洞庭湖余家台箱涵管桩封闭地下水施工技术

(湖南省洞庭水利水电建设公司，湖南 常德 415500)

为提高软基的地基承载力，静压或锤入预应力管桩已成为较为广泛应用的工程软基处理措施。在下沉管桩的过程中，普遍在桩端加装形状不同的桩尖，其应用目的不外乎减少桩身下沉阻力、防止管桩空心内腔贯入泥土，避免在下沉压力作用下对桩身管壁混凝土产生拉应力，引起桩身破坏。在洞庭湖北部水资源配置澧县补水工程余家台倒虹吸箱涵基础处理施工中，为防止地下水沿管桩空心内腔涌水阻碍施工，笔者设计了钢质无缝桩尖，并全部在该工程软基处理中得到了有效应用。基坑在2269根空心预应力管桩施工后，实现了箱涵基坑无地下水渗水，改善了施工过程中的水文地质条件。

1 洞庭湖余家台倒虹吸箱涵管桩工程概况

1.1 洞庭湖北部水资源配置澧县补水工程

余家台倒虹吸箱涵工程是湖南省洞庭湖北部水资源配置澧县补水工程的建设内容之一，位于澧水北部淞澧垸和官垸境内，补水工程项目区南临澧水，东临松滋河西支，区内发育河流、沟港主要有澹水、涔水、青梅主渠、董王渠、官垸主渠等水系，整体上从北至南汇入湖南省四大河流之一的澧水干流，地坪高程约32.0～38.0m，属冲积相堆积平原地貌，地层由第四系全新统和更新统的冲积粉质黏土、粉砂层、砂卵砾石层等组成，具有典型的冲积平原相地层二元结构。该补水工程建设范围涉及如东镇、官垸镇、小渡口镇等地，余家台倒虹吸箱涵位于如东镇境内。

1.2 余家台倒虹吸箱涵工程

引澧济澹济涔是补水工程措施之一，该工程措施设计跨松磁河西支河床埋设余家台倒虹吸钢筋混凝土箱涵，箱体宽5.4m，高3.0m，壁厚0.5m,现浇两孔2m×2m C30钢筋混凝土结构，设计过管流量 6m3/s。为增加倒虹吸箱涵的软基承载力，设计采用压入管桩的基础处理措施。余家台倒虹吸箱涵埋设于松磁河西支河床之下，河床原地面高程26.0m，倒虹吸箱涵顶面高程22.5m，箱涵过水断面底部高程22.5m，倒虹吸段两翼坡比1∶6(见图1)。

图1 余家台倒虹吸箱涵设计布置(高程单位：m，尺寸单位：mm)

基础处理采用方法为：ⓐ预应力空心管桩处理：共716根，有效桩长12m，单桩容许承载力不小于700kN。桩号D0+043～D0+063、D0+306.6～D0+326.6段，采用规格为PHC-AB500-125的管桩，桩基础呈1.60m×1.80m梅花形布置；桩号D0+063～D0+306.6段桩基础呈1.60m×1.56m梅花形布置；ⓑ桩号D0+043～D0+133.6、D0+235.6D～0+326.6段，管桩基础施工前，先期进行基础换填，换填深度1.5m，换填为黄黏土，然后进行桩基础施工(见图2)。

图2 余家台倒虹吸箱涵管桩设计布置(单位：mm)

1.3 余家台倒虹吸箱涵施工设计

余家台倒虹吸箱涵施工共设上下游两道围堰(见图3)，采用全断面一次性拦段河床围堰，利用河床两侧水压平衡，围堰水下填筑高度为5m左右，水下填筑，按照设计迎水面坡比1∶2.5，背水面坡比1∶3，堰顶宽3m，采用8t自卸汽车进占式铺料，填出河面后利用推土机进行分层铺料，压路机分层碾压，挖掘机修坡，碾压厚度不超过50cm，挖机自河床的浅水侧逐步向深水推进，严防涌水(水浪)，避免堰堤坍塌是围堰成败的关键，此时填筑时，应同步进行振捣振实，以减少渗漏，加强堰堤的强度和稳定性。填筑至龙口段进行龙口合龙时，采用立堵法先抛投砖渣护底，围堰合拢成型后，用防水布将围堰外侧进行整体包封，防水布保证50cm的搭接长度，以减少渗漏，避免筑土被水冲刷流失。防水布的河床端和堰顶端，用编织袋压牢，以防水流冲刷。围堰内侧采用块石围堰进行护脚，避免堰脚失稳。

