控制性灌漿帷幕在橋墩圍堰防滲處理中的應(yīng)用研究

周建華，張金接，趙衛(wèi)全，王麗娟

(1.中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程總公司， 北京 100044)

在江河中進(jìn)行樁基施工或混凝土工程時，為保證工程質(zhì)量和順利施工，通常需要設(shè)置圍堰，以提供干燥的作業(yè)環(huán)境。工程中擋水圍堰形式多樣，如沉井圍堰、板樁圍堰、及土石圍堰等，可以適應(yīng)不同地層情況[1-3]。受施工和水流條件的影響，圍堰地層一般都是動水條件下的架空地層，存在較大的滲漏通道，在圍堰內(nèi)外水頭差的作用下，無法進(jìn)行開挖和后續(xù)作業(yè)，必須進(jìn)行防滲處理。水泥-水玻璃灌漿堵漏、模袋灌漿堵漏、級配料灌漿堵漏和膏漿灌漿堵漏是目前最為常用的圍堰防滲處理方法，有時還需多種方法配合使用才能達(dá)到防滲效果。其中，膏漿材料具有水下不分散、自堆積及良好的抗沖能力和抗水稀釋能力，較適合于寬大裂隙地層的堵漏，已在多個橋墩圍堰堵漏工程中成功應(yīng)用[4-8]。

本文針對沅江特大橋11#橋墩混凝土沉箱圍堰遇到的涌漏水問題，采用控制性灌漿技術(shù)結(jié)合膏漿材料的防滲處理技術(shù)，成功解決了圍堰底部涌、漏水問題，保證了樁基和橋墩工程的順利施工，證明了該技術(shù)是適合于橋墩圍堰防滲帷幕的有效手段之一。

1 工程概況

懷紹衡鐵路沅江特大橋位于湖南省洪江市安江鎮(zhèn)岔頭鄉(xiāng)境內(nèi)，全長1 476.61 m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁及矮塔加勁斜拉橋結(jié)構(gòu)。橋址區(qū)河床面以下為泥質(zhì)砂巖，高差起伏大，覆蓋層為卵石層，厚度約4 m～5 m。大橋11#主墩位于沅江河道中央部位，橋墩基礎(chǔ)均采用低樁承臺，承臺底部位于枯水位以下8.5 m，為保證承臺和樁基順利施工，需要在水中填筑施工島[4-6]。經(jīng)過方案比選，決定采用筑島沉井聯(lián)合施工方案：先充分利用河床覆蓋層卵石在墩位處進(jìn)行筑島，同時安排多臺鉆機(jī)進(jìn)行墩臺樁基施工，并在汛期前利用筑島面制作并下沉混凝土沉井圍堰，汛期后開展圍堰內(nèi)部抽水施工[9]。

由于墩承臺底部河床面高差起伏大，導(dǎo)致沉井下沉至河床面時刃角不能與基面密貼，沉井刃角仍處在卵石層中，繼續(xù)下沉至基巖面存在較大困難，大量增加工程成本和工期。而原河床卵石層和卵石回填層透水性較強(qiáng)，河水通過沉井刃角下部卵石層內(nèi)通道涌入沉井內(nèi)部，經(jīng)測試涌水量約為2 700 m3/h，導(dǎo)致沉井內(nèi)無法進(jìn)行后續(xù)施工作業(yè)，對于圍堰安全也有一定危害[9]。填島位于沅江主河槽，汛期水流速度較大(>3.5 m/s)，由于施工平臺已經(jīng)歷過幾次汛期水位，卵石層被淘空而出現(xiàn)較大的滲漏通道的可能性比較大，且從現(xiàn)場沉井內(nèi)部開挖后的涌水情況判斷，卵石層存在較大的滲漏通道。為保證沉井內(nèi)部樁基及混凝土承臺正常施工，綜合考慮各方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性，擬在沉井外圍刃角處設(shè)防滲帷幕，在刃角與基巖之間形成搭接，阻斷滲漏通道。

2 防滲方案設(shè)計

2.1 處理特點(diǎn)和難點(diǎn)

