高速鐵路島狀多年凍土區(qū)鉆孔樁施工技術(shù)研究

楊長清

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

鉆孔灌注樁為就地灌注的鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，與沉入樁中的錘擊法相比，具有施工震動噪聲低、樁徑上限高、周圍擠土壓力小等諸多優(yōu)點，故在施工過程中得到廣泛應(yīng)用，對其施工技術(shù)的優(yōu)化研究也一直吸引眾多學者的關(guān)注。楊學祥等[1]針對武穴長江公路大橋15號主墩基礎(chǔ)覆蓋層厚等特點，提出其灌注樁基礎(chǔ)成孔關(guān)鍵技術(shù)在于采用旋挖鉆機、回旋鉆機同時進行的鉆孔施工技術(shù)，最后鉆孔樁清孔后下放鋼筋籠，采用導(dǎo)管法灌注樁身混凝土，完成樁基施工。郎綠原[2]則根據(jù)平潭海峽公鐵兩用大橋鼓嶼門水道橋基礎(chǔ)巖層軟硬不均、斜面、裂隙發(fā)育明顯等特點提出了采用二次成孔工藝施工鉆孔樁，并得到了實踐檢驗的肯定。對于不同的地質(zhì)條件，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)需要不同的處理技術(shù)。趙光澤、劉璐、白士新等人[3－5]對鉆孔灌注樁在水上、地下淤泥層等不同地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁的成樁施工技術(shù)研究都做出了自己的貢獻。

此外，在嚴寒地區(qū)越冬期間由于溫度較低往往不能進行橋梁上部結(jié)構(gòu)施工，尤其是多年凍土區(qū)。然而可采用合理的施工技術(shù)，利用越冬停工期進行橋梁樁基施工，使其變?yōu)闃痘┕さ狞S金時間，則可以在保證成樁質(zhì)量前提下既縮短建設(shè)周期，又能創(chuàng)造效益，可謂一舉多得。因此，研究低溫條件下在多年凍土區(qū)進行樁基礎(chǔ)施工的技術(shù)也已成為眾多學者關(guān)注的重點，尤其是多年凍土層中的鉆孔灌注樁施工技術(shù)又是重中之重。劉超等[6]就結(jié)合實際工程探討研究了在低溫環(huán)境下的橋梁鉆孔灌注樁施工技術(shù)后指出，保證泥漿循環(huán)系統(tǒng)正常工作和鉆孔設(shè)備正常運轉(zhuǎn)是鉆進成孔的關(guān)鍵；控制混凝土各環(huán)節(jié)的溫度損失，確保入模溫度和后期養(yǎng)護，是確保成樁質(zhì)量的關(guān)鍵。蔣代軍等[7]則對青藏高原多年凍土區(qū)中樁基礎(chǔ)的單樁承載力長期穩(wěn)定性做了相應(yīng)研究，指出地表以下320 m在30年間，天然地溫與樁土體系溫度隨時間均有升高，單樁承載力在未來內(nèi)有降低趨勢，因而在多年凍土區(qū)應(yīng)采取相應(yīng)措施考慮“時間”這一動態(tài)因素。

鐵力至伊春高速鐵路是哈長城市群的重要基礎(chǔ)設(shè)施，位于小興安嶺南麓，沿線穿越多處島狀多年凍土。為確保沿線鐵路橋梁的順利通車，保證各橋梁樁基礎(chǔ)的承載力，現(xiàn)對高速鐵路多年凍土區(qū)鉆孔樁施工技術(shù)進行研究。

2 工程及地質(zhì)概況

多年凍土是指距離地表一定范圍內(nèi)的土體溫度低于0℃且凍結(jié)狀態(tài)保持2年或者2年以上的土體[8]。查閱相關(guān)凍土統(tǒng)計資料表明:中國多年凍土面積在世界上位列第三，從中國的凍土分布區(qū)域上可以看出中國多年凍土主要集中分布在高海拔的橫斷山脈、喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、青藏高原地區(qū)及高緯度的大、小興安嶺地區(qū)。在高緯度地區(qū)隨著緯度的降低凍土地溫逐漸升高，凍土厚度不斷變薄，凍土的分布狀態(tài)從連續(xù)凍土逐漸過渡成不連續(xù)凍土(又稱島狀凍土)。鐵力至伊春高速鐵路先行標段共4座橋梁涉及島狀多年凍土施工，多年凍土的鉆孔樁共234根，均位于小興安嶺地區(qū)。其中橋梁鉆孔樁施工涉及多年凍土分別為解放1號大橋、解放4號大橋、解放5號大橋和跨S207省道2號特大橋。解放1號大橋穿越多年凍土地段涉及3?！?＃墩，共4個墩；解放4號大橋穿越多年凍土地段涉及3?！?＃墩，共3個墩；解放5號大橋穿越多年凍土地段涉及0?！?＃墩、4～7＃墩，共 7 個墩；跨 S207 省道2號特大橋鉆孔樁穿越多年凍土地段涉及8?！?＃墩、55＃～58＃墩、61＃～67＃墩，共11 個墩。

