高寒高海拔地区钻孔灌注桩施工技术
2021-12-13陈远慧张王川
陈远慧 张王川
（中交二航局西藏建设有限公司，西藏拉萨 850000）
1 工程概况
1.1 设计概况
本工程项目位于西藏自治区的那曲县和当雄县，这一项目的起点在那曲县的109 国道线上，此工程项目较大，其施工范围跨越了龙仁乡、当雄县乌玛塘乡、古露镇、公塘乡这5 个乡镇，耗时非常久。在施工设计中，标注的起止点桩号为K3635+000 至K3699+700，全线总长为85.109km （断链K3655+800=K3635+390，长链20.409km），跨越性非常大，其中经过唐古拉山脉等特殊地段，由于西藏地区的高原气候以及高原反应，使得公路桥梁施工难度较大。在设计方案中，共有57 座桥梁需要搭建，需要设置的桥梁桩基就达到了3526 根，可见这项工程的浩大。
1.2 气象条件
由于西藏地区属于高原温带半干旱气候，使得一些从外地到达西藏的施工技术人员会出现各式各样的身体不适症状，影响了施工进度。西藏地区气候的主要特点是太阳辐射强，紫外线较强，且在冬季时大风较多，年平均气温仅有1.7℃，其降水量只达到了459.3mm，这对于施工技术团队而言，具有非常大的挑战性，这不仅考验了人员在特殊环境中的适应生存能力，也对于施工方法有着较高的要求。
2 土体冻胀对公路桥梁桩基的影响和防冻胀措施
西藏地区气候的特殊性使得其土壤成为冻土，因此，要在这种地面建设公路桥梁，其过程是非常的复杂，且耗时较久。由于较大的空气湿度和超低温，使得施工过程中在地面钻孔时产生的水分发生转移，加剧了土壤的冻胀，而这种冻胀力会使得不平衡的工程结构物表面发生变形。冻胀力分为水平冻胀力、切向冻胀力、法向冻胀力，在冻胀力破坏结构物表面形状时，水平冻胀力会由于力之间的作用而抵消，仅剩的纵向和法向冻胀力作用于结构物，使得结构物的形状发生上拔变形，从而破坏了进度中的工程。要避免高原气候下冻胀力对工程的破坏，可采取以下方法减小损坏程度：在施工中，将比桩径大20cm 的外侧涂刷润滑油的永久性钢护筒利用钻孔埋入在大于0.5m 深度的冻土以下的位置，并使用具有憎水性的粗粒土壤回填钢护筒，从而减少钢护筒亲水能力，减弱冻土的切向冻胀力，进而减小冻胀力对工程的损坏程度。
3 钻孔灌注桩施工工艺和方法
3.1 施工工艺流程
在海拔较高且气温较低的高原地区采用钻孔灌注桩施工,能够减少桩周围地层冻土局部融化和回冻的施工工艺, 选择对地层扰动影响较小的旋挖桩进行钻孔, 采用泥浆护壁湿法施工工艺, 不仅能够降低对周边环境的影响，还能够提升施工的质量、效率、进度，从而使桩基础能够快速完成,减少冻土对工程项目的破坏。施工工艺流程见图1。
图1 施工工艺流程图
3.2 施工工艺和方法
3.2.1 施工准备
高寒高海拔地区钻机设备采用能适应多年冻土区域地质，并且能够达到高寒地区环保要求的旋挖钻机，并且旋挖钻机具有功效高、机动性强、不用采用正反循环排渣等优点，能够有效的降低对冻土热平衡的影响。选用的机械设备要设置接地避雷装置、室内增设保温措施装置。
