大橋東塔樁基凍結法施工技術介紹

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1、引子
    湖口湖口大橋東塔基礎原設計采用鉆孔灌注注樁，但由于該橋地質水文情況及設計構造的復雜性，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固壁法首次引進橋梁深水基礎施工，并取得圓滿成功，現對其進行簡單介紹。
    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應力大小塔斜拉橋，半漂浮體系，跨徑布置為188m+318m+130m，連續(xù)長度為636m,橋寬27.5m
    該橋大小塔基礎均采用4根大直徑鋼筋混凝土灌注樁，其中小塔（根據所處方位稱為東塔，基礎灌注樁直徑Φ4m）橋址處地質情況十分復雜，基礎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計構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量和工程進度。經過對樁基設計構造特點、橋址地質水文情況及施工設備能力進行綜合分析后，擬定鉆孔灌注樁和凍結法挖孔灌注樁兩種施工方法進行比選。依據加快工程進度、保證工程質量、最大限度減少投入的原則，最終確定采用凍結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凍結法人工挖孔施工特點
    凍結法施工技術，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水凍結成冰形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕結構體來抵抗水土壓力，以保證人工開挖工作順利進行。作為一種成熟的施工方法，凍結法施工技術在國際上被廣泛應用于城市建設和煤礦建設中，已有100多年的歷史，我國采用凍結法施工技術至今也已有40多年的歷史，主要用于煤礦井筒開挖施工，其中凍結最大深度達435m，凍結表土層最大厚度達375m。經過多年來國內外施工的實踐經驗證明凍結法施工有以下特點：
    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法施工技術；
    3.2.2凍土帷幕的形狀和強度可視施工現場條件，地質條件靈活布置和調整，凍土強度可達5-10Mpa，能有效提高工效；
    3.2.3凍結法施工對周圍環(huán)境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結結束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結構；
    3.2.4凍結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法施工更為合理：
    4、湖口大橋東塔樁基凍結法施工技術方案
    雖然凍結法施工技術已應用多年，經過長期的實踐，已建立起一整套完整的施工工藝流程，但此次應用在湖口大橋樁基施工中，在橋梁深水建設史上還屬首次，具有相當大的風險，因此，我們非常重視。結合東塔樁基構造及地質水文特點，進行了詳細的施工技術設計，并經多次專家論證會論證，最終確定了凍結深度、凍結壁厚度、凍結方式、凍結孔布置、凍結需冷量計算、樁基嵌巖段鉆爆法施工、低溫混凝土施工等關鍵要素，這些都是在實施東塔樁基凍結施工時應重點控制的工作內容，現就其中的主要部分作簡單介紹：
    4.1凍結深度的確定
    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。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，將凍結施工平臺用鋼管樁圍堰加高到＋20m。為確保樁底凍結止水墊封水可靠，設計凍結深度超過樁底5m，達到-23m，凍結深度自+20m起，共計43m深。
    4.2.凍結壁厚的確定
    凍結壁厚度可根據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
    根據該區(qū)的地質水文情況，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―土側壓力系數，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凍結壁厚度計算
    設計單機制冷，鹽水溫度為-25℃--28℃，凍結壁平均溫度取-6℃，淤泥質亞粘土凍土抗壓強度根據凍土試驗結果取3.46Mpa；根據凍結壁彈塑性理論，按無限長厚壁圓筒計算凍結壁厚度為：
    E=R{{(a)/[(a)-2p]}1/2-1}
    式中：R―凍結井壁半徑
    (a)―凍土抗壓強度
    E―凍結壁厚；E=1.83m
    4.3凍結方式
    為確保基巖工作面的溫度滿足混凝土的養(yǎng)護要求，以及減少凍結孔的冷量損失，采用局部凍結方式，凍結段標高分別為：
    外圈主凍結孔：+20m～-23m(有效凍深43.0m)
    樁內孔：-18m～-23m(有效凍深5.0m) 
    4.4凍結孔的布置