由于小興安嶺地區(qū)緯度高，所在區(qū)域的多年凍土分布狀態(tài)以島狀為主。在小興安嶺島狀多年凍土區(qū)用沖擊鉆進行鉆孔灌注樁施工時，由于其工藝及多年凍土的獨特地質(zhì)特性使其與非凍土地區(qū)有著明顯的區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)場勘測，工程所在標段地質(zhì)狀況呈如下分布:

根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示，最大凍結(jié)深度2.9 m。多年凍土為富冰凍土、多冰凍土、飽冰凍土、含土冰層。

(1)富冰凍土:灰褐色，以細圓礫土、粗圓礫土及花崗巖全風化為主，肉眼可見冰膜，圓礫土主要成分為凝灰?guī)r，花崗巖等，呈渾圓狀，一般粒徑2～50 mm，充填30%的中粗砂。

(2)多冰凍土:灰褐色，堅硬，以黏、粉粒為主，土質(zhì)不均，含5%～10%的雜砂；肉眼可見分凝冰，巖芯中可見土顆粒周圍有冰膜，但冰層厚度小于2.5 cm，體積含冰量約占10%～15%。分布于地勢稍高的臺地下緣，局部揭露，揭露層厚1.3～3.5 m。

(3)飽冰凍土:灰褐色，堅硬，以黏、粉粒為主，土質(zhì)不均，含5%～10%的雜砂；肉眼可見分凝冰，芯中可見層狀或明顯定向的冰條帶，但冰層厚度小于2.5 cm，體積含冰量約占35%～45%。局部揭露，揭露層厚1.2～4.5 m。

(4)含土冰層:灰褐色，堅硬，以黏、粉粒為主，土質(zhì)不均，含5%～10%的雜砂；肉眼可見分凝冰，并且冰厚度大于2.5 cm，體積含冰量約占70%～80%。局部揭露，揭露層厚2.0 m。

鉆孔樁凍土層分布情況見圖1。

圖1 鉆孔樁凍土層分布(單位:m)

因在島狀多年凍土地區(qū)施工時，由于樁基開挖、水泥混凝土的澆筑及水化熱等諸多因素的耦合作用，會對天然凍結(jié)土層的熱平衡狀態(tài)產(chǎn)生破壞，這樣會產(chǎn)生凍土土層融化、土體強度下降等不利影響。所以，在該地區(qū)采取合適的鉆孔灌注樁施工工藝對樁身穩(wěn)定性及承載力起決定性作用。

3 施工工藝及方案研究

旋挖鉆機采用撈渣斗清理鉆渣，泥漿僅用于護壁，不僅用量小，還可實現(xiàn)對周圍環(huán)境的零污染，比其他成孔工藝更有利于保護環(huán)境。吳鴻迪等[9]根據(jù)深中通道中山大橋所處海域地質(zhì)情況采用樁基旋挖鉆機成孔技術(shù)研究，保證工程的順利進行。值得注意的是，在島狀多年凍土區(qū)施工與普通地區(qū)施工工藝的區(qū)別在于需要隨著工程的推進實時掌握地層溫度情況。所以鉆進時要根據(jù)現(xiàn)場情況取樣，經(jīng)設(shè)計單位判定與圖紙設(shè)計地質(zhì)相符以確定現(xiàn)場實際凍土層上、下限標高，根據(jù)凍土層位置安裝鋼筋籠上的溫度傳感器。

3.1 施工工藝

現(xiàn)場施工時需進行多程序依次施工的方法以保證工程質(zhì)量。具體來講，為滿足鉆機安全需對場地進行平整；為確定鉆孔樁位置要進行樁位測量；鉆機就位后進行鉆進。施工工藝流程見圖2。

