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湖口大橋東塔樁基凍結法施工技術介紹(推薦)

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  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際困難。為確保工期、工程質量及減少投入,由施工方提出在項目方支持,專家咨詢論證的前提下,將煤炭系統多年來行之有效的凍結固壁法首次引進橋梁深水基礎施工,并取得圓滿成功,現對其進行簡單介紹。

  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,是九江至景德鎮一級汽車專用公路上的特大橋。橋長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(根據所處方位稱為東塔,基礎灌注樁直徑Φ4m)橋址處地質情況十分復雜,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量和工程進度。經過對樁基設計構造特點、橋址地質水文情況及施工設備能力進行綜合分析后,擬定鉆孔灌注樁和凍結法挖孔灌注樁兩種施工方法進行比選。依據加快工程進度、保證工程質量、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

  3.1.1東塔樁徑達4m,穿過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,工期難以確保。

  3.2凍結法人工挖孔施工特點凍結法施工技術,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抵抗水土壓力,以保證人工開挖工作順利進行。作為一種成熟的施工方法,凍結法施工技術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,其中凍結最大深度達435m,凍結表土層最大厚度達375m.經過多年來國內外施工的實踐經驗證明凍結法施工有以下特點:

  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;

  3.2.2凍土帷幕的形狀和強度可視施工現場條件,地質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凍結法施工對周圍環境無污染,無異物進入土壤,噪音小,凍結結束后,凍土墻融化,不影響建筑物周圍地下結構;

  3.2.4凍結施工用于樁基施工或其它工藝平行作業,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,采用凍結法施工,凍土帷幕能滿足受力要求,不需下沉龐大的鋼護筒,也無需大噸位鉆機,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,實現樁基干處施工,減小大直徑樁澆注水下混凝土的風險;同時,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。

  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;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;鶐r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)

  4.4凍結孔的布置根據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。

  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xx8藥和秒延期段發電雷xx8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。禾筒垩0.45m,輔助眼0.6m,周邊眼0.4m,每孔布置炮眼41個。

  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?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,強度還會繼續增長。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。

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