高速鐵路島狀多年凍土區鉆孔樁施工技術研究

楊長清

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

鉆孔灌注樁為就地灌注的鋼筋混凝土樁基礎，與沉入樁中的錘擊法相比，具有施工震動噪聲低、樁徑上限高、周圍擠土壓力小等諸多優點，故在施工過程中得到廣泛應用，對其施工技術的優化研究也一直吸引眾多學者的關注。楊學祥等[1]針對武穴長江公路大橋15號主墩基礎覆蓋層厚等特點，提出其灌注樁基礎成孔關鍵技術在于采用旋挖鉆機、回旋鉆機同時進行的鉆孔施工技術，最后鉆孔樁清孔后下放鋼筋籠，采用導管法灌注樁身混凝土，完成樁基施工。郎綠原[2]則根據平潭海峽公鐵兩用大橋鼓嶼門水道橋基礎巖層軟硬不均、斜面、裂隙發育明顯等特點提出了采用二次成孔工藝施工鉆孔樁，并得到了實踐檢驗的肯定。對于不同的地質條件，鉆孔灌注樁基礎需要不同的處理技術。趙光澤、劉璐、白士新等人[3－5]對鉆孔灌注樁在水上、地下淤泥層等不同地質條件下鉆孔灌注樁的成樁施工技術研究都做出了自己的貢獻。

此外，在嚴寒地區越冬期間由于溫度較低往往不能進行橋梁上部結構施工，尤其是多年凍土區。然而可采用合理的施工技術，利用越冬停工期進行橋梁樁基施工，使其變為樁基施工的黃金時間，則可以在保證成樁質量前提下既縮短建設周期，又能創造效益，可謂一舉多得。因此，研究低溫條件下在多年凍土區進行樁基礎施工的技術也已成為眾多學者關注的重點，尤其是多年凍土層中的鉆孔灌注樁施工技術又是重中之重。劉超等[6]就結合實際工程探討研究了在低溫環境下的橋梁鉆孔灌注樁施工技術后指出，保證泥漿循環系統正常工作和鉆孔設備正常運轉是鉆進成孔的關鍵；控制混凝土各環節的溫度損失，確保入模溫度和后期養護，是確保成樁質量的關鍵。蔣代軍等[7]則對青藏高原多年凍土區中樁基礎的單樁承載力長期穩定性做了相應研究，指出地表以下320 m在30年間，天然地溫與樁土體系溫度隨時間均有升高，單樁承載力在未來內有降低趨勢，因而在多年凍土區應采取相應措施考慮“時間”這一動態因素。

鐵力至伊春高速鐵路是哈長城市群的重要基礎設施，位于小興安嶺南麓，沿線穿越多處島狀多年凍土。為確保沿線鐵路橋梁的順利通車，保證各橋梁樁基礎的承載力，現對高速鐵路多年凍土區鉆孔樁施工技術進行研究。

2 工程及地質概況

多年凍土是指距離地表一定范圍內的土體溫度低于0℃且凍結狀態保持2年或者2年以上的土體[8]。查閱相關凍土統計資料表明:中國多年凍土面積在世界上位列第三，從中國的凍土分布區域上可以看出中國多年凍土主要集中分布在高海拔的橫斷山脈、喜馬拉雅山脈、昆侖山脈、青藏高原地區及高緯度的大、小興安嶺地區。在高緯度地區隨著緯度的降低凍土地溫逐漸升高，凍土厚度不斷變薄，凍土的分布狀態從連續凍土逐漸過渡成不連續凍土(又稱島狀凍土)。鐵力至伊春高速鐵路先行標段共4座橋梁涉及島狀多年凍土施工，多年凍土的鉆孔樁共234根，均位于小興安嶺地區。其中橋梁鉆孔樁施工涉及多年凍土分別為解放1號大橋、解放4號大橋、解放5號大橋和跨S207省道2號特大橋。解放1號大橋穿越多年凍土地段涉及3?！?＃墩，共4個墩；解放4號大橋穿越多年凍土地段涉及3?！?＃墩，共3個墩；解放5號大橋穿越多年凍土地段涉及0?！?＃墩、4～7＃墩，共 7 個墩；跨 S207 省道2號特大橋鉆孔樁穿越多年凍土地段涉及8?！?＃墩、55?！?8＃墩、61＃～67＃墩，共11 個墩。

由于小興安嶺地區緯度高，所在區域的多年凍土分布狀態以島狀為主。在小興安嶺島狀多年凍土區用沖擊鉆進行鉆孔灌注樁施工時，由于其工藝及多年凍土的獨特地質特性使其與非凍土地區有著明顯的區別。根據現場勘測，工程所在標段地質狀況呈如下分布:

