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(wàn)千卡/小時(shí))
4.6 凍結(jié)時(shí)間計(jì)算
根據(jù)長(zhǎng)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)。
4.7 東塔樁基基巖段鉆爆法施工設(shè)計(jì)
當(dāng)凍結(jié)期結(jié)束后，測(cè)溫資料表明凍結(jié)壁交圈且強(qiáng)度可滿(mǎn)足樁基開(kāi)挖要求時(shí)，即開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)挖工作。對(duì)樁孔通過(guò)的沖積層部分，采用傳統(tǒng)人工挖孔施工，對(duì)基巖部分則采用鉆爆法施工。根據(jù)對(duì)凍結(jié)法施工和鉆孔法挖孔施工特點(diǎn)的綜合分析，決定對(duì)湖口大橋東塔樁基基巖段按光面爆破設(shè)計(jì)鉆爆法施工，采用T220防凍水膠炸藥和秒延期段發(fā)電雷管進(jìn)行爆破施工，為防止一次爆深過(guò)大造成對(duì)凍結(jié)壁的破壞，決定以每次爆深不超過(guò)1米的原則來(lái)控制炮眼布置及裝藥量。
4.7.1 炮眼布置
根據(jù)樁孔開(kāi)挖形狀，將炮孔布置成圓圈狀，圈徑定為D1=0.7m，D2=1.9m，D3=3.1m，炮眼間距取：掏槽眼0.45m，輔助眼0.6m，周邊眼0.4m，每孔布置炮眼41個(gè)。
4.7.2 裝藥量
輔助眼0.5-0.8Kg/眼，周邊眼0.3-0.5Kg/眼，正向裝藥，爆破參數(shù)。
4.8 東塔樁基低溫混凝土施工
確保確保低溫條件下樁基混凝土免受凍害是東塔樁基凍結(jié)法施工成敗的關(guān)鍵，根據(jù)煤炭系統(tǒng)多年來(lái)凍結(jié)施工的經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)壁在混凝土澆注后幾個(gè)小時(shí)，由于受低溫環(huán)境的影響，靠近孔壁的混凝土出現(xiàn)降溫，隨后由于混凝土水化熱所產(chǎn)生的熱量比低溫環(huán)境吸去的熱量多，孔壁混凝土開(kāi)始出現(xiàn)升溫，隨著熱交換的進(jìn)行，混凝土的熱量進(jìn)一步散失而進(jìn)入降溫過(guò)程，直至0℃以下。總之，混凝土在降至0℃前有一定的正溫養(yǎng)護(hù)期，獲得一定強(qiáng)度后，在混凝土溫度降至0℃后，強(qiáng)度還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料證明，僅需將混凝土入模溫度提高即可使混凝土免受凍害。
注：Z3－煤礦井筒外層井壁與井幫交界面處混凝上溫度曲線(xiàn)（實(shí)測(cè)）
H－東塔基樁與孔幫交界面處混凝上溫度曲線(xiàn)（預(yù)測(cè)）
根據(jù)本工程的具體特點(diǎn)，樁基混凝土澆注時(shí)間已在5～6月之間，氣溫已比較高，混凝土入模溫度可達(dá)25℃以上，基本可以解決混凝土的凍害問(wèn)題。但為確保萬(wàn)無(wú)一失，在進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)，還采取了以下幾個(gè)措施：
4.8.1 針對(duì)樁基直徑大，為避免混凝土水化熱造成樁基產(chǎn)生過(guò)大溫度應(yīng)力，選用礦渣水泥生產(chǎn)混凝土；
4.8.2 配置混凝土?xí)r，摻加防凍型早強(qiáng)減水劑，可有效防止混凝土遭受凍害。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)混凝土的整體性及混凝土的澆注質(zhì)量，本工程還成功進(jìn)行了鉛芯取樣。為確保芯樣具有代表性，取芯位置按最不利情況，分直孔和斜孔兩種，采用SPT―100型地質(zhì)鉆機(jī)取芯樣，證明混凝土整體性完好，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5.東塔樁基凍結(jié)施工工藝設(shè)計(jì)
5.1 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)管布置成圓筒狀，采用φ127m無(wú)縫鋼管，安裝凍結(jié)管之前，首先采用SPT-800型地質(zhì)鉆機(jī)成孔，成孔直徑為200?，要求凍結(jié)鉆孔偏斜率控制在1%以?xún)?nèi)。
5.2 根據(jù)凍結(jié)需冷量計(jì)算結(jié)果，采用兩臺(tái)KY―2KA20C型螺桿冷凍機(jī)組人工制冷，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度+30℃，冷凝溫度-30℃，設(shè)計(jì)工況制冷量為：2261MJ/h(54萬(wàn)千卡/小時(shí))。
5.3 鹽水系統(tǒng)
5.3.1 鹽水用氯化鈣配置，比重為126t/m3，凝固溫度為-37.6℃；
