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高压旋喷桩在桥梁沉井围堰下沉中的应用

日期：2016-1-7 15:24:59　来源：转载　浏览数：
　

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１工程概况
    某特大桥全长７　４３２ｍ，主桥横跨主河槽，基础为钻孔灌注桩，其中位于主河道２个墩的承台为Φ１９．８ｍ、厚４ｍ的圆柱形承台，埋深为１４ｍ；墩身为圆端形板式墩，梁部为（６０＋９×９６＋６０）ｍ刚构连续梁。
    ２施工方案的选定
    ２个墩在枯水期地表均无水，但基础及墩身施工期间要经历汛期，因此采取了袋装土围堰内筑岛方案。由于承台埋深大，深层有密实砂层，如采取钢板桩围堰方案，打入难度较大，综合比选后，确定采用钢筋混凝土沉井围堰方案进行承台施工。墩位处汛期水深３ｍ，筑岛后承台埋深１７ｍ，沉井围堰下沉约１９ｍ。１号墩地层为细砂、粉质粘土，２号墩地层为细砂、粉质粘土夹中砂。
    确定了钢筋混凝土沉井围堰方案后，由于２个沉井围堰下沉深度较大，２号墩位处地质为中砂与粉质粘土相互包夹，预计下沉会有一定难度，因此需要根据现场地质条件对不同沉井结构及下沉方案进行分析比选。
    备选的方案有：现浇混凝土筑井自沉方案［１］、泥浆润滑套沉井方案、ＳＳ沉井方案、压沉沉井方案［２］，下面进行各方案的比选分析。
    （１）现浇混凝土筑井自沉方案：就地浇筑混凝土井节，下沉接高。优点：沉井结构简单，工艺成熟，整个体系安全、可靠，不会出现下沉体系被破坏及突发安全事件。缺点：单纯靠沉井自重下沉，地层摩阻力大，下沉难度大。
    （２）泥浆润滑套沉井方案：在沉井外壁周围与土层之间设置泥浆隔离层，达到减少摩阻力的效果。优点：大大减小沉井外壁摩阻力，理想状态摩阻力可达３～５ｋＰａ，使下沉更为容易。缺点：泥浆套是一个非常不稳定的体系，在沉井偏斜、掏空刃脚、井内外水位不平衡等任一情况下，都很容易造成泥浆套被挤切失效或泥浆大量流失而使整个体系被破坏，而泥浆套破坏后基本无法修复，最终导致方案失败。
    （３）ＳＳ沉井方案：ＳＳ沉井（ｓｐａｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｉｓｓｏｎ），即刃脚改形卵砾填缝沉井，是对刃脚钢靴进行改形并在井筒外壁面和地层之间的间隙中填充卵砾。优点：本方案变普通沉井外壁与土层的滑动摩擦为沉井外壁、填充卵砾层、土层之间的滚动摩擦，理论上摩阻力可达到７ｋＰａ，同时卵砾摩擦层比泥浆套有更强的稳定性，不易被破坏。缺点：本方案在密实、较硬土层中较易实现，而当地层中有较厚的粉细砂时，由于下沉过程中粉细砂层的坍塌，难以形成较为独立的卵砾层，当砂砾混合后，实际上也就无法达到其变滑动摩擦为滚动摩擦的目的。
    （４）压沉沉井方案：借助地锚反力装置，强行把沉井压入地层。优点：促沉，控制井筒姿态，对周围地层影响小，成本低。缺点：本方案适用于小型沉井，对大型沉井需要设置数量多、体积大的众多地锚，同时也要求有足够的场地条件。
    通过以上分析可以看出，每种方案都有其优缺点，都可以使用，但都有风险，因此哪一种更能切合现场条件哪一种就是最优的。实际施工时的选择是第１种方案，同时准备了多套配套助沉方案。
    ３沉井围堰下沉施工及助沉方法
    本次采用的钢筋混凝土沉井围堰设计为内径２０ｍ、壁厚１ｍ的圆形沉井，沉井设计封底厚度２ｍ。沉井围堰在筑岛上按设计要求分节预制，刃角采用土胎模结合钢模板进行混凝土浇筑，下沉后再接高第２节沉井。在长臂挖掘机作业范围内的堰内土层，采用抽水后长臂挖掘机挖土排水开挖的方法进行下沉；下层出土采用空气吸泥机为主，抽砂船、改制污水泵为辅，不排水开挖的方法进行吸泥下沉，导管法灌注水下混凝土封底［３］。