圖2 鉆孔樁沖擊鉆施工工藝流程

3.1.1 場地平整

施工前，測量人員進行放樣，對鉆孔樁施工所需區(qū)域進行平整壓實，鉆機底座應(yīng)置于堅實土層上，修筑施工平臺完成后應(yīng)進行承載力檢測，確認能否滿足鉆機安全作業(yè)要求。

3.1.2 樁位測量

樁位測量使用RTK進行放樣，并打入明顯標記，樁位放樣應(yīng)確保準確無誤。放樣完成后經(jīng)過監(jiān)理復(fù)核確認無誤后方可開鉆。開鉆前采用十字護樁法對樁中心點進行防護，不得損壞，便于鉆孔過程中和成孔后的校核，孔位允許偏差見表1。

表1 孔位偏差測量

本樁基采用旋挖鉆機，為保證鉆機安放穩(wěn)固、底架水平，鉆機就位前對場地進行平整與壓實，同時地基承載力經(jīng)檢測符合鉆機施工要求。

鉆機就位后，進行樁位對中，鉆頭的中心與護樁十字線交叉點及樁位中心處于同一垂直線上。

旋挖鉆鉆進過程中核對凍土層上限及下限位置，若凍土層位置出現(xiàn)偏差后立即聯(lián)系工程技術(shù)部，由技術(shù)部與監(jiān)理、設(shè)計單位共同現(xiàn)場確認，是否調(diào)整實施方案。

3.1.3 鉆進

鉆進時根據(jù)現(xiàn)場實際土層情況調(diào)整鉆進速度，開始時慢速鉆進，然后逐步轉(zhuǎn)入正常，鉆進過程中經(jīng)常檢查鉆孔位置偏差及鉆桿的傾斜度，防止出現(xiàn)偏孔、斜孔。

鉆進過程中，每0.5 m取渣樣裝袋；根據(jù)施工圖地勘報告顯示的凍土層上、下限位置，在地質(zhì)變化處每0.3 m取渣樣裝袋，根據(jù)現(xiàn)場實際取樣，經(jīng)設(shè)計單位判定與圖紙設(shè)計地質(zhì)相符確定現(xiàn)場實際凍土層上、下限標高，根據(jù)凍土層位置安裝鋼筋籠上的溫度傳感器。

3.2 施工方案

3.2.1 雙層護筒施工

雙層護筒鉆孔樁施工分為兩種情況，凍土段位于承臺及以上的護筒下放至凍土層下限以下0.5 m位置，每鉆進3 m，下放一節(jié)鋼護筒，護筒達到凍土下限以下0.5 m時，采用旋挖鉆機正常鉆進，混凝土澆筑結(jié)束后拔除護筒；凍土段位于承臺底及以下的，采用雙層長護筒施工。

雙層護筒施工時外側(cè)護筒采用跟進施工方法。首先旋挖鉆采用和外側(cè)護筒直徑相同的鉆頭鉆進，每鉆進3 m，下放一節(jié)鋼護筒，護筒達到凍土下限位置時，開始更換與內(nèi)側(cè)護筒直徑相同的鉆頭，繼續(xù)鉆進0.5 m后下放內(nèi)側(cè)鋼護筒，內(nèi)、外側(cè)護筒均下放完成后，采用卡具固定，雙層護筒之間的空隙采用中粗砂回填，護筒安裝完成后更換鉆頭正常鉆進。外側(cè)護筒直徑比內(nèi)側(cè)護筒直徑大40 cm，壁厚10 mm，護筒深入凍土層下限位置；內(nèi)側(cè)護筒直徑大于鉆孔樁直徑20 mm，壁厚10 mm，護筒深入凍土層下限以下0.5 m，混凝土澆筑完成后不拔除；護筒跟進前在不拔除護筒外側(cè)涂刷1 cm瀝青渣油，降低凍土對樁基礎(chǔ)的上拔力；同時在內(nèi)側(cè)護筒外壁每層增加4根限位鋼筋，每層間距2 m，防止護筒中心偏移超限，內(nèi)側(cè)護筒限位鋼筋與外側(cè)護筒內(nèi)壁預(yù)留1 cm間隙，護筒不拔除?；炷翝仓瓿珊蟛鸪ň甙纬鈧?cè)護筒，基坑開挖后割除樁頂以上護筒。護筒卡具示意見圖3。

