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青藏铁路清水河大桥钻孔灌注桩施工

发布日期:2014-08-26 查看次数:1024

    [摘要]介绍了青藏铁路清水河特大桥在高原多年冻土区施工钻孔灌注桩时遇到的困难及采取的一系列有针对性的措施。

    [关键词]桩基工程;冻土区施工;钻孔灌注桩;桥梁

     青藏铁路清水河特大桥位于楚玛尔河高原地区,是介于可可西里自然保护区不冻泉保护站和索南达杰自然保护站之间的青藏铁路上最长的1座以桥代路特大桥。该桥全长11690m,设计桩数4000余根,有效桩长18-28m,设计桩径1000、1250mm。我公司承接该大桥部分桩基础施工,于2002年4月20日正式开工,当年9月10日完工,共计完成6000延米桩基施工。

    1、工程地质条件

    根据勘察报告该地区地层分布如下:①粉质砂土层 埋深0-5m;②粉质粘土、粉土层 埋深2-7m;③含土冰层 埋深5-9m;④泥质灰岩层 埋深7-11m;⑤冰层 埋深11-16m;⑥泥质灰岩层 埋深16-21m;⑦富冰冻土层 埋深21-25m;⑧泥质灰岩层 埋深25-30m。

孔口标高一般为4450-4600m,属青藏高原多年冻土地带。寒季施工时距清水河100m以外区域地下埋深约21m,暖冬施工时受多年冻土融化影响,地下水位抬升至10m左右。

    2、成孔工艺及主要施工机具

    清水河特大桥正式开工时仍属寒季,因其施工10月份才能结束,故要综合考虑寒季、暖季施工采取的不同工艺措施。

    ⑴ 施工机械 根据地质资料反映的地层情况及岩土的工程性质,采用旋挖钻机成孔。施工采用德国宝峨公司生产的BG22旋挖钻机2台。

    ⑵ 钻具配备 按常规配备桶式钻头、桶式清渣钻头外,针对青藏铁路多年冻土区冻土层较厚、冰层普遍分布、入岩深度较深的特殊要求,增加配备螺旋钻头、锥式螺旋钻头、岩芯钻头。

    ⑶ 泥浆处理系统 因清水河特大桥处在可可西里自然保护区东边缘,生态环境相当脆弱,泥浆处理不能以牺牲环境为代价,故配备移动式泥浆箱,以备在暖季需泥浆护壁成孔时使用。

    ⑷ 成孔工艺 清水河特大桥寒季采用干作业成孔,暖季视冻土融化程度采用泥浆护壁成孔。

    3、施工中出现问题及解决办法

    3.1 泥质灰岩层钻进困难的处理

    在多年冻土区的泥质灰砂岩,因其层理和裂隙不甚发育,且在地层中呈透镜体状分布,进尺过程中会出现以下情况:①钻进进尺困难;②因岩层分布不均导致钻偏离桩中心。

    在施工中采取下列措施解决以上问题:①对进尺困难,采取锥式螺旋钻钻进,并将锥式螺旋钻底部“一”字型排列的双向四齿组合锥头改为等边三角形三齿组合,并根据施工情况相应改变螺旋片上齿的排列切削角度,从而达到了理想的效果。改进后,泥质灰岩钻进时间从5-6h/m缩短至1h/m。②认真研究地质报告,在穿越泥质页岩歼灭区或邻桩出现孔斜地段时,采用岩芯钻钻进,利用岩芯钻的线切割将孔引正,之后再采用相应钻具钻进。

    3.2 冻土钻进时的“糊钻”处理

    在钻进过程中,因钻头于切削土体的摩檫,产生一定的热量,这部分热量虽不能全部融化冻土层,但会造成随钻头带上来的土体部分融化而粘附于钻头上。

    在干作业成孔过程中多采用螺旋钻施工,融化粘附岩屑会导致进尺效率低下,影响成孔速度。为此,我们根据施工情况,对螺旋钻头采取以下措施,解决了这一问题:①将双向进土螺旋钻改为单向进土螺旋钻;②增加螺距,减小成孔过程中的挤密效应;③提钻前多反转,使挤密在螺旋片中的岩土体松散;④制作专用刮土器,起钻后螺旋钻叶片在刮土器作用下快速刮除。

