非匀质冻土地层钻孔桩工法.doc

青藏高原非匀质冻土地层
钻孔桩施工工法

执笔人：梁保利 闵拥军

中铁一局桥梁处
2004年3月

非匀质冻土地层钻孔桩施工工法

一、前言
青藏铁路是实施西部大开发战略决策的标志性工程。它对加快青海、西藏的经济、社会等方面的发展具有十分重要意义。
青藏铁路经过的地区自然生态环境原始、独特，生物多样性、生态系统极其脆弱、敏感，破坏、扰动后很难恢复，在此区域进行铁路建设不仅工程任务艰巨，且技术难度大，而且可能对线路区域内的特殊生态环境及地理环境及水环境产生不同程度的影响。工程建设与环境保护举世瞩目。优化工程施工组织设计强化施工环境保护理念，用先进的施工方法，科学管理，把工程建设对生态环境带来的影响降低到最低限度已经成为国内外许多人士关注的焦点。
本工法是在青藏铁路N14标开心岭1＃特大桥及DK1254+636中桥，DK1255+563小桥的钻孔桩施工过程中形成的。较平原地区钻孔桩施工，本工法成功解决了高原冻土地区钻孔桩施工技术难题，将钻孔桩施工对周围冻土环境的扰动减少到最低限度。本工法施工工艺先进，施工速度快，扩孔率小，不易塌孔。
二、工法特点
1、采用旋挖钻机成孔。旋挖钻功效高、机动性强，能够适应多年冻土区的各种地质情况，无需采用正反循环排渣，不会污染环境。成孔速度快，减少钻孔时产生的热量对天然冻土的影响，可把对冻土热平衡的影响降低到最低限度。
2、针对不同地层，采用不同的钻头及钻进工艺，成孔质量好，扩孔率小。
3、旋挖钻机配备装载机、自卸车运送钻渣，减少了对周围环境的扰动，保护了冻土环境及生态环境。
三、适用范围
适用于高原冻土区钻孔桩施工，同时对平原地区钻孔桩施工也有借鉴作用，特别适合城市地区钻孔桩施工。
四、工艺原理
冻土是一种特殊土体，其成分、结构、热物理及物理力学性质均有着不同于一般土的许多特点。在多年冻土区施工会造成对地表的扰动、植被的破坏，将改变地表水热交换条件，使多年冻土地温场发生变化，季节融化层厚度加大，引起冻融交替转换，引发新的冻胀、融沉等，破坏原始冻土状态。多年冻土的冻融交替引起的融沉冻胀必然引起冻土区建筑物的变形和破坏。因此，在冻土区进行施工，重点在于严禁破坏冻土的热平衡，避免冻土的融化。在青藏高原冻土区施工钻孔桩，通过修筑钻机平台，在钻机与地表间设隔离层，减少钻机工作时产生的热量传递至地表；选择在气温较低的时间进行护筒埋设，最大可能减少对地基土的扰动；选用成孔速度快的旋挖钻机进行施工，减少对地基的扰动时间；针对不同地层，选用不同的钻头及钻进工艺，确保成孔质量。
五、施工工艺
1、修筑钻机平台
钻孔场地尽量以填代挖，减少对原地表开挖引起的热扰动。采用砂砾石作为填料修筑钻机平台。钻机平台的高度大于0.7m，平台尺寸尽量缩小，尽可能保护原地表植被。每个墩位设一台钻机。钻机平台要碾压密实，以确保钻机的安全稳定。钻机底座下发动机散热部分铺设聚苯烯泡沫塑料隔热板，以减少对地基土的热侵入。
2、埋设护筒
冻土地区钻孔桩施工护筒尽量选择钢护筒，厚度10mm。钢护筒内径大于设计桩径10～15cm，护筒埋置深度不小于施工期间最大融化深度50cm，并在护筒外表涂上渣油，成桩后不拆除护筒（融区拆除），以减少外表的亲水程度，减少冻土对桩的上拔力。护筒高出地面30cm左右，四周用粘性土回填夯实。埋设时，尽量避免在10点～16点间施工，否则要采取遮阳措施。护筒埋设完及时用钢板临时封闭孔口。护筒埋设误差不得大于5cm。在地质情况比较复杂，地表水较大，易坍塌的情况下，可采用如下方法：先做一个更大的护筒（比桩径大50～60cm），用震动打桩锤沉入，该护筒不断跟进以保证钻孔成型。
3、旋挖钻机钻孔
3.1干法钻孔
旋挖钻机自行至孔口处，利用钻机自身调平控制系统，将钻头对中护筒中心，误差不大于2cm。钻进时以钻斗自重、钻杆自重加液压力作为钻进压力。初钻时压力控制在80～90kPa。
对于钻孔桩顶层的角砾土、碎石土，采用筒式钻头慢慢钻进。
钻到风化岩层时，换用短螺旋勘岩钻头钻进。由于短螺旋勘岩钻头出渣能力有限，出渣时仍换用筒式钻头。
