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珠江特大桥承台基坑突涌事故处理降水设计与施工

发布时间:2018年11月23日
来源:探矿工程在线 作者:汤建铭,王钰

引用格式:汤建铭,王钰.珠江特大桥承台基坑突涌事故处理降水设计与施工[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(11):50-55.

 摘要:珠江一特大桥主墩位于珠江水域中,承台基坑施工采用锁口钢管桩围堰围护,C30水下混凝土封底。封底完成后进行围堰内排水时,基底承压水击穿了封底混凝土,造成了基底突涌事件。事后讨论两种方案,方案一是在围堰内降,方案二是在围堰外降水。经比选,采用围堰外降水的方法,将承压水位降至封底顶面以下,工期短、费用低,开创了在珠江内降底承压水的先例,成功处理了围堰封底失败的事故,确保了承台的顺利施工。实践证明在深水中降承压水是可行的,降水是保证承台基坑安全的重要手段之一,为类似工程提供了宝贵的经验。


关键词:承压水;突涌事故;降水设计;承台基坑;围堰外降水


对于基底下伏承压含水层的承台基坑,随着开挖深度不断增加,承压含水层顶板到坑底之间的距离不断减小,若残留土重无法与承压含水层顶托力平衡,坑底就会发生突涌。常见的承压水处理措施有隔水、降水、封底加固等。在桥梁工程领域,对于承台基坑的承压水问题认识往往不到位,突涌风险源存在于勘察、设计、施工各阶段。

本文中工程为珠江上一特大桥,大桥主墩承台基坑采用锁口钢管桩围堰围护,水下开挖并采用3m厚水下混凝土封底。设计阶段未进行抗突涌验算;施工阶段局部混凝土封底质量欠佳。围堰内排水时承压水击穿了封底混凝土薄弱处,造成了基底突涌事故。在围堰外施工降水井成功处理了事故。


1 工程概况

大桥主墩位于珠江中,承台底标高-11.419m,顶标高-5.419m,开挖深度9m。承台施工采用钢管锁口围堰,围堰顶标高+3.5m,底标高-26.5m,钢管长度30m。围堰内设置3道钢管内支撑。承台底部设置3mC30封底混凝土。见图1

1  主墩围堰


江水水位标高+2.5m,河床标高-2.419m。地层从上到下依次为淤泥、淤泥质粘土、砂层、花岗片麻岩风化层。孔隙承压水赋存于砂层中,砂层厚24m,上覆淤泥、淤泥质粘土和下伏基岩风化层属于相对隔水层,砂层平均渗透系数12m/d。承压水初始水位标高-1.25~-0.7m,因潮汐而不断波动,与江水具有密切水力联系。

围堰封底完成后,抽水至第二、三道支撑以下安装第二、三道支撑。安完第三道内支撑进行围堰内抽水,围堰底锁口钢管桩之间出现突涌,立即回灌水以保持基底处于静水状态。对突涌位置进行集中清理、孔洞位置拔球封底,突涌位置利用水泥浆-水玻璃双液浆进行加固,加固完成抽水又发生突涌,再次回灌水(见图2)。

2  突涌发生后围堰内回灌水

 

2 降水处理方案比选

突涌事故反复发生的原因是承压水位过高。降低承压水位有两种方案。方案一是围堰内降水,即重新施工深围堰,进入下部的基岩风化层,将承压水完全隔断后在围堰内施工降水井。该方案优点为抽水量小、降水难度低,缺点为工期长、费用高。

方案二是在围堰外降水,通过不间断抽水,将承压水位始终控制在封底顶面以下,相对于方案一工期短、费用低。但该方案受到多数专家质疑:在珠江里降水,承压水与珠江水连通,很难将水位降到封底顶面以下;且尚无成功在珠江内降江底承压水的先例。

