巖溶區(qū)深水鎖扣鋼管樁下口管涌堵漏及加固施工技術

【摘要】昌景黃鐵路洋墩洲昌江特大橋107#墩處于昌江中，承臺均全埋置巖層中，汛期水深達18 m，基坑開挖深度達25 m，采用鋼管樁圍堰。由于此墩位為深水、巖溶樁基礎，圍堰施工前未對所在區(qū)域進行地質復查，造成后續(xù)出現(xiàn)因淺表性溶洞引發(fā)的貫通性圍堰透水事件。導致昌江水快速涌入圍堰之中。本文結合昌景黃鐵路洋墩洲昌江特大橋107#墩鎖扣鋼管樁樁底管涌問題，開展“封底混凝土加固+帷幕注漿堵漏”的綜合治理方法的研究與應用，可為類似工程的應用提供有益的參考。

【關鍵詞】鎖扣鋼管樁; 管涌; 封底混凝土; 帷幕注漿

【中圖分類號】U443.16+2A

0 引言

近年來，在深水橋梁基礎的施工中，鎖扣鋼管樁圍堰應用越來越廣泛，但是鎖扣鋼管樁管涌和滲水問題也屢見不鮮［1］。深厚覆蓋層、壩基或堤身內部的滲透變形問題實質是侵蝕型內管涌問題［2］。

昌景黃鐵路洋墩洲昌江特大橋107#墩由于原設計地質條件與實際地質條件不符，實際地質情況較為復雜，河床下層存在較多裂隙，部分位置巖層高度較原地質圖更低，巖層更為破碎，圍堰的河道側與上游側交界處還存在地質夾層，且存在淺表性溶洞。在基坑內開挖過程中，由于巖層較為破碎松散且存在淺表溶洞，不能起到理想的隔水防水及應力抵抗作用，綜合導致了該樁下部與河流水系貫通，昌江水快速涌入圍堰之中。針對大通道滲漏問題，目前常用的方法主要有：水泥-水玻璃灌漿堵漏、模袋灌漿堵漏、級配料灌漿堵漏和膏漿灌漿堵漏等［3］。本文結合昌景黃鐵路洋墩洲昌江特大橋107#墩鎖扣鋼管樁樁底管涌問題，開展“封底混凝土加固+帷幕注漿堵漏”的綜合治理方法的研究與應用，有效解決了鎖扣鋼管樁底部管涌問題，可為類似工程的應用提供有益的參考［4-7］。

1 原圍堰方案

洋墩洲昌江特大橋107#墩鎖扣鋼管樁圍堰原方案概述：鎖扣鋼管樁采用820×12 mm，長19 m，共146根。圍堰合攏后，對全部鎖扣鋼管樁進行錨樁施工。圍堰平面尺寸34.476 m×30.056 m，共設置四層內支撐。鎖扣鋼管樁圍堰圍囹采用3H700×300 mm型鋼，斜向撐桿和水平撐桿采用820×10 mm鋼管。圍囹與鋼管樁之間的連接采用牛腿形式（圖1）。

2 圍堰漏水及偏移情況

鎖扣鋼管樁圍堰因第63#鋼管樁底部地層崩碎流失，造成63#鋼管樁底部出現(xiàn)較大空洞，將昌江水系與圍堰內連通，造成鎖扣鋼管樁內部大量涌水，使之與昌江水位持平。涌水還產生了圍堰外側以漏水點為中心的扇形河床坍塌區(qū)域，另外由于由于圍堰內水位急速上升，內外水頭差急速變化導致的應力變化，使得鋼圍堰中根基最為薄弱的下游側鋼管樁脫離圍囹連接的橫向束縛，管樁上半部分整體向外傾斜，上管端有明顯外偏現(xiàn)象，偏移最大為21 cm（圖2）。

3 總體施工方案

如果拆除重新施工受影響的17根鎖扣鋼管樁圍堰，需水下切割圍檁，采用沖擊鉆拆除鋼管樁封底混凝土（包含鋼筋籠），再拔出鎖扣鋼管樁，再重新插打加長鎖扣鋼管樁，重新施作圍堰，增加鎖扣鋼管樁成本的同時，無法保證工期。

通過不同方案比選，采用水下混凝土加固+帷幕注漿堵漏的方案施工［8-10］。在圍堰承臺范圍內的河床上投放碎石模袋，防止水下不離散混凝土侵入承臺范圍造成二次開挖困難，同時模袋兼作水下不離散混凝土模板。模袋與鎖扣鋼管樁之間澆筑水下不離散混凝土圍檁，增加圍堰抵抗力。圍堰外側注入膏漿，利用膏漿獨特的流動特性和擴散特性填充完全填充地質裂隙。鎖扣鋼管樁內鉆孔注漿，使懸空的鎖扣鋼管樁生根。在圍堰內澆筑水下混凝土范圍內鉆孔注入膏漿，使水下混凝土與河床面的固結，形成整體，共同抵抗側壓力，水泥膏漿的初始剪切屈服強度值可達到100 Pa以上，隨時間延長，剪切屈服強度隨之增大。從而達到預期的效果。