钻到较坚硬岩层时，换用筒式勘岩钻头，提高钻进压力，控制在100～150KPa。
出渣时应缓慢，防止钻头碰撞孔壁。
当钻进至设计孔深时，及时检查孔深及虚土厚度（虚土厚度等于钻杆长与孔深之差），当虚土厚度大于规范要求时（柱桩10cm，摩擦桩30cm）及时清孔，清孔采用筒式钻头。
清孔后及时进行孔深、孔径、垂直度检测，孔径检测用检孔器，垂直度检测使用垂球。
检测合格后，立即退出钻机，吊装钢筋笼。
钻进过程中要及时填写钻孔记录，绘制地质剖面图，验证地质与设计是否相符及根据地质情况及时更换钻头。钻进过程中遇到天气突变或钻机出现异常，要及时提出钻头并用钢板封闭孔口。
3.2湿法钻孔
在黏性土、砂类土、碎石类土处于地表以下，干法作业不能保证孔壁稳定时，采用湿法钻孔作业。采取湿法作业须注意环保不要让泥浆四处流淌破坏植被及造成环境污染。
钻孔时泥浆采用优质黏土，制浆机拌制，存入钢制泥浆池中，现场设泥浆池、沉淀池各一个，串联并用。泥浆不得随意排放，需运至指定地点倾倒。不得就近挖坑做泥浆池。泥浆温度根据现场条件确定，宜采用低温泥浆。
开钻时，先慢速钻进，钻至护筒下1m后，再以正常速度钻进。钻进过程中应经常进行泥浆循环，将钻渣捞出，沉淀后及时排除。随时注意土层的变化，对软性土等容易坍塌的土层宜采用低档慢速钻进。
当钻至设计标高后，及时清孔。清孔采用换浆法。将钻头提起约30cm，钻头不停转动，泥浆循环不断进行。不得用加深来代替清孔。
4、钢筋笼的安装
钢筋笼在钢筋加工场制作检查合格后用自制加长拖车运至孔口旁，根据钢筋笼的长度，短于25米的用吊车整体吊装。钢筋笼下好之后，将钢筋笼固定，保证钢筋笼不上浮和移动。
5、导管安装
不论孔内是否有水，均采用水下砼的灌注方法。导管使用前要试拼，并做水密性试验，试验合格后导管依次编号。导管安装前，先在孔口旁3节为一组拼装好以缩短导管安装时间。安装导管时要做好安装记录，并逐节检查导管螺栓的紧固情况。导管底口距孔底的距离保持在30～50cm为宜。
6、灌注桩身砼
砼的坍落度控制在18～22厘米范围。
砼用罐车运送，放入吊斗，用吊车起吊注入漏斗。漏斗首盘砼的储存方量根据孔深、孔内水位及首盘砼灌注后导管埋深不得小于1米确定。
砼的灌注要迅速、连续，不得间歇。导管埋深控制在2～6米范围。任何情况下不得小于1米。灌注过程中要勤测量导管埋深，及时拆除导管。
砼灌注时，输入冻土的热量较大，因此应严格控制入孔砼的温度，尤其对高含冰量冻土桩基地段，砼入孔温度控制在0～5摄氏度范围。湿法成孔的钻孔桩，在灌注砼前要复测沉渣厚度和孔内泥浆稠度是否符合规范要求。砼灌注完毕后，在桩表面覆盖草袋或用编织袋珍珠岩覆盖蓄热保温，有利于桩顶的养护。
7、桩基回冻
在冻土地区，桩基工程施工改变了地基的热平衡。施工活动产生的各种热量使桩基地温场急剧变化，引起桩周地基土一定范围升温或融化。经过一个阶段的热交换过程，地基土及回填料恢复冻结状态，形成新的热平衡状态，回冻完成。
在相同地基条件下，钻孔桩施工中对地基输入热量逐渐增大，热作用的范围及地基土的增温值也逐渐增大，回冻时间也逐渐加长。当桩在多年冻土中的年平均地温为－0.5～1.0摄氏度时，钻孔桩需70天完成回冻。
确定钻孔桩回冻时间是判断桩基承载力的重要依据，而且砼温度与地基温度的变化规律是选择砼防冻措施和砼拌合用料温度的依据。既要使桩基在规定的时间内达到要求的承载力，又要使砼有足够的正温水化过程时间。
桩身砼灌注完毕后，须待桩周围地基土回冻达到设计要求，方可进行承台以上部分的施工。
六、机具设备
根据地质情况选用不同型号的旋挖钻机，以能克服最坚硬的地层为主，多配几种钻头形式。吊机根据钢筋笼的重量、导管重量确定，以20吨以上为宜。砼运输车根据运距确定。主要机具设备见表1。
表1 主要机具设备表
序号
机 具 名 称
规 格
数量
1
旋挖钻机
宝峨25
1
2
吊 车
20 吨
1
3
砼运输车
6 m3
2
七、劳动力组织
劳动力组织见表2。
表2 劳动力组织表
序号
岗位分工
人数
备 注
1
钻机操作
4