本圍堰工程的防滲處理具有以下特點(diǎn)和難點(diǎn)：

(1) 填筑島及卵石覆蓋層在圍堰內(nèi)抽水后又經(jīng)過汛期淘刷作用，可能存在明顯的滲流通道，滲漏水流流速較大，為保證灌漿效果，同時減小材料耗量，必須選用水泥膏漿等抗水流沖釋性能好的灌漿材料控制漿液的擴(kuò)散。

(2) 筑島面積有限，且沉井圍堰下沉?xí)r內(nèi)部卵石層已經(jīng)開挖，覆蓋層厚度較薄，導(dǎo)致漿液的滲徑較短，漿液可能大量擴(kuò)散到填島圍堰的內(nèi)部及外部，造成材料浪費(fèi)、后續(xù)開挖困難及工期延誤，因此需選用控制性灌漿技術(shù)來保證特定區(qū)域的灌漿效果。

(3) 填筑島外水位受上游電站影響較大，水位漲落變化較大，帷幕體的滲透穩(wěn)定性要求高。

(4) 河道水位變化有可能淹沒填筑島，施工隨時可能中斷，施工干擾大，施工條件較差，施工工期風(fēng)險大。

(5) 沉井刃角大部分均處于卵石層中，防滲帷幕需要采取“滿堂紅”布孔，且卵石層在外排灌漿作用后被壓密，而內(nèi)排孔距混凝土圍堰較近，導(dǎo)致成孔較困難，處理工程量及難度大。

2.2 防滲處理方案

考慮到本工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)工程的成功處理經(jīng)驗，決定采用控制性灌漿技術(shù)進(jìn)行防滲處理。根據(jù)圍堰地層情況，分別選用速凝膏漿和穩(wěn)定性漿液兩種材料進(jìn)行灌注，在刃角部位形成一道具有一定厚度的帷幕，上部與沉井圍堰搭接，下部進(jìn)入基巖一定深度，充分利用圍堰各組成部分的防滲特點(diǎn)，形成一個可靠的防滲體，既可以滿足圍堰內(nèi)無水施工要求，又節(jié)約了相應(yīng)工程費(fèi)用和工期，為快速完成橋墩基礎(chǔ)創(chuàng)造了條件。

綜合考慮本工程技術(shù)特點(diǎn)及控制性灌漿帷幕在大橋圍堰中的成功經(jīng)驗，初步確定圍繞沉井布置2排注漿孔，排距1 m，內(nèi)排孔距沉井外側(cè)0.5 m，注漿孔按梅花形布置，孔距2 m，在上游迎水面適當(dāng)加密布置注漿孔。注漿孔孔深12.5 m，進(jìn)入基巖大于1 m，于孔底開始注漿，每孔注漿深度為5 m。

2.3 帷幕體滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)工程經(jīng)驗及相應(yīng)試驗資料[10-11]，原河床覆蓋層(卵石層)滲透系數(shù)為1×10-2cm/s，施工填島材料為原覆蓋層卵石，其滲透系數(shù)也近似取為1×10-2cm/s；下部基巖的滲透系數(shù)為2×10-7cm/s；混凝土沉井圍堰的滲透系數(shù)為1×10-8cm/s；根據(jù)控制性灌漿技術(shù)對于砂礫石地層一般達(dá)到的工程效果，帷幕體滲透系數(shù)取5×10-5cm/s。

汛期沉井內(nèi)外水頭差可取12 m。灌漿帷幕布置2排，排距1 m，孔距2 m，則根據(jù)帷幕體厚度理論計算公式[12-13]：

T=2R+d=2d/1.732+d=3.15d

(1)

式中：T為帷幕體厚度；R為漿液擴(kuò)散半徑；d為注漿孔排距；則帷幕體厚度T≈3 m。帷幕體高近似按注漿深度計算，即H≈5 m。

利用GeoStudio軟件，按照各部分截面尺寸及相互關(guān)系，建立二維計算模型，結(jié)合上述各參數(shù)，進(jìn)行汛期帷幕體的滲流穩(wěn)定分析。計算結(jié)果如圖1所示，相應(yīng)計算結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

