平潭海峡公铁大桥钻孔桩漏浆机理研究

范发财

(中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300308)

1 工程概况

平潭海峡公铁大桥平潭段位于福建省平潭县，全长5.28 km(跨北东口水道部分长3.7 km)，其中浅水区部分1.49 km、深水区部分2.222 km，公铁主跨为92 m+2×168 m+92 m预应力混凝土连续刚构桥；引桥上层公路部分为连续箱梁，下层铁路部分为简支梁。基础采用钻孔灌注桩，桩径有4种，分别为φ2.0 m、φ2.5 m、φ2.8 m、φ3.0 m，桩长12～90 m，嵌固深度5.2～15 m。以B41号墩为代表的深水区钻孔灌注桩，施工时最大水深42 m，最大潮差为7.0 m，最大浪高达6.3 m，最大流速3.09 m/s；同时海床面起伏较大，单墩最大高差11 m，单桩最大高差2.8 m，并分布有0～5 m厚度不等的粉砂、粉质黏土覆盖层，部分区域含有大块孤石，其下为强度、硬度较高的凝灰岩及花岗岩基岩，抗压强度fcu＝180 MPa。

该工程桥址区域地质、水文条件复杂恶劣，考虑施工技术及设计要求，并参考已有工程[1-2]，桩基施工时采用海上钻孔平台，冲击钻反循环法成孔，利用相邻钢护筒作为泥浆池。由于桥址深水区海床面倾斜度大、覆盖层厚度不均、高强度孤石(多为凝灰岩)较多，导致钢护筒难以插入岩层内；同时，该海域最大潮差达7 m，钢护筒内泥浆压力与外部水压力、土压力平衡控制难，导致施工时易出现泥浆渗漏现象，影响施工进度及效率，并对周围海域环境造成污染。本文以最具代表性的B41号墩为例，从理论分析和现场试验现象综合分析钻孔桩施工过程中的漏浆机理，并根据该机理提出相应处理措施，为类似工程问题提供处理依据。

2 漏浆现象

钻孔灌注桩施工时，该工程深水区内钢护筒内部泥浆压力与外部水压力较难保持平衡，出现较为严重的漏浆现象。主跨B41号墩区域覆盖层厚度约5 m，且含有大量孤石及块石土，其地质情况见图1。施工时，钢护筒遇到孤石及块石土后无法继续打入，导致其埋入深度较小；同时，钢护筒和倾斜岩面接触处存在较大的缝隙，出现漏浆且浆面下降较快(约50 cm/min)的现象；在钻至孤石下方砂土层后，由于钢护筒内水压力较大，导致下方砂土层发生漏浆，漏浆速度较为缓慢(约30 cm/min)。

图1 B41号墩地质情况

以B41号墩为代表，该工程出现的漏浆现象有以下特点:(1)施工中突然出现漏浆，钢护筒内泥浆液面下降速度较快，达到40～60 cm/min；(2)钢护筒内部泥浆下降4～6 m后，泥浆液面保持稳定；(3)泥浆从海床面渗漏而出；(4)堵漏处理后漏浆即停止，若继续钻进一定深度后可能在其他位置再次出现漏浆。

3 漏浆机理分析

3.1 钢护筒埋置深度计算

漏浆现象本质上为土颗粒所受内部泥浆压力大于外部水压力及土压力时的渗流问题[3]。确定钢护筒理论埋置深度计算模型时，由于海底覆盖层土体处于饱和状态，假设土内孔隙完全由水填充，并将渗流过程简化为3个阶段:(1)高潮位时未出现泥浆渗流现象，假设钢护筒埋置深度范围内均未有泥浆渗透(见图2a)；(2)低潮位时，泥浆恰好渗透至海床面，但未进入海水(见图2b)，此时钢护筒内泥浆液面尚未发生变化，由于孔隙较小，故在泥浆向覆盖层渗透过程中存在摩擦及粘滞阻力等作用；(3)低潮位时，当泥浆渗透至海面，其液面下降至某一稳定高度后(见图2c)，忽略泥浆渗流速度的影响，由此损失的压力差完全平衡其渗透过程中孔隙内的阻力作用，由此得到钢护筒埋置深度L计算公式[4]:

图2 钻孔灌注桩泥浆渗透示意

式中:γm为泥浆重度，取13 kN/m3；γw为海水重度，取10 kN/m3；ΔH为潮差，该工程为7 m；Δh为泥浆下降高度，该工程取4～6 m。

发生漏浆时测得钢护筒内浆面下降高度Δh＝4 m时，由式(1)得到钢护筒埋置深度L＝6 m。B41号墩部分钢护筒实际埋置深度见表1。可以看出，该墩钢护筒的实际埋置深度均小于或等于理论计算值(6 m)，由此导致内部泥浆压力超过外部水压力及土压力，故施工时出现较为严重的漏浆现象。