根據地質勘察報告顯示，最大凍結深度2.9 m。多年凍土為富冰凍土、多冰凍土、飽冰凍土、含土冰層。

(1)富冰凍土:灰褐色，以細圓礫土、粗圓礫土及花崗巖全風化為主，肉眼可見冰膜，圓礫土主要成分為凝灰巖，花崗巖等，呈渾圓狀，一般粒徑2～50 mm，充填30%的中粗砂。

(2)多冰凍土:灰褐色，堅硬，以黏、粉粒為主，土質不均，含5%～10%的雜砂；肉眼可見分凝冰，巖芯中可見土顆粒周圍有冰膜，但冰層厚度小于2.5 cm，體積含冰量約占10%～15%。分布于地勢稍高的臺地下緣，局部揭露，揭露層厚1.3～3.5 m。

(3)飽冰凍土:灰褐色，堅硬，以黏、粉粒為主，土質不均，含5%～10%的雜砂；肉眼可見分凝冰，芯中可見層狀或明顯定向的冰條帶，但冰層厚度小于2.5 cm，體積含冰量約占35%～45%。局部揭露，揭露層厚1.2～4.5 m。

(4)含土冰層:灰褐色，堅硬，以黏、粉粒為主，土質不均，含5%～10%的雜砂；肉眼可見分凝冰，并且冰厚度大于2.5 cm，體積含冰量約占70%～80%。局部揭露，揭露層厚2.0 m。

鉆孔樁凍土層分布情況見圖1。

圖1 鉆孔樁凍土層分布(單位:m)

因在島狀多年凍土地區施工時，由于樁基開挖、水泥混凝土的澆筑及水化熱等諸多因素的耦合作用，會對天然凍結土層的熱平衡狀態產生破壞，這樣會產生凍土土層融化、土體強度下降等不利影響。所以，在該地區采取合適的鉆孔灌注樁施工工藝對樁身穩定性及承載力起決定性作用。

3 施工工藝及方案研究

旋挖鉆機采用撈渣斗清理鉆渣，泥漿僅用于護壁，不僅用量小，還可實現對周圍環境的零污染，比其他成孔工藝更有利于保護環境。吳鴻迪等[9]根據深中通道中山大橋所處海域地質情況采用樁基旋挖鉆機成孔技術研究，保證工程的順利進行。值得注意的是，在島狀多年凍土區施工與普通地區施工工藝的區別在于需要隨著工程的推進實時掌握地層溫度情況。所以鉆進時要根據現場情況取樣，經設計單位判定與圖紙設計地質相符以確定現場實際凍土層上、下限標高，根據凍土層位置安裝鋼筋籠上的溫度傳感器。

3.1 施工工藝

現場施工時需進行多程序依次施工的方法以保證工程質量。具體來講，為滿足鉆機安全需對場地進行平整；為確定鉆孔樁位置要進行樁位測量；鉆機就位后進行鉆進。施工工藝流程見圖2。

圖2 鉆孔樁沖擊鉆施工工藝流程

3.1.1 場地平整

施工前，測量人員進行放樣，對鉆孔樁施工所需區域進行平整壓實，鉆機底座應置于堅實土層上，修筑施工平臺完成后應進行承載力檢測，確認能否滿足鉆機安全作業要求。

3.1.2 樁位測量

樁位測量使用RTK進行放樣，并打入明顯標記，樁位放樣應確保準確無誤。放樣完成后經過監理復核確認無誤后方可開鉆。開鉆前采用十字護樁法對樁中心點進行防護，不得損壞，便于鉆孔過程中和成孔后的校核，孔位允許偏差見表1。

表1 孔位偏差測量

本樁基采用旋挖鉆機，為保證鉆機安放穩固、底架水平，鉆機就位前對場地進行平整與壓實，同時地基承載力經檢測符合鉆機施工要求。

鉆機就位后，進行樁位對中，鉆頭的中心與護樁十字線交叉點及樁位中心處于同一垂直線上。

旋挖鉆鉆進過程中核對凍土層上限及下限位置，若凍土層位置出現偏差后立即聯系工程技術部，由技術部與監理、設計單位共同現場確認，是否調整實施方案。

3.1.3 鉆進

鉆進時根據現場實際土層情況調整鉆進速度，開始時慢速鉆進，然后逐步轉入正常，鉆進過程中經常檢查鉆孔位置偏差及鉆桿的傾斜度，防止出現偏孔、斜孔。

鉆進過程中，每0.5 m取渣樣裝袋；根據施工圖地勘報告顯示的凍土層上、下限位置，在地質變化處每0.3 m取渣樣裝袋，根據現場實際取樣，經設計單位判定與圖紙設計地質相符確定現場實際凍土層上、下限標高，根據凍土層位置安裝鋼筋籠上的溫度傳感器。

