范發(fā)財

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300308)

1 工程概況

平潭海峽公鐵大橋平潭段位于福建省平潭縣，全長5.28 km(跨北東口水道部分長3.7 km)，其中淺水區(qū)部分1.49 km、深水區(qū)部分2.222 km，公鐵主跨為92 m+2×168 m+92 m預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋；引橋上層公路部分為連續(xù)箱梁，下層鐵路部分為簡支梁?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑有4種，分別為φ2.0 m、φ2.5 m、φ2.8 m、φ3.0 m，樁長12～90 m，嵌固深度5.2～15 m。以B41號墩為代表的深水區(qū)鉆孔灌注樁，施工時最大水深42 m，最大潮差為7.0 m，最大浪高達6.3 m，最大流速3.09 m/s；同時海床面起伏較大，單墩最大高差11 m，單樁最大高差2.8 m，并分布有0～5 m厚度不等的粉砂、粉質(zhì)黏土覆蓋層，部分區(qū)域含有大塊孤石，其下為強度、硬度較高的凝灰?guī)r及花崗巖基巖，抗壓強度fcu＝180 MPa。

該工程橋址區(qū)域地質(zhì)、水文條件復雜惡劣，考慮施工技術(shù)及設(shè)計要求，并參考已有工程[1-2]，樁基施工時采用海上鉆孔平臺，沖擊鉆反循環(huán)法成孔，利用相鄰鋼護筒作為泥漿池。由于橋址深水區(qū)海床面傾斜度大、覆蓋層厚度不均、高強度孤石(多為凝灰?guī)r)較多，導致鋼護筒難以插入巖層內(nèi)；同時，該海域最大潮差達7 m，鋼護筒內(nèi)泥漿壓力與外部水壓力、土壓力平衡控制難，導致施工時易出現(xiàn)泥漿滲漏現(xiàn)象，影響施工進度及效率，并對周圍海域環(huán)境造成污染。本文以最具代表性的B41號墩為例，從理論分析和現(xiàn)場試驗現(xiàn)象綜合分析鉆孔樁施工過程中的漏漿機理，并根據(jù)該機理提出相應(yīng)處理措施，為類似工程問題提供處理依據(jù)。

2 漏漿現(xiàn)象

鉆孔灌注樁施工時，該工程深水區(qū)內(nèi)鋼護筒內(nèi)部泥漿壓力與外部水壓力較難保持平衡，出現(xiàn)較為嚴重的漏漿現(xiàn)象。主跨B41號墩區(qū)域覆蓋層厚度約5 m，且含有大量孤石及塊石土，其地質(zhì)情況見圖1。施工時，鋼護筒遇到孤石及塊石土后無法繼續(xù)打入，導致其埋入深度較小；同時，鋼護筒和傾斜巖面接觸處存在較大的縫隙，出現(xiàn)漏漿且漿面下降較快(約50 cm/min)的現(xiàn)象；在鉆至孤石下方砂土層后，由于鋼護筒內(nèi)水壓力較大，導致下方砂土層發(fā)生漏漿，漏漿速度較為緩慢(約30 cm/min)。

圖1 B41號墩地質(zhì)情況

以B41號墩為代表，該工程出現(xiàn)的漏漿現(xiàn)象有以下特點:(1)施工中突然出現(xiàn)漏漿，鋼護筒內(nèi)泥漿液面下降速度較快，達到40～60 cm/min；(2)鋼護筒內(nèi)部泥漿下降4～6 m后，泥漿液面保持穩(wěn)定；(3)泥漿從海床面滲漏而出；(4)堵漏處理后漏漿即停止，若繼續(xù)鉆進一定深度后可能在其他位置再次出現(xiàn)漏漿。

3 漏漿機理分析

3.1 鋼護筒埋置深度計算

漏漿現(xiàn)象本質(zhì)上為土顆粒所受內(nèi)部泥漿壓力大于外部水壓力及土壓力時的滲流問題[3]。確定鋼護筒理論埋置深度計算模型時，由于海底覆蓋層土體處于飽和狀態(tài)，假設(shè)土內(nèi)孔隙完全由水填充，并將滲流過程簡化為3個階段:(1)高潮位時未出現(xiàn)泥漿滲流現(xiàn)象，假設(shè)鋼護筒埋置深度范圍內(nèi)均未有泥漿滲透(見圖2a)；(2)低潮位時，泥漿恰好滲透至海床面，但未進入海水(見圖2b)，此時鋼護筒內(nèi)泥漿液面尚未發(fā)生變化，由于孔隙較小，故在泥漿向覆蓋層滲透過程中存在摩擦及粘滯阻力等作用；(3)低潮位時，當泥漿滲透至海面，其液面下降至某一穩(wěn)定高度后(見圖2c)，忽略泥漿滲流速度的影響，由此損失的壓力差完全平衡其滲透過程中孔隙內(nèi)的阻力作用，由此得到鋼護筒埋置深度L計算公式[4]:

圖2 鉆孔灌注樁泥漿滲透示意

式中:γm為泥漿重度，取13 kN/m3；γw為海水重度，取10 kN/m3；ΔH為潮差，該工程為7 m；Δh為泥漿下降高度，該工程取4～6 m。

發(fā)生漏漿時測得鋼護筒內(nèi)漿面下降高度Δh＝4 m時，由式(1)得到鋼護筒埋置深度L＝6 m。B41號墩部分鋼護筒實際埋置深度見表1?？梢钥闯?，該墩鋼護筒的實際埋置深度均小于或等于理論計算值(6 m)，由此導致內(nèi)部泥漿壓力超過外部水壓力及土壓力，故施工時出現(xiàn)較為嚴重的漏漿現(xiàn)象。