表1 B41号墩1～4号钢护筒埋置深度

3.2 渗流场数值模拟

计算钢护筒埋置深度时隐含土层均匀性、一致性、各向同性等假定，实际上B41号墩区域土层分布不均匀且存在较大孤石，会影响埋置深度计算结果的精度。为进一步揭示其漏浆机理，采用流体分析软件Comsol Multiphysics建立渗流场分析模型，计算该区域海床内孔隙水压及水力坡降。

针对漏浆严重的B41号墩1～4号钢护筒区域，采用平面渗流理论分析[5-6]，基于达西定律，同一土层位置水头H满足Laplace方程，不同土层渗透系数满足连续性方程。

Laplace方程:

连续性方程:

式中:k1、k2为相邻土层的渗透系数；α1、α2为流线与相邻土层法线的夹角；H为位置水头；x、y分别为水平及竖直方向坐标。

渗流场模型宽度取60 m，高度取17 m(底部不透水边界至海床表面)，单元最大尺寸0.91 m，单元最小尺寸0.133 m。海床面设为自由排水边界，压力水头H0＝0 m；两侧边界为非排水边界并约束水平方向位移；底部边界为非排水边界并约束竖直方向的位移；地基中的孤石和钢护筒壁简化为非排水边界条件；钢护筒底部土层表面简化为自由排水边界，为考虑潮汐作用产生的水头差，在该表面上施加压力水头H＝4sin+6，即最大水头Hmax＝10 m，最小水头Hmin＝2 m。B41号桥墩区域内土层分布见表2。

表2 B41号桥墩区域内土层分布及参数

高潮位及低潮位时海床内的孔隙水压(以压力水头H表示)计算结果见图3。由图3可知，潮差作用导致钢护筒内外压力差发生变化，低潮位时压力差明显大于高潮位，从而易发生漏浆。高潮位时，钢护筒内外水头差最小，海床孔隙水压较小，渗流速度较慢；低潮位时，钢护筒内外水头差最大，海床孔隙水压较大，渗流速度较快。此外，由于地基土层分布不均匀并存在孤石，对海床内渗流场分布产生影响，泥浆渗流方向在土层交界处以及孤石边界处发生偏转；在接近海床地基表面时，渗透方向变为竖直向上。

图3 高潮位和低潮位时海床孔隙水压计算结果

海床内不同位置处水力坡降计算结果见图4。由图4可知，钢护筒底部及孤石附近水力坡降较大，由此导致的渗透力较大，是发生泥浆渗流的主要原因。参考陆高明等提出的临界水力坡降icr计算公式[7]，经计算可知，该工程icr＝0.57。海床水力坡降计算结果与图1中实际漏浆位置对比，可知该处水力坡降计算结果均大于临界值，说明本文建立的渗流场分析模型正确。

图4 海床水力坡降计算结果

4 漏浆处理措施

该工程B41号墩区域漏浆现象出现在两个位置:(1)钢护筒与孤石接触处；(2)存在孤石分布渗透性较强的块石土层。针对该工程特点，并参考已有经验[8-9]，选用回填片石及黏土处理漏浆问题，即在漏浆位置采用夯实的碎石及黏土，形成具有一定抗剪强度且渗透较低的人工护壁，回填片石及黏土方案见图5。

图5 回填片石及黏土方案示意

对于钢护筒底部遇有孤石而埋深不足(图1中漏浆位置1)的漏浆位置，每次采用30 m3片石、15 m3黏土及15 t水泥进行换填，分3次进行，换填高度距离漏浆位置5 m[10]；对于孤石下方块石土层孔隙率大而透水能力较强(图2中漏浆位置2)的漏浆位置，每次采用10 m3片石、10 m3黏土进行换填，换填2次，换填高度距离漏浆位置1.5 m[11-12]。实际采用此方案后，漏浆现象明显减弱，低潮位时已无漏浆痕迹。

5 结束语

本文针对平潭海峡公铁大桥钻孔灌注桩施工时钢护筒发生的漏浆问题进行理论分析，并考虑土层不均匀性和孤石影响对渗流场进行了数值模拟，最后参考类似工程的相关经验提出处理措施，主要结论如下:

(1)结合工程特点对漏浆现象进行理论分析，采用基于钢护筒内外压力平衡原理得到的钢护筒埋置深度计算公式，计算本工程钢护筒的最小埋置深度。计算结果表明，钢护筒埋置深度不足是漏浆的主要原因。

(2)针对该工程土层不均匀及埋有大量孤石等地质条件，采用流体分析软件Comsol Multiphysics对B41号墩区域内渗流场进行分析，简化边界条件并考虑潮差作用，得到了相应的孔隙水压及渗流场分布情况，数值结果与实际情况吻合较好。

(3)参考已有工程处理经验，选择回填片石及黏土方案对漏浆位置进行处理，实施后堵漏效果较为理想。