    如开工前所料，１号墩沉井围堰下沉较为顺利，采用空气吸泥机及抽沙船正常吸泥下沉，虽然后期下沉较为缓慢，工期稍有滞后，但采取一定助沉措施后，最终能下沉到位，不影响后续作业。２号墩沉井下沉到距离设计高程３ｍ左右时，采取了各种助沉措施，下沉速度仍然非常缓慢，采取的辅助措施见表１。

    在上述助沉措施同时使用的情况下，２号沉井艰难下沉２ｍ后，距离设计高程１ｍ时，停止下沉。此时即使在不排水开挖情况下，井内吸泥、抽砂作业时，反复出现突发涌砂，而沉井始终停滞不下。分析：通过各种清吸钻挖措施，井内已掏空，阻力可不计，阻碍下沉的关键实际上落在井外壁摩阻力。沉井沉降系数Ｋ按下式计算［４］：Ｋ＝Ｑ／Ｒ。式中：Ｋ为沉井沉降系数；Ｑ为沉井单位面积可克服摩阻力（ｋＰａ）；Ｒ为单位面积土层对井壁摩阻力（ｋＰａ）。
    Ｑ＝（Ｗ－Ｆ）／Ａ＝１１．５ｋＰａ。式中：Ｗ为沉井自重（ｋＮ）；Ｆ为浮力（ｋＮ）；Ａ为土层中沉井外壁面积（ｍ２）。
    单位面积土层对井壁摩阻力Ｒ＝Σｑｉｈｉ／Σｈｉ＝１３．８ｋＰａ。式中：ｑｉ为第ｉ层土对井壁的摩阻力（ｋＰａ）；ｈｉ为沉井穿过第ｉ层土的厚度（ｍ）。根据以上计算，扣除浮力后，２号沉井的沉降系数Ｋ＝０．８３＜１，即使采用了多种助沉措施，但由于井底地层粉质粘土包夹有较为密实的中砂层，沉井在抽砂下沉中井内多次出现大规模涌砂现象，加之下沉停滞时间长和采取的炮振措施，使下沉时松动的土层重新密实、固结，因此沉井最终无法继续下沉。而１号沉井没有包夹中砂层，故没有出现涌砂现象，在多种助沉措施的辅助下，虽然减缓了下沉速度，但最终实现了下沉目标。
    ４高压旋喷桩的应用
    ２号沉井围堰下沉到距离设计高程１ｍ时，只需要再挖深１ｍ即可进行封底施工；但在沉井不能随挖深继续下沉跟进的情况下，即使不排水开挖，继续挖深已经导致了数次大规模涌砂，因此控制涌砂成为关键。只要控制住涌砂，即使沉井不再下沉，也能实现挖深１ｍ、按原计划２ｍ的封底厚度进行正常的封底混凝土施工。通过调研大量运用于地铁基坑开挖止水帷幕的高压旋喷桩可以帮助实现这一目的［５］。
    具体做法是：停止井内排水、井外降水，井内回填土至刃脚１ｍ以上，并静置７ｄ沉实。井外回填至地下水位线以上，使下一步施工在无流动水干扰的条件下进行。接下来在井外进行旋喷桩作业，旋喷桩围绕沉井外壁布设，以沉井（墩）中心为圆心，在半径为１１．５ｍ的圆周上均布９０根桩，桩径１．０ｍ，桩间距０．８ｍ，桩底低于刃脚５ｍ，桩顶与沉井壁搭接４ｍ，桩长为９ｍ，在沉井刃脚上下范围形成一道环形墙，阻挡刃脚下土层向井内涌入，在不排水情况下，轻松挖出井内剩余１ｍ土层，实现按原计划２ｍ封底厚度进行封底施工。旋喷桩与沉井组合方案详见图１。

    ４．１施工技术参数
    旋喷桩采用三重管进行施工，通过试桩确定施工时的工艺参数为：气压０．６～０．８ＭＰａ，流量３ｍ３／ｍｉｎ；水压２８ＭＰａ，流量７５Ｌ／ｍｉｎ，提升速度８～１０ｃｍ／ｍｉｎ，旋转速度１０～１５ｒ／ｍｉｎ，浆压２ＭＰａ，流量１００～１５０Ｌ／ｍｉｎ；喷嘴２个，Φ１．６５～１．７５ｍｍ。采用４套设备进行隔２～３孔跳作施工。
    ４．２施工工艺及技术要求［６］
    ４．２．１施工工艺流程
    施工准备→测量放线→钻机就位引孔→开始钻孔→孔口处理→旋喷机就位→插入注浆管→从下向上喷射注浆→拔出注浆管，清洗→移至下一孔位。
    ４．２．２技术要求
    （１）测量定位：严格按照设计孔位进行测量放线，并复核桩中心，桩位偏差≯５０ｍｍ。
    （２）钻孔：钻孔Φ１３０ｍｍ，采用泥浆进行护壁。首先要把钻机对准孔位，用水平尺校平，要求孔位偏差在５０ｍｍ以内，垂直度控制在１％以内。钻进过程中随时检查垂直度，发现孔斜及时纠正，必要时重新开孔。
    （３）钻机钻至设计孔深，拔出钻杆后，应及时用废旧水泥袋堵塞孔口，以防落入杂物，堵塞钻孔。