表1 B41號墩1～4號鋼護筒埋置深度

3.2 滲流場數(shù)值模擬

計算鋼護筒埋置深度時隱含土層均勻性、一致性、各向同性等假定，實際上B41號墩區(qū)域土層分布不均勻且存在較大孤石，會影響埋置深度計算結(jié)果的精度。為進一步揭示其漏漿機理，采用流體分析軟件Comsol Multiphysics建立滲流場分析模型，計算該區(qū)域海床內(nèi)孔隙水壓及水力坡降。

針對漏漿嚴重的B41號墩1～4號鋼護筒區(qū)域，采用平面滲流理論分析[5-6]，基于達西定律，同一土層位置水頭H滿足Laplace方程，不同土層滲透系數(shù)滿足連續(xù)性方程。

Laplace方程:

連續(xù)性方程:

式中:k1、k2為相鄰土層的滲透系數(shù)；α1、α2為流線與相鄰土層法線的夾角；H為位置水頭；x、y分別為水平及豎直方向坐標。

滲流場模型寬度取60 m，高度取17 m(底部不透水邊界至海床表面)，單元最大尺寸0.91 m，單元最小尺寸0.133 m。海床面設(shè)為自由排水邊界，壓力水頭H0＝0 m；兩側(cè)邊界為非排水邊界并約束水平方向位移；底部邊界為非排水邊界并約束豎直方向的位移；地基中的孤石和鋼護筒壁簡化為非排水邊界條件；鋼護筒底部土層表面簡化為自由排水邊界，為考慮潮汐作用產(chǎn)生的水頭差，在該表面上施加壓力水頭H＝4sin+6，即最大水頭Hmax＝10 m，最小水頭Hmin＝2 m。B41號橋墩區(qū)域內(nèi)土層分布見表2。

表2 B41號橋墩區(qū)域內(nèi)土層分布及參數(shù)

高潮位及低潮位時海床內(nèi)的孔隙水壓(以壓力水頭H表示)計算結(jié)果見圖3。由圖3可知，潮差作用導致鋼護筒內(nèi)外壓力差發(fā)生變化，低潮位時壓力差明顯大于高潮位，從而易發(fā)生漏漿。高潮位時，鋼護筒內(nèi)外水頭差最小，海床孔隙水壓較小，滲流速度較慢；低潮位時，鋼護筒內(nèi)外水頭差最大，海床孔隙水壓較大，滲流速度較快。此外，由于地基土層分布不均勻并存在孤石，對海床內(nèi)滲流場分布產(chǎn)生影響，泥漿滲流方向在土層交界處以及孤石邊界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)；在接近海床地基表面時，滲透方向變?yōu)樨Q直向上。

圖3 高潮位和低潮位時海床孔隙水壓計算結(jié)果

海床內(nèi)不同位置處水力坡降計算結(jié)果見圖4。由圖4可知，鋼護筒底部及孤石附近水力坡降較大，由此導致的滲透力較大，是發(fā)生泥漿滲流的主要原因。參考陸高明等提出的臨界水力坡降icr計算公式[7]，經(jīng)計算可知，該工程icr＝0.57。海床水力坡降計算結(jié)果與圖1中實際漏漿位置對比，可知該處水力坡降計算結(jié)果均大于臨界值，說明本文建立的滲流場分析模型正確。

圖4 海床水力坡降計算結(jié)果

4 漏漿處理措施

該工程B41號墩區(qū)域漏漿現(xiàn)象出現(xiàn)在兩個位置:(1)鋼護筒與孤石接觸處；(2)存在孤石分布滲透性較強的塊石土層。針對該工程特點，并參考已有經(jīng)驗[8-9]，選用回填片石及黏土處理漏漿問題，即在漏漿位置采用夯實的碎石及黏土，形成具有一定抗剪強度且滲透較低的人工護壁，回填片石及黏土方案見圖5。

圖5 回填片石及黏土方案示意

對于鋼護筒底部遇有孤石而埋深不足(圖1中漏漿位置1)的漏漿位置，每次采用30 m3片石、15 m3黏土及15 t水泥進行換填，分3次進行，換填高度距離漏漿位置5 m[10]；對于孤石下方塊石土層孔隙率大而透水能力較強(圖2中漏漿位置2)的漏漿位置，每次采用10 m3片石、10 m3黏土進行換填，換填2次，換填高度距離漏漿位置1.5 m[11-12]。實際采用此方案后，漏漿現(xiàn)象明顯減弱，低潮位時已無漏漿痕跡。

5 結(jié)束語

本文針對平潭海峽公鐵大橋鉆孔灌注樁施工時鋼護筒發(fā)生的漏漿問題進行理論分析，并考慮土層不均勻性和孤石影響對滲流場進行了數(shù)值模擬，最后參考類似工程的相關(guān)經(jīng)驗提出處理措施，主要結(jié)論如下:

(1)結(jié)合工程特點對漏漿現(xiàn)象進行理論分析，采用基于鋼護筒內(nèi)外壓力平衡原理得到的鋼護筒埋置深度計算公式，計算本工程鋼護筒的最小埋置深度。計算結(jié)果表明，鋼護筒埋置深度不足是漏漿的主要原因。

(2)針對該工程土層不均勻及埋有大量孤石等地質(zhì)條件，采用流體分析軟件Comsol Multiphysics對B41號墩區(qū)域內(nèi)滲流場進行分析，簡化邊界條件并考慮潮差作用，得到了相應(yīng)的孔隙水壓及滲流場分布情況，數(shù)值結(jié)果與實際情況吻合較好。

(3)參考已有工程處理經(jīng)驗，選擇回填片石及黏土方案對漏漿位置進行處理，實施后堵漏效果較為理想。