钢管桩围护锁扣防水密封试验研究

钢管桩围护锁扣防水密封试验研究

摘要:针对杭州地铁4号线特殊地段的锁扣钢管桩围护工程的需要，采用SUPC_XT_6型水压试验机，研究了C-C型锁扣形成的三个密封空间内填筑不同的密封材料、使用不同的止水工艺对锁扣密封效果造成的影响并得出最优工况。随后对最优工况进行后期试验，最终得出最优的锁扣止水方案。研究结果表明：以先注入油脂后注入双液型速凝砂浆的密封材料的注入顺序，且不使用棉布袋直接注入浆液型密封材料为效果最佳的工序和方法，并且当油脂优先注入右孔时，防水性能进一步加强；在最优工序和方法下，左孔注入双液浆的防水性能要优于注入普通水泥砂浆。

关键词：C-C型锁扣钢管桩；油脂密封；液浆密封；钢管桩围护

Waterproof and Sealing Experiment of Lock Catch in the Steel Pipe Pile Enclosure

1,1,2

(1 ；2 Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd.，Shanghai 200137)

Abstract: In order to meet the need of lock steel pipe pile in special section of Hangzhou Metro Line 4, the effect of filling different sealing materials and using different sealing technology was experimented in three sealing spaces formed by C-C type lock by using SUPC_XT_6 hydraulic testing machine and the optimum working condition was obtained. The optimal experiment is carried out in the later stage and the optimal lock water stop scheme is obtained. The results show that

the best procedure and method is to inject the sealing material of double-liquid quick-setting mortar after injecting oil and injecting the sealing material of slurry directly without cotton bag.The waterproof property is further strengthened when oil is injected into the right hole first.The waterproofing performance of double slurry injected into the left hole is better than that of ordinary cement mortar under the optimum procedure and method .

Key words: C-C type locking steel pipe pile; grease seal; slurry seal; steel pipe pile enclosure

1 引言

随着我国经济的飞速发展，大型跨江跨河桥梁工程不断出现，一些可靠的新技术、新工艺、新材料和新设备也得到了积极的推广和应用。在深水或地质条件复杂的基础施工中，常采用钢围护作为围护形式。目前国内的钢围护形式有钢板桩围护、锁扣钢管桩围护、钢套箱围护三种形式。其中锁扣钢管桩由焊接在大直径钢管上的连接对进行相互连接，常见的锁扣钢管桩连接形式有“C-C型”、“C-T型”、“L-T型”、“C-O型”等等[1]。其具有抗弯能力强、刚度大等优点，可大大简化围护的内支撑体系。郭文杰[2]等通过唐山市曹妃甸一号路跨纳潮河大桥工程的深基坑支护工程，对锁扣钢管桩围护与型钢内支撑相结合的施工方案进行了详细阐述并得出在复杂的地质条件下，该支护方案稳定可靠，同时锁扣具有良好的止水性和可恢复性的结论。

在锁扣钢管桩中锁扣止水是钢管桩围护防水的最关键工序，但目前针对锁扣止水尚无具体的施工规范，在一些止水性能要求较高的基坑工程中，可通过在接头处注入对于止水性能要求较高的基坑工程，可通过在接头处注入止水材料，如水泥砂浆、膨润土、黏土

及聚氨酯等水硬性材料，提高接头止水效果[3]。在实际工程中，为了解决锁扣漏水的难题，许多工程都采取了一些相对应的方法。武汉天兴洲大桥北岸引桥谌家矶左线引桥、滠口右线桥桥梁深基坑工程运用L-T型锁扣并且在应对开挖时锁扣漏水的现象采用从锁扣顶部进行水泥浆压浆的方法[4]；宁波大桥主塔墩承台围堰工程采用L-T型锁扣，在围堰内侧锁扣母扣壁与管桩壁间设止水棒,并同时投入红土，使止水棒、止水板、红土共同工作，保证了承台在无水条件下施工[5]；天津至秦皇岛客运专线某特大桥桥墩承台围堰工程采用C-T型锁扣，利用强制搅拌机、铁锹等工具，将干态红粘土适当掺水和锯末、麻丝充分混合在一起填充锁口并采用封口钢管充分捣[6]。

2 工程概况

杭州地铁4号线二期工程紫金港路站横跨五里塘河，过河段基坑分两期施工，为满足河道过流宽度，主体过河段范围采用锁扣钢管柱围护，同时该站D出入口、E出入口由于位于车站南侧，距离河道较近，围护结构也采用锁扣钢管桩形式。

