深水围堰局部涌砂病害的水下封堵处理技术

2023-11-20王永辉孟金强汪海涛

国防交通工程与技术 2023年6期

王永辉, 孟金强, 汪海涛

(山东省齐河县舟桥处栈桥段,山东齐河 251100)

1 工程概况

1.1 工程简介

S313(S306)头铺西至望淮岭段改线工程位于安徽省蚌埠市五河县境内,线路东西走向,地跨淮河两岸,其中拟建的淮河特大桥全长2 017 m,其中水中墩为16#～20#,16#、17#、18#墩在淮河西岸,19#、20#墩在淮河东岸。水中墩位置分布如图1所示。

图1 淮河特大桥水中墩分布(单位:cm)

1.2 水文条件

淮河地处中国南北气候过渡带,水位变化大,容易发生洪涝、干旱等自然灾害。淮河的汛期与雨季一致,6～8月份为丰水期,淮河设计防洪水位为+16.50 m,警戒水位为+19.00 m,保证水位为+19.60 m。根据近几年淮河水位信息显示,淮河五河站常水位为+13.00 m,围堰施工水位按+13.00 m设计。

1.3 地质条件

施工区域地层属于华北地层大区晋冀鲁豫地层区徐淮地层分区淮北地层小区,地层从老到新分别有五河群(Ar2wh)、侏罗系(J)、白垩系(K)和第四系中更新统(Q2al)、上更新统(Q3al)及全更新统(Q4al)。20#墩位处钢板桩植入深度范围内河床地层主要为软土和中砂,地质参数如表1所示,地质状况如图2所示。

1.4 工程施工方案

表1 20#墩地质参数

根据设计方案,20#墩为深水区域水中墩,围堰平面尺寸为32.4 m×10.8 m,采用27 m长度的拉森IVw型钢板桩,围堰结构如图3所示。河床断面标高7.78～ 10.49 m,施工水位与承台底高差12.29 m,承台底标高2.012 m,承台厚度3 m,承台2个,桩基8根。

图2 20#墩地质状况(单位:m)

因为桥位处河床地质的特殊性,按照设计要求,20#墩钢板桩围堰采用水下清淤、水下封底的方式实现锁水功能,从而能够顺利抽干围堰内部的存水、创造一个干作业环境,继而进行承台、墩身等主体结构物的钢筋绑扎和砼浇筑等工序施工。

图3 20#墩围堰结构(立面)(单位:mm)

2 涌砂病害的出现

2.1 病害出现过程

按照工序安排,20#墩钢板桩围堰混凝土封底结束后,待强度达到设计要求后,对围堰进行逐层抽水逐层割除钢护筒,直至封底露出后,破除桩头,浇筑垫层,施工承台墩身。

围堰内抽水临近封底混凝土露出时(+2.012 m),发现围堰岸边侧中部有大约3～5片钢板桩的根部位置出现了猛烈的管涌病害,周边的存水随即变得浑浊不堪,翻涌处有明显肉眼可见的河砂堆积起来,遂立即停止抽水,并用大功率水泵对围堰进行回灌,以防水位差保持的时间超长导致涌砂量过大而失去控制。

2.2 病害原因

(1)施工期间正处于淮河防洪关键时期,桥位处水位长期高于施工水位+13 m,围堰内外水头差增大,对河床覆盖层造成了一定的破坏。

(2)围堰封底后抽水时,水位多次剧烈涨落,每次最高水位均没过了桩顶。因钢板桩柔性较大,抽水时桩体向堰内变形紧贴封底,回水桩体变形恢复有脱离封底的趋势,反复的回灌和抽水,使钢板桩与封底间产生了缝隙。

(3)考虑到近两年淮河汛期水位变化幅度较大,甲方将围堰顶设计标高由+14 m提高至+15 m;同时围堰设计采用27 m长钢板桩,综合考虑施工成本和难度,实际采用27 m与23 m钢板桩交叉搭配使用。两种因素减少了钢板桩的入土深度,围堰抗管涌能力随之削弱。

(4)水下混凝土封底施工前,潜水员应对封底厚度内钢板桩凹槽处进行检查清洗,确保桩体与封底混凝土有效粘接,在实际操作中可能存在清洗不彻底或漏清的情况,堰内抽水后,两者间的夹渣会被水压冲出,产生管涌病害。