(a) 總水頭分布圖(b) 滲流溢出處水力坡降

分析圖1及表1，可以得到如下結(jié)論：

(1) 灌漿帷幕最大水力坡降發(fā)生在帷幕體與基巖接觸位置，水力坡降最大值為1.93，根據(jù)堤防工程設(shè)計規(guī)范，帷幕幕體允許水力坡降為3，幕體滲透穩(wěn)定性滿足要求，不會產(chǎn)生滲透破壞；壓力水頭的85%消耗在帷幕體上，幕體內(nèi)部滲透比降較大。

(2) 圍堰內(nèi)部砂卵石覆蓋層滲流出口處最易發(fā)生滲透破壞，該范圍內(nèi)水力坡降取值為1.89×10-2，基本為零，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范公式計算可知，卵石覆蓋層滲流出口區(qū)域臨界水力坡降約為0.85，故處理后圍堰內(nèi)卵石層不會發(fā)生滲流破壞。

(3) 處理后，通過圍堰的單寬滲流量約為8.4×10-7m3/s，即每天流入沉井圍堰內(nèi)的水量約為15 m3/d，完全滿足圍堰內(nèi)部干燥作業(yè)的相應(yīng)要求。

綜上所述，控制性帷幕灌漿方案滿足工程滲透穩(wěn)定性及流量要求，相應(yīng)參數(shù)對于本工程是適用的。

2.4 灌漿材料特點(diǎn)

灌漿材料和相應(yīng)的施工工藝是灌漿技術(shù)的核心，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地層情況確定適合的工藝和材料。工程經(jīng)驗及相應(yīng)研究表明，速凝膏漿材料對于大空隙、動水地層的防滲堵漏適用性較好；而對于小裂隙、細(xì)小滲漏通道的處理，采用穩(wěn)定性漿液較為合適[14-15]。

速凝膏漿具有整體抗沖能力和抗水稀釋能力、觸變性質(zhì)、自堆積性、凝結(jié)時間可調(diào)和獨(dú)特的流動特性和擴(kuò)散特性，使其不僅能充分地充填地層中的空隙，且析水時間短、析水少，形成的灌漿結(jié)石體強(qiáng)度、密實性和耐久性均較好，在保證灌漿效果的同時，又可防止?jié){體流失過遠(yuǎn)，減少漿材的浪費(fèi)[16]。通過調(diào)整外加劑的摻量，可以較為準(zhǔn)確地控制和調(diào)整膏漿的膠凝時間、擴(kuò)散范圍，以適用于不同流速條件下的灌漿堵漏。但速凝膏漿對于小裂隙、細(xì)小滲漏通道的防滲處理效果較差，為達(dá)到較好的效果，在膏漿灌注結(jié)束后，再在Ⅱ序孔灌注穩(wěn)定性水泥漿液，或者采用穩(wěn)定性水泥漿液對Ⅰ序孔進(jìn)行定量灌注，使細(xì)小裂隙得到一定程度的填充。表2為現(xiàn)場施工用速凝水泥膏漿及穩(wěn)定性漿液配比表[5，14]。

表2 現(xiàn)場施工用速凝水泥膏漿及穩(wěn)定性漿液配比表

采用幾種不同配比主要是針對地層內(nèi)裂隙大小不等的情況，通過調(diào)整漿液配比，即能使膏漿擴(kuò)散到預(yù)定的位置，又能夠減少材料耗量。

3 灌漿施工工藝

為達(dá)到良好的處理效果，結(jié)合類似工程處理經(jīng)驗，本工程采用跟管分序鉆進(jìn)、孔口封閉、孔內(nèi)純壓、自下而上、分段灌注的施工工藝[15]。

(1) 布孔。為保證圍堰防滲堵漏處理效果，布孔設(shè)計時充分考慮到了灌漿中的“圍、堵、擠”原則，先在外圍進(jìn)行低壓灌注，形成封閉帷幕體后，再在內(nèi)排進(jìn)行高壓灌注[13]。同一排中也分兩序進(jìn)行灌注，Ⅱ序孔可根據(jù)需要適當(dāng)提高灌漿壓力，使?jié){液能夠在有效范圍內(nèi)擴(kuò)散和凝結(jié)，即可減少漿液的浪費(fèi)，也可有效地提高防滲處理效果。

