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湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工技術(shù)介紹
【摘要】 本文通過(guò)凍結(jié)法施工技術(shù)在湖口大橋東塔樁基施工中的應(yīng)用，結(jié)合東塔樁基的具體特點(diǎn)，從凍結(jié)發(fā)施工方案選擇，技術(shù)工藝設(shè)計(jì)，低溫混凝土施工等幾個(gè)方面對(duì)凍結(jié)法施工技術(shù)在橋梁深水基礎(chǔ)施工中首次應(yīng)用作了介紹，通過(guò)施工實(shí)踐證明，凍結(jié)法施工技術(shù)作為一種成熟的施工技術(shù)，在橋梁深水基礎(chǔ)施工中應(yīng)用是可行有效的。
【關(guān)鍵詞】 湖口大橋 東塔樁基 凍結(jié)法施工技術(shù)
1.引子
湖口大橋東塔基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注注樁，但由于該橋地質(zhì)水文情況及設(shè)計(jì)構(gòu)造的復(fù)雜性，導(dǎo)致采用鉆機(jī)成孔存在很多實(shí)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(xiàng)目方支持，專家咨詢論證的前提下，將煤炭系統(tǒng)多年來(lái)行之有效的凍結(jié)固壁法首次引進(jìn)橋梁深水基礎(chǔ)施工，并取得圓滿成功，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)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(yáng)湖與長(zhǎng)江的交匯之處約三公里，是九江至景德鎮(zhèn)一級(jí)汽車專用公路上的特大橋。橋長(zhǎng)3799米。其主橋?yàn)殡p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(zhǎng)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(fù)雜，基礎(chǔ)覆蓋層均為軟弱松散沖擊層，厚度達(dá)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(jiān)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(jì)構(gòu)造和地址水文情況十分復(fù)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(jìn)度。經(jīng)過(guò)對(duì)樁基設(shè)計(jì)構(gòu)造特點(diǎn)、橋址地質(zhì)水文情況及施工設(shè)備能力進(jìn)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(jìn)行比選。依據(jù)加快工程進(jìn)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(jìn)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(diǎn)
3.1.1東塔樁徑達(dá)4m，穿過(guò)的軟弱松散沖擊層厚度大，采用傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔，鋼護(hù)筒直徑 將達(dá)4.5m以上，要下沉到基巖層將十分困難，機(jī)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(jī)成孔澆筑水下混凝土風(fēng)險(xiǎn)大；
3.1.3傳統(tǒng)鉆機(jī)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(diǎn)
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(lái)抵抗水土壓力，以保證人工開(kāi)挖工作順利進(jìn)行。作為一種成熟的施工方法，凍結(jié)法施工技術(shù)在國(guó)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(guó)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(kāi)挖施工，其中凍結(jié)最大深度達(dá)435m，凍結(jié)表土層最大厚度達(dá)375m。經(jīng)過(guò)多年來(lái)國(guó)內(nèi)外施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明凍結(jié)法施工有以下特點(diǎn)：
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(duì)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(qiáng)度可視施工現(xiàn)場(chǎng)條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍土強(qiáng)度可達(dá)5-10Mpa，能有效提高工效；
3.2.3 凍結(jié)法施工對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染，無(wú)異物進(jìn)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(guò)對(duì)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(hù)筒，也無(wú)需大噸位鉆機(jī)，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(shí)現(xiàn)樁基干處施工，減小大直徑樁澆注水下混凝土的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，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(guò)長(zhǎng)期的實(shí)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(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，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(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)的施工技術(shù)設(shè)計(jì)，并經(jīng)多次專家論證會(huì)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(jì)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(shí)施東塔樁基凍結(jié)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制的工作內(nèi)容，現(xiàn)就其中的主要部分作簡(jiǎn)單介紹：
4.1 凍結(jié)深度的確定
東塔樁基穿過(guò)的地層，松散沖積層厚度達(dá)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(shí)的安全，采用樁基全長(zhǎng)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(xiǎn)起見(jiàn)，將凍結(jié)施工平臺(tái)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(jì)凍結(jié)深度超過(guò)樁底5m，達(dá)到-23m，凍結(jié)深度自+20m起，共計(jì)43m深(見(jiàn)圖1)。
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(qiáng)度按照無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒理論進(jìn)行計(jì)算確定。
4.2.1樁基周圍地壓計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算
設(shè)計(jì)單機(jī)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(qiáng)度根據(jù)凍土試驗(yàn)結(jié)果取3.46Mpa；根據(jù)凍結(jié)壁彈塑性理論，按無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒計(jì)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(qiáng)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(hù)要求，以及減少凍結(jié)孔的冷量損失，采用局部?jī)鼋Y(jié)方式，凍結(jié)段標(biāo)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)(見(jiàn)圖1)
4.4 凍結(jié)孔的布置
根據(jù)東塔樁基開(kāi)挖時(shí)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(gè)，開(kāi)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(gè)，開(kāi)孔間距2.2m；內(nèi)圈孔圈徑1.5m，布孔3個(gè)，開(kāi)孔間距1.57m；每樁布置兩個(gè)測(cè)溫孔，樁內(nèi)樁外各一
個(gè)，測(cè)溫孔應(yīng)視現(xiàn)場(chǎng)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(見(jiàn)圖2)。
