控制性灌浆帷幕在桥墩围堰防渗处理中的应用研究

周建华，张金接，赵卫全，王丽娟

(1.中国水利水电科学研究院， 北京 100044； 2.北京中水科工程总公司， 北京 100044)

在江河中进行桩基施工或混凝土工程时，为保证工程质量和顺利施工，通常需要设置围堰，以提供干燥的作业环境。工程中挡水围堰形式多样，如沉井围堰、板桩围堰、及土石围堰等，可以适应不同地层情况[1-3]。受施工和水流条件的影响，围堰地层一般都是动水条件下的架空地层，存在较大的渗漏通道，在围堰内外水头差的作用下，无法进行开挖和后续作业，必须进行防渗处理。水泥-水玻璃灌浆堵漏、模袋灌浆堵漏、级配料灌浆堵漏和膏浆灌浆堵漏是目前最为常用的围堰防渗处理方法，有时还需多种方法配合使用才能达到防渗效果。其中，膏浆材料具有水下不分散、自堆积及良好的抗冲能力和抗水稀释能力，较适合于宽大裂隙地层的堵漏，已在多个桥墩围堰堵漏工程中成功应用[4-8]。

本文针对沅江特大桥11#桥墩混凝土沉箱围堰遇到的涌漏水问题，采用控制性灌浆技术结合膏浆材料的防渗处理技术，成功解决了围堰底部涌、漏水问题，保证了桩基和桥墩工程的顺利施工，证明了该技术是适合于桥墩围堰防渗帷幕的有效手段之一。

1 工程概况

怀绍衡铁路沅江特大桥位于湖南省洪江市安江镇岔头乡境内，全长1 476.61 m，采用预应力混凝土连续梁及矮塔加劲斜拉桥结构。桥址区河床面以下为泥质砂岩，高差起伏大，覆盖层为卵石层，厚度约4 m～5 m。大桥11#主墩位于沅江河道中央部位，桥墩基础均采用低桩承台，承台底部位于枯水位以下8.5 m，为保证承台和桩基顺利施工，需要在水中填筑施工岛[4-6]。经过方案比选，决定采用筑岛沉井联合施工方案：先充分利用河床覆盖层卵石在墩位处进行筑岛，同时安排多台钻机进行墩台桩基施工，并在汛期前利用筑岛面制作并下沉混凝土沉井围堰，汛期后开展围堰内部抽水施工[9]。

由于墩承台底部河床面高差起伏大，导致沉井下沉至河床面时刃角不能与基面密贴，沉井刃角仍处在卵石层中，继续下沉至基岩面存在较大困难，大量增加工程成本和工期。而原河床卵石层和卵石回填层透水性较强，河水通过沉井刃角下部卵石层内通道涌入沉井内部，经测试涌水量约为2 700 m3/h，导致沉井内无法进行后续施工作业，对于围堰安全也有一定危害[9]。填岛位于沅江主河槽，汛期水流速度较大(>3.5 m/s)，由于施工平台已经历过几次汛期水位，卵石层被淘空而出现较大的渗漏通道的可能性比较大，且从现场沉井内部开挖后的涌水情况判断，卵石层存在较大的渗漏通道。为保证沉井内部桩基及混凝土承台正常施工，综合考虑各方案的可行性与经济性，拟在沉井外围刃角处设防渗帷幕，在刃角与基岩之间形成搭接，阻断渗漏通道。

2 防渗方案设计

2.1 处理特点和难点

本围堰工程的防渗处理具有以下特点和难点：

(1) 填筑岛及卵石覆盖层在围堰内抽水后又经过汛期淘刷作用，可能存在明显的渗流通道，渗漏水流流速较大，为保证灌浆效果，同时减小材料耗量，必须选用水泥膏浆等抗水流冲释性能好的灌浆材料控制浆液的扩散。

(2) 筑岛面积有限，且沉井围堰下沉时内部卵石层已经开挖，覆盖层厚度较薄，导致浆液的渗径较短，浆液可能大量扩散到填岛围堰的内部及外部，造成材料浪费、后续开挖困难及工期延误，因此需选用控制性灌浆技术来保证特定区域的灌浆效果。

