高寒高海拔地區(qū)鉆孔灌注樁施工技術

陳遠慧 張王川

（中交二航局西藏建設有限公司，西藏拉薩 850000）

1 工程概況

1.1 設計概況

本工程項目位于西藏自治區(qū)的那曲縣和當雄縣，這一項目的起點在那曲縣的109 國道線上，此工程項目較大，其施工范圍跨越了龍仁鄉(xiāng)、當雄縣烏瑪塘鄉(xiāng)、古露鎮(zhèn)、公塘鄉(xiāng)這5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，耗時非常久。在施工設計中，標注的起止點樁號為K3635+000 至K3699+700，全線總長為85.109km （斷鏈K3655+800=K3635+390，長鏈20.409km），跨越性非常大，其中經(jīng)過唐古拉山脈等特殊地段，由于西藏地區(qū)的高原氣候以及高原反應，使得公路橋梁施工難度較大。在設計方案中，共有57 座橋梁需要搭建，需要設置的橋梁樁基就達到了3526 根，可見這項工程的浩大。

1.2 氣象條件

由于西藏地區(qū)屬于高原溫帶半干旱氣候，使得一些從外地到達西藏的施工技術人員會出現(xiàn)各式各樣的身體不適癥狀，影響了施工進度。西藏地區(qū)氣候的主要特點是太陽輻射強，紫外線較強，且在冬季時大風較多，年平均氣溫僅有1.7℃，其降水量只達到了459.3mm，這對于施工技術團隊而言，具有非常大的挑戰(zhàn)性，這不僅考驗了人員在特殊環(huán)境中的適應生存能力，也對于施工方法有著較高的要求。

2 土體凍脹對公路橋梁樁基的影響和防凍脹措施

西藏地區(qū)氣候的特殊性使得其土壤成為凍土，因此，要在這種地面建設公路橋梁，其過程是非常的復雜，且耗時較久。由于較大的空氣濕度和超低溫，使得施工過程中在地面鉆孔時產(chǎn)生的水分發(fā)生轉(zhuǎn)移，加劇了土壤的凍脹，而這種凍脹力會使得不平衡的工程結構物表面發(fā)生變形。凍脹力分為水平凍脹力、切向凍脹力、法向凍脹力，在凍脹力破壞結構物表面形狀時，水平凍脹力會由于力之間的作用而抵消，僅剩的縱向和法向凍脹力作用于結構物，使得結構物的形狀發(fā)生上拔變形，從而破壞了進度中的工程。要避免高原氣候下凍脹力對工程的破壞，可采取以下方法減小損壞程度：在施工中，將比樁徑大20cm 的外側涂刷潤滑油的永久性鋼護筒利用鉆孔埋入在大于0.5m 深度的凍土以下的位置，并使用具有憎水性的粗粒土壤回填鋼護筒，從而減少鋼護筒親水能力，減弱凍土的切向凍脹力，進而減小凍脹力對工程的損壞程度。

3 鉆孔灌注樁施工工藝和方法

3.1 施工工藝流程

在海拔較高且氣溫較低的高原地區(qū)采用鉆孔灌注樁施工,能夠減少樁周圍地層凍土局部融化和回凍的施工工藝, 選擇對地層擾動影響較小的旋挖樁進行鉆孔, 采用泥漿護壁濕法施工工藝, 不僅能夠降低對周邊環(huán)境的影響，還能夠提升施工的質(zhì)量、效率、進度，從而使樁基礎能夠快速完成,減少凍土對工程項目的破壞。施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程圖

3.2 施工工藝和方法

3.2.1 施工準備

高寒高海拔地區(qū)鉆機設備采用能適應多年凍土區(qū)域地質(zhì)，并且能夠達到高寒地區(qū)環(huán)保要求的旋挖鉆機，并且旋挖鉆機具有功效高、機動性強、不用采用正反循環(huán)排渣等優(yōu)點，能夠有效的降低對凍土熱平衡的影響。選用的機械設備要設置接地避雷裝置、室內(nèi)增設保溫措施裝置。

在鉆孔前，要對鉆機場地進行合理的布置，減少機器設備對原地面的擾動。布置鉆機場地時，要以填筑為主，在鉆機的底座散熱孔位置要增加隔熱性較強的聚氯乙烯隔熱板，并在鉆孔場地設置泥漿池，還要穩(wěn)固測量基樁，并且在測量時要將偏差控制在5cm 以內(nèi)，以木樁作為標記，進行精確放樣的操作。如此一來，既保證了施工準備的正常布置，也降低了機械設備對凍土的影響。