2
技术值班
2
钻孔及砼灌注各1人
3
电工
2
钻孔及砼灌注各1人
4
钢筋工
2

5
装吊工
2

6
混凝土工
2

合计
14

八、安全质量措施及注意事项
1、制定切实可行的施工组织设计，严格质量控制，使每个施工环节处于受控状态。
2、开展标准化作业，严格执行规范及细则要求。
3、加强对冻土知识及环保知识的学习，提高认识，用生态理念来组织施工。进行详细技术交底，明确质量要求，加强技术培训，提高操作人员素质水平。
4、严格三检制度，上道工序不合格不得进行下道工序。
5、建立健全安全保证体系，使安全工作制度化贯穿施工生产过程，对生产过程进行定期和不定期的检查，及时发现和解决不安全的事故隐患，把安全事故消灭在萌芽状态。
6、加强对钻孔桩孔口的防护，停止作业时封闭孔口。
7、积极与当地气象部门联系，根据施工地段雨季大风情况，做好雨天施工及防风工作。
8、加强对各种车辆和机械设备的使用管理，严禁无证驾驶，酒后开车，超速行驶等违章行为，杜绝各种交通事故和机械事故的发生。
9、桩基砼施工过程中，必须严格控制砼的入孔温度，严禁砼入孔温度不合适而破坏冻土层热平衡，影响桩基质量。
10、严格按照设计回冻时间进行桩机回冻控制，在回冻期内不断观察地基沉降情况，做好记录。
九、效益分析
旋挖钻机是近年来逐渐在钻孔桩施工中推广的一种机械，具有速度快，污染小的特点，既提高了施工进度，又节约了成本，针对土层、砂土层、砂砾层及冻土层及强度〈800Kpa的岩层较为适用。在开心岭1#特大桥施工中，使用了旋挖钻机，较使用回旋钻机节约成本20多万元，工期提前1.5个月，钻孔桩成桩质量优良，受到了监理及业主的好评。
十、应用实例
青藏铁路N14标DK1250+460～DK1257+500段由中铁一局桥梁处承建，其中，特大桥1座，中桥1座，小桥2座，钻孔桩118根，均采用该工法旋挖钻机（宝峨25）施工。
该项目钻孔桩自2002年7月份开工，9月份结束。成孔合格率100%，优良率95%以上，所施工的118根钻孔桩经检测，均为Ⅰ类桩。