水下淺埋鋼板樁圍堰施工期的安全風(fēng)險和應(yīng)對工藝設(shè)計措施分析

1、-. z.水下淺埋鋼板樁圍堰施工期的安全風(fēng)險和應(yīng)對工藝措施分析鳴 衡 陸廣明 （四航局第一工程, 510500）摘 要：水下鋼板樁圍堰施工中鋼板樁入土深度是圍堰整體安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一，當(dāng)鋼板樁入土深度無法達(dá)到基本要求時，如何分析風(fēng)險，采取什么應(yīng)對工藝措施以轉(zhuǎn)危為安，是本文探討的要點。關(guān)鍵詞： 鋼板樁圍堰；鋼板樁入土深度；管涌；高壓旋噴注漿1 前言 鋼板樁圍堰是修建橋梁深水基礎(chǔ)的傳統(tǒng)工藝之一，其具有靈活機動、適應(yīng)性強、可重復(fù)利用、效率高、成本低、工藝成熟的特點。但在安全可靠性方面與目前更為流行的雙壁鋼圍堰比，確有其不足和局限。其中鋼板樁能否達(dá)到相應(yīng)的入土嵌固深度，是圍堰整體安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一

2、。我公司承建的市路淮河公路橋在主墩承臺鋼板樁圍堰施工中，遇到了巖層埋藏淺、巖面標(biāo)高起伏變化大（原地質(zhì)資料未能真實反映），最淺處距承臺底開挖面不足半米，復(fù)雜地質(zhì)情況使鋼板樁圍堰施工陷入了十分被動的局面。由于鋼板樁入土太淺，引發(fā)了一系列的安全隱患和施工難題，在克服這些困難最終贏得成功的過程中，使我們對鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)對施工風(fēng)險的技術(shù)措施有了進(jìn)一步的認(rèn)識和掌握，分析和總結(jié)其中的緣由和機理，對我們今后的施工將會更具借鑒和指導(dǎo)的意義。2 工程簡介市路公路橋位于市西部、淮河樞紐工程下游。我公司承建的主橋及北引橋，里程樁號K0+390.5K1+276.5，全長886m。其中主橋跨徑組合為（80m+2

3、00m+80m）的自錨式懸索橋。橋梁立面圖見圖2-1。圖2-1 市路淮河公路橋立面圖主橋過渡墩為15#墩與18#墩，主墩為16#、17#墩均為分離式承臺。其平面布置見圖2-2。承臺設(shè)計參數(shù)見表2-1。圖2-2 主橋承臺平面布置示意圖表2-1 主橋承臺設(shè)計參數(shù)表墩號平面尺寸(m)頂面高程(m)底面高程(m)高度(m)河床面標(biāo)高(m)承臺入土深度(m)施工方式15#10.29.2+10.127+6.1274.0+11.349.87筑島鋼板樁圍堰16#16.211.2+7.069+2.0695.0+8.146.07水中鋼板樁圍堰17#16.211.2+7.069+2.0695.0+7.395.32水

4、中鋼板樁圍堰18#10.29.2+7.151+3.1514.0+8.8412.85水中鋼板樁圍堰3 圍堰設(shè)計與施工情況根據(jù)現(xiàn)場施工條件和進(jìn)度要求，該橋采用先搭設(shè)水上鉆樁平臺完成樁基礎(chǔ)施工后，再進(jìn)行鋼板樁圍堰施工。圍堰的平面尺寸按承臺平面幾何尺寸向外擴大1.5m，其中過渡墩15#、18#墩圍堰的平面尺寸為：13.2m12.2m，16#、17#主墩圍堰的平面尺寸為：19.2m15.2m。圍堰鋼板樁的入土深度根據(jù)地質(zhì)條件的實際情況先后進(jìn)行了多次調(diào)整位。圍堰采用拉森式鋼板樁，其中16#、17圍堰的支撐材料見表3-1。表3-1 16#、17圍檁及支撐材料表層號中心標(biāo)高圍檁橫撐角撐第1層+14.0m2I5

5、6a63086308第2層+11.0m2I56a63086308第3層+8.0m3I56a8201282012第4層+5.0m3I56a820128201215#、18#墩處覆蓋層主要由粉土粘土、粉土、細(xì)砂、中砂、礫砂構(gòu)成，覆蓋層較厚，比較適合鋼板樁圍堰施工。但由于粉質(zhì)粘土粘性很大，振動錘高頻振動也無法液化，造成沉樁阻力很大，沉樁效率很低。后通過引孔、泡水和加大振動錘功率等工藝措施，鋼板樁基本上都能沉放達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。16#、17#主墩位于淮河航道中，覆蓋層主要由粉土、粘土、細(xì)砂、礫砂構(gòu)成，覆蓋層厚度5.511m，變化甚大。下伏基巖由上至下依次為全風(fēng)化角閃巖、強風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化角閃巖、中風(fēng)