5.3.2 根據(jù)凍結(jié)需冷量要求，鹽水總干管采用φ245×10mm無(wú)縫鋼管，配集液圈用φ159×6mm無(wú)縫鋼管;
5.3.3 鹽水泵采用單機(jī)單泵供水，閘閥調(diào)節(jié)的供液方式，選用2臺(tái)12SH―13型水泵，其單臺(tái)流量為560m3/h左右。
5.4 冷卻水系統(tǒng)
根據(jù)冷凍機(jī)組制冷量確定冷凝器的循環(huán)水量，選用2臺(tái)200m3/h水泵供冷凝水，其中一臺(tái)作為備用，冷卻水直接采用湖水循環(huán)。
5.5 凍結(jié)用電
根據(jù)計(jì)算，冷凍機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用電負(fù)荷為560KW，根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姮F(xiàn)狀，采用市電與自發(fā)電結(jié)合的辦法供電，確保凍結(jié)施工期間不停電。
6.東塔樁基施工工藝流程
根據(jù)凍結(jié)法施工要求，結(jié)合東塔樁基具體特點(diǎn)，制定凍結(jié)法人工挖孔施工工藝流程如下：
6.1 凍結(jié)孔施工(包括凍結(jié)打鉆及冷凍管安裝)；
6.2 冷凍平臺(tái)搭設(shè)，冷凍機(jī)組安裝調(diào)試；
6.3 冷凍管道安裝并開(kāi)始進(jìn)行凍結(jié)期冷凍；
6.4 樁孔開(kāi)挖并維持冷凍；
6.5 下放鋼筋籠并停止冷凍；
6.6 澆注樁基混凝土；
6.7 成樁。
7.施工監(jiān)測(cè)
由于湖口大橋東塔樁基采用凍結(jié)法施工，在橋梁深水基礎(chǔ)施工尚屬首次，許多情況尚無(wú)很成熟的經(jīng)驗(yàn)，為確保萬(wàn)無(wú)一失，必須加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，主要有以下幾個(gè)方面：
7.1 凍結(jié)制冷系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，主要包括鹽水溫度，壓力，運(yùn)轉(zhuǎn)效率等幾個(gè)方面，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隨時(shí)調(diào)整指標(biāo)，以滿(mǎn)足凍結(jié)需要；
7.2 測(cè)溫孔測(cè)溫記錄必須堅(jiān)持每天兩次，以及時(shí)掌握凍結(jié)埔的發(fā)展情況；
7.3 樁孔開(kāi)挖后，及時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的變形情況，要求凍結(jié)壁的變形量不大于5mm,如出現(xiàn)意外情況，必須及時(shí)施加臨時(shí)支護(hù)井圈背板；
7.4 樁基混凝土澆注后，利用澆注混凝土前在樁內(nèi)埋設(shè)的溫度傳感器，監(jiān)測(cè)混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度，并及時(shí)繪制溫度變化曲線(xiàn)，著重監(jiān)測(cè)孔壁和樁底等位置；
7.5 在承臺(tái)施工前，對(duì)樁基混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，根據(jù)鉆芯取樣結(jié)果最終判定凍結(jié)法施工樁基混凝土的質(zhì)量。
8.結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)不懈努力，湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工取得了圓滿(mǎn)成功，為橋梁深水基礎(chǔ)施工引進(jìn)了一種新的施工技術(shù)。經(jīng)過(guò)施工實(shí)踐證明，凍結(jié)法施工技術(shù)應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)施工是可行的，現(xiàn)正在建設(shè)中的江蘇省潤(rùn)揚(yáng)大橋錨碇基礎(chǔ)仍繼續(xù)采用此技術(shù)。在類(lèi)似湖口大橋這樣特定的施工條件下，凍結(jié)法施工方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
8.1 施工設(shè)備體積小，重量輕，拼裝簡(jiǎn)單方便，對(duì)起吊設(shè)備能力要求不高，緩解了設(shè)備能力不足的矛盾；
8.2 克服了在復(fù)雜地質(zhì)條件下采用鉆機(jī)成孔時(shí)存在的諸如大直徑鋼護(hù)筒下沉、鉆孔平臺(tái)搭設(shè)難度大等困難；
8.3 水下澆注混凝土為干澆混凝土，有利于確保混凝土質(zhì)量；
8.4 凍結(jié)法施工時(shí)4根樁平行作業(yè)，總體有效工作時(shí)間為112天，平均每根樁28天，比同等條件下的西塔采用鉆孔法施工節(jié)約時(shí)間近一半，有效地縮短工期。
