湖口大橋東塔樁基凍結法施工技術介紹
發布時間：2010-01-14 共3頁
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(見圖1)。
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)(見圖1)
4.4.凍結孔的布置
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展范圍內，并盡量布在間距最大的凍結孔附近(見圖2)。
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，炮眼間距取：掏槽眼0.45m，輔助眼0.6m，周邊眼0.4m，每孔布置炮眼41個。(見圖3)
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。
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法施工成敗的關鍵，根據煤炭系統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，強度還會繼續增長(見圖4)。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。
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(見圖1)。
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)(見圖1)
4.4.凍結孔的布置
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展范圍內，并盡量布在間距最大的凍結孔附近(見圖2)。
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，炮眼間距取：掏槽眼0.45m，輔助眼0.6m，周邊眼0.4m，每孔布置炮眼41個。(見圖3)
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。
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法施工成敗的關鍵，根據煤炭系統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，強度還會繼續增長(見圖4)。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。