拟建场地稳定分布有淤泥、淤泥质粘土层,为相对隔水层,承压含水层不能直接获得江水的垂直补给,仅在局部可能会有水文地质天窗存在。经比选,采用围堰外降水的方式处理事故。


3 抽水试验

施工2口降水井进行简易抽水试验。井深41m,钻孔泥孔径600mm,井管采用管径325mm、壁厚4mm钢管,滤管为同规格桥式滤水管,外包60目锦纶滤网,滤料为中粗砂,回填至滤管顶部1m,其上采用粘土回填固井,见图3

3  降水井结构


试验前初始水位标高-1.25~-0.7m,抽水井与观测井相距约30m,抽水2h后观测井水位降深分别为1.20.35m,见表1。抽水井水泵功率为7.5kW,额定流量960m3/d


抽水数据一览

选取其中2h的抽水试验数据,分别根据承压水非完整井有一个观测井的公式和无观测井的公式计算渗透系数K60.93~61.80m/d,远大于勘察报告中提供的12m/d,反映出地层透水性强。


4 降水设计与施工

4.1 降水方案设计

围堰外降水属于敞开式降水,采用承压含水层非完整井公式估算基坑总涌水量:渗透系数K取为62m/d,计算出基坑总涌水量=39025 m3/d

抽水试验采用7.5kW水泵,额定流量960 m3/d,动水位降深仅为1.2m。正式降水时采用37kW水泵(额定流量4800 m3/d)为主。按Q-s关系推知单井水量完全可以达到其额定流量。

经过计算,共布置15口降水井,见图4。降水井结构同抽水试验井,井深均为41m

降水井平面布置

 

4.2 降水井施工技术

围堰位置原为钻孔桩施工钢平台,外部插打较多φ630820mm钢管桩,降水井布置在钢管桩内,钢管桩用作钻进时护筒。采用反循环回转钻进成孔工艺


5 事故处理过程与效果

5.1 降水运行过程

边成井边进行水泵安装、管路排设等工作。12口降水井安装37kW水泵,单井抽水量4800m3/d,总抽水能力57600 m3/d51315号降水井预留为观测井。

抽水前初始水位-1.0m,开启23468101214号共8口降水井,总抽水量38400 m3/d,抽水2h后观测井水位降至-12.5~-12.9m,以后水位较为稳定,波动不超过±0.8m

抽水后水位降至封底顶面(标高-11.4m)以下,且实际抽水量与计算涌水量较为接近,证明降水措施是成功的。

5.2 二次封底

降水井施工期间,在围堰内回灌水至静水状态,利用射吸泵对突涌位置凿除、吸泥,对管壁再次清洗,然后二次浇筑水下自流平封底混凝土。

5.3 双液浆加固

二次封底后取心排查,部分位置封底混凝土厚度未达到3m,对其进行钻孔压双液浆加固,范围为封底混凝土底以下1m

5.4 处理效果

封底混凝土处理完成后,在控制承压水位低于封底顶面的条件下,进行了围堰内排水,基底稳定,没有发生新的事故,见图5。后期承台浇筑过程中,始终保持承压水位低于作业面。

围堰内排水完成

 

6 结语

1)对于基底下伏承压含水层的承台基坑,尤其是基底下存在透水性强、厚度大、与地表水存在水力联系的承压含水层的深基坑,勘察阶段应明确承压水的存在;设计阶段应进行基底抗突涌验算,根据计算结果综合应用隔水、降水、封底加固等措施。

2)围堰等隔水措施往往不能做到完全隔水,封底加固也易存在薄弱位置。降水可以从根本上解决水压力的问题,设计阶段应考虑采用降水措施,施工阶段也应严格把控施工质量。

3)做好降水专项方案设计,保证降水井的施工质量,降水运行过程中控制承压水位满足设计要求,是保证降水措施成功,进而保证基坑安全的关键。


阅读原文:

http://jour.tkgc.net/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20180356&flag=1&journal_id=tkgc&year_id=2018



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