大橋東塔樁基凍結(jié)法施工技術(shù)介紹

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1、引子
    湖口湖口大橋東塔基礎(chǔ)原設(shè)計采用鉆孔灌注注樁，但由于該橋地質(zhì)水文情況及設(shè)計構(gòu)造的復雜性，導致采用鉆機成孔存在很多實際困難。為確保工期、工程質(zhì)量及減少投入，由施工方提出在項目方支持，專家咨詢論證的前提下，將煤炭系統(tǒng)多年來行之有效的凍結(jié)固壁法首次引進橋梁深水基礎(chǔ)施工，并取得圓滿成功，現(xiàn)對其進行簡單介紹。
    2、湖口大橋工程概況
    湖口大橋位于江西省湖口縣，地處鄱陽湖與長江的交匯之處約三公里，是九江至景德鎮(zhèn)一級汽車專用公路上的特大橋。橋長3799米。其主橋為雙索面三跨預(yù)應(yīng)力大小塔斜拉橋，半漂浮體系，跨徑布置為188m+318m+130m，連續(xù)長度為636m,橋?qū)?7.5m
    該橋大小塔基礎(chǔ)均采用4根大直徑鋼筋混凝土灌注樁，其中小塔（根據(jù)所處方位稱為東塔，基礎(chǔ)灌注樁直徑Φ4m）橋址處地質(zhì)情況十分復雜，基礎(chǔ)覆蓋層均為軟弱松散沖擊層，厚度達19m之多，土性以淤泥和淤泥質(zhì)亞粘土為主，基巖主要由石英砂巖組成，巖性堅硬脆，裂隙較發(fā)育。
    3、東塔樁基施工方案選擇
    由于本橋主塔樁基設(shè)計構(gòu)造和地址水文情況十分復雜，因此選擇一種正確合理的成孔方案顯得格外重要，這將直接影響到工程質(zhì)量和工程進度。經(jīng)過對樁基設(shè)計構(gòu)造特點、橋址地質(zhì)水文情況及施工設(shè)備能力進行綜合分析后，擬定鉆孔灌注樁和凍結(jié)法挖孔灌注樁兩種施工方法進行比選。依據(jù)加快工程進度、保證工程質(zhì)量、最大限度減少投入的原則，最終確定采用凍結(jié)法人工挖孔灌注樁方案進行湖口大橋東塔樁基的施工。
    3.1采用傳統(tǒng)方法鉆孔成樁施工特點
    3.1.1東塔樁徑達4m，穿過的軟弱松散沖擊層厚度大，采用傳統(tǒng)鉆機成孔，鋼護筒直徑將達4.5m以上，要下沉到基巖層將十分困難，機具設(shè)備難以滿足施工要求；
    3.1.2由于樁徑大且存在變截面，采用傳統(tǒng)鉆機成孔澆筑水下混凝土風險大；
    3.1.3傳統(tǒng)鉆機成孔，設(shè)備龐大，移位困難，4根樁難以平行作業(yè)，工期難以確保。
    3.2凍結(jié)法人工挖孔施工特點
    凍結(jié)法施工技術(shù)，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水凍結(jié)成冰形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕結(jié)構(gòu)體來抵抗水土壓力，以保證人工開挖工作順利進行。作為一種成熟的施工方法，凍結(jié)法施工技術(shù)在國際上被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)和煤礦建設(shè)中，已有100多年的歷史，我國采用凍結(jié)法施工技術(shù)至今也已有40多年的歷史，主要用于煤礦井筒開挖施工，其中凍結(jié)最大深度達435m，凍結(jié)表土層最大厚度達375m。經(jīng)過多年來國內(nèi)外施工的實踐經(jīng)驗證明凍結(jié)法施工有以下特點：
    3.2.1可有效隔絕地下水，其抗?jié)B透性能是其它任何方法不能相比的，對于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工技術(shù)；
    3.2.2凍土帷幕的形狀和強度可視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍土強度可達5-10Mpa，能有效提高工效；
    3.2.3凍結(jié)法施工對周圍環(huán)境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結(jié)結(jié)束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結(jié)構(gòu)；
