臨江土石圍堰鉆孔咬合樁防滲體系施工技術(shù)研究

董小龍

中鐵隧道集團二處有限公司，江西 南昌 065201

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，近年來沿江許多城市大量港口、過江隧道、水利水電設(shè)施等工程投建，圍堰及圍堰內(nèi)防滲體系是用于上述工程臨岸接線水下部分和堤防的支擋工程，目前國內(nèi)學(xué)者對堰內(nèi)防滲體系的合理選擇和工藝實施進行了研究和總結(jié)。劉舒平等[1]根據(jù)圍堰堰體地質(zhì)情況分析塑性混凝土防滲墻在圍堰防滲體系的施工；卜林等[2]根據(jù)全套管鉆機總體結(jié)構(gòu)、工藝原理研究了鉆孔咬合樁防滲支護在深基坑工程中的應(yīng)用；杜常春等[3]根據(jù)三重管高壓旋噴樁施工工藝、成樁效果分析了高壓旋噴樁在防滲止水帷幕中的應(yīng)用。文章以南昌紅谷隧道為例，分析了水文地質(zhì)、施工機械、泥漿性能、施工工藝，總結(jié)了鉆孔咬合樁+高壓旋噴樁防滲體系用于重建土石圍堰快速閉合止水帷幕的相關(guān)經(jīng)驗，以供參考。

1 工程概況

1.1 原圍堰設(shè)計概況

圍堰按照20年一遇防洪標準設(shè)計，為端頭整體式、兩側(cè)分離式充砂長管袋三面圍堰，圍堰上、下游堰體與既有贛東大堤接茬合攏封閉。堰頂高程為23.7m，軸線長約651m，端頭坡腳伸入贛江約320m。頂寬10m，堰體高20.2m，底寬124m。18.2m高程以下堰體中部砂芯設(shè)0.8m厚塑性混凝土連續(xù)墻作為防滲構(gòu)體，18.2～23.7m高程防滲墻上方為黏土防滲斜墻和充砂長管袋。原設(shè)計圍堰橫剖面圖如圖1所示。

圖1 原設(shè)計圍堰橫剖面圖（單位：m）

1.2 重建圍堰概況

根據(jù)圍堰冬汛受災(zāi)情況，江中端頭堰體被沖毀，以滿足施工周期內(nèi)贛江隧址枯水期重建圍堰防洪標準，保持20年一遇防洪設(shè)計標準不變，采用土石圍堰重建，基底為原圍堰被沖毀后的剩余充砂長管袋和河床，采用兩側(cè)拋塊石堰體+中間水下拋填黏土的堰體型式，中間填筑黏土中部設(shè)φ1200mm@900mm鉆孔咬合樁+φ800mm@500mm高壓旋噴樁（樁底入巖3.5m）接茬止水的組合防滲體系。土石圍堰高17m，頂寬46.1m，底寬71.1m，堰體迎水面和背水面邊坡比分別為1∶1.5和1∶1.2。

外堰拋石堰體頂部標高15.0m，頂寬8m，底寬33.2m，迎水側(cè)和背水側(cè)邊坡分別為1∶1.5和1∶1.2。內(nèi)堰拋石堰體頂部標高12.0m，頂寬8m，底寬31.9m，兩側(cè)邊坡比為1∶1.2，背水側(cè)邊坡在8.0m高程設(shè)3.0m寬的平臺。15.0m高程以上黏土堰體頂部寬度為3m，底部寬度為15.5m，兩側(cè)邊坡坡比為1∶1.75。內(nèi)、外拋石堰體中部黏土施作鋼筋混凝土邊坡防護。重建圍堰橫剖面圖如圖2所示。

圖2 重建圍堰橫剖面圖（單位：m）

（1）工程地質(zhì)及水文。重建圍堰自上而下依次為①黏土、②砂、③Exn泥質(zhì)粉砂巖。砂土深度由南北兩側(cè)約9m，往中間匯攏約1.5m，在成孔過程中，砂土護壁困難，流動性大，極易引起砂土坍塌，開挖面失穩(wěn)。

地下水主要為孔隙潛水，圍堰外臨贛江，水位浮動標高為13.5～15m，堰內(nèi)水位標高為3m，水位差約為10～12m。上層①黏土為相對隔水層；中層②長管袋充填砂，深度較大，結(jié)構(gòu)松散，透水性大；下層③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，裂隙不甚發(fā)育，且呈緊密閉合狀，含水微弱。土石圍堰水文地質(zhì)橫斷面圖如圖3所示。

圖3 土石圍堰水文地質(zhì)橫斷面圖（單位：m）

2 施工方法

2.1 施工機械確定

采用GPS-15型反循環(huán)鉆機成孔，泥漿為黏土+水配制，鉆進過程中添加黏土，黏土逐漸在孔內(nèi)擠壓，達到護壁作用黏土自制護壁效果好，滿足砂層土體成孔施工。泥漿性能表如表1所示。

表1 泥漿性能表

2.2 塑性混凝土配合比

咬合樁采用塑性混凝土，塑性混凝土具有低強度、低彈模和大應(yīng)變等特性，由于彈性模量可達2000MPa以下，是一種柔性材料，可以很好地與較軟的基礎(chǔ)相適應(yīng)，同時又具有很好的防滲性能。對塑性混凝土進行抽樣試塊檢測分析，如表2所示。

表2 塑性混凝土性能檢測表

土石圍堰鉆孔咬合樁止水帷幕閉合完成后，對樁體的均勻、完整性、塑性混凝土膠結(jié)密實情況以及防滲體內(nèi)部是否存在空洞、夾泥、裂縫等異常隱患進行了DUK-2B高密度電法無損探測試驗。

