1.引子
湖口湖口大橋東塔基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注注樁，但由于該橋地質(zhì)水文情況及設(shè)計(jì)構(gòu)造的復(fù)雜性，導(dǎo)致采用鉆機(jī)成孔存在很多實(shí)際困難。為確保工期、工程質(zhì)量及減少投入，由施工方提出在項(xiàng)目方支持，專家咨詢論證的前提下，將煤炭系統(tǒng)多年來行之有效的凍結(jié)固壁法首次引進(jìn)橋梁深水基礎(chǔ)施工，并取得圓滿成功，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行簡單介紹。
2.湖口大橋工程概況
湖口大橋位于江西省湖口縣，地處鄱陽湖與長江的交匯之處約三公里，是九江至景德鎮(zhèn)一級(jí)汽車專用公路上的特大橋。橋長3799米。其主橋?yàn)殡p索面三跨預(yù)應(yīng)力大小塔斜拉橋，半漂浮體系，跨徑布置為188m+318m+130m，連續(xù)長度為636m，橋?qū)?7.5m該橋大小塔基礎(chǔ)均采用4根大直徑鋼筋混凝土灌注樁，其中小塔（根據(jù)所處方位稱為東塔，基礎(chǔ)灌注樁直徑Φ4m）橋址處地質(zhì)情況十分復(fù)雜，基礎(chǔ)覆蓋層均為軟弱松散沖擊層，厚度達(dá)19m之多，土性以淤泥和淤泥質(zhì)亞粘土為主，基巖主要由石英砂巖組成，巖性堅(jiān)硬脆，裂隙較發(fā)育。
3.東塔樁基施工方案選擇
由于本橋主塔樁基設(shè)計(jì)構(gòu)造和地址水文情況十分復(fù)雜，因此選擇一種正確合理的成孔方案顯得格外重要，這將直接影響到工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。經(jīng)過對(duì)樁基設(shè)計(jì)構(gòu)造特點(diǎn)、橋址地質(zhì)水文情況及施工設(shè)備能力進(jìn)行綜合分析后，擬定鉆孔灌注樁和凍結(jié)法挖孔灌注樁兩種施工方法進(jìn)行比選。依據(jù)加快工程進(jìn)度、保證工程質(zhì)量、限度減少投入的原則，最終確定采用凍結(jié)法人工挖孔灌注樁方案進(jìn)行湖口大橋東塔樁基的施工。
3.1采用傳統(tǒng)方法鉆孔成樁施工特點(diǎn)
3.1.1東塔樁徑達(dá)4m，穿過的軟弱松散沖擊層厚度大，采用傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔，鋼護(hù)筒直徑將達(dá)4.5m以上，要下沉到基巖層將十分困難，機(jī)具設(shè)備難以滿足施工要求；
3.1.2由于樁徑大且存在變截面，采用傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔澆筑水下混凝土風(fēng)險(xiǎn)大；
3.1.3傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔，設(shè)備龐大，移位困難，4根樁難以平行作業(yè)，工期難以確保。
3.2凍結(jié)法人工挖孔施工特點(diǎn)凍結(jié)法施工技術(shù)，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水凍結(jié)成冰形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕結(jié)構(gòu)體來抵抗水土壓力，以保證人工開挖工作順利進(jìn)行。作為一種成熟的施工方法，凍結(jié)法施工技術(shù)在國際上被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)和煤礦建設(shè)中，已有100多年的歷史，我國采用凍結(jié)法施工技術(shù)至今也已有40多年的歷史，主要用于煤礦井筒開挖施工，其中凍結(jié)深度達(dá)435m，凍結(jié)表土層厚度達(dá)375m.經(jīng)過多年來國內(nèi)外施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明凍結(jié)法施工有以下特點(diǎn)：