    （４）旋喷机就位：将高压旋喷机移至已钻好的孔位处，并校正旋喷机的垂直度，检查高压设备和管路系统，确保压力和流量满足设计要求，喷嘴内不得有任何杂物，注浆管接头密封圈良好。
    （５）地面试喷：下喷射管前，在地面进行试喷，以检查各项技术参数是否达到设计要求。
    （６）制浆：采用普通硅酸盐水泥，水灰比为１～０．８；在刃脚曾受到扰动部位，加入水玻璃，快速凝结，保证浆液尽可能少流失。
    （７）喷射作业：将三重管钻具下放到孔底后，依次开动压风机、泥浆泵、高压水泵，旋喷机按设计值开始旋转，在各泵压达到设计值并在孔口返出水泥浆后，开始按设计值一边旋喷一边提升钻具，提升到设计桩顶标高以上０．５～０．８ｍ，完成高压喷射注浆。
    （８）回填灌浆：喷射结束后，水泥浆不断析水固结，浆面随之下降，应及时向孔内补充水泥浆液直至液面不再下降为止。
    （９）冲洗：喷射施工完毕后，应把注浆管等机具设备冲洗干净，管内、机内不得残存水泥浆。通常把浆液换成水，在地面上喷射，以便把泥浆泵、注浆管和软管内的浆液全部排除。
    通过上述措施后，解决了２＃沉井的下沉问题，保证了该工程的后续工作顺利进行。
    ４．３旋喷桩的扩大应用
    此方案稍作修改，还可以进而扩大应用范围，即如果沉井围堰下沉距离设计高程较大时，采用环沉井外壁高压旋喷水和空气，对土层进行切割松动，大幅减小其摩阻力，帮助沉井继续下沉，直到设计标高，也能实现最终目标。
    另外也可以采取终止沉井下沉，利用双排或多排旋喷桩接续未沉到位的部分沉井，井内土层可一直清挖到设计高程，进行封底施工。但此方法中的桩已与本工程中的桩的作用产生了较大变化：本工程中的桩仅仅起到阻挡井底涌砂的作用，封底前，由于是不排水开挖，旋喷桩仅有１ｍ高度范围内受到刃脚下土的侧压力，不承受巨大的水压力；而在封底完成后，桩已埋入封底混凝土下，更加安全。在旋喷桩完全替代下部沉井方案中，如果刃脚距设计下沉位置的距离超出封底混凝土厚度，超出部分高度位置将不会被封底混凝土覆盖，则此部分旋喷桩实际上是起到了代替沉井的作用，封底抽水后，要承受巨大的水压力和土压力，不仅要有足够的强度，还不能漏水，因此对桩的设计配置以及施工质量均有较高要求，这也是为什么不从一开始就直接采取旋喷咬合桩作防水围堰的原因。
    ５体会
    通过本次施工实践，上述沉井围堰施工方案及各种助沉措施总的说来，一定条件下效果令人满意，但仍有很多值得思考和进一步改进的地方：
    （１）钢筋混凝土沉井围堰的下沉能力与围堰重量成正比，而在下沉期间增加自重将受到空间及场地的限制，因此设计沉井时就要充分考虑其有足够的下沉能力，在后期助沉措施成本与前期沉井圬工量投入之间选取一个比较合理的值，最终确定一个最佳的沉井壁厚。
    （２）注浆止水方案在许多领域均有较好的表现，但此方案受现场条件制约严重。本工程中，井外表面松软的砂层使成孔及注浆均难以达到预期目标，加之地下土层已受到前期多次涌砂影响，其与相隔不远的江水也已连通，使这种原本无法控制其流向的注浆更加无法实现固结土体的目标。而相对受控的高压旋喷桩比注浆有更大的优越性，对于仅仅防止涌砂这一目标，实在是很容易就能达到。
    （３）采用高压旋喷桩机在沉井外壁进行定向摆喷高压水和空气，对沉井外壁的土体进行切割、扰动，能大幅度减小土层对沉井外壁的摩阻力。与设置复杂、不稳定、易被破坏且遭受破坏无法修复的空气幕或泥浆套相比，旋喷松动作业独立，不受沉井结构及下沉工况影响，且无须投入额外的临时工程，有较大适用性和经济性，是一个值得探讨的发展方向。（４）地下连续墙用于桥梁深基础施工时，由于其工程量不大，较为不经济；临时工程投入的钢筋量大一些；桥梁技术人员及工人对此方法不熟悉。但对钢筋混凝土沉井围堰下沉难度较大的胶结良好、结构密实的地质条件，此技术还是具有其无法代替的优越性，也是今后可探讨的一个方向。