8.5 較常規(guī)的鉆孔灌注樁施工方法，節(jié)約工程投入19%。
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(wàn)千卡/小時(shí))
4.6 凍結(jié)時(shí)間計(jì)算
根據(jù)長(zhǎng)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)。
4.7 東塔樁基基巖段鉆爆法施工設(shè)計(jì)
當(dāng)凍結(jié)期結(jié)束后，測(cè)溫資料表明凍結(jié)壁交圈且強(qiáng)度可滿(mǎn)足樁基開(kāi)挖要求時(shí)，即開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)挖工作。對(duì)樁孔通過(guò)的沖積層部分，采用傳統(tǒng)人工挖孔施工，對(duì)基巖部分則采用鉆爆法施工。根據(jù)對(duì)凍結(jié)法施工和鉆孔法挖孔施工特點(diǎn)的綜合分析，決定對(duì)湖口大橋東塔樁基基巖段按光面爆破設(shè)計(jì)鉆爆法施工，采用T220防凍水膠炸藥和秒延期段發(fā)電雷管進(jìn)行爆破施工，為防止一次爆深過(guò)大造成對(duì)凍結(jié)壁的破壞，決定以每次爆深不超過(guò)1米的原則來(lái)控制炮眼布置及裝藥量。
4.7.1 炮眼布置
根據(jù)樁孔開(kāi)挖形狀，將炮孔布置成圓圈狀，圈徑定為D1=0.7m，D2=1.9m，D3=3.1m，炮眼間距取：掏槽眼0.45m，輔助眼0.6m，周邊眼0.4m，每孔布置炮眼41個(gè)。
4.7.2 裝藥量
輔助眼0.5-0.8Kg/眼，周邊眼0.3-0.5Kg/眼，正向裝藥，爆破參數(shù)。
4.8 東塔樁基低溫混凝土施工
確保確保低溫條件下樁基混凝土免受凍害是東塔樁基凍結(jié)法施工成敗的關(guān)鍵，根據(jù)煤炭系統(tǒng)多年來(lái)凍結(jié)施工的經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)壁在混凝土澆注后幾個(gè)小時(shí)，由于受低溫環(huán)境的影響，靠近孔壁的混凝土出現(xiàn)降溫，隨后由于混凝土水化熱所產(chǎn)生的熱量比低溫環(huán)境吸去的熱量多，孔壁混凝土開(kāi)始出現(xiàn)升溫，隨著熱交換的進(jìn)行，混凝土的熱量進(jìn)一步散失而進(jìn)入降溫過(guò)程，直至0℃以下。總之，混凝土在降至0℃前有一定的正溫養(yǎng)護(hù)期，獲得一定強(qiáng)度后，在混凝土溫度降至0℃后，強(qiáng)度還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料證明，僅需將混凝土入模溫度提高即可使混凝土免受凍害。
注：Z3－煤礦井筒外層井壁與井幫交界面處混凝上溫度曲線(xiàn)（實(shí)測(cè)）
H－東塔基樁與孔幫交界面處混凝上溫度曲線(xiàn)（預(yù)測(cè)）
根據(jù)本工程的具體特點(diǎn)，樁基混凝土澆注時(shí)間已在5～6月之間，氣溫已比較高，混凝土入模溫度可達(dá)25℃以上，基本可以解決混凝土的凍害問(wèn)題。但為確保萬(wàn)無(wú)一失，在進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)，還采取了以下幾個(gè)措施：
4.8.1 針對(duì)樁基直徑大，為避免混凝土水化熱造成樁基產(chǎn)生過(guò)大溫度應(yīng)力，選用礦渣水泥生產(chǎn)混凝土；
4.8.2 配置混凝土?xí)r，摻加防凍型早強(qiáng)減水劑，可有效防止混凝土遭受凍害。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)混凝土的整體性及混凝土的澆注質(zhì)量，本工程還成功進(jìn)行了鉛芯取樣。為確保芯樣具有代表性，取芯位置按最不利情況，分直孔和斜孔兩種，采用SPT―100型地質(zhì)鉆機(jī)取芯樣，證明混凝土整體性完好，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5.東塔樁基凍結(jié)施工工藝設(shè)計(jì)
5.1 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)管布置成圓筒狀，采用φ127m無(wú)縫鋼管，安裝凍結(jié)管之前，首先采用SPT-800型地質(zhì)鉆機(jī)成孔，成孔直徑為200?，要求凍結(jié)鉆孔偏斜率控制在1%以?xún)?nèi)。
5.2 根據(jù)凍結(jié)需冷量計(jì)算結(jié)果，采用兩臺(tái)KY―2KA20C型螺桿冷凍機(jī)組人工制冷，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度+30℃，冷凝溫度-30℃，設(shè)計(jì)工況制冷量為：2261MJ/h(54萬(wàn)千卡/小時(shí))。
5.3 鹽水系統(tǒng)
