深水裸岩海洋环境钻孔桩漏浆机理分析及方案研究

2019-03-17张亚锋

城市建设理论研究（电子版） 2019年9期

关键词：孤石漏浆海床

张亚锋

中国铁建大桥工程局集团有限公司天津 300300

1 工程概述

1.1 项目简介

福平铁路平潭海峡公铁两用大桥跨越北东口水道区段全长3.7km，桥梁基础采用桩基础，桩径为φ2m、φ2.5m、φ2.8m、φ3.0m，设计最大桩长102m。

1.2 施工条件

1.2.1 气象条件

工程所在区域为典型的海洋性季风气候区，热带气旋(台风)是影响大桥的主要灾害性天气，每年影响施工区域台风约4个。

1.2.2 水文条件

属正规半日潮，桥址处最大水深42m，最大潮差7m，平均浪高1.5m。

1.2.2 地质条件

桥址处为凝灰岩和花岗岩，风化程度低，完整性好、强度高，经对海床面扫海显示基岩风化不均，球状凸起、软硬交替变化现象普遍，海床高差变化大，大部分墩位基岩裸露，部分墩位覆盖层薄厚不均。

1.3 钻孔桩施工难点

桥址处裸露基岩、斜岩面、孤石普遍及海床面岩石风化程度不均造成钢护筒无法打入海床或打入深度不足，受潮差影响，护筒内泥浆与外部水头差时刻处于变化中，钻孔过程中护筒内泥浆渗漏现象普遍。

2. 钻孔桩漏浆机理的理论与数值模拟分析

2.1 泥浆渗漏分析

结合工程实际钻孔桩在成孔过程中泥浆渗漏现象实际情况分析，漏浆原因是钢护筒打入海床深度不足，当潮落时，钢护筒内泥浆水头高、压力大，将显著增加泥浆的渗透压力，通过对典型渗透变形破坏模式的分析，判定是流土（流砂）问题或管涌问题。

2.2 钢护筒附近土体渗流场数值模拟

为便于分析，采用二维平面渗流理论对单根钢护筒底部渗流场进行模拟，模拟护筒周边覆盖层随潮涨落变化而随之变化的渗流场，计算不同位置水力坡降，确定漏浆的主要部位。

2.2.1 计算模型

（1）分析模型

分析软件采用Comsol Multiphysics，已单墩地质条件为例，建立宽度为60m，高度20m的分析模型，计算域单元为三角形单元，地质为粉细砂层、块石土层、淤泥质土层、全风化化凝灰岩层，覆盖地层中局部有孤石。

（2）计算参数

计算中采用的土性参数来源于地质勘查报告及补充勘查报告。

（3）边界条件

模型边界条件设置如下：海床覆盖层表面设置为自由排水，水头差为0m，模型两侧边界约束水平方向位移并设置为非排水边界，模型底部边界约束竖直方向位移并设置为非排水边界，覆盖层中的孤石简化为非排水边界，钢护筒为非排水边界，钢护筒周围土层表面设置为自由排水边界，在覆盖层表面施加周期荷载(m)模拟潮汐产生的水头差。

2.2.2 计算结果

根据计算模型进行分析，漏浆处水力坡降大于临界水力坡降是发生渗透变形破坏的主要条件，无覆盖层、覆盖层较浅或覆盖层中孤石或块石土的存在致使护筒无法打入足够深度是发生漏浆的主要原因。

在有覆盖层地段，块石土的渗透系数较大，该层孔隙水压变化不大，水力坡降的变化主要发生在水流通过上部的粘土层逸出时低渗透性土层内水力坡降会快速下降，与现场护筒内泥浆在某时快速下降，下降到一定高度水头不再变化基本一致。

2.3 钻孔桩漏浆分析

通过理论、数值模拟分析得出，海水潮差的迅速变化是钻孔桩发生漏浆的水力条件，覆盖层浅薄或无覆盖层是发生漏浆的地质原因，两种原因综合导致了本钻孔桩出现了较为严重的泥浆渗漏问题。通过对漏浆现象的深入观察，并结合理论分析后可知，漏浆的本质原因是由于渗透变形破坏导致的流土（流砂）现象。这种漏浆现象的具体特征为漏浆速度快，泥浆到一定深度后停止渗漏。

3 钻孔桩漏浆处理方案

根据钻孔桩施工条件、漏浆机理理论分析以及数值模拟分析，现场采取“二防一补”的具体实施方案有针对性地解决漏浆问题。

3.1 “帷幕注浆法”堵漏

深水浅覆盖层区，由于覆盖层浅护筒打入深度不足，采用“人造覆盖层”+“注浆帷幕”有效防止漏浆。利用吹砂设备在桩护筒周围吹填海砂，人工制造一层覆盖层，沿护筒一圈施做2排旋喷桩，旋喷桩之间互相咬合，形成一圈加固地质的帷幕，实现改良护筒周边土体，达到防漏效果。

3.2 “生根法”漏浆

在基岩裸露、海底高差起伏较大的区域，采用模袋围堰+封底混凝土防止漏浆。利用钻孔平台两侧支栈桥为依托，采用“钓鱼法”设置导向装置精确下放钢护筒，下放到位后迅速将支栈桥钢管桩与护筒连接防止倾倒，所有护筒下放、连接到位后，在距钢护筒2-3m位置下放模袋，模袋下放过程潜水员周期性水下查看模袋摆放效果并堵漏，形成一个整体围堰后，气举法清底，在围堰内浇筑水下不离散混凝土，使护筒与海床面生根，有效防止钻孔过程漏浆。