冻结法在桥梁深水桩基施工中的应用(湖口大桥)

冻结施工法是煤炭行业煤井常用施工方法之 一， 制冷技术使地层中的水冻结， 将天然岩土冻结成 冻土， 从而把不稳定的含水土体固化， 形成具有一定 厚度的冻结结构体—冻结壁。该结构体具有相当的 强度， 可以抵抗周围的水土压力， 隔绝地下水， 形成 封闭的不透水帷幕， 地下工程于是可在冻结壁的保 护下进行施工。冻结壁是一种临时支护结构， 永久 工程形成后， 停止冻结， 冻结壁融化， 土体恢复原状。 九江湖口大桥位于江西省湖口县县城境内鄱阳 湖汇入长江的入口处。大桥主桥长 +#+ L， 是九江 至景德镇高速公路上子母塔式的斜拉桥。该桥东塔 桩基础为 % 根 !% L 的嵌岩桩， 嵌岩深度 & L。该桩 原设计方案为钻孔灌注桩， 但根据施工现场地质情 况， 引进冻结法施工技术进行桩基础施工。 冻结法施工在我国深水基础施工中尚属首次， 经全国桥梁专家多次从经济、 技术、 工期等方面进行 论证比较， 认为采用冻结法进行桥梁深水基础施工 是可行的。冻结施工技术在桥梁深水基础中的成功
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桥梁建设
’""’ 年第 ’ 期
冻结法在桥梁深水桩基施工中的应用
杨应科! ， 郑俊杰! ， 方秦汉’
（! ) 华中科技大学道路与桥梁工程系， 湖北 武汉 %#""&%； 湖北 武汉 %#""("） ’ ) 中铁大桥勘设院， 摘 要：冻结法在九江湖口大桥深水桩基施工中首次应用。介绍了冻结法的施工工艺、 设计
!67’,&%’：@17 <589: /KKA5>/:523 2< <8770534 L7:12? 53 K5A7 <2.3?/:523 2< -.M2. G85?47 53 N5.F5/34 59 53:82O ?.>7? ) @17 >239:8.>:523 :7>132A24; /3? ?79543 L7:12? 2< <8770534 L7:12?，:17 >239:8.>:523 K82>799 2< <8770534 L7:12? 53 K5A7 <2.3?/:523 /87 7LK1/:5>/AA; 53:82?.>7? ) 8-9 :(,27：>/PA7O9:/;7? P85?47；K5A7 <2.3?/:523；<8770534 L7:12?；P85?47 >239:8.>:523 ; 前 言 运用， 为我国桥梁深水基础冻结法施工填补了一项 空白。 < 施工场地概况 场地地层为第四系土层和泥盆系砂岩， 地层上 部以淤泥为主， 夹有粉细砂薄层， 下部为淤泥质亚粘 土， 底层局部有砾石层， 基岩主要由石英砂岩组成， 岩性致密坚硬， 天然单轴抗压强度 +" S R" ET/。桩 基位置原始标高 U R S U Q L， 地下水类型可分为孔 隙水和裂隙水， 孔隙水多赋于第四系冲积层内， 渗水 # 量 !"" S ("" L V ?， 孔隙水与地表水有水力联系； 裂 隙水主要赋于砂岩裂隙内， 渗透性差， 出水量 ( S (" # L V ?。 鄱阳湖水位受上游五大水系影响， 变化复杂， 施 湖水施工深度 !" L 工期间水位标高在 U !Q L 左右， 左右， 流速在 ! ) R S ’ L V 9。 = 冻结施工工艺 在开挖桩基的周围按冻结壁厚度要求施工一定
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图"
冻结管布置示意
制冷设备
根据设计盐水温度 （ $ ’" + $ ’& . ） 及冻结需 冷量要求， 选用 ’ 台 34 $ ’35’*6 型螺杆制冷机， 制 冷量 ’ ! ( 7 %*/ 0 1 2， 可以满足冻结施工需要。 % %!" 冻结及桩基施工 冻结及桩孔开挖
从开钻到钻孔全部完成共 (" 8， 除因天气、 停电 等因素影响外， 实际钻进为 (’ 8， 冻结孔工程质量全 部符合规范要求。钻孔结束后 ( 8 开冻， 冻结 (* 8 后， , 根桩孔全部开挖。桩孔位表面土段利用风镐人 工开挖施工， 岩石段采用爆破法施工。从开始挖孔到 全部浇灌混凝土结束历时 (" 8， 合计工期%** 8。 在桩基开挖施工过程中未进行孔壁支护， 属于 大面积长期暴露型， 根据冻结壁厚度及强度计算， 孔 壁不支护可以满足施工要求。在施工过程中孔壁实 际暴露长度 ’* + ’’ #， 时间 (* 8 左右， 实测冻结壁 最大位移 ( + " ##， 冻结壁非常稳定。 %!# 安放钢筋笼 由于灌注桩桩径较大， 桩长较长， 钢筋笼总重量 较大。若按钻孔灌注桩施工则需要大型起重设备， 而在冻结施工技术中， 由于改水下施工为干浇施工， 故在钢筋笼施工过程中， 根据现场起重设备起重能 力， 先在钢筋笼定位圈上加工部分主筋吊装到位， 然 后在孔内进行部分主筋安装， 节省了设备费用， 且钢
