大桥东塔桩基冻结法施工技术介绍

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1、引子
    湖口湖口大桥东塔基础原设计采用钻孔灌注注桩，但由于该桥地质水文情况及设计构造的复杂性，导致采用钻机成孔存在很多实际困难。为确保工期、工程质量及减少投入，由施工方提出在项目方支持，专家咨询论证的前提下，将煤炭系统多年来行之有效的冻结固壁法首次引进桥梁深水基础施工，并取得圆满成功，现对其进行简单介绍。
    2、湖口大桥工程概况
    湖口大桥位于江西省湖口县，地处鄱阳湖与长江的交汇之处约三公里，是九江至景德镇一级汽车专用公路上的特大桥。桥长3799米。其主桥为双索面三跨预应力大小塔斜拉桥，半漂浮体系，跨径布置为188m+318m+130m，连续长度为636m,桥宽27.5m
    该桥大小塔基础均采用4根大直径钢筋混凝土灌注桩，其中小塔（根据所处方位称为东塔，基础灌注桩直径Φ4m）桥址处地质情况十分复杂，基础覆盖层均为软弱松散冲击层，厚度达19m之多，土性以淤泥和淤泥质亚粘土为主，基岩主要由石英砂岩组成，岩性坚硬脆，裂隙较发育。
    3、东塔桩基施工方案选择
    由于本桥主塔桩基设计构造和地址水文情况十分复杂，因此选择一种正确合理的成孔方案显得格外重要，这将直接影响到工程质量和工程进度。经过对桩基设计构造特点、桥址地质水文情况及施工设备能力进行综合分析后，拟定钻孔灌注桩和冻结法挖孔灌注桩两种施工方法进行比选。依据加快工程进度、保证工程质量、最大限度减少投入的原则，最终确定采用冻结法人工挖孔灌注桩方案进行湖口大桥东塔桩基的施工。
    3.1采用传统方法钻孔成桩施工特点
    3.1.1东塔桩径达4m，穿过的软弱松散冲击层厚度大，采用传统钻机成孔，钢护筒直径将达4.5m以上，要下沉到基岩层将十分困难，机具设备难以满足施工要求；
    3.1.2由于桩径大且存在变截面，采用传统钻机成孔浇筑水下混凝土风险大；
    3.1.3传统钻机成孔，设备庞大，移位困难，4根桩难以平行作业，工期难以确保。
    3.2冻结法人工挖孔施工特点
    冻结法施工技术，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水冻结成冰形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构体来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行。作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m。经过多年来国内外施工的实践经验证明冻结法施工有以下特点：
    3.2.1可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它任何方法不能相比的，对于含水量大于10%的任何含水、松散，不稳定地层均可采用冻结法施工技术；
    3.2.2冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件，地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5-10Mpa，能有效提高工效；
    3.2.3冻结法施工对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构；
    3.2.4冻结施工用于桩基施工或其它工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
    通过对上述两种施工方法的比较可知，采用冻结法施工，冻土帷幕能满足受力要求，不需下沉庞大的钢护筒，也无需大吨位钻机，解决了起重设备能力不足的困难，降低了施工难度；而且能有效地隔绝了地下水，实现桩基干处施工，减小大直径桩浇注水下混凝土的风险；同时，能有效提高工效，比常规方法施工方法节约工程成本。因此，湖口大桥东塔桩基选择冻结法施工更为合理：
    4、湖口大桥东塔桩基冻结法施工技术方案
    虽然冻结法施工技术已应用多年，经过长期的实践，已建立起一整套完整的施工工艺流程，但此次应用在湖口大桥桩基施工中，在桥梁深水建设史上还属首次，具有相当大的风险，因此，我们非常重视。结合东塔桩基构造及地质水文特点，进行了详细的施工技术设计，并经多次专家论证会论证，最终确定了冻结深度、冻结壁厚度、冻结方式、冻结孔布置、冻结需冷量计算、桩基嵌岩段钻爆法施工、低温混凝土施工等关键要素，这些都是在实施东塔桩基冻结施工时应重点控制的工作内容，现就其中的主要部分作简单介绍：
