青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁設計與施工

1、中國橋梁網(wǎng)青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁設計與施工青藏鐵路多年凍土區(qū)長度約 ，是地質時期高海拔寒冷氣候條件下的產物，多年凍土是負溫條件下的特殊土。該區(qū)大部分線路海拔在 之間，最低氣溫達 ，區(qū)內廣泛分布著厚層地下冰、冰椎、熱融湖塘、融冰泥流等不良地質，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。青藏鐵路的建設面臨“高原、凍土、環(huán)?！比箅y題，其設計與施工難度舉世無雙。多年凍土區(qū)橋梁基礎設計的合理性是橋梁設計的重點，是橋梁工程成敗的關鍵。凍土區(qū)天然上限凍融循環(huán)、凍脹、融沉等病害十分普遍，因此，絕大多數(shù)橋梁基礎根據(jù)工程地質條件只能采用深基礎即樁基礎。鉆孔灌注樁基礎，是國內外橋梁工程廣泛采用的基礎形式，可適用于各類地質條件，

2、設計理論和計算方法成熟，施工技術成熟，施工機械裝備先進，同時由于鉆孔灌注樁承載能力大，安全度高，因而成為凍土區(qū)橋梁基礎的首選形式。 多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的設計多年凍土用作地基應視凍土所在位置區(qū)域地溫分區(qū)，鉆孔灌注樁基礎設計必須根據(jù)橋址處的工程地質條件、實測地溫、凍土含冰量等情況確定其設計原則。對于低溫穩(wěn)定區(qū)凍土（ ），一般采用“保持基底凍土凍結狀態(tài)（即保護凍土原則）”設計；對于高溫極不穩(wěn)定區(qū)凍土（ ），則采用“允許融化原則”設計；對于高溫不穩(wěn)定區(qū)凍土（ ），樁基礎設計應按兩種原則進行驗算取其不利者 。 按保護凍土原則設計/式中：為樁的容許承載力,； 為第層凍土的樁側表面凍結強度,； 為第層凍土

3、的樁側表面的凍結面積,，不包括季節(jié)融化層和含土冰層； 為凍結力修正系數(shù)，青藏線??； 為樁底支承力折減系數(shù)，根據(jù)孔底含冰量取值，含冰量中國橋梁網(wǎng)越大取值越低，青藏線??； 為樁底面積,；為樁底多年凍土容許承載力,，按工點地質資料取，不進行修正。 按允許融化原則設計/ 式中：為樁的容許承載力,； 為樁身截面周長,，按成孔樁徑； 為各土層的極限摩阻力,，不包括季節(jié)融化層； 為各土層的厚度,;， ,與“按保護凍土原則設計”相同。 防凍脹措施當基礎位于凍脹、強凍脹性土時，承臺底將承受法向凍脹力，承臺側面將承受切向凍脹力，極易使基礎凍脹拔起或因受力不均而使橋梁墩臺產生傾斜，嚴重時還有可能將樁基礎拔斷。為減少

4、凍脹力對基礎的作用，設計應采取如下防凍脹措施：第一，采用高承臺樁基礎，即將承臺置于地面以上不少于 ，當橋梁高度較低時，取消橋墩將橋梁直接置于承臺上；第二，盡可能減小墩身及基礎同凍脹土接觸的表面積，如取消承臺采用雙柱式橋墩等； 第三，盡量使墩身和基礎側面光滑，做表面渣油涂層； 第四，在基礎底部及周圍換填粗顆粒非凍脹土； 第五，對于承臺無法離開地面的采用承臺底鋪設聚氨酯（）緩沖層，其下采用粗顆粒土換填。 多年凍土鉆孔灌注樁干法成孔施工 旋挖鉆機干法成孔的優(yōu)點青藏鐵路多年凍土區(qū)高寒缺氧，海拔高，自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，為加快施工速度，減少施工對凍土地基的熱擾動，提高機械化程度，降低勞動強度，同時

5、盡量避免施工造成環(huán)境污染，通過對不同鉆機成孔方法的綜合比較（見表），宜采用旋挖鉆機干法快速成孔施工。 旋挖鉆機成孔施工 施工準備中國橋梁網(wǎng)測量放樣應遵循“由整體到局部”的原則，首先定出墩臺位，再由墩臺位控制樁進行樁位放樣，并在樁的前后左右距中心 處分別設置護樁，以隨時檢測樁位和標高。鉆孔場地布置盡量以填代挖，以減少對原地表地基土的熱擾動，平整場地時，鉆機停放位置一定要保證水平，當?shù)鼗了绍洺睗駮r，在鉆機下墊厚鋼板，鉆機底座下發(fā)動機散熱部分鋪設聚苯乙烯塑料隔熱板，以防地基融沉導致鉆機傾斜偏位。 鉆機就位旋挖鉆機利用自行系統(tǒng)就位，就位前應對主要機具進行檢查、維修。 鋼護筒埋設多年凍土區(qū)樁基護筒采用

6、 鋼板卷制，直徑比樁孔直徑大 ，護筒除具有保護孔口，防止孔口坍塌，保證鉆孔正常作業(yè)外，還具有降低凍土對樁基切向凍脹力的作用，因此護筒應埋入天然凍土上限以下 ，護筒頂高出地面 以上，并在護筒外壁涂刷 厚的渣油。埋設護筒時，先用護筒直徑的鉆頭施鉆至護筒底標高，然后安裝護筒，護筒與孔壁間的空隙，用粗顆料土回填密實。在暖季施工時，有的樁孔周圍凍土易融化、滑塌，此時需設置外護筒，外護筒直徑比樁徑大 ，灌注樁基混凝土后拔出外護筒循環(huán)使用，外護筒埋設時采用旋挖鉆機旋轉壓入土面，邊鉆邊壓，直至鉆孔穩(wěn)定后，再埋入外表面涂渣油的防凍脹內護筒。 鉆進護筒埋設完成后，進行正式鉆進。旋挖鉆機鉆孔時，由鉆機自帶的柴油機驅

