大型沉管预制场止水系统关键技术的应用

2021-12-01张立光张友毕王国成

中国港湾建设 2021年11期

张立光，张友毕，王国成

（1.中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连 116083；2.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461；3.大连市建设工程质量与安全监督服务中心，辽宁大连 116033）

0 引言

大连湾海底隧道建设工程沉管预制场止水系统为本工程施工关键点之一。沉管预制场坞壁+临时围堰形成止水闭合，其中坞壁止水采用咬合式桩+帷幕灌浆，临时围堰采用钢板桩+旋喷桩+帷幕灌浆，且均在不同的地质中分别进行施工，它们的止水闭合情况直接影响着工程止水质量，是沉管预制场止水系统最关键的工序。

1 工艺流程及原理

1.1 咬合桩

本工程咬合桩分为两种功能，一种是作为止水桩，采用全素咬合桩，I 序桩为塑性混凝土，II序桩为C20 混凝土；另一种是支护兼止水桩，采用荤素咬合桩，I 序桩为塑性混凝土，II 序桩为C35 混凝土荤桩。

施工工艺包括导向槽布置、钻机就位、护筒下放、地面监测、孔内监测、混凝土灌注[1-2]。首节护筒垂直度达到0.2%以内，其余节护筒垂直度达到0.3%以内，在地面距离护筒中心5 m 圆周内，设置2 个观测点，这2 个观测点与圆心连线形成的半径相互垂直。发现有偏差，及时调节护筒垂直度。

1.2 帷幕灌浆

帷幕灌浆包括孔位布置、钻孔、冲洗孔、压水试验、灌浆压力确定、灌浆、灌浆孔封孔[3-5]。

每段在灌浆前，需对先导孔进行压水试验，通过压水试验，了解地层的渗透情况，为灌浆施工参数提供参考。灌浆结束标准为在规定的压力下，吸浆率小于1 L/min 时，延续灌注30 min 结束灌浆[6]。

1.3 旋喷桩

旋喷桩采用二重管法施工。

钻机就位：钻机平置于牢固坚实的地方，基本就位后，调平安稳，将钻杆轴线对准桩位，用水平尺和定位锤球校准桩机。

钻机钻进：采用直接打管钻进，防止喷嘴被堵塞，钻机边射水边钻进，钻头需钻进至岩面以下，以保证喷嘴在岩面进行喷浆。

旋喷提升喷浆：喷管打入孔底后，启动高压注浆泵送浆，启动空压机送风，通过在管底部侧面的一个同轴双重喷嘴，同时喷射出高压浆液和空气，用二种介质的喷射流来冲击切割土体。

2 施工关键技术应用

2.1 咬合桩施工

1）导墙施工的质量控制

导墙施工是钻孔咬合桩施工的第一步，主要目的在于保证咬合桩定位的精准性，确保钻孔平稳。施工前应根据施工设计和钻机尺寸的要求，在桩顶设计混凝土导墙，导墙上定位孔直径比桩大20 mm，孔口定位误差允许值：q=±10 mm。

平整场地、根据设计图纸测放桩位、桩位放样线符合要求后人工进行导槽开挖，然后将中心线引入沟槽下，确保导墙中心线无误，并控制模板施工（见图1）。导槽施工结束后依次进行钢筋绑扎、模板施工、混凝土浇筑施工。混凝土浇筑完12 h 内覆盖并进行养护，为避免导墙受压变形，禁止在导墙上放置重物。

图1 导向槽施工Fig.1 Guide groove construction

2）单桩施工的质量控制

导墙施工完毕之后，导墙中心误差定位不超过20 mm，强度达到要求后，定位排桩中心，将套管钻机抱管器中心对准导墙孔位中心。对位之后安装第1 节套管（长度6～8 m），边取土边下压套管，施工中要准确计算套管入土深度，确保入土深度至少比设计孔深大20 cm。为了保证桩底有足够的咬合量，还须检测成孔垂直度，主要有地面监测和测环检查这2 种方式。地面监测是对位于地面以上的套管外壁进行垂直度检查，可以在地面选择2 个相互垂直的方向，用线锤或测斜仪进行校核，并使用互相垂直的2 台经纬仪复核，发现偏差及时纠正。每节套管压完之后，要注意暂停施工，用测环对孔内垂直度进行检查，检测合格后安装第2 节套管继续施工。

