水下浅埋钢板桩围堰施工期的安全风险和应对工艺措施分析

水下浅埋钢板桩围堰施工期的安全风险和应对工艺措施分析陈鸣 陈衡 陆广明 （中交四航局第一工程有限公司, 广东 广州 510500）摘 要：水下钢板桩围堰施工中钢板桩入土深度是围堰整体安全稳定性的关键之一，当钢板桩入土深度无法达到基本要求时，如何分析风险，采取什么应对工艺措施以转危为安，是本文探讨的要点。关键词： 钢板桩围堰；钢板桩入土深度；管涌；高压旋喷注浆1 前言 钢板桩围堰是修建桥梁深水基础的传统工艺之一，其具有灵活机动、适应性强、可重复利用、效率高、成本低、工艺成熟的特点。但在安全可靠性方面与目前更为流行的双壁钢围堰比，确有其不足和局限。其中钢板桩能否达到相应的入土嵌固深度，是围堰整体安全稳定性的关键之一。我公司承建的蚌埠市大庆路淮河公路桥在主墩承台钢板桩围堰施工中，遇到了岩层埋藏浅、岩面标高起伏变化大（原地质资料未能真实反映），最浅处距承台底开挖面不足半米，复杂地质情况使钢板桩围堰施工陷入了十分被动的局面。由于钢板桩入土太浅，引发了一系列的安全隐患和施工难题，在克服这些困难最终赢得成功的过程中，使我们对钢板桩围堰的结构特点和应对施工风险的技术措施有了进一步的认识和掌握，分析和总结其中的缘由和机理，对我们今后的施工将会更具借鉴和指导的意义。2 工程简介蚌埠市大庆路公路桥位于蚌埠市西部、淮河枢纽工程下游。我公司承建的主桥及北引桥，里程桩号K0+390.5K1+276.5，全长886m。其中主桥跨径组合为（80m+200m+80m）的自锚式悬索桥。桥梁立面图见图2-1。图2-1 蚌埠市大庆路淮河公路桥立面图主桥过渡墩为15#墩与18#墩，主墩为16#、17#墩均为分离式承台。其平面布置见图2-2。承台设计参数见表2-1。图2-2 主桥承台平面布置示意图表2-1 主桥承台设计参数表墩号平面尺寸(m)顶面高程(m)底面高程(m)高度(m)河床面标高(m)承台入土深度(m)施工方式15#10.29.2+10.127+6.1274.0+11.349.87筑岛钢板桩围堰16#16.211.2+7.069+2.0695.0+8.146.07水中钢板桩围堰17#16.211.2+7.069+2.0695.0+7.395.32水中钢板桩围堰18#10.29.2+7.151+3.1514.0+8.8412.85水中钢板桩围堰3 围堰设计与施工情况根据现场施工条件和进度要求，该桥采用先搭设水上钻桩平台完成桩基础施工后，再进行钢板桩围堰施工。围堰的平面尺寸按承台平面几何尺寸向外扩大1.5m，其中过渡墩15#、18#墩围堰的平面尺寸为：13.2m12.2m，16#、17#主墩围堰的平面尺寸为：19.2m15.2m。围堰钢板桩的入土深度根据地质条件的实际情况先后进行了多次调整位。围堰采用拉森式钢板桩，其中16#、17围堰的内支撑材料见表3-1。表3-1 16#、17围檩及支撑材料表层号中心标高围檩横撑角撑第1层+14.0m2I56a63086308第2层+11.0m2I56a63086308第3层+8.0m3I56a8201282012第4层+5.0m3I56a820128201215#、18#墩处覆盖层主要由粉土粘土、粉土、细砂、中砂、砾砂构成，覆盖层较厚，比较适合钢板桩围堰施工。但由于粉质粘土粘性很大，振动锤高频振动也无法液化，造成沉桩阻力很大，沉桩效率很低。后通过引孔、泡水和加大振动锤功率等工艺措施，钢板桩基本上都能沉放达到设计标高。16#、17#主墩位于淮河航道中，覆盖层主要由粉土、粘土、细砂、砾砂构成，覆盖层厚度5.511m，变化甚大。下伏基岩由上至下依次为全风化角闪岩、强风化混合花岗岩、中风化角闪岩、中风化混合花岗岩，原地质钻探结果详见图3-1。