    3.2.4凍結(jié)施工用于樁基施工或其它工藝平行作業(yè)，能有效縮短施工工期。
    通過對上述兩種施工方法的比較可知，采用凍結(jié)法施工，凍土帷幕能滿足受力要求，不需下沉龐大的鋼護筒，也無需大噸位鉆機，解決了起重設(shè)備能力不足的困難，降低了施工難度；而且能有效地隔絕了地下水，實現(xiàn)樁基干處施工，減小大直徑樁澆注水下混凝土的風險；同時，能有效提高工效，比常規(guī)方法施工方法節(jié)約工程成本。因此，湖口大橋東塔樁基選擇凍結(jié)法施工更為合理：
    4、湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工技術(shù)方案
    雖然凍結(jié)法施工技術(shù)已應(yīng)用多年，經(jīng)過長期的實踐，已建立起一整套完整的施工工藝流程，但此次應(yīng)用在湖口大橋樁基施工中，在橋梁深水建設(shè)史上還屬首次，具有相當大的風險，因此，我們非常重視。結(jié)合東塔樁基構(gòu)造及地質(zhì)水文特點，進行了詳細的施工技術(shù)設(shè)計，并經(jīng)多次專家論證會論證，最終確定了凍結(jié)深度、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)方式、凍結(jié)孔布置、凍結(jié)需冷量計算、樁基嵌巖段鉆爆法施工、低溫混凝土施工等關(guān)鍵要素，這些都是在實施東塔樁基凍結(jié)施工時應(yīng)重點控制的工作內(nèi)容，現(xiàn)就其中的主要部分作簡單介紹：
    4.1凍結(jié)深度的確定
    東塔樁基穿過的地層，松散沖積層厚度達19m左右，土性以淤泥和淤泥質(zhì)亞粘土為主，十分軟弱，基巖段裂隙發(fā)育，富含裂隙水。為確保人工挖孔時的安全，采用樁基全長凍結(jié)。橋位處枯水季節(jié)水位一般在＋10m左右，最高歷史水位為＋13m左右，為保險起見，將凍結(jié)施工平臺用鋼管樁圍堰加高到＋20m。為確保樁底凍結(jié)止水墊封水可靠，設(shè)計凍結(jié)深度超過樁底5m，達到-23m，凍結(jié)深度自+20m起，共計43m深。
    4.2.凍結(jié)壁厚的確定
    凍結(jié)壁厚度可根據(jù)樁基周圍地壓值與凍土抗壓強度按照無限長厚壁圓筒理論進行計算確定。
    4.2.1樁基周圍地壓計算
    根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)水文情況，淤泥含水豐富且在湖水下面，地壓計算可參照地質(zhì)及各種不利因素，按懸浮理論由重液公式計算；
    F=rhA+Rw 或 P=1.3H
    式中：r―土的重度，KN/m3；
    A―土側(cè)壓力系數(shù)，A=tg(45-Φ/2)2；ΦΦΦ
    H―深度；
    Rw―水壓力。
    取其大者作為沖積層最大地壓:
    P=4.11Kg/cm2
    4.2.2凍結(jié)壁厚度計算
    設(shè)計單機制冷，鹽水溫度為-25℃--28℃，凍結(jié)壁平均溫度取-6℃，淤泥質(zhì)亞粘土凍土抗壓強度根據(jù)凍土試驗結(jié)果取3.46Mpa；根據(jù)凍結(jié)壁彈塑性理論，按無限長厚壁圓筒計算凍結(jié)壁厚度為：
    E=R{{(a)/[(a)-2p]}1/2-1}
    式中：R―凍結(jié)井壁半徑
    (a)―凍土抗壓強度
    E―凍結(jié)壁厚；E=1.83m
    4.3凍結(jié)方式
    為確?；鶐r工作面的溫度滿足混凝土的養(yǎng)護要求，以及減少凍結(jié)孔的冷量損失，采用局部凍結(jié)方式，凍結(jié)段標高分別為：
    外圈主凍結(jié)孔：+20m～-23m(有效凍深43.0m)
    樁內(nèi)孔：-18m～-23m(有效凍深5.0m) 
    4.4凍結(jié)孔的布置
    根據(jù)根據(jù)東塔樁基開挖時的孔徑及凍結(jié)壁厚度的要求，將凍結(jié)孔布置成圓筒狀，共分為3圈，外圈為主排孔，圈徑6.0m，布孔19個，開孔間距0.992m；中圈及內(nèi)圈孔為樁內(nèi)封底孔，中圈孔圈徑3.5m，布孔5個，開孔間距2.2m；內(nèi)圈孔圈徑1.5m，布孔3個，開孔間距1.57m；每樁布置兩個測溫孔，樁內(nèi)樁外各一個，測溫孔應(yīng)視現(xiàn)場情況布置在凍結(jié)有效發(fā)展范圍內(nèi)，并盡量布在間距最大的凍結(jié)孔附近。