(5)混凝土封底施工组织不够严密,准备工作不够充分,封底过程中埋管效果不佳,造成封底质量较差,从而导致混凝土与钢板桩之间无法充分粘接。

3 管涌病害解决方案比选

对于深水围堰的管涌病害,有不同的解决方案,但各种解决方案的适用条件、施工工期和成本均差距较大,具体分析如表2所示。方案一报批通过几率很小且施工成本巨大;方案三,基于实际管涌病害现状,已无法实施;方案二虽然具有一定的技术难度,但成本较低,工期也较短,不失为此次局部管涌病害处理的最优解。

表2 备选方案技术特点

结合潜水员水下对涌砂处的探摸情况,通过对围堰结构的梳理分析,设计结构合理的开合式模板,由潜水员安装就位后,再在模板内浇筑水下混凝土,可有效处理此次管涌病害,方案的安全性、可操作性均较高,封堵效果也能保证。

4 水下封堵方案实施

方案的实施主要包括以下几个步骤:病害部位的水下清理→设计加工封堵模板→水下安装和固定模板→浇筑水下混凝土,其中模板的设计和安装是方案成功的关键因素。

4.1 病害部位的水下清理

(1)向堰内回灌水至与堰外水平平齐,消除水压差,防止病害进一步发展。

(2)将现场的32 kW吸砂泵底部进水口加装长导管插入至管涌部位,潜水员水下对导管底口精准就位,启动水泵吸除涌出的泥砂。

(3)潜水员持高压水泵对管涌部位表面进行冲洗,直至原封底混凝土表面露出。

4.2 设计加工封堵模板

(1)潜水员对管涌处的范围进行探摸,以此确定模板的平面尺寸,同时确定管涌处的具体位置,并在钢板桩水上相对位置处进行标识。

(2)模板设计思路:模板设计成三面围挡结构,模板长边与围堰长边平行,模板的两个短边水下安装嵌入至钢板桩凹槽内,形成平面闭合结构,再在其内浇筑水下混凝土与原封底混凝土表面粘合,以达到封堵管涌漏点的效果。模板结构如图4所示。

图4 模板结构(单位:mm)

模板的长边平面尺寸为6.062 m×2.0 m,短边平面尺寸为1.4 m×2.0 m,因模板短边正上方紧贴钢板桩有数道边梁,且附近还有水平横撑和护筒,模板如直接加工成整体刚性的三面围挡,其吊装入水、就位将无法实施,故将两个短边与长边间设计为类似合页的开合结构,吊装入水时处于闭合状态成一长条,方便入水,到达位置后由潜水员展开两个短板精准就位。

(3)模板加工:采用现有的墩身钢模按设计尺寸切割加工,将模板长、短边通过合页设置成铰接装置,起吊前铰接闭合,水下吊装初步就位后打开铰接装置插入插销使得短边和长边保持固定直角。将一长方形钢板焊接在模板长边的中间位置作为吊鼻,吊鼻的吊点位置需要提前尝试,确保模板短边打开时,钢模板整体处于平衡状态,便于就位安装。

4.3 水下安装和固定模板

4.3.1 模板吊装入水

由图5所示可知,模板安装位置上方有三道边梁和平撑,模板无法直接从其安装位置的水面上方直接吊装入水就位,通过对围堰内结构物平面位置的梳理分析后,决定先将模板闭合成长条状,沿围堰短边方向摆放在右侧钢护筒与平撑的空档内吊放入水至接近基坑底部。由图2可知,当模板入水吊放至底部时,已位于第三道支撑下方,模板附近仅有一根钢护筒,此时潜水员下水牵拉模板A端(见图5)绕钢护筒旋转至安装位置,然后在水下打开短边的铰接装置并插销固定使短边嵌入设计的钢板桩锁槽内,再微调模板位置精准就位,就位位置见图6。

图5 模板吊装入水

图6 模板安装位置

4.3.2 模板固定

精准就位后,潜水员检查短边是否和钢板桩凹槽紧密贴合并水下焊接,将模板长边顶部和钢板桩通过拉杆连接并水下焊接稳固。同时采用在模板长边和短边的外侧根部码放沙袋和混凝土预制块的方式固定模板,防止在模板内水下灌注混凝土时,模板发生移动。

4.4 浇筑水下混凝土

水下混凝土浇筑前,潜水员要再次进行水下探摸,确保模板内的钢板桩凹槽和原封底顶面无泥沙,并使用速凝水泥(堵漏王)对钢板桩和原封底顶面之间的缝隙进行填堵。然后立即着手浇筑混凝土,将提前准备好的导管、料斗用河水浸湿,导管就位时因内支撑工字钢的阻碍,导管需要从钢板桩凹槽内方能插入模板范围中。现场状况如图7所示。