3.2.1可有效隔絕地下水，其抗?jié)B透性能是其它任何方法不能相比的，對(duì)于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工技術(shù)；
3.2.2凍土帷幕的形狀和強(qiáng)度可視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍土強(qiáng)度可達(dá)5-10Mpa，能有效提高工效；
3.2.3凍結(jié)法施工對(duì)周圍環(huán)境無污染，無異物進(jìn)入土壤，噪音小，凍結(jié)結(jié)束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結(jié)構(gòu)；
3.2.4凍結(jié)施工用于樁基施工或其它工藝平行作業(yè)，能有效縮短施工工期。
通過對(duì)上述兩種施工方法的比較可知，采用凍結(jié)法施工，凍土帷幕能滿足受力要求，不需下沉龐大的鋼護(hù)筒，也無需大噸位鉆機(jī)，解決了起重設(shè)備能力不足的困難，降低了施工難度；而且能有效地隔絕了地下水，實(shí)現(xiàn)樁基干處施工，減小大直徑樁澆注水下混凝土的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，能有效提高工效，比常規(guī)方法施工方法節(jié)約工程成本。因此，湖口大橋東塔樁基選擇凍結(jié)法施工更為合理。
4.湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工技術(shù)方案
雖然凍結(jié)法施工技術(shù)已應(yīng)用多年，經(jīng)過長期的實(shí)踐，已建立起一整套完整的施工工藝流程，但此次應(yīng)用在湖口大橋樁基施工中，在橋梁深水建設(shè)還屬首次，具有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，我們非常重視。結(jié)合東塔樁基構(gòu)造及地質(zhì)水文特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)的施工技術(shù)設(shè)計(jì)，并經(jīng)多次專家論證會(huì)論證，最終確定了凍結(jié)深度、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)方式、凍結(jié)孔布置、凍結(jié)需冷量計(jì)算、樁基嵌巖段鉆爆法施工、低溫混凝土施工等關(guān)鍵要素，這些都是在實(shí)施東塔樁基凍結(jié)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制的工作內(nèi)容，現(xiàn)就其中的主要部分作簡單介紹：
4.1凍結(jié)深度的確定東塔樁基穿過的地層，松散沖積層厚度達(dá)19m左右，土性以淤泥和淤泥質(zhì)亞粘土為主，十分軟弱，基巖段裂隙發(fā)育，富含裂隙水。為確保人工挖孔時(shí)的安全，采用樁基全長凍結(jié)。橋位處枯水季節(jié)水位一般在+10m左右，歷史水位為+13m左右，為保險(xiǎn)起見，將凍結(jié)施工平臺(tái)用鋼管樁圍堰加高到+20m.為確保樁底凍結(jié)止水墊封水可靠，設(shè)計(jì)凍結(jié)深度超過樁底5m，達(dá)到-23m，凍結(jié)深度自+20m起，共計(jì)43m深。
4.2.凍結(jié)壁厚的確定凍結(jié)壁厚度可根據(jù)樁基周圍地壓值與凍土抗壓強(qiáng)度按照無限長厚壁圓筒理論進(jìn)行計(jì)算確定。
4.2.1樁基周圍地壓計(jì)算根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)水文情況，淤泥含水豐富且在湖水下面，地壓計(jì)算可參照地質(zhì)及各種不利因素，按懸浮理論由重液公式計(jì)算；
F=rhA+Rw 或 P=1.3H式中：r―土的重度，KN/m3；
A―土側(cè)壓力系數(shù)，A=tg（45-Φ/2）2；ΦΦΦH―深度；
Rw―水壓力。
取其大者作為沖積層地壓：P=4.11Kg/cm2