图3 余家台倒虹吸箱涵施工布置设计

根据10年一遇10月—次年3月施工期松滋河上游水位为36.19m，确定上游围堰顶高程为37.19m(挡水水位+1m超高)。为防止澧水倒灌，根据10年一遇10月—次年3月施工期澧水侧水位为35.24m，确定下游围堰顶高程为36.24m(挡水水位+1m超高)。

2 洞庭湖软基工程地质及水文地质条件

2.1 洞庭湖软基的工程地质条件

施工时，在倒虹吸箱涵上下游围堰保护下，倒虹吸箱涵基础开挖深度6.5m。倒虹吸管基础为可塑状全新统(Q4)粉质黏土和软塑状淤泥质粉质黏土地层。

原有工程地质勘探成果[1]表明，洞庭湖区全新统粉质黏土允许承载力90kPa，淤泥粉质黏土允许承载力85kPa，淤泥质黏土允许承载力80kPa。显然，洞庭湖软基工程地质条件远不能满足本工程倒虹吸箱涵的承载力要求。

2.2 洞庭湖软基的水文地质条件

根据2001年勘测设计单位对于洞庭湖堤防基础的勘探结果，粉质黏土的天然含水率为34.8%，淤泥质粉质黏土天含水率为40.1%，淤泥质黏土天然含水率为50.8%。

洞庭湖软基全新统地层粉质黏土的渗透系数为5.58×10-6cm/s，淤泥质黏土的渗透系数为3.92×10-6cm/s，淤泥质粉质黏土的渗透系数为1.19×10-6～2.51×10-5cm/s。

土的孔隙比(e)是评价土的密实程度的重要指标，当e<0.6时，通常判断为密实的低压缩性土；e>1.0时，则为疏松的高压缩性土。洞庭湖软基全新统地层粉质黏土的孔隙比为0.955，淤泥质黏土的孔隙比为1.376，淤泥质粉质黏土的孔隙比为1.1。

上述表明，洞庭湖全新统软基地层具有土的高压缩性、对地下水的低渗透性和土体全饱和状态的水文地质特征，在不破坏软基的原状条件下，软基地层中富含的地下水不会形成集中渗流。

但是，在洞庭湖区河床开挖倒虹吸箱涵基础开挖深度6.5m的基坑条件下，当预应力空心管桩压入含水饱和软基时，软基地层富含地下水在10余m水头压力下，沿预应力空心管桩中心孔集中上涌，必将有碍工程施工。

3 常用管桩桩尖类型与作用

3.1 桩尖的作用

预应力管桩的桩尖，位于管桩的最前端，在管桩静压或捶打沉入软基施工时，发挥引导管桩下沉和封堵土体的作用，使得管桩桩身在进入软基地层时，保证桩身的垂直度，并避免造成管桩桩头破坏，确保管桩较好地进入设计持力层。倘若没有桩尖封底，在管桩下沉的过程中，在静压力或锤击动压力的作用下，桩端软基土体必然压入管桩内腔，这种有压土体对预应力混凝土管形成径向张力，从而使管壁混凝土承受巨大的拉应力，以致管身破坏。桩尖封底则预防了软基泥土进入管腔，避免管身破坏。

3.2 桩尖类别

桩尖的形式根据地质的不同和使用方式的不同，设计了不同材质和不同形状。钢质桩尖是最广泛使用的管桩桩尖，是钢板材质的预制构件，其外形通常为平地十字形、尖底十字形、锯齿十字形、四棱锥形、六棱锥形、桩帽等。