    4.1冻结深度的确定
    东塔桩基穿过的地层，松散冲积层厚度达19m左右，土性以淤泥和淤泥质亚粘土为主，十分软弱，基岩段裂隙发育，富含裂隙水。为确保人工挖孔时的安全，采用桩基全长冻结。桥位处枯水季节水位一般在＋10m左右，最高历史水位为＋13m左右，为保险起见，将冻结施工平台用钢管桩围堰加高到＋20m。为确保桩底冻结止水垫封水可靠，设计冻结深度超过桩底5m，达到-23m，冻结深度自+20m起，共计43m深。
    4.2.冻结壁厚的确定
    冻结壁厚度可根据桩基周围地压值与冻土抗压强度按照无限长厚壁圆筒理论进行计算确定。
    4.2.1桩基周围地压计算
    根据该区的地质水文情况，淤泥含水丰富且在湖水下面，地压计算可参照地质及各种不利因素，按悬浮理论由重液公式计算；
    F=rhA+Rw 或 P=1.3H
    式中：r―土的重度，KN/m3；
    A―土侧压力系数，A=tg(45-Φ/2)2；ΦΦΦ
    H―深度；
    Rw―水压力。
    取其大者作为冲积层最大地压:
    P=4.11Kg/cm2
    4.2.2冻结壁厚度计算
    设计单机制冷，盐水温度为-25℃--28℃，冻结壁平均温度取-6℃，淤泥质亚粘土冻土抗压强度根据冻土试验结果取3.46Mpa；根据冻结壁弹塑性理论，按无限长厚壁圆筒计算冻结壁厚度为：
    E=R{{(a)/[(a)-2p]}1/2-1}
    式中：R―冻结井壁半径
    (a)―冻土抗压强度
    E―冻结壁厚；E=1.83m
    4.3冻结方式
    为确保基岩工作面的温度满足混凝土的养护要求，以及减少冻结孔的冷量损失，采用局部冻结方式，冻结段标高分别为：
    外圈主冻结孔：+20m～-23m(有效冻深43.0m)
    桩内孔：-18m～-23m(有效冻深5.0m) 
    4.4冻结孔的布置
    根据根据东塔桩基开挖时的孔径及冻结壁厚度的要求，将冻结孔布置成圆筒状，共分为3圈，外圈为主排孔，圈径6.0m，布孔19个，开孔间距0.992m；中圈及内圈孔为桩内封底孔，中圈孔圈径3.5m，布孔5个，开孔间距2.2m；内圈孔圈径1.5m，布孔3个，开孔间距1.57m；每桩布置两个测温孔，桩内桩外各一个，测温孔应视现场情况布置在冻结有效发展范围内，并尽量布在间距最大的冻结孔附近。
    4.5冻结需冷量计算
    设计冷冻盐水温度为-25℃～-28℃，考虑施工期内湖口地区的气候条件，冷量损失取15％，则总需冷量为：Q=1.15nsHq
    式中：n――冷冻管根数，取n=(19+5+3)×4=108（根）
    s――冷冻管直径，s=0.5m
    H――冻结深度，H=43m
    q――冷冻管吸冷量，考虑施工水位较高，围堰封水不安全，取q=879.23kj/m2h(210千卡/m2h)即Q=1878.2MJ/h(44.86万千卡/小时)
    4.6冻结时间计算
    根据长期实践证明，表土层冻土发展速度为22mm～25mm/米，基岩交圈速度为40mm/天，据此推算，冻结壁厚度达到1.83m需时为1830/(25×2)=35(米)。
    4.7东塔桩基基岩段钻爆法施工设计
    当冻结期结束后，测温资料表明冻结壁交圈且强度可满足桩基开挖要求时，即开始进行开挖工作。对桩孔通过的冲积层部分，采用传统人工挖孔施工，对基岩部分则采用钻爆法施工。根据对冻结法施工和钻孔法挖孔施工特点的综合分析，决定对湖口大桥东塔桩基基岩段按光面爆破设计钻爆法施工，采用T220防冻水胶炸药和秒延期段发电雷管进行爆破施工，为防止一次爆深过大造成对冻结壁的破坏，决定以每次爆深不超过1米的原则来控制炮眼布置及装药量。
    4.7.1炮眼布置
    根据桩孔开挖形状，将炮孔布置成圆圈状，圈径定为D1=0.7m，D2=1.9m，D3=3.1m，炮眼间距取：掏槽眼0.45m，辅助眼0.6m，周边眼0.4m，每孔布置炮眼41个。
    4.7.2装药量
    辅助眼0.5-0.8Kg/眼，周边眼0.3-0.5Kg/眼，正向装药，爆破参数见表1。
    4.8东塔桩基低温混凝土施工
    确保确保低温条件下桩基混凝土免受冻害是东塔桩基冻结法施工成败的关键，根据煤炭系统多年来冻结施工的经验，冻结壁在混凝土浇注后几个小时，由于受低温环境的影响，靠近孔壁的混凝土出现降温，随后由于混凝土水化热所产生的热量比低温环境吸去的热量多，孔壁混凝土开始出现升温，随着热交换的进行，混凝土的热量进一步散失而进入降温过程，直至0℃以下。总之，混凝土在降至0℃前有一定的正温养护期，获得一定强度后，在混凝土温度降至0℃后，强度还会继续增长。根据实测资料证明，仅需将混凝土入模温度提高即可使混凝土免受冻害。
