水上自浮式环保泥浆池设计与工程应用

2019-03-21邬良玉张效磊

工程建设与设计 2019年22期

邬良玉，张效磊

（中交第二航务工程局有限公司，武汉516001）

1 工程简介

芦洲至泰美大桥及其引道工程，起点位于芦洲镇、横沥镇交界处鹅塘洲中部，跨越东江河道，经盘陀、隔沥，终至博罗县泰美镇国道G205 和政府大道交汇处。路线总长7.61km（其中，设1 座特大桥1516.4m，2 座线内中桥111.2m，1 座线外中桥41.96m，涵洞25 道，其他路段均为路基）。

东江特大桥为预应力混凝土梁桥，主桥采用85m+150m+85m 预应力混凝土连续刚构，引桥跨越两岸大堤处采用2 联6跨预应力混凝土连续箱梁，其余位置均采用跨径为30m 的装配式预应力混凝土小箱梁（33 跨），主桥下部结构采用板式墩，引桥下部结构采用柱式墩，基础均为钻孔灌注桩。其中7#～12#墩、22#～28#墩位于河汊或河道处，属于水上施工，其他墩位枯水期处于无水区，属于陆上施工。东江主航道为限制性V 级航道，远期规划为内河III 级航道，设计最高通航水位24.94m、最低通航水位14.80m，受汛期影响，河道水位变幅较大，枯水期常水位12.50～13.50m，汛期洪水位为16.50～25.12m，水流速度0.5～1.5m/s。东江特大桥位于东江河道中下游，属于东江水源保护区、环保要求高。

2 重点及难点分析

东江特大桥7#～12#墩、22#～28#墩水上桩施工条件基本相同、通用性强，因桥址区地质条件复杂，桩基施工最宜选用冲击钻泥浆护壁施工方法。7#～12#墩、22#～28#墩水上桩施工因地质条件复杂、环保要求高、水位变化幅度大、施工控制难度大，主要体现以下几个方面：

1）东江为饮水水源保护区，绿色施工环保要求高。因东江是我国珠江流域的3 大水系之一，是珠三角及香港地区用水的主要来源，关系着东江流域及珠三角区域的经济发展和香港的繁荣稳定。桥位处在东江水保区域，对施工环保要求较高，钻孔产生的泥水需要得到有效处理，否则容易污染江水。

2）水上桩基处在东江河道内，受上、下游水利调蓄及汛期影响，水位变幅较大：枯水期常水位12.50～13.50m，汛期水位为16.50～25.12m，水流速度0.5～1.5m/s。影响桩基成孔过程中的孔内外压力，容易导致漏浆、塌孔的质量问题，必须设置泥浆池解决泥浆护壁成孔。

3）桥址区地质条件复杂，地层自上而下分为1～2m 砂砾层、15～25m 卵石层、15～20m 强风化变质砂岩夹1～2m 粉质黏土层、15～20m 中风化变质砂岩夹1～2m 粉质黏土层、微风化变质砂岩层，桩基持力层均为中风化岩层，成孔难度大、钻进速度慢，容易引起漏浆、塌孔、黏锤、斜孔等成孔问题，必须保证孔内有足够泥浆循环进行钻孔护壁。

4）水上泥浆护壁钻孔灌注桩传统泥浆池设置在钢平台上，泥浆池质量大、体积大、占地多，需要搭设较大面积的钢平台才能放置泥浆池，每个墩位都需要设置钢平台，转运时需要大型起重机、平板车等设备，钢平台造价较高，难以满足经济要求。

3 水上自浮式环保泥浆池设计

3.1 常规水上泥浆护壁钻孔灌注桩工艺分析

泥浆护壁钻孔灌注桩作为水上桥梁基础、码头基础及水上平台基础较多，水上泥浆护壁钻孔灌注桩施工无法避免泥浆池设置，以往常规做法主要有3 种：（1）将钻孔平台搭设较大，在平台上设置泥浆池，存在需要搭设钢平台量较大，施工周期长、周转利用率低，施工成本高等不足，难以推广应用；（2）利用相邻桩基钢护筒作为泥浆池，存在泥浆外漏较严重、钻渣清理难度大、泥浆循环路径短、清渣效率低，对水体污染严重等不足，环保要求严的地区禁止应用；（3）在陆地上设置泥浆池，通过泥浆泵管连接进行泥浆循环。该方法对于近距离水上作业还可以采用，但对于离岸边较远钻孔灌注桩施工无法适用，也不具备推广应用价值。

对于以上3 种常规做法的不足点，难以满足项目现场实际需求，因此，需要从经济性、工期及环保等方面综合思考水上泥浆护壁钻孔灌注桩泥浆池的设计。

3.2 水上自浮式环保泥浆池设计思路

根据东江特大桥7#～12#墩、22#～28#墩水上桩施工特点，要设计一种泥浆池能够满足水上泥浆护壁钻孔灌注桩施工要求，通过设计解决以下几个关键问题：（1）解决水上泥浆护壁钻孔灌注桩泥浆不遗漏、不能污染东江江水；（2）解决水上钻孔灌注桩成孔过程中水位变化幅度较大，泥浆池需要适应水位涨落高差变化；（3）解决水上成孔钻渣收集、清运方便问题；（4）解决泥浆池拼拆方便、经济合理、周转高效等要求。