根據(jù)滲流穩(wěn)定計算結(jié)果，為保證防滲效果和卵石層中帷幕體的滲透穩(wěn)定性，沿著沉井圍堰周圍外側(cè)均勻布置兩排孔，孔排距1 m，梅花形布置，內(nèi)排孔距離沉井圍堰外邊沿0.5 m，外排孔距離沉井邊沿1.5 m。每排孔均分兩序進(jìn)行施工，孔距為2 m，部分區(qū)域可根據(jù)鉆孔及灌漿施工情況加密布孔。施工順序為：外排Ⅰ序孔—→外排Ⅱ序孔—→內(nèi)排Ⅰ序孔—→內(nèi)排Ⅱ序孔。實際施工時布孔應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場情況作局部調(diào)整。

本工程共布置鉆孔120個，鉆孔布置示意圖如圖2所示。鉆孔深度12.5 m，至少進(jìn)入基巖1 m。只需對沉井圍堰刃角下部卵石層區(qū)域進(jìn)行灌注，灌漿深度為5 m。灌漿剖面示意圖如圖3所示。

圖2 孔位布置圖

圖3灌漿剖面圖(單位：m)

(2) 鉆孔。采用跟套管(管徑108 mm)護(hù)壁、風(fēng)動鉆進(jìn)的成孔工藝，風(fēng)壓0.8 MPa。

(3) 灌漿工藝。灌漿采用孔口封閉、孔內(nèi)純壓、自下而上、分段灌注的灌注工藝。

① 灌漿段長。根據(jù)工程經(jīng)驗，每段長確定為0.5 m；為保證各接觸處處理效果，卵石層和基巖的接觸位置、沉井圍堰刃角和下部卵石層接觸位置應(yīng)處于同一灌漿段中。

② 灌漿漿液。施工中速凝膏漿及穩(wěn)定性漿液共采用6級配比，先采用1#漿液(穩(wěn)定性漿液)灌注，根據(jù)進(jìn)漿情況和起壓情況逐級進(jìn)行變換，為保證拔管順利，在孔口返漿或孔口達(dá)到預(yù)定壓力后變換灌注2#漿液。如果內(nèi)排孔特別是內(nèi)排Ⅱ序孔的灌注是以膏漿結(jié)束的，為保證對圍堰內(nèi)細(xì)小通道的封堵效果，應(yīng)在相應(yīng)孔位附近重新鉆孔補(bǔ)灌穩(wěn)定性漿液。

變漿標(biāo)準(zhǔn)：對于各灌漿段，若灌注15 min后孔口不返漿或不起壓，便可變換一次配比；當(dāng)耗漿量大于1.0 m3/m，也可變換一次漿液。

③ 灌漿次序。外排Ⅰ序孔—→外排Ⅱ序孔—→內(nèi)排Ⅰ序孔—→內(nèi)排Ⅱ序孔。

其施工流程為鉆機(jī)就位—→跟管鉆進(jìn)入基巖1 m—→安裝灌漿壓力表蓋頭—→灌注到滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)—→上提0.5 m套管—→重復(fù)上述操作，灌注至孔底上部5 m，達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，停止灌注—→封孔—→灌注下一孔。

④ 灌漿壓力。結(jié)合類似防滲處理工程成功經(jīng)驗，本工程Ⅰ序孔、外排孔擬采用0.2 MPa～0.3 MPa的灌漿壓力，Ⅱ序孔、內(nèi)排孔采用0.4 MPa～0.8 MPa的中等灌漿壓力。首先是要滿足漿液的擴(kuò)散半徑，保證各灌漿孔間最終灌漿的漿液能相互搭接，不出現(xiàn)地段漏灌現(xiàn)象。

⑤ 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。正常情況下，應(yīng)以達(dá)到規(guī)定的灌漿壓力為終止灌漿標(biāo)準(zhǔn)，以保證漿液的在有效范圍內(nèi)充分?jǐn)U散，并依靠灌漿壓力對圍堰地層進(jìn)行一定程度的壓密。如果灌漿過程中產(chǎn)生串、冒、跑漿等現(xiàn)象或灌入量異常時，應(yīng)及時采取間歇灌漿、止?jié){、變換漿液配比等措施，若處理效果不理想，則結(jié)束該孔灌漿，待凝后在臨近區(qū)域鉆孔進(jìn)行補(bǔ)灌。