5.3.1 鹽水用氯化鈣配置，比重為126t/m3，凝固溫度為-37.6℃；
5.3.2 根據(jù)凍結(jié)需冷量要求，鹽水總干管采用φ245×10mm無(wú)縫鋼管，配集液圈用φ159×6mm無(wú)縫鋼管;
5.3.3 鹽水泵采用單機(jī)單泵供水，閘閥調(diào)節(jié)的供液方式，選用2臺(tái)12SH―13型水泵，其單臺(tái)流量為560m3/h左右。
5.4 冷卻水系統(tǒng)
根據(jù)冷凍機(jī)組制冷量確定冷凝器的循環(huán)水量，選用2臺(tái)200m3/h水泵供冷凝水，其中一臺(tái)作為備用，冷卻水直接采用湖水循環(huán)。
5.5 凍結(jié)用電
根據(jù)計(jì)算，冷凍機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用電負(fù)荷為560KW，根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姮F(xiàn)狀，采用市電與自發(fā)電結(jié)合的辦法供電，確保凍結(jié)施工期間不停電。
6.東塔樁基施工工藝流程
根據(jù)凍結(jié)法施工要求，結(jié)合東塔樁基具體特點(diǎn)，制定凍結(jié)法人工挖孔施工工藝流程如下：
6.1 凍結(jié)孔施工(包括凍結(jié)打鉆及冷凍管安裝)；
6.2 冷凍平臺(tái)搭設(shè)，冷凍機(jī)組安裝調(diào)試；
6.3 冷凍管道安裝并開(kāi)始進(jìn)行凍結(jié)期冷凍；
6.4 樁孔開(kāi)挖并維持冷凍；
6.5 下放鋼筋籠并停止冷凍；
6.6 澆注樁基混凝土；
6.7 成樁。
7.施工監(jiān)測(cè)
由于湖口大橋東塔樁基采用凍結(jié)法施工，在橋梁深水基礎(chǔ)施工尚屬首次，許多情況尚無(wú)很成熟的經(jīng)驗(yàn)，為確保萬(wàn)無(wú)一失，必須加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，主要有以下幾個(gè)方面：
7.1 凍結(jié)制冷系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，主要包括鹽水溫度，壓力，運(yùn)轉(zhuǎn)效率等幾個(gè)方面，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隨時(shí)調(diào)整指標(biāo)，以滿(mǎn)足凍結(jié)需要；
7.2 測(cè)溫孔測(cè)溫記錄必須堅(jiān)持每天兩次，以及時(shí)掌握凍結(jié)埔的發(fā)展情況；
7.3 樁孔開(kāi)挖后，及時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的變形情況，要求凍結(jié)壁的變形量不大于5mm,如出現(xiàn)意外情況，必須及時(shí)施加臨時(shí)支護(hù)井圈背板；
7.4 樁基混凝土澆注后，利用澆注混凝土前在樁內(nèi)埋設(shè)的溫度傳感器，監(jiān)測(cè)混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度，并及時(shí)繪制溫度變化曲線(xiàn)，著重監(jiān)測(cè)孔壁和樁底等位置；
7.5 在承臺(tái)施工前，對(duì)樁基混凝土進(jìn)行鉆芯取樣，根據(jù)鉆芯取樣結(jié)果最終判定凍結(jié)法施工樁基混凝土的質(zhì)量。
8.結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)不懈努力，湖口大橋東塔樁基凍結(jié)法施工取得了圓滿(mǎn)成功，為橋梁深水基礎(chǔ)施工引進(jìn)了一種新的施工技術(shù)。經(jīng)過(guò)施工實(shí)踐證明，凍結(jié)法施工技術(shù)應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)施工是可行的，現(xiàn)正在建設(shè)中的江蘇省潤(rùn)揚(yáng)大橋錨碇基礎(chǔ)仍繼續(xù)采用此技術(shù)。在類(lèi)似湖口大橋這樣特定的施工條件下，凍結(jié)法施工方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：
8.1 施工設(shè)備體積小，重量輕，拼裝簡(jiǎn)單方便，對(duì)起吊設(shè)備能力要求不高，緩解了設(shè)備能力不足的矛盾；
8.2 克服了在復(fù)雜地質(zhì)條件下采用鉆機(jī)成孔時(shí)存在的諸如大直徑鋼護(hù)筒下沉、鉆孔平臺(tái)搭設(shè)難度大等困難；
8.3 水下澆注混凝土為干澆混凝土，有利于確保混凝土質(zhì)量；
8.4 凍結(jié)法施工時(shí)4根樁平行作業(yè)，總體有效工作時(shí)間為112天，平均每根樁28天，比同等條件下的西塔采用鉆孔法施工節(jié)約時(shí)間近一半，有效地縮短工期。
8.5 較常規(guī)的鉆孔灌注樁施工方法，節(jié)約工程投入19%。