在钻孔前，要对钻机场地进行合理的布置，减少机器设备对原地面的扰动。布置钻机场地时，要以填筑为主，在钻机的底座散热孔位置要增加隔热性较强的聚氯乙烯隔热板，并在钻孔场地设置泥浆池，还要稳固测量基桩，并且在测量时要将偏差控制在5cm 以内，以木桩作为标记，进行精确放样的操作。如此一来，既保证了施工准备的正常布置，也降低了机械设备对冻土的影响。
3.2.2 埋设护筒
3.2.2.1 利用固定桩位的护筒引导钻头进行钻孔，避免地表水流入井孔，使得孔内水位过高，造成塌孔现象。
3.2.2.2 选择护筒，要结合高原气候以及土壤湿度，选取由钢板卷制成的壁厚10mm 且坚固不漏水的永久性钢护筒，在带地系梁桥墩进行施工时，钢护筒的埋入应当注意预留系梁空间，确保正常施工。
3.2.2.3 钢护筒的埋入位置要利用旋挖钻将孔钻至冻土0.5m 以下，并保证坑底的平整，使得桩位中心能够平稳放置于坑底后，将永久性钢护筒放置于坑内，并保持护筒与钻孔的中心位置能够重合。
3.2.2.4 护筒是否垂直放置可利用垂球或者水平尺进行测量。
3.2.2.5 选用憎水性强的粗颗粒土均匀地回填在钢护筒周围，并在回填过程中要注意钢护筒的位置不能发生偏移。
3.2.2.6 埋好后的护筒要比泥浆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，护筒的中心和斜度的偏差也应当控制在1%以内。
3.2.2.7 由于唐古拉山脉具有较大的地表水，当工程受到地表水的影响，发生坍塌时，可利用比桩径大50cm～60cm 的钢护筒去稳定孔口，减小外面地质活动给钻孔施工带来的影响。
3.2.3 泥浆制备及泥浆处理
在施工中，为了保证工程质量，选择泥浆时，就要以高要求、高标准进行挑选、对比。施工中用的泥浆主要由粘土、添加剂以及水构成的，其质量好坏取决于粘土。那么，在施工材料选择中，就要选用粒径非常小且塑性指数较大的粘土颗粒较丰富的粘土、水、添加剂构成的泥浆，根据钻孔情况以及沿线的地质情况调制泥浆，并使用搅拌机调和泥浆，利用泥浆泵将调和好的泥浆输入到钻孔内。
由于泥浆在整个施工阶段一直会使用，因此，为了便于加快施工进度，可设置两泥浆循环系统。泥浆循环系统主要由泥浆池、沉淀池、循环槽等设备装置组成在实际使用过程中，至少设置两个以上循环池，便于施工同步进行。此外，在施工过程中，要及时清理施工现场的卫生，定期清理各池内的渣滓，保持施工周围的环境。
泥浆循环系统示意图如图2。
图2 泥浆循环系统示意图
3.2.4 钻机钻孔
3.2.4.1 钻机就位。钻孔的实际效果除了与冻土的冻胀力有关，也与旋挖钻各部位的摆放位置有关。在使用旋挖钻时，应当将起吊滑轮、钻杆、转盘孔的中心、钻头的中心、设计桩位的中心保持一致，都位于同一铅垂线上，旋挖钻在工作中要时常检查各部位是否移动，若有倾斜或者移动，要及时调整它们的位置。
3.2.4.2 旋挖钻钻进。使用旋挖钻前，先对设备显示器上的数字进行清零操作，再调整挖头的位置，使得挖头对准目标位置后，根据液压系统的工作状态调整仪表上显示的动力、加压、主卷的压力，使得旋挖机在钻孔时能够有足够的动力挖足够深的孔。
在钻孔过程中，要使得成孔的质量得到保证，可利用旋挖机的三向垂直控制系统对成孔的垂直度进行检验，若质量没有任何问题，可结合施工地段的地质情况继续推进施工进度。在钻孔过程中，要保持先慢后快的作业节奏，并在施工前要确认施工范围是否有不利地层，以5m 为钻孔试钻深度，确认没有不利地段后，可加深进尺。