4.2.2凍結(jié)壁厚度計(jì)算設(shè)計(jì)單機(jī)制冷，鹽水溫度為-25℃——28℃，凍結(jié)壁平均溫度取-6℃，淤泥質(zhì)亞粘土凍土抗壓強(qiáng)度根據(jù)凍土試驗(yàn)結(jié)果取3.46Mpa；根據(jù)凍結(jié)壁彈塑性理論，按無限長厚壁圓筒計(jì)算凍結(jié)壁厚度為：E=R{{（a）/[（a）-2p]}1/2-1}式中：R―凍結(jié)井壁半徑（a）―凍土抗壓強(qiáng)度E―凍結(jié)壁厚；E=1.83m
4.3凍結(jié)方式為確保基巖工作面的溫度滿足混凝土的養(yǎng)護(hù)要求，以及減少凍結(jié)孔的冷量損失，采用局部凍結(jié)方式，凍結(jié)段標(biāo)高分別為：外圈主凍結(jié)孔：+20m～-23m（有效凍深43.0m）
樁內(nèi)孔：-18m～-23m（有效凍深5.0m）
4.4凍結(jié)孔的布置根據(jù)根據(jù)東塔樁基開挖時(shí)的孔徑及凍結(jié)壁厚度的要求，將凍結(jié)孔布置成圓筒狀，共分為3圈，外圈為主排孔，圈徑6.0m，布孔19個(gè)，開孔間距0.992m；中圈及內(nèi)圈孔為樁內(nèi)封底孔，中圈孔圈徑3.5m，布孔5個(gè)，開孔間距2.2m；內(nèi)圈孔圈徑1.5m，布孔3個(gè)，開孔間距1.57m；每樁布置兩個(gè)測溫孔，樁內(nèi)樁外各一個(gè)，測溫孔應(yīng)視現(xiàn)場情況布置在凍結(jié)有效發(fā)展范圍內(nèi)，并盡量布在間距的凍結(jié)孔附近。
4.5凍結(jié)需冷量計(jì)算設(shè)計(jì)冷凍鹽水溫度為-25℃～-28℃，考慮施工期內(nèi)湖口地區(qū)的氣候條件，冷量損失取15％，則總需冷量為：Q=1.15nsHq式中：n―冷凍管根數(shù)，取n=（19+5+3）×4=108（根）
s―冷凍管直徑，s=0.5m H―凍結(jié)深度，H=43m q―冷凍管吸冷量，考慮施工水位較高，圍堰封水不安全，取q=879.23kj/m2h（210千卡/m2h）即Q=1878.2MJ/h（44.86萬千卡/小時(shí)）
4.6凍結(jié)時(shí)間計(jì)算根據(jù)長期實(shí)踐證明，表土層凍土發(fā)展速度為22mm～25mm/米，基巖交圈速度為40mm/天，據(jù)此推算，凍結(jié)壁厚度達(dá)到1.83m需時(shí)為1830/（25×2）=35（米）。
湖口湖口大橋東塔基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注注樁，但由于該橋地質(zhì)水文情況及設(shè)計(jì)構(gòu)造的復(fù)雜性，導(dǎo)致采用鉆機(jī)成孔存在很多實(shí)際困難。為確保工期、工程質(zhì)量及減少投入，由施工方提出在項(xiàng)目方支持，專家咨詢論證的前提下，將煤炭系統(tǒng)多年來行之有效的凍結(jié)固壁法首次引進(jìn)橋梁深水基礎(chǔ)施工，并取得圓滿成功，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行簡單介紹。
2.湖口大橋工程概況
湖口大橋位于江西省湖口縣，地處鄱陽湖與長江的交匯之處約三公里，是九江至景德鎮(zhèn)一級(jí)汽車專用公路上的特大橋。橋長3799米。其主橋?yàn)殡p索面三跨預(yù)應(yīng)力大小塔斜拉橋，半漂浮體系，跨徑布置為188m+318m+130m，連續(xù)長度為636m，橋?qū)?7.5m該橋大小塔基礎(chǔ)均采用4根大直徑鋼筋混凝土灌注樁，其中小塔（根據(jù)所處方位稱為東塔，基礎(chǔ)灌注樁直徑Φ4m）橋址處地質(zhì)情況十分復(fù)雜，基礎(chǔ)覆蓋層均為軟弱松散沖擊層，厚度達(dá)19m之多，土性以淤泥和淤泥質(zhì)亞粘土為主，基巖主要由石英砂巖組成，巖性堅(jiān)硬脆，裂隙較發(fā)育。
3.東塔樁基施工方案選擇
由于本橋主塔樁基設(shè)計(jì)構(gòu)造和地址水文情況十分復(fù)雜，因此選擇一種正確合理的成孔方案顯得格外重要，這將直接影響到工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。經(jīng)過對(duì)樁基設(shè)計(jì)構(gòu)造特點(diǎn)、橋址地質(zhì)水文情況及施工設(shè)備能力進(jìn)行綜合分析后，擬定鉆孔灌注樁和凍結(jié)法挖孔灌注樁兩種施工方法進(jìn)行比選。依據(jù)加快工程進(jìn)度、保證工程質(zhì)量、限度減少投入的原則，最終確定采用凍結(jié)法人工挖孔灌注樁方案進(jìn)行湖口大橋東塔樁基的施工。