4.5 凍結(jié)需冷量計(jì)算
設(shè)計(jì)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(wàn)千卡/小時(shí))
4.6 凍結(jié)時(shí)間計(jì)算
根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)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(dá)到1.83m需時(shí)為1830/(25×2)=35(米)。
4.7 東塔樁基基巖段鉆爆法施工設(shè)計(jì)
當(dāng)凍結(jié)期結(jié)束后，測(cè)溫資料表明凍結(jié)壁交圈且強(qiáng)度可滿足樁基開(kāi)挖要求時(shí)，即開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)挖工作。對(duì)樁孔通過(guò)的沖積層部分，采用傳統(tǒng)人工挖孔施工，對(duì)基巖部分則采用鉆爆法施工。根據(jù)對(duì)凍結(jié)法施工和鉆孔法挖孔施工特點(diǎn)的綜合分析，決定對(duì)湖口大橋東塔樁基基巖段按光面爆破設(shè)計(jì)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(jìn)行爆破施工，為防止一次爆深過(guò)大造成對(duì)凍結(jié)壁的破壞，決定以每次爆深不超過(guò)1米的原則來(lái)控制炮眼布置及裝藥量。
4.7.1 炮眼布置
根據(jù)樁孔開(kāi)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�0.45m，輔助眼0.6m，周邊眼0.4m，每孔布置炮眼41個(gè)。(見(jiàn)圖3)
圖3 爆破炮眼布置圖 單位：mm
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(jiàn)表1。
表1
4.8 東塔樁基低溫混凝土施工
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(lái)凍結(jié)施工的經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)壁在混凝土澆注后幾個(gè)小時(shí)，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(kāi)始出現(xiàn)升溫，隨著熱交換的進(jìn)行，混凝土的熱量進(jìn)一步散失而進(jìn)入降溫過(guò)程，直至0℃以下�？傊�，混凝土在降至0℃前有一定的正溫養(yǎng)護(hù)期，獲得一定強(qiáng)度后，在混凝土溫度降至0℃后，強(qiáng)度還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)(見(jiàn)圖4)。根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)）
H－東塔基樁與孔幫交界面處混凝上溫度曲線（預(yù)測(cè)）
圖4 混凝土養(yǎng)護(hù)期與孔幫交界面溫度變化曲線
根據(jù)本工程的具體特點(diǎn)，樁基混凝土澆注時(shí)間已在5～6月之間，氣溫已比較高，混凝土入模溫度可達(dá)25℃以上，基本可以解決混凝土的凍害問(wèn)題。但為確保萬(wàn)無(wú)一失，在進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)，還采取了以下幾個(gè)措施：
4.8.1 針對(duì)樁基直徑大，為避免混凝土水化熱造成樁基產(chǎn)生過(guò)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?xí)r，摻加防凍型早強(qiáng)減水劑，可有效防止混凝土遭受凍害。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)混凝土的整體性及混凝土的澆注質(zhì)量，本工程還成功進(jìn)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(jī)取芯樣，證明混凝土整體性完好，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
5.東塔樁基凍結(jié)施工工藝設(shè)計(jì)
5.1根據(jù)設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)管布置成圓筒狀，采用φ127m無(wú)縫鋼管，安裝凍結(jié)管之前，首先采用SPT-800型地質(zhì)鉆機(jī)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(jì)算結(jié)果，采用兩臺(tái)KY—2KA20C型螺桿冷凍機(jī)組人工制冷，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度+30℃，冷凝溫度-30℃，設(shè)計(jì)工況制冷量為：2261MJ/h(54萬(wàn)千卡/小時(shí))。
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(wú)縫鋼管，配集液圈用φ159×6mm無(wú)縫鋼管;
5.3.3鹽水泵采用單機(jī)單泵供水，閘閥調(diào)節(jié)的供液方式，選用2臺(tái)12SH—13型水泵，其單臺(tái)流量為560m3/h左右。
5.4冷卻水系統(tǒng)
根據(jù)冷凍機(jī)組制冷量確定冷凝器的循環(huán)水量，選用2臺(tái)200m3/h水泵供冷凝水，其中一臺(tái)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(jì)算，冷凍機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用電負(fù)荷為560KW，根據(jù)當(dāng)?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(diǎn)，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(tái)搭設(shè)，冷凍機(jī)組安裝調(diào)試；
6.3 冷凍管道安裝并開(kāi)始進(jìn)行凍結(jié)期冷凍；
6.4 樁孔開(kāi)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(cè)
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(wú)很成熟的經(jīng)驗(yàn)，為確保萬(wàn)無(wú)一失，必須加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，主要有以下幾個(gè)方面：
7.1凍結(jié)制冷系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，主要包括鹽水溫度，壓力，運(yùn)轉(zhuǎn)效率等幾個(gè)方面，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隨時(shí)調(diào)整指標(biāo)，以滿足凍結(jié)需要；
7.2測(cè)溫孔測(cè)溫記錄必須堅(jiān)持每天兩次，以及時(shí)掌握凍結(jié)埔的發(fā)展情況；
7.3樁孔開(kāi)挖后，及時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)施加臨時(shí)支護(hù)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(cè)混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度，并及時(shí)繪制溫度變化曲線，著重監(jiān)測(cè)孔壁和樁底等位置；
7.5 在承臺(tái)施工前，對(duì)樁基混凝土進(jìn)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(yǔ)
經(jīng)過(guò)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(jìn)了一種新的施工技術(shù)。經(jīng)過(guò)施工實(shí)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(rùn)揚(yáng)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(diǎn)：
8.1 施工設(shè)備體積小，重量輕，拼裝簡(jiǎn)單方便，對(duì)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(fù)雜
地質(zhì)條件下采用鉆機(jī)成孔時(shí)存在的諸如大直徑鋼護(hù)筒下沉、鉆孔平臺(tái)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(shí)4根樁平行作業(yè)，總體有效工作時(shí)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(shí)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%。
參考文獻(xiàn)：
1、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，人民交通出版社，(JTJ024-85)
2、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，人民交通出版社，(JTJ041-89)
3、《煤礦凍結(jié)井施工規(guī)范》
4、《煤礦凍結(jié)井設(shè)計(jì)規(guī)范》
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