6、化混合花崗巖，原地質(zhì)鉆探結(jié)果詳見圖3-1。圖3-116#、17#墩鉆孔地質(zhì)柱狀圖由于巖面變化起伏變化很大，試樁時鋼板樁根部遠(yuǎn)未能達(dá)到設(shè)計標(biāo)高-2.86（即要求鋼板樁入土嵌固深度為4.33米，原鋼板樁圍堰設(shè)計詳見圖3-2），重新進(jìn)行地質(zhì)鉆探發(fā)現(xiàn)，圍堰最淺的巖面高達(dá)+1.5m。只能根據(jù)新的地質(zhì)條件修改圍堰設(shè)計方案（修改后的鋼板樁圍堰設(shè)計詳見圖3-3）。根據(jù)新的設(shè)計方案，鋼板樁至少要沉到+0.3的標(biāo)高（即鋼板樁入土嵌固深度為1.7米），并進(jìn)行高壓旋噴注漿固結(jié)鋼板樁入土嵌固的砂層和巖面以下2m。圖3-216#、17#原設(shè)計鋼板樁圍堰剖面圖圖3-316#、17#修改后的鋼板樁圍堰剖面圖但鋼板樁實際施打過

7、程仍有多處無法達(dá)到新的設(shè)計要求。一些淺點的鋼板樁只能到達(dá)+1+1.52m標(biāo)高，圍堰部分入土情況示意圖詳見圖3-4、3-5。圍堰如按原設(shè)計標(biāo)高+2m開挖，鋼板樁最小入土嵌固深度則不足0.5m，而現(xiàn)有的注漿設(shè)備也無法進(jìn)入到風(fēng)化巖層注漿。這樣淺的鋼板樁入土深度和注漿效果，圍堰是否還能干開挖施工？沒有先例可以借鑒，常規(guī)的技術(shù)理論分析結(jié)果是否定的。這些實際情況使鋼板樁圍堰施工陷入了兩難的困境。圖3-4 16號墩左幅圍堰北側(cè)鋼板樁入土深度示意圖圖3-5 16號墩左幅圍堰西側(cè)鋼板樁入土深度示意圖4 圍堰的結(jié)構(gòu)模型受力分析和風(fēng)險判斷鋼板樁入土深度不足，也達(dá)不到進(jìn)行水下混凝土封底的最小高度，如進(jìn)行注漿后干開挖面

8、臨的主要風(fēng)險有兩個方面：圍堰踢腳”的風(fēng)險：鋼板樁入土嵌固深度不足，鋼板樁圍堰根部的土體抗力不夠，不足于抵擋圍堰外圍的水、土壓力，導(dǎo)致鋼板樁根部出現(xiàn)較大的位移，即常規(guī)所說的踢腳”。管涌”的風(fēng)險：鋼板樁圍堰開挖面以下的高壓旋噴注漿未能使鋼板樁根部礫沙層與巖面形成密閉的整體，外圍水壓與注漿礫沙層連通，水壓首先在薄弱點突破，引發(fā)管涌”。以上兩種情況都可能引發(fā)鋼板樁圍堰整體失穩(wěn)坍塌，造成嚴(yán)重的后果。為了更好的掌握圍堰的整體受力狀況和危及結(jié)構(gòu)安全的危險點，避免施工的盲目性，做到心中有數(shù)、風(fēng)險可控，須對圍堰施工面臨的實際問題和危險程度有一個基本的分析。4.1 鋼板樁圍堰整體模型的建立鋼板樁圍堰的結(jié)構(gòu)分析采用

9、midas-Civil有限元分析軟件建立整體模型，圍堰的鋼板樁采用板單元模擬，圍堰支撐的圍檁、水平支撐和斜支撐采用梁單元模擬。鋼板樁根部落在巖面以上，最淺的入土嵌固深度只有0.5m，其側(cè)是由高壓旋噴注漿固結(jié)的沙層作為支承，在這里的約束采用彈簧支承模擬。高壓旋噴固結(jié)的砂層強度估計可達(dá)10MPa,與C20混凝土相當(dāng)，其彈性模量沒有成熟的經(jīng)驗數(shù)據(jù)可查，在這套用C20混凝土的彈性模量。圍堰模型解剖圖見圖4-1。圖4-1 鋼板樁圍堰模型剖析圖4.2 枯水期施工鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)的受力狀況分析由于圍堰抽水、開挖施工控制在于枯水期進(jìn)行，施工水位不會超過+13m。圍堰外圍荷載主要有：水壓力、土壓力、流水壓力、波浪