4 方案建模計算

采用有限元分析軟件ABAQUS建立了圍堰三維數(shù)值模型（圖3、圖4）。

計算結果：抗傾覆安全系數(shù)1.84，最大滲透比降0.88，最大出逸比降0.02。

由模型計算結果可知，圍巖的滲透穩(wěn)定性是安全的。

5 堵漏加固施工步驟

圍堰內側水下混凝土加固+圍堰外側帷幕注漿堵漏的方案施工步驟如下［11］：

（1）步驟一：采用氣舉空壓機將圍堰內的承臺外側土坡上的淤泥和泥沙吸出清除，為封底混凝土提供有效的結合面。

（2）步驟二：搭設支棧橋上的臨時注漿平臺，先施工圍堰外側的帷幕注漿，注入膏漿防滲水。

（3）步驟三：在圍堰內的土坡上均勻鋪灑5～10 cm粒徑的碎石，作為混凝土和河床面的柔性過渡層，過渡層厚度為20 cm。同時將圍堰外側河床砂層流失形成的坍塌回填3～4 m高的5～10 cm粒徑碎石。

（4）步驟四：由于水下不規(guī)則模板支立困難，故采用模袋作為混凝土模板。將運輸?shù)綀龅?～10 cm粒徑碎石裝入模袋中，按照精確有序的位置定點投放入圍堰承臺范圍內的河床上，投放下去的模袋碼放整齊、緊密，碼放最終標高按照+5.5m控制。

（5）步驟五：采用321貝雷片搭設圍堰內的注漿平臺，貝雷片組件固定于第一道圍囹支撐上，橋面采用I22a工字鋼與10 mm厚花紋鋼板組合而成的分配梁。搭設注漿平臺之前，對第一道圍囹的支撐牛腿和斜撐節(jié)點進行全面的加固。牛腿加固采用I25a工字鋼。

（6）步驟六：導管間距3 m，布置完成后進行封底混凝土澆筑，澆筑水下C35混凝土，混凝土一次封底到位，澆筑期間應連續(xù)不間斷。混凝土澆筑頂標高+5 m。澆筑完封底混凝土進行最后的圍堰內部注漿加固作業(yè)。

6 主要施工工藝

6.1 注漿施工工藝

注漿采用孔口封閉、自下而上、孔內純壓的注漿施工工藝［12］。①鉆孔（風動鉆機跟管鉆進）;②安裝套管（注漿管）蓋頭;③膏漿灌注;④達到結束標準后，向上拔套管0.2 m;⑤灌注第一段;⑥達到結束標準后，向上拔套管0.3～0.5 m;⑦灌注最上一段—封孔;⑧下一孔。

先灌注I序孔，再灌注II序孔。分序的目的是根據壓力注漿的逐漸加密原則，以保證注漿的效果。

6.1.1 注漿布孔

根據現(xiàn)場情況，對管涌側所有鎖扣樁范圍內的外側進行防滲處理，并且對53#～112#鎖扣樁對范圍的內部進行注漿加固處理，為鎖扣樁的穩(wěn)定提供臨時支撐，為抽水后的鎖扣樁加固提供條件。注漿孔布置有以下三種（圖5）。

6.1.1.1 堵漏注漿

在37#～138#鎖扣樁外部進行3排孔布置（排距1 m，外排孔距1 m，進行初步防滲，內排和中間排孔距2 m，梅花形布置），以提高鎖扣樁外部土體的防滲能力；1#～36#鎖扣樁對應位置巖石條件較好，且基坑內部開挖已接近基坑底，采用2排注漿孔布置，排距1 m，孔距2 m，梅花形布置。

6.1.1.2 固結注漿

對內部的回填區(qū)域內進行注漿加固處理，范圍為54#～114#鎖扣樁，加固孔三排（排距1 m，外排孔距1 m，進行初步防滲，內排和中間排孔距2 m，梅花形布置）。固結注漿孔內插入長度為13 m的鋼筋，以提高土體的抗剪切能力。

6.1.1.3 鎖扣樁生根注漿

因54#～75#鎖扣樁發(fā)生管涌破壞，由此在完成鎖扣樁內外的注漿后，在54#～114#鎖扣樁范圍內均勻布置樁心成孔進行補強注漿，同時將注漿套管筑入其中，使該范圍內的鎖扣樁生根。

根據以上孔位布置，鎖扣樁外部堵漏注漿孔為310個。在54#～114#鎖扣樁范圍內的內部設置固結加固孔累計為110個。鎖扣樁生根注漿孔21個。合計注漿孔為441個。

6.1.2 注漿孔深

根據前期引孔施工記錄及107#墩的地質情況，注漿鉆孔底標高為-5 m；自河床高程計算成孔深度，河床頂平均高程約為+8 m，由此單孔鉆孔深度設計為13 m；鎖扣樁內外鉆孔長度相同，由此鎖扣樁累計總鉆灌長度為441×13=5733 m。

