壞軟基的原狀條件下，軟基地層中富含的地下水不會形成集中滲流。

但是，在洞庭湖區河床開挖倒虹吸箱涵基礎開挖深度6.5m的基坑條件下，當預應力空心管樁壓入含水飽和軟基時，軟基地層富含地下水在10余m水頭壓力下，沿預應力空心管樁中心孔集中上涌，必將有礙工程施工。

3 常用管樁樁尖類型與作用

3.1 樁尖的作用

預應力管樁的樁尖，位于管樁的最前端，在管樁靜壓或捶打沉入軟基施工時，發揮引導管樁下沉和封堵土體的作用，使得管樁樁身在進入軟基地層時，保證樁身的垂直度，并避免造成管樁樁頭破壞，確保管樁較好地進入設計持力層。倘若沒有樁尖封底，在管樁下沉的過程中，在靜壓力或錘擊動壓力的作用下，樁端軟基土體必然壓入管樁內腔，這種有壓土體對預應力混凝土管形成徑向張力，從而使管壁混凝土承受巨大的拉應力，以致管身破壞。樁尖封底則預防了軟基泥土進入管腔，避免管身破壞。

3.2 樁尖類別

樁尖的形式根據地質的不同和使用方式的不同，設計了不同材質和不同形狀。鋼質樁尖是最廣泛使用的管樁樁尖，是鋼板材質的預制構件，其外形通常為平地十字形、尖底十字形、鋸齒十字形、四棱錐形、六棱錐形、樁帽等。

4 余家臺倒虹吸箱涵管樁加裝無縫鋼質錐形樁尖防滲技術措施

4.1 倒虹吸箱涵管樁的基礎處理工程施工圖設計要求

根據經批準的洞庭湖北部水資源配置澧縣補水工程余家臺倒虹吸箱涵基礎處理設計(見圖4)，余家臺倒虹吸箱涵埋設于松磁河西支河床下6.5m，針對前述的洞庭湖區軟基的工程地質和水文地質條件，不僅需要實現封堵基礎土體擠入預應力管樁內腔，同時也需要實現封堵地下水沿管樁內腔集中涌出。

4.2 加裝無縫鋼質錐形樁尖施工程序

4.2.1 現場制作

現場采用1.8mm厚熱軋鋼板為錐形樁尖底盤，并按管樁內腔直徑為限焊接底盤鋼肋；采用1.2mm厚熱軋鋼板，以錐體高0.5m裁割為扇形，以小型轉板機轉制成錐筒，將其滿焊連接至管樁端頭(見圖5)。

4.2.2 管樁施工

余家臺倒虹吸箱涵管樁采用錘擊式壓入軟基(見圖6)，為保證樁身完整，打樁機起吊管樁時，用索具環抱捆住管樁上端預制吊環以下30cm處，勻速緩慢起吊，以使樁尖垂直對準樁位中心。樁尖插入樁位后，先用較小的落距錘擊1～2次，樁入土一定深度。確保樁身垂直穩定，樁插入時的垂直度偏差控制在0.5%以內。在錘入樁身或焊接接樁段時，采用線墜或經緯儀雙向校正。錘打貫入管樁時，最大落距控制在超過1.0m以內，并保證錘跳運行正常，控制最后三次十錘的平均貫入度不大于規定的數值或以樁尖打至設計高程(見圖6)。

圖4 余家臺倒虹吸箱涵管樁施工設計 (單位：mm)

圖5 鋼質無縫樁尖加裝 (單位：mm)

圖6 預應力管樁施工

每根樁達到貫入度要求，樁尖標高進入持力層，接近設計標高或打至設計標高時，均組織單樁施工質量檢查驗收。若發現樁位與要求相差較大，或在錘入過程中發現貫入度劇變、樁頂或樁身裂縫或破碎，便會同有關業主、設計、監理等商議移機至新樁位重新補樁。

4.3 加裝無縫鋼質錐形樁尖封閉地下水效果

洞庭湖北部水資源配置澧縣補水工程余家臺倒虹吸箱涵基礎處理工程，在樁端加裝無縫鋼質錐形樁尖后，完全阻斷了土體擠入預制預應力管樁的內腔空心，完全隔斷了地下水沿管樁內腔空心的滲透或集中涌水，實現了倒虹吸箱涵施工基坑無地下水滲流(見圖7)。

圖7 余家臺倒虹吸箱涵基坑管樁施工后情況

余家臺倒虹吸箱涵基礎處理的管樁，共設計φ0.5m管樁4排，共2269根。因所有管樁空心內腔直立貫穿地下水，若未采用本文所述的加裝鋼質無縫錐形樁尖予以封閉，可以預見，地下水在圍堰外側水頭壓力下，基坑將會出現集中滲水或集中涌水，致基坑抽水量劇增，嚴重者致基坑淹沒，從而阻礙正常施工。

5 結 語

應用管樁進行軟基處理是提高軟基承載力的便捷工程措施之一，具有工期短、施工效率高、施工質量易于控制、不產生廢渣、利于環境保護的顯著優點。但在地下水飽和的施工環境中，預制空心預應力管樁，阻隔地下水沿管樁空心內腔滲透或滲流，是施工現場尤為重要的施工條件。本文所述余家臺倒虹吸箱涵管樁施工采用在樁端加裝鋼質錐形樁尖的技術措施，實現了在圍堰地表水頭壓力下，封閉箱涵基坑飽和地下水的技術效果，同時解決了管樁工程措施的工程地質問題和水文地質問題，該施工技術已經在澧縣水利工程軟基管樁施工中得到了廣泛應用。