⑥ 特殊情況處理。灌漿過程采用灌漿壓力和漿液流量雙控制，某配比漿液壓力與流量應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，若孔口無壓力而漿液注入量過大或一定壓力下注入量劇增，則應(yīng)中斷灌漿過程，查明問題原因后再繼續(xù)灌注；如在設(shè)計孔位上由于特殊情況無法鉆孔時，則需在臨近位置重新鉆孔補(bǔ)灌，孔位偏移量不應(yīng)大于20 cm；若發(fā)生竄孔、地表冒漿及地表抬動嚴(yán)重等特殊情況，可采取適當(dāng)調(diào)整漿液配比、降低灌注壓力、調(diào)整灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及采用間歇灌漿有效措施，相應(yīng)措施應(yīng)以保證控制性灌漿帷幕質(zhì)量為前提。

4 處理效果分析及評價

經(jīng)過22 d的施工，圍堰防滲處理工作全部完成。共完成鉆孔120個，合計1 500 m，灌漿長度合計600 m，水泥消耗量約380 t、膏漿外加劑約5 t、快硬水泥約12 t，膨潤土約42 t。速凝膏漿及穩(wěn)定性漿液灌漿完成主要工程量統(tǒng)計如表3所示。

分析表3可知，外排Ⅰ序孔平均干料耗量(水泥+快硬水泥+膨潤土+外加劑)1 079 kg/m，Ⅱ序孔的平均耗量為695 kg/m，為Ⅰ序孔的65%，遞減率為35%；內(nèi)排Ⅰ序孔的平均干料耗量為800 kg/m，Ⅱ序孔的平均耗量為325 kg/m，為Ⅰ序孔的41%，遞減率為59%。每延米平均干料耗量隨灌漿孔次序增加具有明顯的遞減趨勢，符合帷幕灌漿的一般規(guī)律[14-16]。鉆孔過程中風(fēng)吹的水量也有呈孔序遞減的規(guī)律，特別是內(nèi)排Ⅱ序孔返水量減少明顯。

表3 速凝膏漿及穩(wěn)定性漿液灌漿完成主要工程量

雖然由于地層原因，灌漿過程中多次出現(xiàn)串漿、跑漿、冒漿等異常情況，但采取間歇灌漿、止?jié){等措施處理后，均能達(dá)到相應(yīng)次序孔的控制灌漿壓力，漿液注入量與灌漿壓力關(guān)系也符合一般的灌漿規(guī)律也在合理范圍內(nèi)，灌漿過程滿足灌漿壓力和漿液流量雙控制要求，帷幕灌漿效果可期。

灌漿施工結(jié)束后，在沉井內(nèi)部開挖過程中圍堰四周均沒有出現(xiàn)較大的滲漏水點(diǎn)，開挖到設(shè)計高程后，圍堰內(nèi)總滲水水量約為60 m3/h，且為多處小股滲水匯集，對后續(xù)施工過程影響較小，基本實現(xiàn)了無水作業(yè)環(huán)境，達(dá)到了預(yù)期處理目的，為承臺樁基和混凝土工程的順利開展創(chuàng)造了條件。速凝膏漿結(jié)合穩(wěn)定性漿液灌漿效果是比較明顯的，控制性灌漿技術(shù)對于該工程是有效的。

5 結(jié) 語

“速凝膏漿+穩(wěn)定性漿液”的控制性灌漿技術(shù)適合于土石圍堰特定區(qū)域的堵漏帷幕施工，充分利用了相應(yīng)材料灌注過程的可控性對地層的寬大裂隙和細(xì)小通道進(jìn)行充填，形成閉合的帷幕體系，以達(dá)到圍堰堵漏的目的。模擬計算驗證了帷幕體的滲透穩(wěn)定性,現(xiàn)場處理效果證實了控制性灌漿技術(shù)中灌漿材料、施工工藝及灌漿控制參數(shù)的有效性，在取得良好的堵漏效果的同時，可節(jié)約大量堵漏成本和施工工期；可為類似的防滲處理工程及搶險度汛工程提供一定的參考。