3.2 施工方案

3.2.1 雙層護筒施工

雙層護筒鉆孔樁施工分為兩種情況，凍土段位于承臺及以上的護筒下放至凍土層下限以下0.5 m位置，每鉆進3 m，下放一節鋼護筒，護筒達到凍土下限以下0.5 m時，采用旋挖鉆機正常鉆進，混凝土澆筑結束后拔除護筒；凍土段位于承臺底及以下的，采用雙層長護筒施工。

雙層護筒施工時外側護筒采用跟進施工方法。首先旋挖鉆采用和外側護筒直徑相同的鉆頭鉆進，每鉆進3 m，下放一節鋼護筒，護筒達到凍土下限位置時，開始更換與內側護筒直徑相同的鉆頭，繼續鉆進0.5 m后下放內側鋼護筒，內、外側護筒均下放完成后，采用卡具固定，雙層護筒之間的空隙采用中粗砂回填，護筒安裝完成后更換鉆頭正常鉆進。外側護筒直徑比內側護筒直徑大40 cm，壁厚10 mm，護筒深入凍土層下限位置；內側護筒直徑大于鉆孔樁直徑20 mm，壁厚10 mm，護筒深入凍土層下限以下0.5 m，混凝土澆筑完成后不拔除；護筒跟進前在不拔除護筒外側涂刷1 cm瀝青渣油，降低凍土對樁基礎的上拔力；同時在內側護筒外壁每層增加4根限位鋼筋，每層間距2 m，防止護筒中心偏移超限，內側護筒限位鋼筋與外側護筒內壁預留1 cm間隙，護筒不拔除。混凝土澆筑完成后拆除卡具拔除外側護筒，基坑開挖后割除樁頂以上護筒。護筒卡具示意見圖3。

圖3 護筒卡具示意

護筒埋設時，雙層護筒均高于地面0.5 m，外側護筒深入凍土下限位置，內側護筒深入凍土下限以下0.5 m，護筒跟進時由技術人員根據渣樣確認凍土層位置，按照凍土層上、下限確認護筒長度。雙層護筒之間采用中粗砂隔離，護筒頂面設置雙層護筒卡具固定，混凝土澆筑完成后拆除卡具拔除外側護筒。

3.2.2 鋼筋籠的制作與安裝

鋼筋籠在鋼筋加工場地內集中加工，經質檢員及監理工程師按照設計圖紙的要求對鋼筋的種類、型號、主筋根數等進行確認，驗收合格后出場；鋼筋籠在運達現場后存放在加工好的槽鋼架上，鋼筋籠頂部應采用塑料布覆蓋。

鋼筋籠每2.0 m設置保護層墊塊4個，墊塊采用比設計樁體混凝土高一等級強度的圓形混凝土墊塊，墊塊直徑15 cm，用φ10 mm圓鋼從墊塊中心穿過，焊接在鋼筋籠主筋上，保證鋼筋籠保護層厚度為70 mm。

2）基礎設施與資源應用方面。大投入沒有大產出，高投資未能體現高效益[2]。雖然教育信息化基礎設施與資源建設取得巨大成績，但是國家和政府投入巨資建設起來的校園網，目前絕大部分并未充分發揮作用，很多地方存在資源浪費、設備閑置等現象。

吊筋為鋼筋籠高程定位筋，采用φ16 mm鋼筋制作，上部做成直徑為10 cm的圓環，每個鋼筋籠頂設置共2根吊筋，吊筋上部用鋼管穿過吊筋圓環橫擔于護筒頂部及枕木上，鋼管直徑70 mm，壁厚5 mm。枕木緊貼護筒放置，枕木頂面高出護筒頂面5 cm。

3.2.3 導管試拼、試壓及安裝

導管采用整體拼裝一次吊裝入孔無法實現，因而采用分段吊裝入孔，為縮短吊裝時間，提前將導管分段組裝完成，減少吊裝過程中連接接頭。

在施工前對施工的導管進行水密試驗，檢查每節導管有無孔洞，導管連接處的密封情況。如有漏水現象則不能使用，要及時拆除更換。導管水密試驗時的水壓不得小于孔底凈水壓力的1.5倍。

鋼筋籠安裝完成后放置導管卡盤，在卡盤上安裝導管至孔底，導管底節為4 m，標準節為3 m，調整節為 2、1.5、1.0、0.5 m，內徑 260 mm，導管按照高出孔底400 mm進行裝配并做好記錄。