    注：Z3－煤矿井筒外层井壁与井帮交界面处混凝上温度曲线（实测）
    H－东塔基桩与孔帮交界面处混凝上温度曲线（预测） 
    根据本工程的具体特点，桩基混凝土浇注时间已在5～6月之间，气温已比较高，混凝土入模温度可达25℃以上，基本可以解决混凝土的冻害问题。但为确保万无一失，在进行混凝土配合比试验时，还采取了以下几个措施：
    4.8.1针对桩基直径大，为避免混凝土水化热造成桩基产生过大温度应力，选用矿渣水泥生产混凝土；
    4.8.2配置混凝土时，掺加防冻型早强减水剂，可有效防止混凝土遭受冻害。为了进一步检验混凝土的整体性及混凝土的浇注质量，本工程还成功进行了铅芯取样。为确保芯样具有代表性，取芯位置按最不利情况，分直孔和斜孔两种，采用SPT―100型地质钻机取芯样，证明混凝土整体性完好，强度满足设计要求。
    5、东塔桩基冻结施工工艺设计
    5.1根据设计要求，冻结管布置成圆筒状，采用φ127m无缝钢管，安装冻结管之前，首先采用SPT-800型地质钻机成孔，成孔直径为200?，要求冻结钻孔偏斜率控制在1%以内。
    5.2根据冻结需冷量计算结果，采用两台KY―2KA20C型螺杆冷冻机组人工制冷，设计蒸发温度+30℃，冷凝温度-30℃，设计工况制冷量为：2261MJ/h(54万千卡/小时)。
    5.3盐水系统
    5.3.1盐水用氯化钙配置，比重为126t/m3，凝固温度为-37.6℃；
    5.3.2根据冻结需冷量要求，盐水总干管采用φ245×10mm无缝钢管，配集液圈用φ159×6mm无缝钢管;
    5.3.3盐水泵采用单机单泵供水，闸阀调节的供液方式，选用2台12SH―13型水泵，其单台流量为560m3/h左右。
    5.4冷却水系统
    根据冷冻机组制冷量确定冷凝器的循环水量，选用2台200m3/h水泵供冷凝水，其中一台作为备用，冷却水直接采用湖水循环。 
    5.5冻结用电
    根据计算，冷冻机组运转时用电负荷为560KW，根据当地供电现状，采用市电与自发电结合的办法供电，确保冻结施工期间不停电。
    6、东塔桩基施工工艺流程
    根据冻结法施工要求，结合东塔桩基具体特点，制定冻结法人工挖孔施工工艺流程如下：
    6.1冻结孔施工(包括冻结打钻及冷冻管安装)；
    6.2冷冻平台搭设，冷冻机组安装调试；
    6.3冷冻管道安装并开始进行冻结期冷冻；
    6.4桩孔开挖并维持冷冻；
    6.5下放钢筋笼并停止冷冻；
    6.6浇注桩基混凝土；
    6.7成桩。
    7、施工监测
    由于湖口大桥东塔桩基采用冻结法施工，在桥梁深水基础施工史上尚属首次，许多情况尚无很成熟的经验，为确保万无一失，必须加强施工过程中的监测，主要有以下几个方面：
    7.1冻结制冷系统的监测，主要包括盐水温度，压力，运转效率等几个方面，根据监测结果，随时调整指标，以满足冻结需要；
    7.2测温孔测温记录必须坚持每天两次，以及时掌握冻结埔的发展情况；
    7.3桩孔开挖后，及时监测冻结壁的变形情况，要求冻结壁的变形量不大于5mm,如出现意外情况，必须及时施加临时支护井圈背板；
    7.4 桩基混凝土浇注后，利用浇注混凝土前在桩内埋设的温度传感器，监测混凝土的养护温度，并及时绘制温度变化曲线，着重监测孔壁和桩底等位置；
    7.5在承台施工前，对桩基混凝土进行钻芯取样，根据钻芯取样结果最终判定冻结法施工桩基混凝土的质量。
    8、结束语
    经过不懈努力，湖口大桥东塔桩基冻结法施工取得了圆满成功，为桥梁深水基础施工引进了一种新的施工技术。经过施工实践证明，冻结法施工技术应用于桥梁深水基础施工是可行的，现正在建设中的江苏省润扬大桥锚碇基础仍继续采用此技术。在类似湖口大桥这样特定的施工条件下，冻结法施工方案具有如下优点：
    8.1施工设备体积小，重量轻，拼装简单方便，对起吊设备能力要求不高，缓解了设备能力不足的矛盾；
    8.2克服了在复杂地质条件下采用钻机成孔时存在的诸如大直径钢护筒下沉、钻孔平台搭设难度大等困难；
    8.3水下浇注混凝土为干浇混凝土，有利于确保混凝土质量；
    8.4冻结法施工时4根桩平行作业，总体有效工作时间为112天，平均每根桩28天，比同等条件下的西塔采用钻孔法施工节约时间近一半，有效地缩短工期。
    8.5较常规的钻孔灌注桩施工方法，节约工程投入19%。