3.2.2 埋設護筒

3.2.2.1 利用固定樁位的護筒引導鉆頭進行鉆孔，避免地表水流入井孔，使得孔內(nèi)水位過高，造成塌孔現(xiàn)象。

3.2.2.2 選擇護筒，要結合高原氣候以及土壤濕度，選取由鋼板卷制成的壁厚10mm 且堅固不漏水的永久性鋼護筒，在帶地系梁橋墩進行施工時，鋼護筒的埋入應當注意預留系梁空間，確保正常施工。

3.2.2.3 鋼護筒的埋入位置要利用旋挖鉆將孔鉆至凍土0.5m 以下，并保證坑底的平整，使得樁位中心能夠平穩(wěn)放置于坑底后，將永久性鋼護筒放置于坑內(nèi)，并保持護筒與鉆孔的中心位置能夠重合。

3.2.2.4 護筒是否垂直放置可利用垂球或者水平尺進行測量。

3.2.2.5 選用憎水性強的粗顆粒土均勻地回填在鋼護筒周圍，并在回填過程中要注意鋼護筒的位置不能發(fā)生偏移。

3.2.2.6 埋好后的護筒要比泥漿溢出地方高于地下水位至少1.5m，要比地面至少高出0.3m，此外，護筒的中心和斜度的偏差也應當控制在1%以內(nèi)。

3.2.2.7 由于唐古拉山脈具有較大的地表水，當工程受到地表水的影響，發(fā)生坍塌時，可利用比樁徑大50cm～60cm 的鋼護筒去穩(wěn)定孔口，減小外面地質(zhì)活動給鉆孔施工帶來的影響。

3.2.3 泥漿制備及泥漿處理

在施工中，為了保證工程質(zhì)量，選擇泥漿時，就要以高要求、高標準進行挑選、對比。施工中用的泥漿主要由粘土、添加劑以及水構成的，其質(zhì)量好壞取決于粘土。那么，在施工材料選擇中，就要選用粒徑非常小且塑性指數(shù)較大的粘土顆粒較豐富的粘土、水、添加劑構成的泥漿，根據(jù)鉆孔情況以及沿線的地質(zhì)情況調(diào)制泥漿，并使用攪拌機調(diào)和泥漿，利用泥漿泵將調(diào)和好的泥漿輸入到鉆孔內(nèi)。

由于泥漿在整個施工階段一直會使用，因此，為了便于加快施工進度，可設置兩泥漿循環(huán)系統(tǒng)。泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽等設備裝置組成在實際使用過程中，至少設置兩個以上循環(huán)池，便于施工同步進行。此外，在施工過程中，要及時清理施工現(xiàn)場的衛(wèi)生，定期清理各池內(nèi)的渣滓，保持施工周圍的環(huán)境。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

3.2.4 鉆機鉆孔

3.2.4.1 鉆機就位。鉆孔的實際效果除了與凍土的凍脹力有關，也與旋挖鉆各部位的擺放位置有關。在使用旋挖鉆時，應當將起吊滑輪、鉆桿、轉(zhuǎn)盤孔的中心、鉆頭的中心、設計樁位的中心保持一致，都位于同一鉛垂線上，旋挖鉆在工作中要時常檢查各部位是否移動，若有傾斜或者移動，要及時調(diào)整它們的位置。

3.2.4.2 旋挖鉆鉆進。使用旋挖鉆前，先對設備顯示器上的數(shù)字進行清零操作，再調(diào)整挖頭的位置，使得挖頭對準目標位置后，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)整儀表上顯示的動力、加壓、主卷的壓力，使得旋挖機在鉆孔時能夠有足夠的動力挖足夠深的孔。

在鉆孔過程中，要使得成孔的質(zhì)量得到保證，可利用旋挖機的三向垂直控制系統(tǒng)對成孔的垂直度進行檢驗，若質(zhì)量沒有任何問題，可結合施工地段的地質(zhì)情況繼續(xù)推進施工進度。在鉆孔過程中，要保持先慢后快的作業(yè)節(jié)奏，并在施工前要確認施工范圍是否有不利地層，以5m 為鉆孔試鉆深度，確認沒有不利地段后，可加深進尺。