锁扣钢管桩连接部位采用C-C型，小管直径165.2mm，壁厚9mm，开口宽度30mm。

图1 钢管桩锁扣形式

Fig.1 Lock form of steel pipe pile

3 试验方案

3.1 水压装置

整个试验采用SUPC_XT_6型水压试验机，试验用水压机加压精度达0.02MPa，计算机可以实时对水压值进行监测。

图2水压试验机

Fig.2 Rostatic testing machine

3.2 C-C型锁扣钢管桩设计

根据C-C型锁扣钢管桩的特点设计了锁扣防水密封试验装置。与实际工程情况相同，两个圆形钢管互相咬合，形成了左、中、右三个空腔。为了避免在试验过程中水受压后直接从该处溢出，将试验装置背侧水箱外部分的空隙焊死，将内侧空隙（面向围护内侧的一面）作为试验防水密封的观测对象。试验装置左侧空腔全部用于注入双液型速凝砂浆或普通水泥砂浆，试验装置中间及右侧两个空腔全部用于注入两种不同品牌的盾尾油脂。在注满密封材料，待砂浆类密封材料初凝后，再焊接注浆孔及油脂孔盖板。

图3 试验装置三维图

Fig.3 Three dimensional diagram of test facility

3.3 油脂类型

钢桩试验设计所采用的油脂类型见图，油脂性能见表

表1 上隧牌盾尾油脂油脂性能参数

Table 1 The performance parameter of upper tunnel shield tail seal grease

图4 上隧牌盾尾密封油脂(手涂型)

Fig.4 Upper tunnel shield tail seal grease (hand coating type)

表2 CONDAT牌盾尾油脂油脂性能参数

Table 2 The performance parameter of CONDAT shield tail seal grease WR90

图5 CONDAT牌盾尾密封油脂WR90(手涂型)

Fig.5 CONDAT shield tail seal grease WR90 (hand coated type)

3.4 试验工况设计

考虑到不同油脂的防水性能不同以及不同填充顺序对防水性能的影响，选择不同的油脂和砂浆的组合以及不同填充顺序进行相关试验。同时棉布袋能防止双液浆乱窜，所以也考虑有无棉布袋的工况。在先期试验工况结束后，根据防水情况再进行后期试验。先期试验工况设计参见表3，后期试验工况见参见表4。

水压的加压等级以0.1MPa为一级，起始等级为0.1MPa，最高等级为0.5MPa。由于在试验中无法模拟打桩时的真实土压，所以对不使用棉布袋工况的试验装置正面缝隙填入水泥进行临时封堵。

4试验结果分析

4.1 先期试验

工况一使用上隧牌手涂型油脂，先使用棉布袋注入双液型速凝水泥浆液，后在注脂孔腔内注入油脂，其注入密封材料的顺序为左→中→右。

试验从0.1MPa开始加压，直至0.2MPa，最大水压达到0.19MPa。在试验从0.1MPa加压至0.2MPa的过程中，试验装置顶部闷头不断有水泄漏。

图7 工况一试验情况

Fig.7 Experimental situation of test 1

工况二使用上隧牌手涂型油脂，先使用棉布袋注入双液型速凝水泥浆液，后在注脂孔腔内注入油脂，其注入密封材料的顺序为左→右→中。

试验从0.1MPa开始加压，直至0.2MPa，最大水压达到0.2MPa。在试验从0.1MPa加压至0.2MPa的过程中，试验装置底部不断有水流出，在不断加压的过程中水流量未见减少，最后水流呈压力状水流喷出。

图8 工况二第一次试验水压曲线图

Fig.8 Water pressure curve for the first experiment of test 2

随后进行补打油脂，其最大水压达到0.2MPa，原泄漏点仍然出现漏水状况，并排出大量水与油脂混合液体。

图9 工况二第二次试验水压曲线图

Fig.9 Water pressure curve for the second experiment of test 2

图10 工况二试验情况

Fig.10 Experimental situation of test 2

工况三使用CONDAT WR90手涂型油脂，先注入油脂，后在不使用棉布套的情况下直接在注浆孔腔内注入双液型速凝水泥浆液，其注入密封材料的顺序为中→右→左。

试验从0.1MPa开始加压，直至0.4MPa，最大水压达到0.4MPa，在试验加压过程中，在加载至0.2MPa后，试验装置缝隙的中上部出现渗水现象，继续加压后渗水现象未见停止。