(3) 填筑岛外水位受上游电站影响较大，水位涨落变化较大，帷幕体的渗透稳定性要求高。

(4) 河道水位变化有可能淹没填筑岛，施工随时可能中断，施工干扰大，施工条件较差，施工工期风险大。

(5) 沉井刃角大部分均处于卵石层中，防渗帷幕需要采取“满堂红”布孔，且卵石层在外排灌浆作用后被压密，而内排孔距混凝土围堰较近，导致成孔较困难，处理工程量及难度大。

2.2 防渗处理方案

考虑到本工程的特点和难点，结合相应工程的成功处理经验，决定采用控制性灌浆技术进行防渗处理。根据围堰地层情况，分别选用速凝膏浆和稳定性浆液两种材料进行灌注，在刃角部位形成一道具有一定厚度的帷幕，上部与沉井围堰搭接，下部进入基岩一定深度，充分利用围堰各组成部分的防渗特点，形成一个可靠的防渗体，既可以满足围堰内无水施工要求，又节约了相应工程费用和工期，为快速完成桥墩基础创造了条件。

综合考虑本工程技术特点及控制性灌浆帷幕在大桥围堰中的成功经验，初步确定围绕沉井布置2排注浆孔，排距1 m，内排孔距沉井外侧0.5 m，注浆孔按梅花形布置，孔距2 m，在上游迎水面适当加密布置注浆孔。注浆孔孔深12.5 m，进入基岩大于1 m，于孔底开始注浆，每孔注浆深度为5 m。

2.3 帷幕体渗流稳定分析

根据工程经验及相应试验资料[10-11]，原河床覆盖层(卵石层)渗透系数为1×10-2cm/s，施工填岛材料为原覆盖层卵石，其渗透系数也近似取为1×10-2cm/s；下部基岩的渗透系数为2×10-7cm/s；混凝土沉井围堰的渗透系数为1×10-8cm/s；根据控制性灌浆技术对于砂砾石地层一般达到的工程效果，帷幕体渗透系数取5×10-5cm/s。

汛期沉井内外水头差可取12 m。灌浆帷幕布置2排，排距1 m，孔距2 m，则根据帷幕体厚度理论计算公式[12-13]：

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

(1)

式中：T为帷幕体厚度；R为浆液扩散半径；d为注浆孔排距；则帷幕体厚度T≈3 m。帷幕体高近似按注浆深度计算，即H≈5 m。

利用GeoStudio软件，按照各部分截面尺寸及相互关系，建立二维计算模型，结合上述各参数，进行汛期帷幕体的渗流稳定分析。计算结果如图1所示，相应计算结果统计如表1所示。

(a) 总水头分布图(b) 渗流溢出处水力坡降

分析图1及表1，可以得到如下结论：

(1) 灌浆帷幕最大水力坡降发生在帷幕体与基岩接触位置，水力坡降最大值为1.93，根据堤防工程设计规范，帷幕幕体允许水力坡降为3，幕体渗透稳定性满足要求，不会产生渗透破坏；压力水头的85%消耗在帷幕体上，幕体内部渗透比降较大。

(2) 围堰内部砂卵石覆盖层渗流出口处最易发生渗透破坏，该范围内水力坡降取值为1.89×10-2，基本为零，根据相应规范公式计算可知，卵石覆盖层渗流出口区域临界水力坡降约为0.85，故处理后围堰内卵石层不会发生渗流破坏。

(3) 处理后，通过围堰的单宽渗流量约为8.4×10-7m3/s，即每天流入沉井围堰内的水量约为15 m3/d，完全满足围堰内部干燥作业的相应要求。

综上所述，控制性帷幕灌浆方案满足工程渗透稳定性及流量要求，相应参数对于本工程是适用的。

2.4 灌浆材料特点

灌浆材料和相应的施工工艺是灌浆技术的核心，应结合现场地层情况确定适合的工艺和材料。工程经验及相应研究表明，速凝膏浆材料对于大空隙、动水地层的防渗堵漏适用性较好；而对于小裂隙、细小渗漏通道的处理，采用稳定性浆液较为合适[14-15]。

