非匀质冻土地层钻孔桩工法

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，可米 用如下方法：先做一个更大的护筒（比桩径大5060cm）,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 8090kPa。对于钻孔桩顶层的角砾土、碎石土，米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，清孔米用筒式钻头。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3050cm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 26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 05 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 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i d旋挖钻机宝峨2512吊车20吨13砼运输车6 m32七、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r 42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25装吊工26混凝土工r 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 1 1 8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。