7、動液壓馬達來提供扭矩，通過液壓加壓，在扭矩和壓力的共同作用下，利用鉆頭下端的切削刃對土體進行切削破碎。（）施工過程中，對不同的地質條件，需相應地選用不同的鉆頭形式：對于土質比較均勻的凍土，采用普通旋挖鉆頭，順時針旋轉鉆進，切削的土體被擠入料斗中，裝滿后關閉回轉底蓋，并將鉆頭緩緩提出孔外，鉆機自身旋轉至自卸汽車處，動力鉆頭頂壓頂桿，開啟底蓋，中國橋梁網(wǎng)傾卸鉆渣。初入孔時，下壓力控制在 ；當遇到較硬土質或軟巖時，適當提高下壓力至 ，或采用短螺旋鉆頭，將土體切削后擠進鉆頭葉片內，鉆頭提出孔外，正反旋轉鉆桿將土卸入自卸汽車。對于較硬的巖層，采用鑿巖鉆頭切削巖層，再換用旋挖鉆頭取土。鉆孔至設計深度后，采

8、用旋挖鉆頭進行清孔。清孔后，及時檢測孔位、孔深及垂直度，合格后進行下道工序。（）鉆進過程中，當出現(xiàn)鉆桿跳動、鉆機搖晃、鉆不進尺等異常情況時，應立即停機提鉆檢查，查明原因妥善處理后再鉆。當遇到較大的漂石時，可采用筒式鑿巖鉆頭破巖，再用旋挖鉆頭取土；當遇到很大的孤石時，可采用孔下爆破方法處理，如因地質不均等原因造成輕微偏孔時，可采用帶導向管的鑿巖鉆頭慢速鉆進，糾偏后再換鉆頭正常鉆進。 樁身混凝土灌注 低溫早強耐久混凝土青藏鐵路多年凍土區(qū)凍融交替頻繁，樁身混凝土在負溫條件下水化，常規(guī)混凝土無法滿足青藏鐵路耐久性的要求。因此，樁身混凝土必須采用低溫早強耐久混凝土。低溫早強耐久混凝土，除選擇合適的粗細集

9、料及適宜的水泥（低堿水泥）外，還需摻入具有防凍、早強（減水）性能的外加劑，以保證混凝土灌注后能在低溫期獲得早強，從而在規(guī)定的時間內達到抗凍臨界強度，在滿足周圍介質在負溫條件下，各項力學性能指標達到或超過設計要求。同時，還需滿足強度增長的前提下，隨灌注過程帶入樁孔中的熱量較小，混凝土的水化熱引起的溫升對周圍凍土結構不產生明顯的破壞作用。青藏鐵路施工實踐表明，只要混凝土粗細集料基本無堿骨料反應，采用低堿水泥（混凝土含堿量不超過 /），摻入的（鐵科院研制）系列或（鐵一院研制）系列外加劑，當單方水泥用量為 /時，在周圍介質長期為 條件下，混凝土的抗凍融等級超過，各項力學性能指標均能達到或超過設計要求。

10、 混凝土入孔溫度控制中國橋梁網(wǎng)由于青藏鐵路氣溫較低，砂石料在自然狀態(tài)下通常為負溫，灌注樁身混凝土時，一方面要保證混凝土能在規(guī)定時間內達到臨界抗凍強度，使其免遭凍害，這就要求混凝土入孔溫度為正溫；另一方面要求混凝土帶入樁孔的熱量最小，不致破壞樁周多年凍土結構，盡量縮短樁周地基土的回凍時間，這就要求混凝土的入孔溫度盡量降低。因此，施工時應嚴格控制混凝土的入孔溫度，通過熱工計算確定拌和用水及砂石料的加熱溫度，將混凝土的入孔溫度嚴格控制在 范圍內。 混凝土灌注及養(yǎng)護由于凍結層上水的流入，樁基成孔后孔底或多或少總會有水，所以樁身混凝土灌注一律采用導管法水下混凝土工藝施工，以防止混凝土離析，確保其灌注質量

11、?；炷猎谧詣佑嬃堪韬驼炯邪韬?，由混凝土罐車直接灌入導管上方的小漏斗，連續(xù)灌注直至樁頂設計標高以上 。灌注完畢后，低承臺樁基先在混凝土頂面覆蓋草墊，再向孔內回填土，蓄熱保溫養(yǎng)生；高承臺樁基則用塑料薄膜和棉墊包裹進行保溫保濕養(yǎng)生。 成樁質量檢驗樁身混凝土灌注前，我們在部分樁基內布設了測溫探頭，混凝土灌注完畢后，進行了個月的不間斷觀測。結果表明，灌注后樁基內的溫度在 內會經歷一個快速升溫再快速降溫的過程，樁孔中心溫度最高達到 ，且樁體溫度在 后降到 以下，此后各點溫度基本不再變化。這表明，樁身混凝土有足夠的正溫養(yǎng)護時間，不會遭受凍害。標段根樁按上述方法施工完畢后，經第三方無損檢測，樁基質量均合格，且為類樁。青藏鐵路多年凍土區(qū)因其特殊的氣候、復雜的地質、脆弱的生態(tài)環(huán)境，使得橋梁鉆孔灌注樁基礎設計和施工必須采取特殊的處理措施。多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁基礎采用旋挖鉆機干法成孔，鉆孔速度快，無泥漿循環(huán)，對周圍凍土的擾動小，在提高施工效率、