10、力和風(fēng)壓力。后3種荷載根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，荷載值很小，影響甚微，在此分析中可忽略不計。從分析結(jié)果可知，第一層支撐力甚小，從第二到第四道支撐的構(gòu)件力逐漸加大，當(dāng)組合應(yīng)力值仍較低，支撐材料的強度富余量較大，即便上游水閘臨時泄水，水位上升到+15m，鋼板樁和支撐的力仍有較大的安全儲備，所以各層支撐材料的型號可根據(jù)現(xiàn)有材料條件適當(dāng)優(yōu)化。另為了爭取時間可否省略或緩裝第一層支撐，如不安裝第一層支撐，在外圍水位為+13m時圍堰抽水至+10m，從模型分析結(jié)果可知：圍堰將縮35mm，如省略第一道撐，直接安裝第二道支撐是不能保證鋼板樁圍堰的基本結(jié)構(gòu)尺寸的。4.3 圍堰鋼板樁入土嵌固狀況可靠性分析模型分析結(jié)果顯

11、示鋼板樁根部入土嵌固按0.5m計時，彈性支點的法向壓力最大只有23噸，折算為0.5m厚的注漿固結(jié)沙層的壓強只有0.58MPa，遠(yuǎn)小于其抗壓強度（至少510 MPa）。所以可以認(rèn)為，圍堰發(fā)生整體踢腳”失穩(wěn)的風(fēng)險基本是不存在的。但局部踢腳”的情況還是發(fā)生了。16號墩圍堰下游西南側(cè)在抽沙接近+3m標(biāo)高時發(fā)生了兩根鋼板樁的鎖扣從鋼板樁的根部撕裂的情況，裂口由下往上延至第4道圍檁的下緣。通過調(diào)查研究得出的分析結(jié)果認(rèn)為：主要的原因是高壓旋噴注漿施工中，注漿孔的定位偏差和漏注點的存在，以及抽沙泵局部超挖掏空鋼板樁根所致。這種現(xiàn)象可以從模型分析中進(jìn)一步求證：把鋼板樁圍堰一側(cè)根部個別節(jié)點彈性支座下移并換成砂層的

12、抗壓剛度，加載運算后圍堰在該處的水平位移發(fā)生了突變，位移量達(dá)60mm（見圖4-4）,這無疑是造成鋼板樁鎖扣撕裂的主要原因。對此類問題的處理，如企圖讓鋼板樁裂口回位合攏是不現(xiàn)實的。當(dāng)時采取的處理辦法是將鋼板樁鎖扣的裂縫進(jìn)行鋼板焊連，避免裂口再有新的擴展，同時在鋼板樁鎖扣撕裂處的外圍小圍打一排鋼板樁將其包圍，并通過高壓旋噴注漿固結(jié)鋼板樁裂口外圍的砂層，以切斷流水通道達(dá)到封堵裂口的目的。圍堰抽水后顯示這種處理效果十分理想，裂口沒有擴展，滲水也不多，這也為后期其他漏水問題的處理提供了可借鑒的辦法。圖4-4 鋼板樁圍堰局部踢腳”變形圖4.4 鋼板樁圍堰干開挖面發(fā)生管涌”的風(fēng)險和危害程度分析鋼板樁圍堰基底

13、的穩(wěn)定性取決于臨界水力坡降icy。臨界水力坡降與土粒相對密度Gs及土體的空隙比e有關(guān)。對于Gs=2.65，e=0.65的粉層沙：臨界水力坡降icy= （Gs-1）/(1+e)=1。15號墩圍堰鋼板樁入土深度達(dá)到設(shè)計要求，且為水中筑島鋼板樁圍堰后再干開挖，其粘土層很厚，水力坡降i遠(yuǎn)小于允許水力坡降i = icy /1.5=0.67，抗隆起穩(wěn)定性驗算安全系數(shù)遠(yuǎn)大于2，所以15號墩圍堰的干開挖是安全的。18號墩鋼板樁施工鋼板樁根部基本都能到達(dá)設(shè)計標(biāo)高-1.26m，開挖底標(biāo)高為+2.55m，開挖面以下為細(xì)砂，其水力坡降i計算如下：圍堰開挖到+2.55m時，最短滲徑長度L為：L=8.84-(-1.26)