    4.5凍結(jié)需冷量計算
    設(shè)計冷凍鹽水溫度為-25℃～-28℃，考慮施工期內(nèi)湖口地區(qū)的氣候條件，冷量損失取15％，則總需冷量為：Q=1.15nsHq
    式中：n――冷凍管根數(shù)，取n=(19+5+3)×4=108（根）
    s――冷凍管直徑，s=0.5m
    H――凍結(jié)深度，H=43m
    q――冷凍管吸冷量，考慮施工水位較高，圍堰封水不安全，取q=879.23kj/m2h(210千卡/m2h)即Q=1878.2MJ/h(44.86萬千卡/小時)
    4.6凍結(jié)時間計算
    根據(jù)長期實踐證明，表土層凍土發(fā)展速度為22mm～25mm/米，基巖交圈速度為40mm/天，據(jù)此推算，凍結(jié)壁厚度達到1.83m需時為1830/(25×2)=35(米)。
    4.7東塔樁基基巖段鉆爆法施工設(shè)計
    當凍結(jié)期結(jié)束后，測溫資料表明凍結(jié)壁交圈且強度可滿足樁基開挖要求時，即開始進行開挖工作。對樁孔通過的沖積層部分，采用傳統(tǒng)人工挖孔施工，對基巖部分則采用鉆爆法施工。根據(jù)對凍結(jié)法施工和鉆孔法挖孔施工特點的綜合分析，決定對湖口大橋東塔樁基基巖段按光面爆破設(shè)計鉆爆法施工，采用T220防凍水膠炸藥和秒延期段發(fā)電雷管進行爆破施工，為防止一次爆深過大造成對凍結(jié)壁的破壞，決定以每次爆深不超過1米的原則來控制炮眼布置及裝藥量。
    4.7.1炮眼布置
    根據(jù)樁孔開挖形狀，將炮孔布置成圓圈狀，圈徑定為D1=0.7m，D2=1.9m，D3=3.1m，炮眼間距取：掏槽眼0.45m，輔助眼0.6m，周邊眼0.4m，每孔布置炮眼41個。
    4.7.2裝藥量
    輔助眼0.5-0.8Kg/眼，周邊眼0.3-0.5Kg/眼，正向裝藥，爆破參數(shù)見表1。
    4.8東塔樁基低溫混凝土施工
    確保確保低溫條件下樁基混凝土免受凍害是東塔樁基凍結(jié)法施工成敗的關(guān)鍵，根據(jù)煤炭系統(tǒng)多年來凍結(jié)施工的經(jīng)驗，凍結(jié)壁在混凝土澆注后幾個小時，由于受低溫環(huán)境的影響，靠近孔壁的混凝土出現(xiàn)降溫，隨后由于混凝土水化熱所產(chǎn)生的熱量比低溫環(huán)境吸去的熱量多，孔壁混凝土開始出現(xiàn)升溫，隨著熱交換的進行，混凝土的熱量進一步散失而進入降溫過程，直至0℃以下。總之，混凝土在降至0℃前有一定的正溫養(yǎng)護期，獲得一定強度后，在混凝土溫度降至0℃后，強度還會繼續(xù)增長。根據(jù)實測資料證明，僅需將混凝土入模溫度提高即可使混凝土免受凍害。
    注：Z3－煤礦井筒外層井壁與井幫交界面處混凝上溫度曲線（實測）
    H－東塔基樁與孔幫交界面處混凝上溫度曲線（預(yù)測） 
    根據(jù)本工程的具體特點，樁基混凝土澆注時間已在5～6月之間，氣溫已比較高，混凝土入模溫度可達25℃以上，基本可以解決混凝土的凍害問題。但為確保萬無一失，在進行混凝土配合比試驗時，還采取了以下幾個措施：
    4.8.1針對樁基直徑大，為避免混凝土水化熱造成樁基產(chǎn)生過大溫度應(yīng)力，選用礦渣水泥生產(chǎn)混凝土；
    4.8.2配置混凝土時，摻加防凍型早強減水劑，可有效防止混凝土遭受凍害。為了進一步檢驗混凝土的整體性及混凝土的澆注質(zhì)量，本工程還成功進行了鉛芯取樣。為確保芯樣具有代表性，取芯位置按最不利情況，分直孔和斜孔兩種，采用SPT―100型地質(zhì)鉆機取芯樣，證明混凝土整體性完好，強度滿足設(shè)計要求。
    5、東塔樁基凍結(jié)施工工藝設(shè)計
    5.1根據(jù)設(shè)計要求，凍結(jié)管布置成圓筒狀，采用φ127m無縫鋼管，安裝凍結(jié)管之前，首先采用SPT-800型地質(zhì)鉆機成孔，成孔直徑為200?，要求凍結(jié)鉆孔偏斜率控制在1%以內(nèi)。