3.2.4 泥漿制備

在64號臺與65號臺之間設一組泥漿池及沉淀池，泥漿池基坑開挖完成后，使用2層加厚塑料布墊底，防止泥漿外滲。泥漿池及儲漿池四周設置護欄圍擋，采用裝配式護欄，立桿間距2 m，高度為1.2 m。在護欄四邊掛警示標志，夜間掛警示燈。

根據現場的地質條件采用膨潤土造漿，泥漿的主要作用是保護孔壁。施工過程中，根據地質條件隨時調整泥漿的指標。保持孔洞中泥漿液面高出地下水位1 m以上。新制泥漿沖擊鉆比重為1.1～1.3 g/cm3，旋挖鉆比重1.05～1.15 g/cm3，粘度16～22 s，含沙率≤4%，膠體率不小于95%，pH值大于6.5。

3.2.5 清孔及灌注混凝土

鉆孔灌注樁清孔后的泥漿性能指標應符合孔內排出或抽出的泥漿無2～3 mm顆粒；泥漿比重不大于1.10；含砂率不大于2%；粘度為17～20 s。檢查成孔質量及孔底沉渣，成孔檢查合格后應及時進行下道工序，間歇時間不宜過長。鉆孔樁混凝土采用水下導管法灌注，混凝土要有較好的流動性、和易性，坍落度控制在200±20 mm，混凝土灌注完成后拔除護筒，護筒埋置較深時，拔除護筒時重點注意防止塌孔和保護成樁樁頭質量。

4 溫度監測

在多年凍土區施工對溫度的把控直接決定著施工質量。早在1998年金會軍等[10]就對天山烏魯木齊河源冰達坂多年凍土區域的溫度進行過監測，相關技術也日漸成熟。程培峰等[11]為獲取島狀多年凍土地區混凝土灌注樁和樁周溫度的動態變化規律，提出一套系統的關于多年凍土地區樁－樁周土溫度遠程動態監測的方法，實現了對多年凍土樁－樁周土溫度數據持續不間斷的監測。

本次對高速鐵路島狀多年凍土區的溫度檢測是根據凍土段凍土含冰情況，富冰凍土、多冰凍土、飽冰凍土、含土冰層每種土層選取兩根鉆孔樁安裝溫度傳感器，富冰凍土選取跨S207省道2號特大橋64＃墩1號樁、65＃墩1號樁；多冰凍土選取解放1號大橋3＃墩1號樁、4＃墩1號樁；飽冰凍土選取解放5號大橋1＃墩1號樁、2＃墩1號樁；含土冰層選取56＃墩1號樁、57＃墩1號樁。溫度傳感器安放在樁基鋼筋籠上，避免與主筋接觸，按照凍土層位置，設置在凍土層上限、中間、下限及下限以下1 m處，澆筑結束后每隔6 h進行測溫，做好溫度記錄，以備后續施工提供參考。

此外，安裝鋼筋籠上的溫度傳感器時，應避免與主筋接觸，在鋼筋籠箍筋位置焊接加固鋼筋以固定溫度傳感器，下放鋼筋籠及澆筑混凝土過程中對溫度傳感器做好防護措施，避免破壞影響后續施工。在混凝土灌注前預埋溫度傳感器，傳感器預埋位于凍土上限、凍土層中間、凍土層下限，每層傳感器布置2個，其中一個采用1 cm薄壁鋼管保護，樁基回凍時間一般不少于1個月。葛洪林等[12]針對季節性凍土區鐵路因土體凍脹等影響，以川藏鐵路沿線部分地區為研究對象，基于熱－力耦合理論，考慮土體凍脹等關鍵因素，分析全年不同時期接觸網立柱基礎凍脹變形特征。其分析結果表明樁基整體位移量與凍深呈現正相關關系，而凍深與全年氣溫條件顯著相關，故建議通過保溫隔熱等防護措施減小凍深。

5 結論

高速鐵路島狀多年凍土區鉆孔灌注樁在保證樁身穩定性和承載力前提下施工具有可行性，但需采取必要的施工控制措施。

(1)雙層長護筒采取隔熱措施對于島狀多年凍土區的樁基施工是可行的，可以將凍土施工轉化為常溫施工，既防止樁基混凝土的受凍，又可以防止凍土受擾動而融化。

(2)旋挖鉆機可用于高速鐵路島狀多年凍土鉆孔樁的施工，但為滿足鉆機安全工作要求需要對場地平整，之后進行樁位測量，在鉆機就位后鉆進。

(3)導管采用分段吊裝入孔，注意在施工前對施工的導管進行水密試驗，提前分段將導管組裝完成，減少吊裝過程中的連接接頭。

(4)施工時及時安裝溫度傳感器以掌握周圍溫度場情況，在施工后采取保溫隔熱措施減小凍深。