圖3 護筒卡具示意

護筒埋設(shè)時，雙層護筒均高于地面0.5 m，外側(cè)護筒深入凍土下限位置，內(nèi)側(cè)護筒深入凍土下限以下0.5 m，護筒跟進時由技術(shù)人員根據(jù)渣樣確認凍土層位置，按照凍土層上、下限確認護筒長度。雙層護筒之間采用中粗砂隔離，護筒頂面設(shè)置雙層護筒卡具固定，混凝土澆筑完成后拆除卡具拔除外側(cè)護筒。

3.2.2 鋼筋籠的制作與安裝

鋼筋籠在鋼筋加工場地內(nèi)集中加工，經(jīng)質(zhì)檢員及監(jiān)理工程師按照設(shè)計圖紙的要求對鋼筋的種類、型號、主筋根數(shù)等進行確認，驗收合格后出場；鋼筋籠在運達現(xiàn)場后存放在加工好的槽鋼架上，鋼筋籠頂部應(yīng)采用塑料布覆蓋。

鋼筋籠每2.0 m設(shè)置保護層墊塊4個，墊塊采用比設(shè)計樁體混凝土高一等級強度的圓形混凝土墊塊，墊塊直徑15 cm，用φ10 mm圓鋼從墊塊中心穿過，焊接在鋼筋籠主筋上，保證鋼筋籠保護層厚度為70 mm。

2）基礎(chǔ)設(shè)施與資源應(yīng)用方面。大投入沒有大產(chǎn)出，高投資未能體現(xiàn)高效益[2]。雖然教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施與資源建設(shè)取得巨大成績，但是國家和政府投入巨資建設(shè)起來的校園網(wǎng)，目前絕大部分并未充分發(fā)揮作用，很多地方存在資源浪費、設(shè)備閑置等現(xiàn)象。

吊筋為鋼筋籠高程定位筋，采用φ16 mm鋼筋制作，上部做成直徑為10 cm的圓環(huán)，每個鋼筋籠頂設(shè)置共2根吊筋，吊筋上部用鋼管穿過吊筋圓環(huán)橫擔于護筒頂部及枕木上，鋼管直徑70 mm，壁厚5 mm。枕木緊貼護筒放置，枕木頂面高出護筒頂面5 cm。

3.2.3 導(dǎo)管試拼、試壓及安裝

導(dǎo)管采用整體拼裝一次吊裝入孔無法實現(xiàn)，因而采用分段吊裝入孔，為縮短吊裝時間，提前將導(dǎo)管分段組裝完成，減少吊裝過程中連接接頭。

在施工前對施工的導(dǎo)管進行水密試驗，檢查每節(jié)導(dǎo)管有無孔洞，導(dǎo)管連接處的密封情況。如有漏水現(xiàn)象則不能使用，要及時拆除更換。導(dǎo)管水密試驗時的水壓不得小于孔底凈水壓力的1.5倍。

鋼筋籠安裝完成后放置導(dǎo)管卡盤，在卡盤上安裝導(dǎo)管至孔底，導(dǎo)管底節(jié)為4 m，標準節(jié)為3 m，調(diào)整節(jié)為 2、1.5、1.0、0.5 m，內(nèi)徑 260 mm，導(dǎo)管按照高出孔底400 mm進行裝配并做好記錄。

3.2.4 泥漿制備

在64號臺與65號臺之間設(shè)一組泥漿池及沉淀池，泥漿池基坑開挖完成后，使用2層加厚塑料布墊底，防止泥漿外滲。泥漿池及儲漿池四周設(shè)置護欄圍擋，采用裝配式護欄，立桿間距2 m，高度為1.2 m。在護欄四邊掛警示標志，夜間掛警示燈。

根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件采用膨潤土造漿，泥漿的主要作用是保護孔壁。施工過程中，根據(jù)地質(zhì)條件隨時調(diào)整泥漿的指標。保持孔洞中泥漿液面高出地下水位1 m以上。新制泥漿沖擊鉆比重為1.1～1.3 g/cm3，旋挖鉆比重1.05～1.15 g/cm3，粘度16～22 s，含沙率≤4%，膠體率不小于95%，pH值大于6.5。