3.1采用傳統(tǒng)方法鉆孔成樁施工特點(diǎn)
3.1.1東塔樁徑達(dá)4m，穿過的軟弱松散沖擊層厚度大，采用傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔，鋼護(hù)筒直徑將達(dá)4.5m以上，要下沉到基巖層將十分困難，機(jī)具設(shè)備難以滿足施工要求；
3.1.2由于樁徑大且存在變截面，采用傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔澆筑水下混凝土風(fēng)險(xiǎn)大；
3.1.3傳統(tǒng)鉆機(jī)成孔，設(shè)備龐大，移位困難，4根樁難以平行作業(yè)，工期難以確保。
3.2凍結(jié)法人工挖孔施工特點(diǎn)凍結(jié)法施工技術(shù)，即是利用人工制冷的方法把土壤中的水凍結(jié)成冰形成凍土帷幕，用人工凍土帷幕結(jié)構(gòu)體來抵抗水土壓力，以保證人工開挖工作順利進(jìn)行。作為一種成熟的施工方法，凍結(jié)法施工技術(shù)在國際上被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)和煤礦建設(shè)中，已有100多年的歷史，我國采用凍結(jié)法施工技術(shù)至今也已有40多年的歷史，主要用于煤礦井筒開挖施工，其中凍結(jié)深度達(dá)435m，凍結(jié)表土層厚度達(dá)375m.經(jīng)過多年來國內(nèi)外施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明凍結(jié)法施工有以下特點(diǎn)：
3.2.1可有效隔絕地下水，其抗?jié)B透性能是其它任何方法不能相比的，對(duì)于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩(wěn)定地層均可采用凍結(jié)法施工技術(shù)；
3.2.2凍土帷幕的形狀和強(qiáng)度可視施工現(xiàn)場條件，地質(zhì)條件靈活布置和調(diào)整，凍土強(qiáng)度可達(dá)5-10Mpa，能有效提高工效；
3.2.3凍結(jié)法施工對(duì)周圍環(huán)境無污染，無異物進(jìn)入土壤，噪音小，凍結(jié)結(jié)束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結(jié)構(gòu)；
3.2.4凍結(jié)施工用于樁基施工或其它工藝平行作業(yè)，能有效縮短施工工期。
通過對(duì)上述兩種施工方法的比較可知，采用凍結(jié)法施工，凍土帷幕能滿足受力要求，不需下沉龐大的鋼護(hù)筒，也無需大噸位鉆機(jī)，解決了起重設(shè)備能力不足的困難，降低了施工難度；而且能有效地隔絕了地下水，實(shí)現(xiàn)樁基干處施工，減小大直徑樁澆注水下混凝土的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，能有效提高工效，比常規(guī)方法施工方法節(jié)約工程成本。因此，湖口大橋東塔樁基選擇凍結(jié)法施工更為合理。
4.湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工技術(shù)方案
雖然凍結(jié)法施工技術(shù)已應(yīng)用多年，經(jīng)過長期的實(shí)踐，已建立起一整套完整的施工工藝流程，但此次應(yīng)用在湖口大橋樁基施工中，在橋梁深水建設(shè)還屬首次，具有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，我們非常重視。結(jié)合東塔樁基構(gòu)造及地質(zhì)水文特點(diǎn)，進(jìn)行了詳細(xì)的施工技術(shù)設(shè)計(jì)，并經(jīng)多次專家論證會(huì)論證，最終確定了凍結(jié)深度、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)方式、凍結(jié)孔布置、凍結(jié)需冷量計(jì)算、樁基嵌巖段鉆爆法施工、低溫混凝土施工等關(guān)鍵要素，這些都是在實(shí)施東塔樁基凍結(jié)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制的工作內(nèi)容，現(xiàn)就其中的主要部分作簡單介紹：