4 余家台倒虹吸箱涵管桩加装无缝钢质锥形桩尖防渗技术措施

4.1 倒虹吸箱涵管桩的基础处理工程施工图设计要求

根据经批准的洞庭湖北部水资源配置澧县补水工程余家台倒虹吸箱涵基础处理设计(见图4)，余家台倒虹吸箱涵埋设于松磁河西支河床下6.5m，针对前述的洞庭湖区软基的工程地质和水文地质条件，不仅需要实现封堵基础土体挤入预应力管桩内腔，同时也需要实现封堵地下水沿管桩内腔集中涌出。

4.2 加装无缝钢质锥形桩尖施工程序

4.2.1 现场制作

现场采用1.8mm厚热轧钢板为锥形桩尖底盘，并按管桩内腔直径为限焊接底盘钢肋；采用1.2mm厚热轧钢板，以锥体高0.5m裁割为扇形，以小型转板机转制成锥筒，将其满焊连接至管桩端头(见图5)。

4.2.2 管桩施工

余家台倒虹吸箱涵管桩采用锤击式压入软基(见图6)，为保证桩身完整，打桩机起吊管桩时，用索具环抱捆住管桩上端预制吊环以下30cm处，匀速缓慢起吊，以使桩尖垂直对准桩位中心。桩尖插入桩位后，先用较小的落距锤击1～2次，桩入土一定深度。确保桩身垂直稳定，桩插入时的垂直度偏差控制在0.5%以内。在锤入桩身或焊接接桩段时，采用线坠或经纬仪双向校正。锤打贯入管桩时，最大落距控制在超过1.0m以内，并保证锤跳运行正常，控制最后三次十锤的平均贯入度不大于规定的数值或以桩尖打至设计高程(见图6)。

图4 余家台倒虹吸箱涵管桩施工设计 (单位：mm)

图5 钢质无缝桩尖加装 (单位：mm)

图6 预应力管桩施工

每根桩达到贯入度要求，桩尖标高进入持力层，接近设计标高或打至设计标高时，均组织单桩施工质量检查验收。若发现桩位与要求相差较大，或在锤入过程中发现贯入度剧变、桩顶或桩身裂缝或破碎，便会同有关业主、设计、监理等商议移机至新桩位重新补桩。

4.3 加装无缝钢质锥形桩尖封闭地下水效果

洞庭湖北部水资源配置澧县补水工程余家台倒虹吸箱涵基础处理工程，在桩端加装无缝钢质锥形桩尖后，完全阻断了土体挤入预制预应力管桩的内腔空心，完全隔断了地下水沿管桩内腔空心的渗透或集中涌水，实现了倒虹吸箱涵施工基坑无地下水渗流(见图7)。

图7 余家台倒虹吸箱涵基坑管桩施工后情况

余家台倒虹吸箱涵基础处理的管桩，共设计φ0.5m管桩4排，共2269根。因所有管桩空心内腔直立贯穿地下水，若未采用本文所述的加装钢质无缝锥形桩尖予以封闭，可以预见，地下水在围堰外侧水头压力下，基坑将会出现集中渗水或集中涌水，致基坑抽水量剧增，严重者致基坑淹没，从而阻碍正常施工。

5 结 语

应用管桩进行软基处理是提高软基承载力的便捷工程措施之一，具有工期短、施工效率高、施工质量易于控制、不产生废渣、利于环境保护的显著优点。但在地下水饱和的施工环境中，预制空心预应力管桩，阻隔地下水沿管桩空心内腔渗透或渗流，是施工现场尤为重要的施工条件。本文所述余家台倒虹吸箱涵管桩施工采用在桩端加装钢质锥形桩尖的技术措施，实现了在围堰地表水头压力下，封闭箱涵基坑饱和地下水的技术效果，同时解决了管桩工程措施的工程地质问题和水文地质问题，该施工技术已经在澧县水利工程软基管桩施工中得到了广泛应用。