青藏铁路多年冻土区桥梁钻孔灌注桩设计与施工

1、中国桥梁网青藏铁路多年冻土区桥梁钻孔灌注桩设计与施工青藏铁路多年冻土区长度约 ，是地质时期高海拔寒冷气候条件下的产物，多年冻土是负温条件下的特殊土。该区大部分线路海拔在 之间，最低气温达 ，区内广泛分布着厚层地下冰、冰椎、热融湖塘、融冰泥流等不良地质，生态环境极其脆弱。青藏铁路的建设面临“高原、冻土、环保”三大难题，其设计与施工难度举世无双。多年冻土区桥梁基础设计的合理性是桥梁设计的重点，是桥梁工程成败的关键。冻土区天然上限冻融循环、冻胀、融沉等病害十分普遍，因此，绝大多数桥梁基础根据工程地质条件只能采用深基础即桩基础。钻孔灌注桩基础，是国内外桥梁工程广泛采用的基础形式，可适用于各类地质条件，

2、设计理论和计算方法成熟，施工技术成熟，施工机械装备先进，同时由于钻孔灌注桩承载能力大，安全度高，因而成为冻土区桥梁基础的首选形式。 多年冻土区钻孔灌注桩的设计多年冻土用作地基应视冻土所在位置区域地温分区，钻孔灌注桩基础设计必须根据桥址处的工程地质条件、实测地温、冻土含冰量等情况确定其设计原则。对于低温稳定区冻土（ ），一般采用“保持基底冻土冻结状态（即保护冻土原则）”设计；对于高温极不稳定区冻土（ ），则采用“允许融化原则”设计；对于高温不稳定区冻土（ ），桩基础设计应按两种原则进行验算取其不利者 。 按保护冻土原则设计/式中：为桩的容许承载力,； 为第层冻土的桩侧表面冻结强度,； 为第层冻土

3、的桩侧表面的冻结面积,，不包括季节融化层和含土冰层； 为冻结力修正系数，青藏线取； 为桩底支承力折减系数，根据孔底含冰量取值，含冰量中国桥梁网越大取值越低，青藏线取； 为桩底面积,；为桩底多年冻土容许承载力,，按工点地质资料取，不进行修正。 按允许融化原则设计/ 式中：为桩的容许承载力,； 为桩身截面周长,，按成孔桩径； 为各土层的极限摩阻力,，不包括季节融化层； 为各土层的厚度,;， ,与“按保护冻土原则设计”相同。 防冻胀措施当基础位于冻胀、强冻胀性土时，承台底将承受法向冻胀力，承台侧面将承受切向冻胀力，极易使基础冻胀拔起或因受力不均而使桥梁墩台产生倾斜，严重时还有可能将桩基础拔断。为减少

4、冻胀力对基础的作用，设计应采取如下防冻胀措施：第一，采用高承台桩基础，即将承台置于地面以上不少于 ，当桥梁高度较低时，取消桥墩将桥梁直接置于承台上；第二，尽可能减小墩身及基础同冻胀土接触的表面积，如取消承台采用双柱式桥墩等； 第三，尽量使墩身和基础侧面光滑，做表面渣油涂层； 第四，在基础底部及周围换填粗颗粒非冻胀土； 第五，对于承台无法离开地面的采用承台底铺设聚氨酯（）缓冲层，其下采用粗颗粒土换填。 多年冻土钻孔灌注桩干法成孔施工 旋挖钻机干法成孔的优点青藏铁路多年冻土区高寒缺氧，海拔高，自然条件恶劣，生态环境脆弱，为加快施工速度，减少施工对冻土地基的热扰动，提高机械化程度，降低劳动强度，同时

5、尽量避免施工造成环境污染，通过对不同钻机成孔方法的综合比较（见表），宜采用旋挖钻机干法快速成孔施工。 旋挖钻机成孔施工 施工准备中国桥梁网测量放样应遵循“由整体到局部”的原则，首先定出墩台位，再由墩台位控制桩进行桩位放样，并在桩的前后左右距中心 处分别设置护桩，以随时检测桩位和标高。钻孔场地布置尽量以填代挖，以减少对原地表地基土的热扰动，平整场地时，钻机停放位置一定要保证水平，当地基土松软潮湿时，在钻机下垫厚钢板，钻机底座下发动机散热部分铺设聚苯乙烯塑料隔热板，以防地基融沉导致钻机倾斜偏位。 钻机就位旋挖钻机利用自行系统就位，就位前应对主要机具进行检查、维修。 钢护筒埋设多年冻土区桩基护筒采用

6、 钢板卷制，直径比桩孔直径大 ，护筒除具有保护孔口，防止孔口坍塌，保证钻孔正常作业外，还具有降低冻土对桩基切向冻胀力的作用，因此护筒应埋入天然冻土上限以下 ，护筒顶高出地面 以上，并在护筒外壁涂刷 厚的渣油。埋设护筒时，先用护筒直径的钻头施钻至护筒底标高，然后安装护筒，护筒与孔壁间的空隙，用粗颗料土回填密实。在暖季施工时，有的桩孔周围冻土易融化、滑塌，此时需设置外护筒，外护筒直径比桩径大 ，灌注桩基混凝土后拔出外护筒循环使用，外护筒埋设时采用旋挖钻机旋转压入土面，边钻边压，直至钻孔稳定后，再埋入外表面涂渣油的防冻胀内护筒。 钻进护筒埋设完成后，进行正式钻进。旋挖钻机钻孔时，由钻机自带的柴油机驱