3.2.4.3 成孔检查。当钻孔施工完成后，要对成孔进行质量检验，确保恶劣气候不会对工程造成较大损坏。那么，要检测成孔质量，可从孔径、孔深以及其倾斜度、距离路面的位置等方面进行检验。
3.2.4.4 清孔。钻孔完成后要对成孔进行泥浆比重、孔底沉渣检测，不符合设计要求的进行二次清孔处理，清孔可用换浆法也可用抽浆法。
3.2.5 钢筋笼制作、安装
钢筋笼加工采用专用钢筋笼制作平台，将9 米长的分节钢筋上加焊混凝土垫块，使得钢筋获得一定的保护，并在对称方向每隔2m 设立一道土垫块。制作钢筋笼下放时，利用汽车吊辅助下笼的安装，并注意钢筋笼上下节之间的孔口焊接问题。在焊接孔口时，可运用垂直对中法将上下笼的中心轴进行重合焊接，尽可能地减小偏差，保证轴线重合偏差不超过20mm，笼的底面和顶面的高度误差控制在5cm 以内，并运用汽车吊将钢筋笼放至孔内的设计深度。
3.2.6 水下混凝土灌注
混凝土灌注采用导管法浇筑水下砼，灌注所需混凝土全部在拌和站集中拌制，并由混凝土搅拌运输车运至现场，坍落度应控制在20±2cm，砼要具有低温早强耐久性，砼入模温度控制在0～5℃，能有效降低输送时砼的热量对地基冻土的影响。
导管采用Φ300mm 浇筑水下砼，导管接头无漏水，密封圈完好无损，底节长4m、分节长3m，导管底口离孔底30～50cm。
首批混凝土数量必须保证使导管下口埋深1m 以上，在下落过程中，应保证其连续性。钻孔桩所需首批混凝土数量按下式计算：
V≥πd2h1/4 + πD2（H1+H2）/4
式中：
V——首批混凝土所需数量(m3)；
d——导管内径；
h1——桩孔混凝土达到埋置深度H2 时，导管内混凝土柱平衡导管外（或泥浆）压力所需要的高度(m)，h1≥γw Hw/γc；
D——桩孔直径；
H1——桩孔底至导管底端间距，一般为0.4m；
H2——导管初次埋置深度，≥1m；
Hw——桩孔内混凝土面以上，水或泥浆深度；
γc——混凝土拌和物的容重；
γw——桩孔内水或泥浆的容重。
连续灌注并随时测量混凝土顶面高度和计算埋管深度，及时调整导管埋深，使导管埋深保持在2～6m，当孔中混凝土表面达到设计标高时，应再超灌80cm 深的混凝土，以确保桩头混凝土的灌注质量。
3.2.7 地基回冻
高寒高海拔地区钻孔灌注桩施工过程中改变了地层冻土的热平衡状态，施工生产活动中产生的摩擦热、场地开挖以及填筑产生的热量、砼浇筑产生的水化热等，随着热量的传递，使周边地基温场迅速变化，引起桩基周围冻土一定程度的热融化，对此必须要在混凝土浇筑后经过一定的冷热交换过程，形成新的基础热平衡，确保桩的地基承载力能够稳定不受周边地基的影响。待地层达到新的热平衡状态才能进行下部构造的施工，一般地基回冻时间应≧30 天。
4 结论
高寒高海拔多年冻土地基进行钻孔灌注桩时必须考虑极端的自然条件以及气候特点，结合多年冻土地基特有的工程性质，采用外表面涂刷油渣的永久性钢护筒，护筒埋入多年冻土上限以下≥50cm 位置，用以抵抗周边冻土对桩基的切向冻胀力的影响，混凝土浇筑时采用具有低温早强耐久性，入模温度控制在0～5℃的混凝土，降低对桩基冻土的影响，控制地基的回冻，维持地基热平衡等，是高寒高海拔桩基施工的技术保障。