    5.2根據(jù)凍結(jié)需冷量計算結(jié)果，采用兩臺KY―2KA20C型螺桿冷凍機組人工制冷，設(shè)計蒸發(fā)溫度+30℃，冷凝溫度-30℃，設(shè)計工況制冷量為：2261MJ/h(54萬千卡/小時)。
    5.3鹽水系統(tǒng)
    5.3.1鹽水用氯化鈣配置，比重為126t/m3，凝固溫度為-37.6℃；
    5.3.2根據(jù)凍結(jié)需冷量要求，鹽水總干管采用φ245×10mm無縫鋼管，配集液圈用φ159×6mm無縫鋼管;
    5.3.3鹽水泵采用單機單泵供水，閘閥調(diào)節(jié)的供液方式，選用2臺12SH―13型水泵，其單臺流量為560m3/h左右。
    5.4冷卻水系統(tǒng)
    根據(jù)冷凍機組制冷量確定冷凝器的循環(huán)水量，選用2臺200m3/h水泵供冷凝水，其中一臺作為備用，冷卻水直接采用湖水循環(huán)。 
    5.5凍結(jié)用電
    根據(jù)計算，冷凍機組運轉(zhuǎn)時用電負荷為560KW，根據(jù)當?shù)毓╇姮F(xiàn)狀，采用市電與自發(fā)電結(jié)合的辦法供電，確保凍結(jié)施工期間不停電。
    6、東塔樁基施工工藝流程
    根據(jù)凍結(jié)法施工要求，結(jié)合東塔樁基具體特點，制定凍結(jié)法人工挖孔施工工藝流程如下：
    6.1凍結(jié)孔施工(包括凍結(jié)打鉆及冷凍管安裝)；
    6.2冷凍平臺搭設(shè)，冷凍機組安裝調(diào)試；
    6.3冷凍管道安裝并開始進行凍結(jié)期冷凍；
    6.4樁孔開挖并維持冷凍；
    6.5下放鋼筋籠并停止冷凍；
    6.6澆注樁基混凝土；
    6.7成樁。
    7、施工監(jiān)測
    由于湖口大橋東塔樁基采用凍結(jié)法施工，在橋梁深水基礎(chǔ)施工史上尚屬首次，許多情況尚無很成熟的經(jīng)驗，為確保萬無一失，必須加強施工過程中的監(jiān)測，主要有以下幾個方面：
    7.1凍結(jié)制冷系統(tǒng)的監(jiān)測，主要包括鹽水溫度，壓力，運轉(zhuǎn)效率等幾個方面，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隨時調(diào)整指標，以滿足凍結(jié)需要；
    7.2測溫孔測溫記錄必須堅持每天兩次，以及時掌握凍結(jié)埔的發(fā)展情況；
    7.3樁孔開挖后，及時監(jiān)測凍結(jié)壁的變形情況，要求凍結(jié)壁的變形量不大于5mm,如出現(xiàn)意外情況，必須及時施加臨時支護井圈背板；
    7.4 樁基混凝土澆注后，利用澆注混凝土前在樁內(nèi)埋設(shè)的溫度傳感器，監(jiān)測混凝土的養(yǎng)護溫度，并及時繪制溫度變化曲線，著重監(jiān)測孔壁和樁底等位置；
    7.5在承臺施工前，對樁基混凝土進行鉆芯取樣，根據(jù)鉆芯取樣結(jié)果最終判定凍結(jié)法施工樁基混凝土的質(zhì)量。
    8、結(jié)束語
    經(jīng)過不懈努力，湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工取得了圓滿成功，為橋梁深水基礎(chǔ)施工引進了一種新的施工技術(shù)。經(jīng)過施工實踐證明，凍結(jié)法施工技術(shù)應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)施工是可行的，現(xiàn)正在建設(shè)中的江蘇省潤揚大橋錨碇基礎(chǔ)仍繼續(xù)采用此技術(shù)。在類似湖口大橋這樣特定的施工條件下，凍結(jié)法施工方案具有如下優(yōu)點：
    8.1施工設(shè)備體積小，重量輕，拼裝簡單方便，對起吊設(shè)備能力要求不高，緩解了設(shè)備能力不足的矛盾；
    8.2克服了在復雜地質(zhì)條件下采用鉆機成孔時存在的諸如大直徑鋼護筒下沉、鉆孔平臺搭設(shè)難度大等困難；
    8.3水下澆注混凝土為干澆混凝土，有利于確?；炷临|(zhì)量；
    8.4凍結(jié)法施工時4根樁平行作業(yè)，總體有效工作時間為112天，平均每根樁28天，比同等條件下的西塔采用鉆孔法施工節(jié)約時間近一半，有效地縮短工期。
    8.5較常規(guī)的鉆孔灌注樁施工方法，節(jié)約工程投入19%。