图11 工况三第一次试验水压曲线图

Fig.11 Water pressure curve for the first experiment of test 3

随后再次进行补打油脂，最大水压达到0.6MPa，在试验加压至0.3MPa的过程中，试验装置缝隙的中上部开始出现明显的渗水现象，但整个加压过程中未见水呈压力水流状。

图13 工况三试验情况

Fig.13 Experimental situation of test 3

工况四使用CONDAT WR90手涂型油脂，先注入油脂，后在不使用棉布套的情况下直接在注浆孔腔内注入双液型速凝水泥浆液，其注入密封材料的顺序为右→中→左。

试验从0.1MPa开始加压，直至0.5MPa，最大水压达到0.MPa，在试验过程中，除初加压时试验装置底部喷溅出少量水与油脂的混合物，后未出现水的渗漏或泄漏现象，仅在底部溢出了少量油脂。

图15 工况四试验情况

Fig.15 Experimental situation of test 4

四个工况中，工况三与工况四较为成功的完成了试验0.5MPa的压力目标。这两个工况具有两个共同点:采用了先注入油脂后注入双液型速凝砂浆的密封材料注入顺序；没有使用棉布袋作为双液型速凝砂浆的内衬材料。工况三在试验中出现了渗水现象，在实际工程施工中，可对渗漏点进行堵漏。

工况一与工况二，都在从0.1MPa加压至0.2MPa的过程中，在试验装置的顶部或底部发生了泄漏。两个工况的共同点是都采用了棉布袋作为双液型速凝砂浆的内衬材料和先注入双液型速凝砂浆后注入油脂的密封材料注入顺序。

4.2 后期试验

由于有了先期试验的经验，即以右→中→左作为密封材料的注入顺序，且不使用棉布袋直接注入浆液型密封材料防水性能最好。所以选用此类试验工序及方法作为后期工况设计依据。

后期工况五使用上隧牌油脂，先注入油脂，后在不使用棉布套的情况下直接在注浆孔腔内注入双液型速凝水泥浆液，其注入密封材料的顺序为右→中→左。

试验从0.1MPa开始加压，直至0.6MPa，最大水压达到0.59MPa，在试验过程中， 整个加压过程较为顺利，水压试验机较易建立压力，且建立压力后，未见压力有快速下降的过程。在试验装置的缝隙处未见明显渗漏点。

图17 工况五试验情况

Fig.17 Experimental situation of test 5

工况六使用上隧牌油脂，先注入油脂，后在不使用棉布套的情况下直接在注浆孔腔内注入普通水泥砂浆。其注入密封材料的顺序为右→中→左。

试验从0.1MPa开始加压，直至0.55MPa，最大水压达到0.56MPa，在试验过程中，水压试验机难以建立压力，需多次加压，且保压困难。在加压至0.2MPa时，从试验装置的顶部一缝隙处渗出水，且产生了气泡，在后续的整个加压过程中，该漏点不断有水渗出，且随着压力升高水流量也有少量增加趋势，但未见水呈压力水流状。

图19 工况六试验情况

Fig.19 Experimental situation of test 6

工况五与先期试验中工况四的不同之处在于使用上隧牌盾尾油脂替代了CONDAT WR90手涂型油脂，在所有试验工况中的密封效果最佳，在试验装置的缝隙处未产生明显的渗漏点，且承受了0.59MPa的最大水压。

工况六为了和先期工况中的双液浆作对比，使用了普通水泥砂浆作为浆液型密封材料。在试验中承受了0.56MPa的最大水压，但在试验装置的缝隙处出现了渗漏点，该渗漏点水流量较大，导致其保压困难，在实际的工程施工中，可对该渗漏点进行堵漏。

6结论

(1)试验工况中，以先注入油脂后注入双液型速凝砂浆的密封材料的注入顺序，且不使用棉布袋直接注入浆液型密封材料为效果最佳的工序和方法。

(2)在先注入油脂的情况下，优先注入中孔油脂会出现渗水现象，补打油脂后能满足水压目标但是仍出现漏水现象，实际工程中应重点对渗漏点堵漏。

(3)在先注入油脂的情况下，优先注入右孔油脂则后期并不会出现漏水现象且满足水压力目标。与优先注入中孔油脂相比，防水性能进一步优化。

(4)依据以右→中→左作为密封材料的注入顺序，且不使用棉布袋的方法，左孔中注入双液浆的防水性能优于注入普通水泥砂浆。

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