    根據根據東塔樁基開挖時的孔徑及凍結壁厚度的要求，將凍結孔布置成圓筒狀，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；中圈及內圈孔為樁內封底孔，中圈孔圈徑3.5m，布孔5個，開孔間距2.2m；內圈孔圈徑1.5m，布孔3個，開孔間距1.57m；每樁布置兩個測溫孔，樁內樁外各一個，測溫孔應視現場情況布置在凍結有效發(fā)展范圍內，并盡量布在間距最大的凍結孔附近。
    4.5凍結需冷量計算
    設計冷凍鹽水溫度為-25℃～-28℃，考慮施工期內湖口地區(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，取n=(19+5+3)×4=108（根）
    s――冷凍管直徑，s=0.5m
    H――凍結深度，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凍結時間計算
    根據長期實踐證明，表土層凍土發(fā)展速度為22mm～25mm/米，基巖交圈速度為40mm/天，據此推算，凍結壁厚度達到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計
    當凍結期結束后，測溫資料表明凍結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。根據對凍結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?。禾筒垩?.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法施工成敗的關鍵，根據煤炭系統(tǒng)多年來凍結施工的經驗，凍結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降溫，隨后由于混凝土水化熱所產生的熱量比低溫環(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（預測） 
    根據本工程的具體特點，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生過大溫度應力，選用礦渣水泥生產混凝土；
    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型地質鉆機取芯樣，證明混凝土整體性完好，強度滿足設計要求。
    5、東塔樁基凍結施工工藝設計
    5.1根據設計要求，凍結管布置成圓筒狀，采用φ127m無縫鋼管，安裝凍結管之前，首先采用SPT-800型地質鉆機成孔，成孔直徑為200?，要求凍結鉆孔偏斜率控制在1%以內。
    5.2根據凍結需冷量計算結果，采用兩臺KY―2KA20C型螺桿冷凍機組人工制冷，設計蒸發(fā)溫度+30℃，冷凝溫度-30℃，設計工況制冷量為：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根據凍結需冷量要求，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凍結用電
    根據計算，冷凍機組運轉時用電負荷為560KW，根據當地供電現狀，采用市電與自發(fā)電結合的辦法供電，確保凍結施工期間不停電。
    6、東塔樁基施工工藝流程
    根據凍結法施工要求，結合東塔樁基具體特點，制定凍結法人工挖孔施工工藝流程如下：
    6.1凍結孔施工(包括凍結打鉆及冷凍管安裝)；
    6.2冷凍平臺搭設，冷凍機組安裝調試；
    6.3冷凍管道安裝并開始進行凍結期冷凍；
    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法施工，在橋梁深水基礎施工史上尚屬首次，許多情況尚無很成熟的經驗，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凍結制冷系統(tǒng)的監(jiān)測，主要包括鹽水溫度，壓力，運轉效率等幾個方面，根據監(jiān)測結果，隨時調整指標，以滿足凍結需要；
    7.2測溫孔測溫記錄必須堅持每天兩次，以及時掌握凍結埔的發(fā)展情況；
    7.3樁孔開挖后，及時監(jiān)測凍結壁的變形情況，要求凍結壁的變形量不大于5mm,如出現意外情況，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埋設的溫度傳感器，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，根據鉆芯取樣結果最終判定凍結法施工樁基混凝土的質量。
    8、結束語
    經過不懈努力，湖口大橋東塔樁基凍結法施工取得了圓滿成功，為橋梁深水基礎施工引進了一種新的施工技術。經過施工實踐證明，凍結法施工技術應用于橋梁深水基礎施工是可行的，現正在建設中的江蘇省潤揚大橋錨碇基礎仍繼續(xù)采用此技術。在類似湖口大橋這樣特定的施工條件下，凍結法施工方案具有如下優(yōu)點：
    8.1施工設備體積小，重量輕，拼裝簡單方便，對起吊設備能力要求不高，緩解了設備能力不足的矛盾；
    8.2克服了在復雜地質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|量；
    8.4凍結法施工時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%。