图3-1 16#、17#墩钻孔地质柱状图由于岩面变化起伏变化很大，试桩时钢板桩根部远未能达到设计标高-2.86（即要求钢板桩入土嵌固深度为4.33米，原钢板桩围堰设计详见图3-2），重新进行地质钻探发现，围堰最浅的岩面高达+1.5m。只能根据新的地质条件修改围堰设计方案（修改后的钢板桩围堰设计详见图3-3）。根据新的设计方案，钢板桩至少要沉到+0.3的标高（即钢板桩入土嵌固深度为1.7米），并进行高压旋喷注浆固结钢板桩入土嵌固的砂层和岩面以下2m。图3-2 16#、17#原设计钢板桩围堰剖面图图3-3 16#、17#修改后的钢板桩围堰剖面图但钢板桩实际施打过程仍有多处无法达到新的设计要求。一些浅点的钢板桩只能到达+1+1.52m标高，围堰部分入土情况示意图详见图3-4、3-5。围堰如按原设计标高+2m开挖，钢板桩最小入土嵌固深度则不足0.5m，而现有的注浆设备也无法进入到风化岩层注浆。这样浅的钢板桩入土深度和注浆效果，围堰是否还能干开挖施工？没有先例可以借鉴，常规的技术理论分析结果是否定的。这些实际情况使钢板桩围堰施工陷入了两难的困境。图3-4 16号墩左幅围堰北侧钢板桩入土深度示意图图3-5 16号墩左幅围堰西侧钢板桩入土深度示意图4 围堰的结构模型受力分析和风险判断钢板桩入土深度不足，也达不到进行水下混凝土封底的最小高度，如进行注浆后干开挖面临的主要风险有两个方面： 围堰“踢脚”的风险：钢板桩入土嵌固深度不足，钢板桩围堰根部的土体抗力不够，不足于抵挡围堰外围的水、土压力，导致钢板桩根部出现较大的位移，即常规所说的“踢脚”。 “管涌”的风险：钢板桩围堰开挖面以下的高压旋喷注浆未能使钢板桩根部砾沙层与岩面形成密闭的整体，外围水压与注浆砾沙层连通，水压首先在薄弱点突破，引发“管涌”。以上两种情况都可能引发钢板桩围堰整体失稳坍塌，造成严重的后果。为了更好的掌握围堰的整体受力状况和危及结构安全的危险点，避免施工的盲目性，做到心中有数、风险可控，须对围堰施工面临的实际问题和危险程度有一个基本的分析。4.1 钢板桩围堰整体模型的建立钢板桩围堰的结构分析采用midas-Civil有限元分析软件建立整体模型，围堰的钢板桩采用板单元模拟，围堰内支撑的围檩、水平支撑和斜支撑采用梁单元模拟。钢板桩根部落在岩面以上，最浅的入土嵌固深度只有0.5m，其内侧是由高压旋喷注浆固结的沙层作为支承，在这里的约束采用弹簧支承模拟。高压旋喷固结的砂层强度估计可达10MPa,与C20混凝土相当，其弹性模量没有成熟的经验数据可查，在这套用C20混凝土的弹性模量。围堰模型解剖图见图4-1。图4-1 钢板桩围堰模型剖析图4.2 枯水期施工钢板桩围堰结构的受力状况分析由于围堰抽水、开挖施工控制在于枯水期进行，施工水位不会超过+13m。围堰外围荷载主要有：水压力、土压力、流水压力、波浪力和风压力。后3种荷载根据施工现场的实际情况，荷载值很小，影响甚微，在此分析中可忽略不计。从分析结果可知，第一层内支撑内力甚小，从第二到第四道内支撑的构件内力逐渐加大，当组合应力值仍较低，内支撑材料的强度富余量较大，即便上游水闸临时泄水，水位上升到+15m，钢板桩和内支撑的内力仍有较大的安全储备，所以各层内支撑材料的型号可根据现有材料条件适当优化。另为了争取时间可否省略或缓装第一层内支撑，如不安装第一层内支撑，在外围水位为+13m时围堰内抽水至+10m，从模型分析结果可知：围堰将内缩35mm，如省略第一道内撑，直接安装第二道内支撑是不能保证钢板桩围堰的基本结构尺寸的。 4.3 围堰钢板桩入土嵌固状况可靠性分析模型分析结果显示钢板桩根部入土嵌固按0.5m计时，弹性支点的法向压力最大只有23吨，折算为0.5m厚的注浆固结沙层的压强只有0.58MPa，远小于其抗压强度（至少510 MPa）。所以可以认为，围堰发生整体“踢脚”失稳的风险基本是不存在的。但局部“踢脚”的情况还是发生了。16号墩围堰下游西南侧在抽沙接近+3m标高时发生了两根钢板桩的锁扣从钢板桩的根部撕裂的情况，裂口由下往上延至第4道围檩的下缘。