3.2.5 清孔及灌注混凝土

鉆孔灌注樁清孔后的泥漿性能指標應(yīng)符合孔內(nèi)排出或抽出的泥漿無2～3 mm顆粒；泥漿比重不大于1.10；含砂率不大于2%；粘度為17～20 s。檢查成孔質(zhì)量及孔底沉渣，成孔檢查合格后應(yīng)及時進行下道工序，間歇時間不宜過長。鉆孔樁混凝土采用水下導(dǎo)管法灌注，混凝土要有較好的流動性、和易性，坍落度控制在200±20 mm，混凝土灌注完成后拔除護筒，護筒埋置較深時，拔除護筒時重點注意防止塌孔和保護成樁樁頭質(zhì)量。

4 溫度監(jiān)測

在多年凍土區(qū)施工對溫度的把控直接決定著施工質(zhì)量。早在1998年金會軍等[10]就對天山烏魯木齊河源冰達坂多年凍土區(qū)域的溫度進行過監(jiān)測，相關(guān)技術(shù)也日漸成熟。程培峰等[11]為獲取島狀多年凍土地區(qū)混凝土灌注樁和樁周溫度的動態(tài)變化規(guī)律，提出一套系統(tǒng)的關(guān)于多年凍土地區(qū)樁－樁周土溫度遠程動態(tài)監(jiān)測的方法，實現(xiàn)了對多年凍土樁－樁周土溫度數(shù)據(jù)持續(xù)不間斷的監(jiān)測。

本次對高速鐵路島狀多年凍土區(qū)的溫度檢測是根據(jù)凍土段凍土含冰情況，富冰凍土、多冰凍土、飽冰凍土、含土冰層每種土層選取兩根鉆孔樁安裝溫度傳感器，富冰凍土選取跨S207省道2號特大橋64＃墩1號樁、65＃墩1號樁；多冰凍土選取解放1號大橋3＃墩1號樁、4＃墩1號樁；飽冰凍土選取解放5號大橋1＃墩1號樁、2＃墩1號樁；含土冰層選取56＃墩1號樁、57＃墩1號樁。溫度傳感器安放在樁基鋼筋籠上，避免與主筋接觸，按照凍土層位置，設(shè)置在凍土層上限、中間、下限及下限以下1 m處，澆筑結(jié)束后每隔6 h進行測溫，做好溫度記錄，以備后續(xù)施工提供參考。

此外，安裝鋼筋籠上的溫度傳感器時，應(yīng)避免與主筋接觸，在鋼筋籠箍筋位置焊接加固鋼筋以固定溫度傳感器，下放鋼筋籠及澆筑混凝土過程中對溫度傳感器做好防護措施，避免破壞影響后續(xù)施工。在混凝土灌注前預(yù)埋溫度傳感器，傳感器預(yù)埋位于凍土上限、凍土層中間、凍土層下限，每層傳感器布置2個，其中一個采用1 cm薄壁鋼管保護，樁基回凍時間一般不少于1個月。葛洪林等[12]針對季節(jié)性凍土區(qū)鐵路因土體凍脹等影響，以川藏鐵路沿線部分地區(qū)為研究對象，基于熱－力耦合理論，考慮土體凍脹等關(guān)鍵因素，分析全年不同時期接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)凍脹變形特征。其分析結(jié)果表明樁基整體位移量與凍深呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而凍深與全年氣溫條件顯著相關(guān)，故建議通過保溫隔熱等防護措施減小凍深。

5 結(jié)論

高速鐵路島狀多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁在保證樁身穩(wěn)定性和承載力前提下施工具有可行性，但需采取必要的施工控制措施。

(1)雙層長護筒采取隔熱措施對于島狀多年凍土區(qū)的樁基施工是可行的，可以將凍土施工轉(zhuǎn)化為常溫施工，既防止樁基混凝土的受凍，又可以防止凍土受擾動而融化。

(2)旋挖鉆機可用于高速鐵路島狀多年凍土鉆孔樁的施工，但為滿足鉆機安全工作要求需要對場地平整，之后進行樁位測量，在鉆機就位后鉆進。

(3)導(dǎo)管采用分段吊裝入孔，注意在施工前對施工的導(dǎo)管進行水密試驗，提前分段將導(dǎo)管組裝完成，減少吊裝過程中的連接接頭。

(4)施工時及時安裝溫度傳感器以掌握周圍溫度場情況，在施工后采取保溫隔熱措施減小凍深。