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(zhì)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(shí)際困難。為確保工期、工程質(zhì)量及減少投入，由施工方提出在項目方支持，專(zhuān)家咨詢(xún)論證的前提下，將煤炭系統多年來(lái)行之有效的凍結固壁法首次引進(jìn)橋梁深水基礎施工，并取得圓滿(mǎn)成功，現對其進(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(cháng)江的交匯之處約三公里，是九江至景德鎮一級汽車(chē)專(zhuān)用公路上的特大橋。橋長(cháng)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，連續長(cháng)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(chēng)為東塔，基礎灌注樁直徑Φ4m）橋址處地質(zhì)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(zhì)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(zhì)量和工程進(jìn)度。經(jīng)過(guò)對樁基設計構造特點(diǎn)、橋址地質(zhì)水文情況及施工設備能力進(jìn)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(jìn)行比選。依據加快工程進(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采用傳統方法鉆孔成樁施工特點(diǎn)

　　3.1.1東塔樁徑達4m，穿過(guò)的軟弱松散沖擊層厚度大，采用傳統鉆機成孔，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(mǎn)足施工要求；

　　3.1.2由于樁徑大且存在變截面，采用傳統鉆機成孔澆筑水下混凝土風(fēng)險大；

　　3.1.3傳統鉆機成孔，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(diǎn)凍結法施工技術(shù)，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水凍結成冰形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕結構體來(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，凍結法施工技術(shù)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(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，其中凍結最大深度達435m，凍結表土層最大厚度達375m.經(jīng)過(guò)多年來(lái)國內外施工的實(shí)踐經(jīng)驗證明凍結法施工有以下特點(diǎn)：

　　3.2.1可有效隔絕地下水，其抗滲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，不穩定地層均可采用凍結法施工技術(shù)；

　　3.2.2凍土帷幕的形狀和強度可視施工現場(chǎng)條件，地質(zhì)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?chē)�環(huán)境無(wú)污染，無(wú)異物進(jìn)入土壤，噪音小，凍結結束后，凍土墻融化，不影響建筑物周?chē)�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(guò)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(mǎn)足受力要求，不需下沉龐大的鋼護筒，也無(wú)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(shí)現樁基干處施工，減小大直徑樁澆注水下混凝土的風(fēng)險；同時(shí)，能有效提高工效，比常規方法施工方法節約工程成本。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(shù)方案

　　雖然凍結法施工技術(shù)已應用多年，經(jīng)過(guò)長(cháng)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(fēng)險，因此，我們非常重視。結合東塔樁基構造及地質(zhì)水文特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細的施工技術(shù)設計，并經(jīng)多次專(zhuān)家論證會(huì )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(guān)鍵要素，這些都是在實(shí)施東塔樁基凍結施工時(shí)應重點(diǎn)控制的工作內容，現就其中的主要部分作簡(jiǎn)單介紹：

　　4.1凍結深度的確定東塔樁基穿過(guò)的地層，松散沖積層厚度達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(cháng)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(jiàn)，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(guò)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?chē)�地壓值與凍土抗壓強度按照無(wú)限長(cháng)厚壁圓筒理論進(jìn)行計算確定。

　　4.2.1樁基周?chē)�地壓計算根據該區的地質(zhì)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(zhì)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；ΦΦΦH―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(zhì)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(wú)限長(cháng)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�；鶐r工作面的溫度滿(mǎn)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?jì)鼋Y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(kāi)挖時(shí)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(gè)，開(kāi)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(gè)，開(kāi)孔間距2.2m；內圈孔圈徑1.5m，布孔3個(gè)，開(kāi)孔間距1.57m；每樁布置兩個(gè)測溫孔，樁內樁外各一個(gè)，測溫孔應視現場(chǎng)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(wàn)千卡/小時(shí)）

　　4.6凍結時(shí)間計算根據長(cháng)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，據此推算，凍結壁厚度達到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計當凍結期結束后，測溫資料表明凍結壁交圈且強度可滿(mǎn)足樁基開(kāi)挖要求時(shí)，即開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)挖工作。對樁孔通過(guò)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(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(jìn)行爆破施工，為防止一次爆深過(guò)大造成對凍結壁的破壞，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)。

　　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。

　　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(guān)鍵，根據煤炭系統多年來(lái)凍結施工的經(jīng)驗，凍結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)始出現升溫，隨著(zhù)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℃前有一定的正溫養護期，獲得一定強度后，在混凝土溫度降至0℃后，強度還會(huì )繼續增長(cháng)。根據實(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(xiàn)（實(shí)測）

　　H－東塔基樁與孔幫交界面處混凝上溫度曲線(xiàn)（預測）

　　根據本工程的具體特點(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(guò)大溫度應力，選用礦渣水泥生產(chǎn)混凝土；

　　4.8.2配置混凝土時(shí)，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(jìn)一步檢驗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)鉆機取芯樣，證明混凝土整體性完好，強度滿(mǎn)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(wú)縫鋼管，安裝凍結管之前，首先采用SPT-800型地質(zhì)鉆機成孔，要求凍結鉆孔偏斜率控制在1%以?xún)取?/P>

　　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(wàn)千卡/小時(shí)）。

　　5.3鹽水系統

　　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(wú)縫鋼管，配集液圈用φ159×6mm無(wú)縫鋼管；

　　5.3.3鹽水泵采用單機單泵供水，閘閥調節的供液方式，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(shí)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(diǎn)，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(kāi)始進(jìn)行凍結期冷凍；

　　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(wú)很成熟的經(jīng)驗，為確保萬(wàn)無(wú)一失，必須加強施工過(guò)程中的監測，主要有以下幾個(gè)方面：

　　7.1凍結制冷系統的監測，主要包括鹽水溫度，壓力，運轉效率等幾個(gè)方面，根據監測結果，隨時(shí)調整指標，以滿(mǎn)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(shí)掌握凍結埔的發(fā)展情況；

　　7.3樁孔開(kāi)挖后，及時(shí)監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(shí)施加臨時(shí)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，監測混凝土的養護溫度，并及時(shí)繪制溫度變化曲線(xiàn)，著(zhù)重監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，根據鉆芯取樣結果最終判定凍結法施工樁基混凝土的質(zhì)量。

　　8.結束語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)不懈努力，湖口大橋東塔樁基凍結法施工取得了圓滿(mǎn)成功，為橋梁深水基礎施工引進(jìn)了一種新的施工技術(shù)。經(jīng)過(guò)施工實(shí)踐證明，凍結法施工技術(shù)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采用此技術(shù)。在類(lèi)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(diǎn)：

　　8.1施工設備體積小，重量輕，拼裝簡(jiǎn)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(zhì)條件下采用鉆機成孔時(shí)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�土質(zhì)量；

　　8.4凍結法施工時(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約時(shí)間近一半，有效地縮短工期。

　　8.5較常規的鉆孔灌注樁施工方法，節約工程投入19%.