速凝膏浆具有整体抗冲能力和抗水稀释能力、触变性质、自堆积性、凝结时间可调和独特的流动特性和扩散特性，使其不仅能充分地充填地层中的空隙，且析水时间短、析水少，形成的灌浆结石体强度、密实性和耐久性均较好，在保证灌浆效果的同时，又可防止浆体流失过远，减少浆材的浪费[16]。通过调整外加剂的掺量，可以较为准确地控制和调整膏浆的胶凝时间、扩散范围，以适用于不同流速条件下的灌浆堵漏。但速凝膏浆对于小裂隙、细小渗漏通道的防渗处理效果较差，为达到较好的效果，在膏浆灌注结束后，再在Ⅱ序孔灌注稳定性水泥浆液，或者采用稳定性水泥浆液对Ⅰ序孔进行定量灌注，使细小裂隙得到一定程度的填充。表2为现场施工用速凝水泥膏浆及稳定性浆液配比表[5，14]。

表2 现场施工用速凝水泥膏浆及稳定性浆液配比表

采用几种不同配比主要是针对地层内裂隙大小不等的情况，通过调整浆液配比，即能使膏浆扩散到预定的位置，又能够减少材料耗量。

3 灌浆施工工艺

为达到良好的处理效果，结合类似工程处理经验，本工程采用跟管分序钻进、孔口封闭、孔内纯压、自下而上、分段灌注的施工工艺[15]。

(1) 布孔。为保证围堰防渗堵漏处理效果，布孔设计时充分考虑到了灌浆中的“围、堵、挤”原则，先在外围进行低压灌注，形成封闭帷幕体后，再在内排进行高压灌注[13]。同一排中也分两序进行灌注，Ⅱ序孔可根据需要适当提高灌浆压力，使浆液能够在有效范围内扩散和凝结，即可减少浆液的浪费，也可有效地提高防渗处理效果。

根据渗流稳定计算结果，为保证防渗效果和卵石层中帷幕体的渗透稳定性，沿着沉井围堰周围外侧均匀布置两排孔，孔排距1 m，梅花形布置，内排孔距离沉井围堰外边沿0.5 m，外排孔距离沉井边沿1.5 m。每排孔均分两序进行施工，孔距为2 m，部分区域可根据钻孔及灌浆施工情况加密布孔。施工顺序为：外排Ⅰ序孔—→外排Ⅱ序孔—→内排Ⅰ序孔—→内排Ⅱ序孔。实际施工时布孔应根据施工现场情况作局部调整。

本工程共布置钻孔120个，钻孔布置示意图如图2所示。钻孔深度12.5 m，至少进入基岩1 m。只需对沉井围堰刃角下部卵石层区域进行灌注，灌浆深度为5 m。灌浆剖面示意图如图3所示。

图2 孔位布置图

图3灌浆剖面图(单位：m)

(2) 钻孔。采用跟套管(管径108 mm)护壁、风动钻进的成孔工艺，风压0.8 MPa。

(3) 灌浆工艺。灌浆采用孔口封闭、孔内纯压、自下而上、分段灌注的灌注工艺。

① 灌浆段长。根据工程经验，每段长确定为0.5 m；为保证各接触处处理效果，卵石层和基岩的接触位置、沉井围堰刃角和下部卵石层接触位置应处于同一灌浆段中。

② 灌浆浆液。施工中速凝膏浆及稳定性浆液共采用6级配比，先采用1#浆液(稳定性浆液)灌注，根据进浆情况和起压情况逐级进行变换，为保证拔管顺利，在孔口返浆或孔口达到预定压力后变换灌注2#浆液。如果内排孔特别是内排Ⅱ序孔的灌注是以膏浆结束的，为保证对围堰内细小通道的封堵效果，应在相应孔位附近重新钻孔补灌稳定性浆液。

变浆标准：对于各灌浆段，若灌注15 min后孔口不返浆或不起压，便可变换一次配比；当耗浆量大于1.0 m3/m，也可变换一次浆液。

③ 灌浆次序。外排Ⅰ序孔—→外排Ⅱ序孔—→内排Ⅰ序孔—→内排Ⅱ序孔。

其施工流程为钻机就位—→跟管钻进入基岩1 m—→安装灌浆压力表盖头—→灌注到满足结束标准—→上提0.5 m套管—→重复上述操作，灌注至孔底上部5 m，达到结束标准后，停止灌注—→封孔—→灌注下一孔。