7、动液压马达来提供扭矩，通过液压加压，在扭矩和压力的共同作用下，利用钻头下端的切削刃对土体进行切削破碎。（）施工过程中，对不同的地质条件，需相应地选用不同的钻头形式：对于土质比较均匀的冻土，采用普通旋挖钻头，顺时针旋转钻进，切削的土体被挤入料斗中，装满后关闭回转底盖，并将钻头缓缓提出孔外，钻机自身旋转至自卸汽车处，动力钻头顶压顶杆，开启底盖，中国桥梁网倾卸钻渣。初入孔时，下压力控制在 ；当遇到较硬土质或软岩时，适当提高下压力至 ，或采用短螺旋钻头，将土体切削后挤进钻头叶片内，钻头提出孔外，正反旋转钻杆将土卸入自卸汽车。对于较硬的岩层，采用凿岩钻头切削岩层，再换用旋挖钻头取土。钻孔至设计深度后，采

8、用旋挖钻头进行清孔。清孔后，及时检测孔位、孔深及垂直度，合格后进行下道工序。（）钻进过程中，当出现钻杆跳动、钻机摇晃、钻不进尺等异常情况时，应立即停机提钻检查，查明原因妥善处理后再钻。当遇到较大的漂石时，可采用筒式凿岩钻头破岩，再用旋挖钻头取土；当遇到很大的孤石时，可采用孔下爆破方法处理，如因地质不均等原因造成轻微偏孔时，可采用带导向管的凿岩钻头慢速钻进，纠偏后再换钻头正常钻进。 桩身混凝土灌注 低温早强耐久混凝土青藏铁路多年冻土区冻融交替频繁，桩身混凝土在负温条件下水化，常规混凝土无法满足青藏铁路耐久性的要求。因此，桩身混凝土必须采用低温早强耐久混凝土。低温早强耐久混凝土，除选择合适的粗细集

9、料及适宜的水泥（低碱水泥）外，还需掺入具有防冻、早强（减水）性能的外加剂，以保证混凝土灌注后能在低温期获得早强，从而在规定的时间内达到抗冻临界强度，在满足周围介质在负温条件下，各项力学性能指标达到或超过设计要求。同时，还需满足强度增长的前提下，随灌注过程带入桩孔中的热量较小，混凝土的水化热引起的温升对周围冻土结构不产生明显的破坏作用。青藏铁路施工实践表明，只要混凝土粗细集料基本无碱骨料反应，采用低碱水泥（混凝土含碱量不超过 /），掺入的（铁科院研制）系列或（铁一院研制）系列外加剂，当单方水泥用量为 /时，在周围介质长期为 条件下，混凝土的抗冻融等级超过，各项力学性能指标均能达到或超过设计要求。

10、 混凝土入孔温度控制中国桥梁网由于青藏铁路气温较低，砂石料在自然状态下通常为负温，灌注桩身混凝土时，一方面要保证混凝土能在规定时间内达到临界抗冻强度，使其免遭冻害，这就要求混凝土入孔温度为正温；另一方面要求混凝土带入桩孔的热量最小，不致破坏桩周多年冻土结构，尽量缩短桩周地基土的回冻时间，这就要求混凝土的入孔温度尽量降低。因此，施工时应严格控制混凝土的入孔温度，通过热工计算确定拌和用水及砂石料的加热温度，将混凝土的入孔温度严格控制在 范围内。 混凝土灌注及养护由于冻结层上水的流入，桩基成孔后孔底或多或少总会有水，所以桩身混凝土灌注一律采用导管法水下混凝土工艺施工，以防止混凝土离析，确保其灌注质量

11、。混凝土在自动计量拌和站集中拌和，由混凝土罐车直接灌入导管上方的小漏斗，连续灌注直至桩顶设计标高以上 。灌注完毕后，低承台桩基先在混凝土顶面覆盖草垫，再向孔内回填土，蓄热保温养生；高承台桩基则用塑料薄膜和棉垫包裹进行保温保湿养生。 成桩质量检验桩身混凝土灌注前，我们在部分桩基内布设了测温探头，混凝土灌注完毕后，进行了个月的不间断观测。结果表明，灌注后桩基内的温度在 内会经历一个快速升温再快速降温的过程，桩孔中心温度最高达到 ，且桩体温度在 后降到 以下，此后各点温度基本不再变化。这表明，桩身混凝土有足够的正温养护时间，不会遭受冻害。标段根桩按上述方法施工完毕后，经第三方无损检测，桩基质量均合格，且为类桩。青藏铁路多年冻土区因其特殊的气候、复杂的地质、脆弱的生态环境，使得桥梁钻孔灌注桩基础设计和施工必须采取特殊的处理措施。多年冻土区桥梁钻孔灌注桩基础采用旋挖钻机干法成孔，钻孔速度快，无泥浆循环，对周围冻土的扰动小，在提高施工效率、