3.2.4.3 成孔檢查。當鉆孔施工完成后，要對成孔進行質(zhì)量檢驗，確保惡劣氣候不會對工程造成較大損壞。那么，要檢測成孔質(zhì)量，可從孔徑、孔深以及其傾斜度、距離路面的位置等方面進行檢驗。

3.2.4.4 清孔。鉆孔完成后要對成孔進行泥漿比重、孔底沉渣檢測，不符合設計要求的進行二次清孔處理，清孔可用換漿法也可用抽漿法。

3.2.5 鋼筋籠制作、安裝

鋼筋籠加工采用專用鋼筋籠制作平臺，將9 米長的分節(jié)鋼筋上加焊混凝土墊塊，使得鋼筋獲得一定的保護，并在對稱方向每隔2m 設立一道土墊塊。制作鋼筋籠下放時，利用汽車吊輔助下籠的安裝，并注意鋼筋籠上下節(jié)之間的孔口焊接問題。在焊接孔口時，可運用垂直對中法將上下籠的中心軸進行重合焊接，盡可能地減小偏差，保證軸線重合偏差不超過20mm，籠的底面和頂面的高度誤差控制在5cm 以內(nèi)，并運用汽車吊將鋼筋籠放至孔內(nèi)的設計深度。

3.2.6 水下混凝土灌注

混凝土灌注采用導管法澆筑水下砼，灌注所需混凝土全部在拌和站集中拌制，并由混凝土攪拌運輸車運至現(xiàn)場，坍落度應控制在20±2cm，砼要具有低溫早強耐久性，砼入模溫度控制在0～5℃，能有效降低輸送時砼的熱量對地基凍土的影響。

導管采用Φ300mm 澆筑水下砼，導管接頭無漏水，密封圈完好無損，底節(jié)長4m、分節(jié)長3m，導管底口離孔底30～50cm。

首批混凝土數(shù)量必須保證使導管下口埋深1m 以上，在下落過程中，應保證其連續(xù)性。鉆孔樁所需首批混凝土數(shù)量按下式計算：

V≥πd2h1/4 + πD2（H1+H2）/4

式中：

V——首批混凝土所需數(shù)量(m3)；

d——導管內(nèi)徑；

h1——樁孔混凝土達到埋置深度H2 時，導管內(nèi)混凝土柱平衡導管外（或泥漿）壓力所需要的高度(m)，h1≥γw Hw/γc；

D——樁孔直徑；

H1——樁孔底至導管底端間距，一般為0.4m；

H2——導管初次埋置深度，≥1m；

Hw——樁孔內(nèi)混凝土面以上，水或泥漿深度；

γc——混凝土拌和物的容重；

γw——樁孔內(nèi)水或泥漿的容重。

連續(xù)灌注并隨時測量混凝土頂面高度和計算埋管深度，及時調(diào)整導管埋深，使導管埋深保持在2～6m，當孔中混凝土表面達到設計標高時，應再超灌80cm 深的混凝土，以確保樁頭混凝土的灌注質(zhì)量。

3.2.7 地基回凍

高寒高海拔地區(qū)鉆孔灌注樁施工過程中改變了地層凍土的熱平衡狀態(tài)，施工生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的摩擦熱、場地開挖以及填筑產(chǎn)生的熱量、砼澆筑產(chǎn)生的水化熱等，隨著熱量的傳遞，使周邊地基溫場迅速變化，引起樁基周圍凍土一定程度的熱融化，對此必須要在混凝土澆筑后經(jīng)過一定的冷熱交換過程，形成新的基礎熱平衡，確保樁的地基承載力能夠穩(wěn)定不受周邊地基的影響。待地層達到新的熱平衡狀態(tài)才能進行下部構造的施工，一般地基回凍時間應≧30 天。

4 結論

高寒高海拔多年凍土地基進行鉆孔灌注樁時必須考慮極端的自然條件以及氣候特點，結合多年凍土地基特有的工程性質(zhì)，采用外表面涂刷油渣的永久性鋼護筒，護筒埋入多年凍土上限以下≥50cm 位置，用以抵抗周邊凍土對樁基的切向凍脹力的影響，混凝土澆筑時采用具有低溫早強耐久性，入模溫度控制在0～5℃的混凝土，降低對樁基凍土的影響，控制地基的回凍，維持地基熱平衡等，是高寒高海拔樁基施工的技術保障。