图 $ # 号桩混凝土浇注温度变化曲线
尚有许多问题要进一步完善和解决， 如冻结设计方 % 结 语 案的进一步优化， 冻结施工方案的进一步完善等， 这 需要人工冻结技术界同桥梁界的专家们进一步共同 努力。相信冻结法会在桥梁桩基施工中得到越来越 广泛的应用。 九江湖口大桥桩基冻结法施工在桥梁深水桩基 施工中尚属首次， 属于桥梁基础施工中的一项新技 术、 新工艺， 取得了较好的社会效益和经济效益， 但
收稿日期：’""! $ !! $ !+ 作者简介：杨应科 （!Q+# $ ） ， 男， 高级工程师， 现为华中科技大学在职硕士研究生。 !QR& 年毕业于长沙交通学院公路
杨应科， 郑俊杰， 方秦汉
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数量的钻孔， 在钻孔内下放冻结管， 利用人工制冷系 统制成低温盐水在冻结管内循环， 在循环的过程中， 冻结管的表面与冻结管周围的土层进行热交换， 吸 收地层中热量使土层冻结成冻土。随着低温盐水循 环时间的延长， 冻土边界不断向外扩展， 并和邻近的 冻结孔周围的冻土相连而形成封闭的冻结壁， 当冻 结壁的厚度和强度达到设计要求， 足以抵抗开挖时 的水土压力， 即可在冻结壁的保护下进行桩基开挖 施工。 在桩基开挖过程中， 冻结壁开挖面暴露在空气 之中， 会产生冷量损失， 为了保持冻结壁表面不断融 化， 且厚度、 强度不变， 冷冻站应继续向冻结器供冷 量， 以维持冻结壁冷量平衡， 直到桩基施工结束。 人工制冷系统 （冷冻站） 设水中施工平台， 它由 三大系统组成： 氨循环系统 （制冷循环系统） 、 盐水循 环系统、 清水循环系统。氨循环系统把制冷量传给 盐水系统， 盐水系统把制冷量传给土层， 使土层冻 结， 清水循环系统把氨系统中吸收的热量排放到大 自然中。 !!& ! !!" 冻结设计 冻结深度 根据水文地质及工程地质资料， 结合桩基本身 结构， 确定桩底冻结深度应超过桩底 " #， 以便能有 效地封闭桩底裂隙水， 桩底标高 $ %& #， 则冻结孔孔 底标高 $ ’( #。 ! ! # 冻结方案 在确保冻结工程安全施工的前提下， 为减少桩 孔内冻土量， 节约资源， 采用全深冻结及局部冻结相 结合的冻结方案。全深冻结时， 即桩孔外冻结， 深度 标高在 ) ’* + $ ’( # 范围。局部冻结时， 即桩孔内 冻结， 深度标高在 $ %& + $ ’( # 范围。 !!$ 冻结壁厚度 按无限长弹性厚壁圆筒理论， 冻结壁厚度： ［ ］ % %｝" % ’ &( # ! " #｛ $ ! % ’ &） !（ 式中， # 为掘进井半径； & ! 为冻土允许抗压强度；
方法以及桩基础采用冻结法施工的过程。 关键词：斜拉桥； 桩基础； 冻结法； 桥梁施工 中图分类号：*%%# ) !(； *%%# ) !+ 文献标识码：,
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为计算深度地压。 !!! 冻结孔布置 每根桩基布置 , 根桩基共设计冻结孔 %*& 个， 并按要求布置成 ( 圈， 见图 %。 ’- 个冻结孔， !!% 制冷量 设计盐水温度 $ " + $ ’& . ， 冷量备用系统取 总冷量为： % ! %"， ( " % ’ %" )（ ( 桩 * ( 其它 ）" % ’ "( ) %*/ 0 1 2
桥梁建设
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每断面布设 ( 个测点， 共检测 *& /。前一 , *. +， +、 个星期检测 0 次 1 /， 间隔 . 2， 后一个星期检测 * 次 1 /。( 号桩标高 , ( ! - + 断面及 , *. + 桩底断面各测 点温度变化曲线见图 #。 测温结果表明： （*）. /， 桩底面及桩底孔壁处混凝土表面温度 在 ) & ’ 以上； （#）表土段， 在混凝土浇注后 *& / 内， 孔壁处混 凝土表面温度都在 ) *& ’ 以上； （0）桩底面混凝土表面温度基本趋于稳定， 表 土段孔壁温度下降缓慢， 预计 0$ / 内混凝土表面温 度均在正常温度范围内。 数月后， 桩基取芯实验结果， 证明混凝土质量优 良且稳定。