1、引子
湖口湖口大橋東塔基礎(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)對其進(jìn)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?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)過對樁基設(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)體來抵抗水土壓力,以保證人工開挖工作順利進(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(dá)435m,凍結(jié)表土層最大厚度達(dá)375m。經(jīng)過多年來國內(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)法施工對周圍環(huán)境無污染,無異物進(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(hù)筒,也無需大噸位鉆機(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)過長期的實(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(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,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(jì)凍結(jié)深度超過樁底5m,達(dá)到-23m,凍結(jié)深度自+20m起,共計(jì)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(qiáng)度按照無限長厚壁圓筒理論進(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,按無限長厚壁圓筒計(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,采用局部凍結(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)
4.4凍結(jié)孔的布置
根據(jù)根據(jù)東塔樁基開挖時(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),開孔間距2.2m;內(nèi)圈孔圈徑1.5m,布孔3個(gè),開孔間距1.57m;每樁布置兩個(gè)測溫孔,樁內(nèi)樁外各一個(gè),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(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(44.86萬千卡/小時(shí))
4.6凍結(jié)時(shí)間計(jì)算
根據(jù)長期實(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,測溫資料表明凍結(jié)壁交圈且強(qiáng)度可滿足樁基開挖要求時(shí),即開始進(jìn)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(diǎn)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(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。禾筒垩0.45m,輔助眼0.6m,周邊眼0.4m,每孔布置炮眼41個(gè)。
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(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)度還會繼續(xù)增長。根據(jù)實(shí)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(shí)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(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題。但為確保萬無一失,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?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無縫鋼管,配集液圈用φ159×6mm無縫鋼管;
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(jī)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(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冷凍平臺搭設(shè),冷凍機(jī)組安裝調(diào)試;
6.3冷凍管道安裝并開始進(jìn)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(yàn),為確保萬無一失,必須加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)測,主要有以下幾個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)效率等幾個(gè)方面,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,隨時(shí)調(diào)整指標(biāo),以滿足凍結(jié)需要;
7.2測溫孔測溫記錄必須堅(jiān)持每天兩次,以及時(shí)掌握凍結(jié)埔的發(fā)展情況;
7.3樁孔開挖后,及時(shí)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(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)測孔壁和樁底等位置;
7.5在承臺施工前,對樁基混凝土進(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
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(jìn)了一種新的施工技術(shù)。經(jīng)過施工實(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(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%。