3 鉆孔咬合樁防滲體系施工

3.1 施工方法

采用反循環(huán)鉆孔跳樁法施工，在樁與樁之間形成相互咬合排列的一種止水帷幕。先施工A型樁，待A型樁初凝時（約7～9h），再施工臨近B型咬合樁，跳孔施工順序如下：A6→A8→A10→A7→A9→B5→B6→B7→B8→B9為一循環(huán)施工完成。

3.2 施工工藝流程

施工工藝流程如下：施工準備(包括場地準備、鉆機試鉆、泥漿驗收等)→測量放樣孔位→埋設(shè)護筒→鉆機（正循環(huán)）鉆進成孔→鉆機（反循環(huán)）清孔→導(dǎo)管就位→第二次反循環(huán)吸沙泵清孔→水下澆筑混凝土→護筒拆除。

3.3 施工準備

（1）咬合樁溝槽沿軸線開挖，開挖寬度為1.3m，深度為1.2m。

（2）溝槽縱向間距1.5m鋪設(shè)20mm×20mm枕木，枕木上架設(shè)鉆機軌道，軌道寬度為2.5m，兩側(cè)軌道安裝處于同一水平面，軌道上側(cè)架設(shè)套管反循環(huán)鉆機。

（3）為防止贛江間隙水透過長管袋充填砂滲透至孔內(nèi)，影響鉆機成孔，加高溝槽頂標高至16.5m，高于同期贛江水位1.5m，溝槽內(nèi)泥漿液面高于贛江水位1.2m，保持泥漿液面穩(wěn)定。

3.4 鉆進成孔

準備工作完成后，軌道式反循環(huán)鉆機自行就位，鉆機將鉆頭中心線對準樁孔中心。啟動泥漿泵、鉆機開始鉆進，鉆進方式以正循環(huán)鉆進為主，以反循環(huán)鉆進為輔。

在鉆孔過程中，工作人員對成孔的孔位、孔深、孔形、孔徑、傾斜度及泥漿的各項指標進行檢查，及時調(diào)整?？變?nèi)應(yīng)保持泥漿稠度適當、水位穩(wěn)定，及時加水和黏土，以維持孔內(nèi)水位差，防塌孔。工作人員對鉆渣作取樣分析，核對設(shè)計地質(zhì)資料，根據(jù)地層變化情況，采用相應(yīng)的鉆進方式和泥漿稠度。

3.5 防滲體系閉合

圍堰堰體遭贛江洪水沖刷，原塑性混凝土防滲墻+三軸攪拌樁防滲體系破壞，土石圍堰重建后，鉆孔咬合樁需與南北兩側(cè)原塑性混凝土防滲墻閉合，形成一道封閉的止水帷幕，如圖4所示。

圖4 止水帷幕閉合平面圖

4 高壓旋噴樁施工

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下：施工準備(包括測量放線、鉆機就位等)→鉆進成孔→清孔→移鉆→高噴作業(yè)→回灌→移位[4]。

4.2 施工工藝參數(shù)

施工工藝參數(shù)如表3所示。

表3 施工工藝參數(shù)

5 存在的問題及處理措施

5.1 塌孔

塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)主要受初期贛江水位標高在13～15m左右，一方面，鉆進施工作業(yè)平臺高度不足（要求高于贛江水平面1.5m以上)，無法保持孔內(nèi)泥漿液面與贛江水位標高持平，導(dǎo)致贛江間隙水透過長管袋充填砂滲透至孔內(nèi)，泥漿護壁困難。另一方面，由于南北兩側(cè)咬合樁黏土層淺（3～5m），砂土層深（8～10m），砂土結(jié)構(gòu)松散、透水性大，泥漿護壁困難。

對于塌孔現(xiàn)象，采取以下措施：加高鉆機作業(yè)平臺高度直至高于贛江水位1.5m，孔內(nèi)泥漿液面等同贛江水平面；鉆機鉆進至砂土層后，減緩鉆進正循環(huán)鉆進速率，結(jié)合反循環(huán)抽排進行黏土換填進行擠壓，達到護壁效果。

5.2 孤石

孤石位置大致處于樁頂下5m處，土石圍堰外堰體為拋石堰體，拋石過程中少量片石滾動至咬合樁軸線處，導(dǎo)致樁基遇孤石轉(zhuǎn)進困難。

針對孤石現(xiàn)象，采取措施：先采用普通鉆頭（高2.2m，直徑1.17m）將孤石攪碎，后更換筒鉆鉆頭（高2.4m，直徑0.9m），利用鉆機反循環(huán)將攪碎后的孤石吸之筒鉆內(nèi)，筒鉆內(nèi)焊螺旋樁鋼筋，提出筒鉆鉆頭排出碎石。若孤石較大，以此方法反復(fù)循環(huán)。

6 結(jié)論

在圍堰防滲體系施工過程中，堰體內(nèi)外側(cè)水位高差大，間隙水流急促，地層較多為砂性土情況下，宜使用反循環(huán)鉆機鉆進成孔。

針對非原狀砂性土地質(zhì)情況下，鉆機成孔所配制泥漿宜使用黏土+水配制而成，鉆進至砂性土層時，泥漿性能指標參數(shù)宜為比重1.20～1.28g/cm3、黏度25～30s、含砂率＜7%。

在臨近江水施工鉆孔樁時，為防止間隙水流對孔壁側(cè)壓，鉆機作業(yè)平臺需高于水平面1.5m，孔內(nèi)水位高于水平面1.2m。

反循環(huán)鉆機施工咬合樁可在保證成孔質(zhì)量，有效地加快成孔速度，突破了該工藝只能采用全回轉(zhuǎn)鉆機施工的局限性，為基坑支護樁的成孔提供了新思路，并且取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。