深水钢板桩围堰防渗技术分析和堵漏施工方法

2021-06-05吴德东周杰

工程建设与设计 2021年8期

吴德东，周杰

（中交一公局厦门工程有限公司，福建厦门353600）

1 工程概况

广东穗莞深城际轨道交通项目东江北特大桥主跨为（75 m+125 m+125 m+75 m）连续梁；其处于新塘镇东江北干流内河-Ⅲ级航道，其中，76#主墩的施工水位为+3.36 m，水流速度V=1.5 m/s，河床标高-8.806 m，嵌埋式承台，承台底标高为-14.506 m，顶标高为-9.506 m，墩位处水深12.3 m，承台埋置深度为6.1 m。承台内砂层主要有3 m中砂、1.5 m全风化砂岩、1 m强风化砂岩、0.5 m中风化含砾砂岩。

该桥址深水承台经过多种方案进行综合比选，在安全风险和经济设计综合比较下，最终选择钢板桩围堰无封底干挖施工，深水围堰采用24 m拉森SP-ⅣW形钢板桩加双拼H型钢围檩作为内支撑。通过建模计算，其围堰的整体抗倾覆稳定性、抗管涌稳定性、强度和刚度等均满足验算要求。在钢板桩的设计位置，先用旋挖钻引孔穿透强风化及中风化层至设计钢板桩底标高，再回填密水性强的粉质黏土。由于钢板桩插打垂直度难以控制和钻孔偏差，部分钢板桩未准确打入引孔内，致使其入土深度无法达到方案设计要求，甚至在承台底以上1 m。钢板桩围堰在开挖基坑内砂土和岩层过程中，随着潮起潮落造成的动水压力，水头差增大，围堰内外承压水连通，形成了渗透路径，先后3次出现了流沙土现象，并且水头压力击穿未封堵密实的引孔，形成管涌。对此，针对出现涌水的位置范围及流量大小等原因进行分析并积极采取了应对措施。

2 围堰渗水原因及堵漏措施

2.1 钢板桩接口缝隙水

在深水中超长钢板桩插打时竖直度整体不好控制，钢板桩之间咬合接缝也会存在空隙，锁口接缝不严密时便出现漏水。根据钢板桩的“自愈”原理，即抽水后桩缝入口处水力坡降变大，附近的砂层会发生渗透破坏，细砂颗粒会随水流进钢板桩的缝隙内，而桩缝出口处水力坡降向外迅速降低，细颗粒进入后就会滞留并逐渐填满桩缝，随着钢板桩内外水头差增大，缝内砂土逐渐被压密，渗透系数逐渐变小，部分接缝漏水会自动消失。如果仍发生漏水情况则可采用细沙拌合木屑沿接口从上至下迅速抛落，利用水位差产生的吸附力使其填充间隙。

另外，针对浅水钢板桩水头差较小情况，合桩后接缝间隙仍然大，此时可采用“JY-669”水溶性聚氨酯化学灌浆材料注射缝口，浆液遇水后自行分散、乳化、发泡，立即进行化学反应，形成不透水的弹性胶状固结体，具有抗渗止水性能，在水中可长久保持原形。浆液遇水反应形成弹性固结体物质的同时，释放CO2气体，借助气体压力，浆液可进一步压进钢板桩间的空隙内，实际使用效果良好。图1为钢板桩围堰渗水图。

图1 钢板桩围堰渗水图

2.2 局部渗水及管涌

因钢板桩垂直度0.5%的偏差控制，21 m长钢板桩可控最大水平偏位达1 600 mm×0.5%=8 mm。随着围堰抽水及开挖过程中钢板桩在水压作用下产生水平位移变形，造成钢板桩外侧与河床土层剥离形成缝隙，且由于每日2次潮汐落差大、水流速度快对外河床进行冲刷的影响，钢板桩与河床接触面缝隙便越扩越大，随着时间推移形成过水通道沿桩底渗入进而形成管涌，在该承台围堰中根据现场潜水员探测缝宽可达2～25 cm，砂层流失形成孔洞。

深水围堰施工的水头差压大，钢板桩入土深度不足，开挖后原河床地质被破坏，土体失稳，易造成瞬间管涌，应全过程监控并做好应急防范措施，包括救生用品、堵漏沙袋、金汤水不漏、引流卸压管、压浆设备等应急物资储备。围堰抽水前和抽水后应对河床冲刷情况进行监测，可提前对外河床进行加固处理。