6.1.3 注漿材料

注漿材料主要根據被灌地層的狀況、注漿目的決定。本工程采用水泥膏漿一級穩(wěn)定性水泥注漿材料，加入一定的膏漿外加劑。漿液的配比見表1和表2。

6.1.4 注漿壓力

在滿足漿體的擴散半徑，保證各注漿孔間最終注漿的漿液能相互融合，保證不出現(xiàn)漏灌現(xiàn)象。根據模擬試驗，本工程鎖扣樁外堵漏注漿一序孔注漿壓力為0.1～0.2 MPa，二序孔注漿壓力為0.4～0.5 MPa；鎖扣樁內側固結注漿孔二序孔注漿壓力為0.6～0.8 MPa。

6.1.5 壓漿結束標準

（1）若沒有明顯的串、冒、跑漿現(xiàn)象，應盡量達到結束注漿壓力，以保證漿液的擴散半徑，并在一定的注漿壓力能對地層起到擠密、壓密的效果，提高地基的承載力和均勻化地層的目的。

（2）若產生串、冒、跑漿現(xiàn)象，在采取間歇、止?jié){等有效措施無效后，在采取限壓限量措施無效后，應停止灌注，待凝后在附近鉆孔進行補強［13］。

6.2 水下混凝土封底

6.2.1 導管試拼及氣密性試驗

灌注水下混凝土采用30 cm鋼導管灌注。導管使用前自下而上進行編號并進行水密承壓和接頭抗拉試驗。導管組裝后軸線偏差，不大于10 cm，連接時光面向上，水密試驗為孔底靜水壓力的1.5倍，進行拉力試驗時的水壓力不小于導管管壁可能承受的最大內壓力。在灌注混凝土開始時，導管底部至孔底留有300～500 mm的空間。

6.2.2 導管安裝

用吊機輔助下導管，下放導管過程中，必須在連接處安裝橡膠密封圈，防止導管漏水，導管連接處要提前進行清理，涂刷潤滑劑并擰緊。導管安裝完成后，進行探底，明確導管底部距離孔底高度。

6.2.3 澆筑混凝土

封底混凝土采用罐車運輸配合導管灌注，灌注開始后，緊湊連續(xù)進行。灌注過程中，及時測量封底混凝土面高度。

6.2.4 驗證

堵漏施工完成后，進行地質取芯驗證，漿液飽滿，封底混凝土密實。

7 結束語

鋼管樁圍堰施工前應探明地質情況，盡量避免類似的涌水事件發(fā)生，實踐證明當出現(xiàn)涌水現(xiàn)象后采取水下混凝土加固+帷幕注漿堵漏的效果顯著，比拆除重新施作圍堰節(jié)約工期42天。在保證工期的同時保證了安全和質量，節(jié)約了成本。目前，昌景黃鐵路洋墩洲大橋107#墩已完成承臺施工。為類似突發(fā)圍堰漏水加固工程提供借鑒。

參考文獻

［1］ 黃立維， 趙衛(wèi)全， 張金接， 等. 大孔隙地層防滲堵漏灌漿新技術及工程應用［J］. 中國水利水電科學研究院學報， 2018， 16（5）： 510-519

［2］ 倪小東，寇恒綺，史志鵬，等.深厚覆蓋層侵蝕型管涌細觀機理研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2022（10）：134-141.

［3］ 邢占清， 楊鋒. 速凝膏漿在基礎圍堰水下堵漏中的研究與應用［J］. 鐵道建筑技術， 2011（9）： 61-64.

［4］ 趙衛(wèi)全， 符平， 張金接，等.新型水泥膏漿研究及應用［J］.中國水利水電科學研究院學報， 2008（1）：19-22.

［5］ 趙衛(wèi)全， 張金接， 解登科， 等.聯(lián)合灌漿法在隧道涌水處理中的研究與實踐［J］.中國建筑防水， 2017， （4）：21-25.

［6］ 張明剛.懷邵衡鐵路沅江特大橋水中主墩基礎施工技術［J］.中國建材科技， 2016（3）：154-155， 168.

［7］ 橋鞏水電站二期圍堰堵漏技術研究［J］. 水利與建筑工程學報， 2009（4）： 13-15.

［8］ 范公俊，賈延權，王艷紅.幾種圍堰施工技術在連云港灘涂區(qū)的應用［J］.水利水電科技進展，2011，31（1）：62-65.

［9］ 董志良，劉嘉，朱幸科，等.大面積圍海造陸圍堰工程關鍵技術研究及應用［J］.水運工程，2013（5）：168-175.

［10］ 梁金池.跨文教河渡槽基礎圍堰方案比較研究［J］.水利科學與寒區(qū)工程，2019，2（4）：84-86.

［11］ 程鑒基.化學灌漿在混凝土防滲堵漏與粘結補強工程中的應用［J］.工業(yè)建筑，2011，41（S1）：1043-1050.

［12］ 程鑒基.水泥類化學灌漿在軟土地基處理工程中的綜合應用［J］.土木工程學報，1993（3）：74-78.

［13］ 李享松，覃娟，羅概，等.富水砂卵石地層注漿參數(shù)優(yōu)化研究［J］.鐵道科學與工程學報，2016，13（3）：469-475.