4.1凍結(jié)深度的確定東塔樁基穿過的地層，松散沖積層厚度達(dá)19m左右，土性以淤泥和淤泥質(zhì)亞粘土為主，十分軟弱，基巖段裂隙發(fā)育，富含裂隙水。為確保人工挖孔時(shí)的安全，采用樁基全長凍結(jié)。橋位處枯水季節(jié)水位一般在+10m左右，歷史水位為+13m左右，為保險(xiǎn)起見，將凍結(jié)施工平臺(tái)用鋼管樁圍堰加高到+20m.為確保樁底凍結(jié)止水墊封水可靠，設(shè)計(jì)凍結(jié)深度超過樁底5m，達(dá)到-23m，凍結(jié)深度自+20m起，共計(jì)43m深。
4.2.凍結(jié)壁厚的確定凍結(jié)壁厚度可根據(jù)樁基周圍地壓值與凍土抗壓強(qiáng)度按照無限長厚壁圓筒理論進(jìn)行計(jì)算確定。
4.2.1樁基周圍地壓計(jì)算根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)水文情況，淤泥含水豐富且在湖水下面，地壓計(jì)算可參照地質(zhì)及各種不利因素，按懸浮理論由重液公式計(jì)算；
F=rhA+Rw 或 P=1.3H式中：r―土的重度，KN/m3；
A―土側(cè)壓力系數(shù)，A=tg（45-Φ/2）2；ΦΦΦH―深度；
Rw―水壓力。
取其大者作為沖積層地壓：P=4.11Kg/cm2
4.2.2凍結(jié)壁厚度計(jì)算設(shè)計(jì)單機(jī)制冷，鹽水溫度為-25℃——28℃，凍結(jié)壁平均溫度取-6℃，淤泥質(zhì)亞粘土凍土抗壓強(qiáng)度根據(jù)凍土試驗(yàn)結(jié)果取3.46Mpa；根據(jù)凍結(jié)壁彈塑性理論，按無限長厚壁圓筒計(jì)算凍結(jié)壁厚度為：E=R{{（a）/[（a）-2p]}1/2-1}式中：R―凍結(jié)井壁半徑（a）―凍土抗壓強(qiáng)度E―凍結(jié)壁厚；E=1.83m
4.3凍結(jié)方式為確保基巖工作面的溫度滿足混凝土的養(yǎng)護(hù)要求，以及減少凍結(jié)孔的冷量損失，采用局部凍結(jié)方式，凍結(jié)段標(biāo)高分別為：外圈主凍結(jié)孔：+20m～-23m（有效凍深43.0m）
樁內(nèi)孔：-18m～-23m（有效凍深5.0m）
4.4凍結(jié)孔的布置根據(jù)根據(jù)東塔樁基開挖時(shí)的孔徑及凍結(jié)壁厚度的要求，將凍結(jié)孔布置成圓筒狀，共分為3圈，外圈為主排孔，圈徑6.0m，布孔19個(gè)，開孔間距0.992m；中圈及內(nèi)圈孔為樁內(nèi)封底孔，中圈孔圈徑3.5m，布孔5個(gè)，開孔間距2.2m；內(nèi)圈孔圈徑1.5m，布孔3個(gè)，開孔間距1.57m；每樁布置兩個(gè)測溫孔，樁內(nèi)樁外各一個(gè)，測溫孔應(yīng)視現(xiàn)場情況布置在凍結(jié)有效發(fā)展范圍內(nèi)，并盡量布在間距的凍結(jié)孔附近。
4.5凍結(jié)需冷量計(jì)算設(shè)計(jì)冷凍鹽水溫度為-25℃～-28℃，考慮施工期內(nèi)湖口地區(qū)的氣候條件，冷量損失取15％，則總需冷量為：Q=1.15nsHq式中：n―冷凍管根數(shù)，取n=（19+5+3）×4=108（根）
s―冷凍管直徑，s=0.5m H―凍結(jié)深度，H=43m q―冷凍管吸冷量，考慮施工水位較高，圍堰封水不安全，取q=879.23kj/m2h（210千卡/m2h）即Q=1878.2MJ/h（44.86萬千卡/小時(shí)）
4.6凍結(jié)時(shí)間計(jì)算根據(jù)長期實(shí)踐證明，表土層凍土發(fā)展速度為22mm～25mm/米，基巖交圈速度為40mm/天，據(jù)此推算，凍結(jié)壁厚度達(dá)到1.83m需時(shí)為1830/（25×2）=35（米）。