2.2.1 填补缝隙

初期对钢板桩围堰四周水下进行封水胶条等材料填补与河床土层缝隙，并上盖装填黏性土袋防止冲刷。

2.2.2 水下高压旋喷注浆施工

利用水下高压旋喷注浆施工起到止水帷幕的作用。即对围护结构外侧（或后期出现渗漏点处）采取二重管法高压复合旋喷的方法进行加固处理，将浆液与空气形成复合喷射流冲切原松质土层，并沿桩壁产生升扬置换作用，使土体及砂层固结，同时，可对冲切范围外的周围土体浆液渗透而进行填充挤压，具备结石率高、帷幕强度高、防渗性能优的特点。其中，水下高压旋喷桩施工工艺的固结强度取决于旋喷喷射压力、浆液水灰比、搅动半径和提升速度，以及土质砂层强制混合固化体特性。该围堰施工时按梅花形布置2排间距30 cm、桩径500 mm旋喷桩，桩深至承台底1 m处或中风化层无法钻进为止，旋喷参数为提升速度20～25 cm/min，旋喷转速20～22 r/min，喷射压力20～30 MPa，压缩空气压力0.7～0.8 MPa，水灰比1∶1，喷嘴直径2.2 mm。根据现场钻芯取样试验强度值可达到9 MPa，能达到防渗目的。

2.2.3 放坡开挖

方案设计时放大围堰尺寸，干挖时对钢板桩边角进行放坡开挖，维持原不透水层土体的稳定，防止水土从钢板桩基坑底部反窜上来，造成流土或管涌；具备条件时可先进行四周圈梁浇筑，巩固土坡，封闭渗水，同时防止钢板桩漏水，造成由上至下的冲刷。此种放坡方式对强风化中风化岩层处理相当有效。

2.3 渗水及管涌治理

2.3.1 引流

土层对围堰底部水有一定的渗透阻挡作用，可以通过疏通等方式对水压进行释放，采用无封底施工时浇筑30 cm垫层，并设置排水沟，排水盲沟及开设集水坑等形式释放水压。对于出现小的泉眼涌水同样采用卸压引流的方式，用直径426～610 mm的钢管填充级配较好的砂和碎石过滤材料，盖住涌水点以防砂土流失，或者插入φ48 mm小管打孔成眼，用密目滤网包封引流，同时在四周用金汤水不漏等速凝材料进行反压封堵，及时遏止渗流出现大范围管涌。

2.3.2 混凝土封堵

对已形成大的管涌造成围堰内外贯通，要回水平衡内外水压。先对涌水处的钢板桩底角进行锚固，用振动锤插打1 cm厚直径10 cm的钢管至钢板桩底50 cm以上，管内放置7 cm钢棒，以防止钢板桩因管涌水压产生扰动造成应力突变，失去刚性，增加处理难度。安排潜水员水下探测管涌范围，在围堰外侧局部增打1圈钢板桩，对涌口位置进行合围，切断贯水路径源头。对合围内河床吸泥，将砂砾和回流素土全部清理，再根据合围面积采用单导管或多导管进行水下混凝土封底，浇筑高度为以高出河床2～3 m为宜，封底一次到位，确保封底效果，不得形成水平断层或纵向断面。围堰内水下焊接挡板以同样方法进行水下混凝土封堵，为保障再次抽水后钢板桩与混凝土因为刚性接触而形成间隙（水压越大，钢板桩变形与混凝土面脱离形成新的导流孔洞），可在浇筑前在紧贴钢板桩边插入预埋压浆花管，待混凝土强度达到80%以上后进行压浆，以完全封闭渗水通道[1]。

2.3.3 对围堰进行压浆防渗加固

对钢板桩外侧与河床有缝隙的区域进行压浆填实挤密。根据地质情况、钢板桩入土深度、承台埋深及水下压浆作用半径确定压浆管的平面布置和埋置深度，再埋设注浆管，可先用地质钻机等设备进行造孔。在钢板桩上搭设牛腿支承平台，确保压浆管的定位及埋深，采用水泥浆掺加水玻璃速凝剂进行双液压浆，以填充河床空洞和钢板桩缝隙。根据压浆速度调整双液比例，既保证速凝效果及强度且不堵管，注浆压力值为水深压力加土压力值以上，但不宜过高防止造成原土破坏[2]。该主墩承台围堰在每一处钢板桩接口处布置1根压浆管，埋深为设计钢板桩底处，压浆采用水泥浆配比1∶1（质量比），水玻璃与水1∶4（体积比），双液压浆比为1∶0.2（体积比），该混合液凝结时间为17 s，满足水下注浆施工要求，BW-150压浆机注浆压力值取1 MPa，压浆结束后稳压2 min，确保混合液填充到位，待浆液固结体强度达到后开始抽水。

通过以上处理方法，该深水钢围堰承台施工顺利完成。