通过调查研究得出的分析结果认为：主要的原因是高压旋喷注浆施工中，注浆孔的定位偏差和漏注点的存在，以及抽沙泵局部超挖掏空钢板桩根所致。这种现象可以从模型分析中进一步求证：把钢板桩围堰一侧根部个别节点弹性支座下移并换成砂层的抗压刚度，加载运算后围堰在该处的水平位移发生了突变，位移量达60mm（见图4-4）,这无疑是造成钢板桩锁扣撕裂的主要原因。对此类问题的处理，如企图让钢板桩裂口回位合拢是不现实的。当时采取的处理办法是将钢板桩锁扣的裂缝进行钢板焊连，避免裂口再有新的扩展，同时在钢板桩锁扣撕裂处的外围小范围打一排钢板桩将其包围，并通过高压旋喷注浆固结钢板桩裂口外围的砂层，以切断流水通道达到封堵裂口的目的。围堰抽水后显示这种处理效果十分理想，裂口没有扩展，渗水也不多，这也为后期其他漏水问题的处理提供了可借鉴的办法。图4-4 钢板桩围堰局部 “踢脚”变形图4.4 钢板桩围堰内干开挖面发生“管涌”的风险和危害程度分析钢板桩围堰基底的稳定性取决于临界水力坡降icy。临界水力坡降与土粒相对密度Gs及土体的空隙比e有关。对于Gs=2.65，e=0.65的粉层沙：临界水力坡降icy= （Gs-1）/(1+e)=1。15号墩围堰钢板桩入土深度达到设计要求，且为水中筑岛钢板桩围堰后再干开挖，其粘土层很厚，水力坡降i远小于允许水力坡降i = icy /1.5=0.67，抗隆起稳定性验算安全系数远大于2，所以15号墩围堰的干开挖是安全的。18号墩钢板桩施工钢板桩根部基本都能到达设计标高-1.26m，开挖底标高为+2.55m，开挖面以下为细砂，其水力坡降i计算如下：围堰内开挖到+2.55m时，最短渗径长度L为：L=8.84-(-1.26)+2.55-(-1.26)=13.91m （1）围堰内外水头差为：H=13-2.55=10.45m (2)水力坡降i =H/L =0.75icy=1水力坡降i小于临界水力坡降值，但大于允许水力坡降i = icy /1.5=0.67。这种情况干开挖的“管涌”风险不大。但开挖接近标高期间须严密监视围堰和开挖面的变化情况。为了稳妥起见，实际施工时采用了分台阶分段开挖到标高，分块浇筑垫层混凝土的措施，以策安全。16、17号墩围堰均存在浅点（局部岩面标高+1.5m）的问题，钢板桩最小入土埋深只有0.5m左右，按此标高计算的水力坡降结果如下：围堰内开挖到+2.0m时，渗径长度L为：L=8.14-1.5+2.0-1.5=7.14m (3)围堰内外水头差为：H=13-2.0=11.0m (4)水力坡降I =H/L =1.54icy=1实际水力坡降大于临界坡降，如采取干开挖 ，必然发生“管涌”。稳妥的施工方案应是采取水下开挖后进行水下混凝土封底。但由于标高所限，可能的封底混凝土厚度不够，远未能满足围堰抗浮和水下混凝土抗弯强度的要求，所以只能另辟解决的途径。从临界水力坡降icy的计算公式可以看到提高临界水力坡降的途径是可通过提高土粒相对密度Gs和降低土体的空隙比e来实现的。管涌的几何条件是：土中粗颗粒所形成的空隙直径必须大于细颗粒的直径，才能让细颗粒在其中移动。管涌的水力条件是：水的渗透力能够带动细颗粒在土体空隙间移动。显然对围堰沙层进行注浆固结是切断水的渗透力带动细颗粒在土体空隙间移动路径的有效措施。如果高压旋喷注浆能将钢板桩根部的沙层与岩面固结成为一个不透水的整体，完全切断水头压力对围堰基底的浮托力，当然是最理想的效果。但由于水下高压旋喷注浆难免存在漏注和注点扩散半径重叠不足的问题，使沙层与岩面固结成为一个不透水的整体，完全切断水的渗透力带动细颗粒在土体空隙间移动的路径是难于实现的。不过高压旋喷的水泥浆毕竟固结了大部分的沙土颗粒，注浆渗透不均匀所留下的空隙能形成的流沙通道已十分有限，即使发生“管涌”的条件依然存在，但土体的抗渗阻力已有较大提高，从“流砂”发展到“管涌”的渐变过程时间已大幅延长。