14、+2.55-(-1.26)=13.91m（1）圍堰外水頭差為：H=13-2.55=10.45m (2)水力坡降i =H/L =0.75icy=1水力坡降i小于臨界水力坡降值，但大于允許水力坡降i = icy /1.5=0.67。這種情況干開挖的管涌”風(fēng)險不大。但開挖接近標(biāo)高期間須嚴(yán)密監(jiān)視圍堰和開挖面的變化情況。為了穩(wěn)妥起見，實際施工時采用了分臺階分段開挖到標(biāo)高，分塊澆筑墊層混凝土的措施，以策安全。16、17號墩圍堰均存在淺點（局部巖面標(biāo)高+1.5m）的問題，鋼板樁最小入土埋深只有0.5m左右，按此標(biāo)高計算的水力坡降結(jié)果如下：圍堰開挖到+2.0m時，滲徑長度L為：L=8.14-1.5+2.0-1

15、.5=7.14m (3)圍堰外水頭差為：H=13-2.0=11.0m (4)水力坡降I =H/L =1.54icy=1實際水力坡降大于臨界坡降，如采取干開挖，必然發(fā)生管涌”。穩(wěn)妥的施工方案應(yīng)是采取水下開挖后進(jìn)行水下混凝土封底。但由于標(biāo)高所限，可能的封底混凝土厚度不夠，遠(yuǎn)未能滿足圍堰抗浮和水下混凝土抗彎強度的要求，所以只能另辟解決的途徑。從臨界水力坡降icy的計算公式可以看到提高臨界水力坡降的途徑是可通過提高土粒相對密度Gs和降低土體的空隙比e來實現(xiàn)的。管涌的幾何條件是：土中粗顆粒所形成的空隙直徑必須大于細(xì)顆粒的直徑，才能讓細(xì)顆粒在其中移動。管涌的水力條件是：水的滲透力能夠帶動細(xì)顆粒在土體空隙間

16、移動。顯然對圍堰沙層進(jìn)行注漿固結(jié)是切斷水的滲透力帶動細(xì)顆粒在土體空隙間移動路徑的有效措施。如果高壓旋噴注漿能將鋼板樁根部的沙層與巖面固結(jié)成為一個不透水的整體，完全切斷水頭壓力對圍堰基底的浮托力，當(dāng)然是最理想的效果。但由于水下高壓旋噴注漿難免存在漏注和注點擴散半徑重疊不足的問題，使沙層與巖面固結(jié)成為一個不透水的整體，完全切斷水的滲透力帶動細(xì)顆粒在土體空隙間移動的路徑是難于實現(xiàn)的。不過高壓旋噴的水泥漿畢竟固結(jié)了大部分的沙土顆粒，注漿滲透不均勻所留下的空隙能形成的流沙通道已十分有限，即使發(fā)生管涌”的條件依然存在，但土體的抗?jié)B阻力已有較大提高，從流砂”發(fā)展到管涌”的漸變過程時間已大幅延長。這就使管涌”

17、爆發(fā)前的人員、設(shè)備撤離留有足夠的時間，從而降低了管涌”風(fēng)險的危害程度。當(dāng)然最有效的降低水力坡降的途徑是提高承臺底標(biāo)高，即提高開挖面標(biāo)高，以延長透水滲徑。，為了進(jìn)一步降低安全風(fēng)險，經(jīng)過多方的研究協(xié)商，最終決定承臺底標(biāo)高提高1米，這樣承臺的頂標(biāo)高基本上仍可控制在原河床面以下。承臺標(biāo)高提高1m后圍堰開挖到+3.0m時，滲徑長度L為：L=8.14-1.5+3.0-1.5=8.14m (5)圍堰外水頭差為：H=13-3.0=10.0m (6)水力坡降i =H/L =1.23icy=1水力坡降i 由1.54降到1.23，管涌”的風(fēng)險也有所降低了。加上圍堰底層注漿固結(jié)作用大幅提高了砂層的抗?jié)B阻力，還有幾十厘