3.3 水上自浮式环保泥浆池设计

水上自浮式环保泥浆池采用6mm 钢板+12#工字钢加工而成定型环形结构，底板、侧壁均按分块结构组成环形泥浆池，底板与底板、侧壁与侧壁均采用橡胶止水带+螺栓连接，底板与侧壁采用焊接连接。泥浆池分为储蓄池和沉淀池，储蓄池与沉淀池采用12mm 钢板隔开并设置泥浆槽口。因水位变化频繁，高差较大，泥浆池需要适应水位变化，且保证泥浆池内泥浆不外泄露，污染江水。因此，在泥浆池外围设置橡胶气囊，通过调节气囊压力控制泥浆池悬浮高度，泥浆池浮力、泥浆池自重、泥浆重量、沉渣重量及浮力等平衡，随着水位变化自动调整。泥浆池周边设置4 根φ273mm×6mm 钢管桩固定，通过钢管桩连接环和柔性钢链条与泥浆池连接。

水上自浮式环保泥浆池使用时，通过拖船将池体单元拖拽到钻孔施工位置，然后搭设4 根φ273mm×6mm 钢管桩定位，使用柔性钢链条将泥浆池固定已经插打好的钢管桩上，然后将泥浆泵放入储蓄池中吸入泥浆通过泥浆管流入钻孔孔内，孔内泥浆通过泥浆槽流入沉淀池从而形成泥浆循环。通过调节气囊充气量控制整个泥浆池的漂浮高度，当沉淀池内钻渣量达到一定量时，解开柔性钢链条用拖船拖拽泥浆池至临时码头或栈桥平台，泥浆进行简单沉淀处理，用挖机和泥渣车清除沉淀池内沉渣后，将储蓄池内的泥浆可以重复利用，完成沉渣清理后拖船拖拽泥浆池至下一施工位置，水上自浮式环保泥浆池对水体清洁度较高的泥浆护壁钻孔灌注桩施工水域，可避免对水体的污染，且制作成本低廉、操作方便、周转效率高等优点，具有极大的推广价值。

水上自浮式环保泥浆池，包括储浆池、沉淀池、橡胶气囊、行走平台、柔性钢链条、钢管桩连接环、钢管桩、防护栏杆以及池壁结构固定的支架等组成。池壁支架上设置为泥浆池提供浮力的气囊以及用于限制支架移动避免支架脱离设计位置的限位结构。

4 水上自浮式环保泥浆池工程应用

4.1 水上自浮式环保泥浆池实施步骤

水上自浮式泥浆池施工步骤为：（1）陆上拼装自浮式环保泥浆池，并做防渗检验；（2）自浮式环保泥浆池下水，拖船拖运至指定桩位；（3）插打钢管桩固定，并把钢管桩连接环与自浮式环保泥浆池柔性钢链条连接；（4）自浮式环保泥浆池制备泥浆，同时根据泥浆池与水面高差调整橡胶气囊气压；（5）自浮式环保泥浆池接入钻孔灌注桩泥浆循环系统，进行泥浆护壁钻孔灌注桩施工；（6）自浮式环保泥浆池沉渣变化，适当调整橡胶气囊气压；（7）自浮式环保泥浆池池壁板顶离水面50cm时，暂停泥浆循环，拖船拖运至栈桥平台或临时码头；（8）用挖机+泥渣车清除泥浆池内钻渣，重复上述（2）～（7）步骤。

4.2 水上自浮式环保泥浆池实施效果

水上自浮式环保泥浆池成功地应用于东江特大桥7#～12#墩、22#～28#墩水上钻孔灌注桩，解决了水上泥浆护壁钻孔灌注桩泥浆处理系列问题，达到了经济适用、清净环保、安拆方便、安全稳定等应用效果，获得了最优的综合效益。

1）经济适用：水上泥浆护壁钻孔灌注桩传统泥浆池设置在钢平台上，泥浆池自重重、体积大、占地多，需要搭设较大面积的钢平台才能放置泥浆池，并且每个墩位都需要设置钢平台，转运时需要大型起重机、平板车等设备，经济成本较高。而采用水上自浮式泥浆池节约大量钢平台，转运方便，经济适用。

2）清净环保：水上自浮式泥浆池采用弹性止水橡胶作为嵌缝材料，竖向双排螺栓连接预紧后进行止水，并通过满水防渗试验。泥浆面保持与池壁板顶50cm 高差，通过橡胶气囊气压调节泥浆池上浮高度，有效控制池内泥浆不外泄。泥浆护壁钻孔灌注桩泥浆从孔内流出，经过分砂器流入水上自浮式泥浆池沉淀池、储浆池后，最后由泥浆泵泵入灌注桩孔口内。有效保持泥浆护壁钻孔灌注桩施工清洁，对东江为饮水水源达到“零”污染。

3）安拆方便、周转效率高：水上自浮式环保泥浆池侧壁板、底板分块采用螺栓连接，壁板、底板分块较小，自重较轻，不需要大型设备进行安拆，安装、拆除方便，有效提高安拆、转移效率。

4）安全、稳定：水上自浮式泥浆池采用4 根钢管桩固定，通过钢管桩上的连接环与池壁上的柔性钢链条连接，自浮式泥浆池通过橡胶气囊气压调节上浮高度，在水位变化时能够平稳、安全地适应水位变化。对于东江主河道水位较深，受汛期影响，水位变幅大，水上自浮式泥浆池提高了安全性，且无倾覆风险。