这就使“管涌”爆发前的人员、设备撤离留有足够的时间，从而降低了“管涌”风险的危害程度。当然最有效的降低水力坡降的途径是提高承台底标高，即提高开挖面标高，以延长透水渗径。，为了进一步降低安全风险，经过多方的研究协商，最终决定承台底标高提高1米，这样承台的顶标高基本上仍可控制在原河床面以下。承台标高提高1m后围堰内开挖到+3.0m时，渗径长度L为：L=8.14-1.5+3.0-1.5=8.14m (5)围堰内外水头差为：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”的风险也有所降低了。加上围堰底层注浆固结作用大幅提高了砂层的抗渗阻力，还有几十厘米的混凝土垫层压顶，使“管涌”的风险进一步降低，为围堰内的干开挖施工创造了条件，变不可能成为了可能。 4.5 堵、疏结合是解决“管涌”的主要途径主墩4个水中钢板桩围堰进行干开挖施工过程，16号墩下游侧围堰先后发生过2起渐变性“管涌”，其原因与其相应的工艺措施和注浆质量控制水平的差异不无关系。16号墩围堰先行施工，其注桨工艺为：围堰内原设计开挖面+2m以下沙层至岩面（注浆设备钻头不能进入岩层）均匀注浆（单管高压旋喷桩设计桩径为60cm，桩距50cm，即按相邻桩间相互搭接10cm布置），另外对部分入土较浅的钢板桩外围也进行局部注浆加强。抽水干开挖后，上游侧围堰曾出现过险情，但控制及时没有引发管涌；但下游侧围堰却几经周折，先后发生了一次2根钢板桩根部“踢脚”、锁扣撕裂和两次“管涌”。第一次“管涌”是在围堰抽水开挖接近+3m时发生的，前后经过2个多小时从渗水、涌水、流沙到“管涌”的渐变过程，流沙的路径是由围堰的北侧外围穿过围堰基底十几米，在一根位于围堰内西南侧的600钢管桩底部涌出。这次“管涌”在围堰北侧外围形成了一个面积近10m3m的深坑。第二次管涌则出现在钢护筒与混凝土桩间泥皮所形成的缝隙，但由于涌水缝隙较小，且回灌水及时，没在围堰外围造成大的塌孔。经过施工记录资料分析，16号墩上游侧围堰的注浆质量控制较好，下游侧因更换了新手操作，导致注浆质量存在缺陷。显然下游侧围堰由于注浆不均匀，导致围堰基底注浆固结的砂层与岩面间仍存在一些连通外围水头压力的通道，水压在这个透水空间向上寻求薄弱的突破口。围堰内未拆除的600钢管桩底部是未注浆固结的沙土、钢护筒与混凝土桩间泥皮所形成的缝隙都是“管涌”切入的薄弱点。有效的解决办法是在围堰的外围查找漏水口，进行抛砂注浆切断流水通道，并在漏水口外围增加一层钢板桩包裹，同时对围堰内的管涌点进行水下注浆封堵。注浆固结体达到一定强度后进行抽水，抽干水后保留承台周边模板以外的渗水点，把压力水引到承台以外区域进行排水减压。为了控制流水带出沙土，在渗水面铺设透水的土工布，并用沙袋压实，使其保持渗流排水而不流沙的状态，以降低围堰内基底的水压。这些工艺措施最终使围堰干开挖施工获得成功。 17号墩钢板桩围堰采取的注浆工艺在16号墩工艺的基础上进行了改进，重点在钢板桩内外两侧边1m范围内加高加密注浆，固结砂层以握裹钢板桩根部，并在围堰内基底+2m标高以下范围全面注浆。这些工艺措施的改进，基本上阻隔了外围水压，上、下游2个围堰内的干开挖比较顺利，其间出现一些基底渗水流沙的情况，通过局部压载和疏导均可达到可控，从干开挖到承台首层混凝土浇筑过程均未发生“管涌”事故。当然这些工艺措施实施后，围堰基底的稳定往往仍是处在有限的甚至是临界的平衡状态，围堰外围的水位变化升高都可能打破这种平衡。所以在开挖到达承台底标高后，应尽快进行承台首层混凝土的浇筑，唯有承台首层的混凝土浇筑了，围堰才具有可靠的安全保障。5 问题与反思主桥围堰施工经历了多次险情和反复，不断的根据实际情况变更设计和改变施工方案，施工期间出现的问题和最终的解决方案有许多是值得我们反思和总结的，主要体会有以下几点：在覆盖层较浅的河床进