18、米的混凝土墊層壓頂，使管涌”的風(fēng)險進(jìn)一步降低，為圍堰的干開挖施工創(chuàng)造了條件，變不可能成為了可能。4.5 堵、疏結(jié)合是解決管涌”的主要途徑主墩4個水中鋼板樁圍堰進(jìn)行干開挖施工過程，16號墩下游側(cè)圍堰先后發(fā)生過2起漸變性管涌”，其原因與其相應(yīng)的工藝措施和注漿質(zhì)量控制水平的差異不無關(guān)系。16號墩圍堰先行施工，其注槳工藝為：圍堰原設(shè)計開挖面+2m以下沙層至巖面（注漿設(shè)備鉆頭不能進(jìn)入巖層）均勻注漿（單管高壓旋噴樁設(shè)計樁徑為60cm，樁距50cm，即按相鄰樁間相互搭接10cm布置），另外對部分入土較淺的鋼板樁外圍也進(jìn)行局部注漿加強。抽水干開挖后，上游側(cè)圍堰曾出現(xiàn)過險情，但控制及時沒有引發(fā)管涌；但下游側(cè)圍堰

19、卻幾經(jīng)周折，先后發(fā)生了一次2根鋼板樁根部踢腳”、鎖扣撕裂和兩次管涌”。第一次管涌”是在圍堰抽水開挖接近+3m時發(fā)生的，前后經(jīng)過2個多小時從滲水、涌水、流沙到管涌”的漸變過程，流沙的路徑是由圍堰的北側(cè)外圍穿過圍堰基底十幾米，在一根位于圍堰西南側(cè)的600鋼管樁底部涌出。這次管涌”在圍堰北側(cè)外圍形成了一個面積近10m3m的深坑。第二次管涌則出現(xiàn)在鋼護(hù)筒與混凝土樁間泥皮所形成的縫隙，但由于涌水縫隙較小，且回灌水及時，沒在圍堰外圍造成大的塌孔。經(jīng)過施工記錄資料分析，16號墩上游側(cè)圍堰的注漿質(zhì)量控制較好，下游側(cè)因更換了新手操作，導(dǎo)致注漿質(zhì)量存在缺陷。顯然下游側(cè)圍堰由于注漿不均勻，導(dǎo)致圍堰基底注漿固結(jié)的砂層

20、與巖面間仍存在一些連通外圍水頭壓力的通道，水壓在這個透水空間向上尋求薄弱的突破口。圍堰未拆除的600鋼管樁底部是未注漿固結(jié)的沙土、鋼護(hù)筒與混凝土樁間泥皮所形成的縫隙都是管涌”切入的薄弱點。有效的解決辦法是在圍堰的外圍查找漏水口，進(jìn)行拋砂注漿切斷流水通道，并在漏水口外圍增加一層鋼板樁包裹，同時對圍堰的管涌點進(jìn)行水下注漿封堵。注漿固結(jié)體達(dá)到一定強度后進(jìn)行抽水，抽干水后保留承臺周邊模板以外的滲水點，把壓力水引到承臺以外區(qū)域進(jìn)行排水減壓。為了控制流水帶出沙土，在滲水面鋪設(shè)透水的土工布，并用沙袋壓實，使其保持滲流排水而不流沙的狀態(tài)，以降低圍堰基底的水壓。這些工藝措施最終使圍堰干開挖施工獲得成功。17號墩

21、鋼板樁圍堰采取的注漿工藝在16號墩工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，重點在鋼板樁外兩側(cè)邊1m圍加高加密注漿，固結(jié)砂層以握裹鋼板樁根部，并在圍堰基底+2m標(biāo)高以下圍全面注漿。這些工藝措施的改進(jìn)，基本上阻隔了外圍水壓，上、下游2個圍堰的干開挖比較順利，其間出現(xiàn)一些基底滲水流沙的情況，通過局部壓載和疏導(dǎo)均可達(dá)到可控，從干開挖到承臺首層混凝土澆筑過程均未發(fā)生管涌”事故。當(dāng)然這些工藝措施實施后，圍堰基底的穩(wěn)定往往仍是處在有限的甚至是臨界的平衡狀態(tài)，圍堰外圍的水位變化升高都可能打破這種平衡。所以在開挖到達(dá)承臺底標(biāo)高后，應(yīng)盡快進(jìn)行承臺首層混凝土的澆筑，唯有承臺首層的混凝土澆筑了，圍堰才具有可靠的安全保障。5 問題與反思主橋圍堰施工經(jīng)歷了多次險情和反復(fù)，不斷的根據(jù)實際情況變更設(shè)計和改變施工方案，施工期間出現(xiàn)的問題和最終的解決方案有許多是值得我們反思和總結(jié)的，主要體會有以下幾點：在覆蓋層較淺的河