咬合桩桩长 10～20 m，1 000 mm@250 mm 进行布置。施工过程中咬合桩施工垂直度控制在2/1 000 以内，成孔后咬合桩垂直度均可控制在3/1 000 以内。

2.2 止水帷幕施工

因现场地质条件复杂，溶岩裂缝发育，止水帷幕现场施工中遇到较多特殊情况，为保证施工质量，现场针对不同地质情况采取了不同的施工方法进行处理。

1）串浆

如灌浆过程中发生串浆，立即阻塞串浆孔，待灌浆孔灌浆结束后。再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后继续钻进或灌浆。如注入率不大，且串浆孔具备灌浆条件，使用2 台灌浆泵，同时灌注这2 个孔位。

2）冒浆、漏浆

灌浆过程发现冒浆、漏浆时，根据现场实际情况采用低压、浓浆、间歇、待凝等方法处理。

3）灌浆因故中断

①应尽快恢复灌浆，否则应立即冲洗钻孔，再恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，再恢复灌浆。

②恢复灌浆时，应使用开灌比级的水泥浆进行灌注，如注入率与中断前相近，即可采用中断前水泥浆的比级继续灌注；如注入率较中断前减小较多，应逐级加浓浆液继续灌注；如注入率较中断前减小很多，且在短时间内停止吸浆，则应采取补救措施。

4）钻孔过程中孔口涌水

灌浆前记录好涌水压力和涌水流量，根据实际涌水情况进行判断，采取自上而下分段灌浆，同时提高灌浆压力，灌注浓浆，待凝，然后再进行灌浆施工。

5）溶洞、灌浆段注入量大而难以结束

①溶洞内无充填物时，根据溶洞大小和地下水活动程度，可泵入高流态混凝土或水泥砂浆，或投入级配骨料再灌注水泥砂浆、混合浆液、膏状浆液，或进行模袋灌浆等。

②洞内有充填物时，根据充填物类型、特征以及充填程度，可采用高压灌浆。

灌浆孔段遇特殊情况时，无论采用何种措施进行处理，应做好现场记录，其复灌前均应进行扫孔，复灌后应达到规定的结束条件。

2.3 旋喷桩

围堰止水采用钢板桩+旋喷桩+帷幕管灌浆施工工艺，围堰为海内回填料，受海水潮位变化的影响，旋喷桩施工过程中成桩难度较大，为保证成桩效果，水泥浆中增加水玻璃，加快水泥浆的凝固，保证成桩质量。

围堰止水部位回填石料要求较高，施工时应严格按设计要求控制石料规格，最大粒径不大于10 cm，同时因岩面的起伏导致顶部钢板桩底标高不统一，导致旋喷桩施工时标高变化较大，钢板桩标高不同区域旋喷桩应保证搭接长度，施工时应严格控制旋喷桩的提升速度等相关施工要求，确保旋喷成桩范围，避免旋喷桩与钢板桩间存在漏水点[7-8]。

3 应用效果

本次止水体系的衔接、转换及止水效果均满足现场使用及设计要求，在坞口止水及围堰止水施工完成后，进行内部注水，对坞口止水效果进行检验，同时在不同位置设置监测点，通过注水试验监测，坞口止水效果满足施工要求。

沉管预制场内止水体系咬合桩主要为塑性混凝土，桩体检测满足要求。塑性混凝土桩体渗透性检测情况：塑性混凝土渗透系数2.12×10-7cm/s，咬合块的塑性混凝土渗透系数为1.38×10-7cm/s。塑性混凝土劈裂抗拉强度0.44 MPa，弹性模量461 MPa，重度20.9 kN/m3，均满足设计要求。

为提高施工效率，在现有设备配置情况下，止水咬合桩I 序桩采用塑性混凝土施工，改软咬合为硬咬合，I 序桩施工完成7 d 后再进行Ⅱ序桩施工，此时塑性混凝土已凝固，无需考虑管涌，护筒不再需要入岩，提高了单桩施工效率，且塑性混凝土强度仅为1～3 MPa，采用搓管机也能切割I 序桩，使得Ⅱ序桩施工不再依赖全回转钻机。

目前大连湾海底隧道沉管预制场已应用，同时已完成多次沉管的出坞及关闭，运转正常，使用效果良好。