    3.3 含冰土层、冰层钻进时滑钻的处理

    含土冰层、冰层在场区均有分布,且局部冰层达10m厚,冰层在施工时常有钻头滑钻的情况。

在施工过程中采用中空的岩芯钻先对冰体进行切割,然后再用桶式钻头或螺旋钻头将其取出孔外的办法进行处理。在部分土层施工时,尽量减少反转,可用岩芯钻直接将切割冰柱体取出孔外。

    3.4 有地下水涌出时岩层的钻进

    在地下水涌出时,螺旋钻不能将所钻岩屑带出孔,需要螺旋钻、桶式钻头配合使用。桶式钻头因其有良好的密封性能,可将钻孔中岩屑悉数取出,并在施工中具有泥浆置换功能。

    3.5 热融坍塌的处理

    受气温及人为活动影响,在暖季多年冻土热平衡状态受到破坏。施工措施不当,会造成钻孔上部坍孔,严重的还会造成串孔,影响邻桩施工,更有甚者会导致机毁人亡的安全事故。

    为防止成孔过程中的热融坍塌和成桩后的冻胀,清水河特大桥在设计时就设计要安放永久护筒。永久护筒为钢护筒,直径较桩径大100mm、长4000mm,外围涂抹改性沥青防冻层。

    但在实际施工中,护筒的长度不能满足暖季最大融化深度的要求,因此,在施工过程中我们充分考虑了温度影响造成的多年冻土最大融化深度的变化趋势,结合场地不同地段的地质条件,采用加长护筒的方法来预防热融坍塌对成孔造成的不良影响。具体护筒的加长长度视不同地段地质条件确定,最深达12m。

    钢护筒的埋入方式,采用旋挖钻机动力头加压稳定下压或边钻进边跟进护筒的方式埋设,减小了对高温不稳定区多年冰土层的扰动。

    3.6 混凝土温度的控制

   清水河特大桥桩基工程是采用保护多年冻土原则设计的,混凝土入模温度对清水河多年冻土热平衡状态的影响至关重要,因此,严格控制混凝土入模温度是能否保持多年冻土区的热平衡状态不遭破坏的关键。

    混凝土搅拌采用专门为青藏铁路研制的适用于多年冻土地段混凝土工程施工需要的DZ-1和DZ-3型低温早强高性能混凝土外加剂,该系列产品兼具促使混凝土低温(负温)早强、耐腐蚀、耐风蚀、高抗冻、高抗渗等性能。

    DZ-1和DZ-3型外加剂的掺量为内掺10%,规定温度为-20℃时桥梁基础灌注。在最低气温超过混凝土外加剂规定温度时,采取相应措施,使混凝土养护期间的温度不低于外加剂的规定温度。

    暖季施工时,为降低入模混凝土温度,可选择晚上较冷时施工,在8-9月混凝土灌注一般在晚上6时至次日上午8时进行,混凝土在制备时采用冰降低水温,冷风机吹冷骨料等措施降低制备温度。

    寒季施工时,为提高混凝土入模温度,采用搭设暖棚蒸汽加热石料,炒砂加热砂温,加热施工用水和在运输车上覆盖保温罩,缩短浇灌时间等措施来保证混凝土的入模温度。

    3.7 断桩的处理

    在混凝土浇灌过程中,因混凝土供应不及时,混凝土性能不能满足水下浇注的需求时,会导致断桩事故,现将处理断桩的几项措施介绍如下:

    ⑴干孔浇注时断桩 ①拔出导管,清理导管内残留混凝土;②对初灌混凝土尚未初凝的桩,将清理过的导管重新插入混凝土面以下1m左右,用大料斗继续灌注,直至灌注结束;③对初灌混凝土已初凝的桩,要迅速调集钻机,采用小钻头将钢筋笼中混凝土掏出,重新下导管灌注。还可采用人工清理混凝土面至全断面均为新鲜混凝土,并将混凝土面凿毛,沿钢筋笼内侧设压浆管,管底在接桩界面,然后再重新灌注混凝土,待混凝土达7d龄期后进行压浆固结密实。

    ⑵泥浆护壁桩孔断桩 ①拔出导管,用钻机采用小钻头掏空钢筋笼中混凝土后,将钢筋笼搅出,重新安放钢筋笼,进行后续工序施工;②用冲击钻将混凝土及钢筋笼重新冲击成孔,之后进行后续施工;③采用大料斗预先装满砂浆后冲击插入已灌注混凝土中,待浇注正常后继续浇注混凝土的方法接桩处理。

    此文已在建设部优秀科技期刊《施工技术》2004年5期上发表。

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