④ 灌浆压力。结合类似防渗处理工程成功经验，本工程Ⅰ序孔、外排孔拟采用0.2 MPa～0.3 MPa的灌浆压力，Ⅱ序孔、内排孔采用0.4 MPa～0.8 MPa的中等灌浆压力。首先是要满足浆液的扩散半径，保证各灌浆孔间最终灌浆的浆液能相互搭接，不出现地段漏灌现象。

⑤ 结束标准。正常情况下，应以达到规定的灌浆压力为终止灌浆标准，以保证浆液的在有效范围内充分扩散，并依靠灌浆压力对围堰地层进行一定程度的压密。如果灌浆过程中产生串、冒、跑浆等现象或灌入量异常时，应及时采取间歇灌浆、止浆、变换浆液配比等措施，若处理效果不理想，则结束该孔灌浆，待凝后在临近区域钻孔进行补灌。

⑥ 特殊情况处理。灌浆过程采用灌浆压力和浆液流量双控制，某配比浆液压力与流量应在合理的范围内，若孔口无压力而浆液注入量过大或一定压力下注入量剧增，则应中断灌浆过程，查明问题原因后再继续灌注；如在设计孔位上由于特殊情况无法钻孔时，则需在临近位置重新钻孔补灌，孔位偏移量不应大于20 cm；若发生窜孔、地表冒浆及地表抬动严重等特殊情况，可采取适当调整浆液配比、降低灌注压力、调整灌浆结束标准及采用间歇灌浆有效措施，相应措施应以保证控制性灌浆帷幕质量为前提。

4 处理效果分析及评价

经过22 d的施工，围堰防渗处理工作全部完成。共完成钻孔120个，合计1 500 m，灌浆长度合计600 m，水泥消耗量约380 t、膏浆外加剂约5 t、快硬水泥约12 t，膨润土约42 t。速凝膏浆及稳定性浆液灌浆完成主要工程量统计如表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+膨润土+外加剂)1 079 kg/m，Ⅱ序孔的平均耗量为695 kg/m，为Ⅰ序孔的65%，递减率为35%；内排Ⅰ序孔的平均干料耗量为800 kg/m，Ⅱ序孔的平均耗量为325 kg/m，为Ⅰ序孔的41%，递减率为59%。每延米平均干料耗量随灌浆孔次序增加具有明显的递减趋势，符合帷幕灌浆的一般规律[14-16]。钻孔过程中风吹的水量也有呈孔序递减的规律，特别是内排Ⅱ序孔返水量减少明显。

表3 速凝膏浆及稳定性浆液灌浆完成主要工程量

虽然由于地层原因，灌浆过程中多次出现串浆、跑浆、冒浆等异常情况，但采取间歇灌浆、止浆等措施处理后，均能达到相应次序孔的控制灌浆压力，浆液注入量与灌浆压力关系也符合一般的灌浆规律也在合理范围内，灌浆过程满足灌浆压力和浆液流量双控制要求，帷幕灌浆效果可期。

灌浆施工结束后，在沉井内部开挖过程中围堰四周均没有出现较大的渗漏水点，开挖到设计高程后，围堰内总渗水水量约为60 m3/h，且为多处小股渗水汇集，对后续施工过程影响较小，基本实现了无水作业环境，达到了预期处理目的，为承台桩基和混凝土工程的顺利开展创造了条件。速凝膏浆结合稳定性浆液灌浆效果是比较明显的，控制性灌浆技术对于该工程是有效的。

5 结 语

“速凝膏浆+稳定性浆液”的控制性灌浆技术适合于土石围堰特定区域的堵漏帷幕施工，充分利用了相应材料灌注过程的可控性对地层的宽大裂隙和细小通道进行充填，形成闭合的帷幕体系，以达到围堰堵漏的目的。模拟计算验证了帷幕体的渗透稳定性,现场处理效果证实了控制性灌浆技术中灌浆材料、施工工艺及灌浆控制参数的有效性，在取得良好的堵漏效果的同时，可节约大量堵漏成本和施工工期；可为类似的防渗处理工程及抢险度汛工程提供一定的参考。