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桥梁钻孔灌注桩设计与施工
青藏铁路多年冻土区长度约５５０ｋｍ，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４５００ｍ～５０７２ｍ之间，最低气温达－４５℃，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，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。

1、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（Ｔｃｐ≤－１．０℃），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（Ｔｃｐ≥－０．５℃），则采用“允许融化原则”设计；对于高温不稳定区冻土（－１．０℃≤Ｔｃｐ≤－
０．５℃），桩基础设计应按两种原则进行验算取其不利者［２］。

1.1按保护冻土原则设计
［Ｐ］＝１/２ΣτｉＦｉｍ＋ｍ０Ａ［σ］
式中：［Ｐ］为桩的容许承载力,ｋＮ；τｉ为第ｉ层冻土的桩侧表面冻结强度,ｋＰａ；Ｆｉ为第ｉ层冻土的桩侧表面的冻结面积,ｍ２，不包括季节融化层和含土冰层；ｍ为冻结力修正系数，青藏线取１．３；ｍ０为桩底支承力折减系数，根据孔底含冰量取值，含冰量越大取值越低，青藏线取０．５；Ａ为桩底面积,ｍ２；［σ］为桩底多年冻土容许承载力,ｋＰａ，按工点地质资料取，不进行修正。

1.2按允许融化原则设计
［Ｐ］＝１/２ＵΣｆｉｌｉ＋ｍ０Ａ［σ］
式中：［Ｐ］为桩的容许承载力,ｋＮ；Ｕ为桩身截面周长,ｍ，按成孔桩径；ｆｉ为各土层的极限摩阻力,ｋＰａ，不包括季节融化层；ｌｉ为各土层的厚度,ｍ;ｍ０，Ａ,［σ］与“按保护冻土原则设计”相同。

1.3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３０ｃｍ，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（ＸＰＳ）缓冲层，其下采用粗颗粒土换填。

２、多年冻土钻孔灌注桩干法成孔施工
2.1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１），宜采用旋挖钻机干法快速成孔施工。

2.2旋挖钻机成孔施工
２．２．１施工准备
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
２．０ｍ～２．５ｍ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。

２．２．２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。

２．２．３钢护筒埋设
多年冻土区桩基护筒采用４ｍｍ～６ｍｍ钢板卷制，直径比桩孔直径大１０ｃｍ，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０．５ｍ，护筒顶高出地面０．３ｍ以上，并在护筒外壁涂刷１ｃｍ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３０ｃｍ～４０ｃｍ，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。

２．２．４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。

（１）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，倾卸钻渣。

初入孔时，下压力控制在８０ｋＰａ～９０ｋＰａ；当遇到较硬土质或软岩时，适当提高下压力至１００ｋＰａ～１５０ｋＰａ，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。

（２）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。

３、桩身混凝土灌注
３．１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２．５ｋｇ/ｍ３），掺入１０％的ＷＱＤＺ（铁科院研制）系列或ＤＺ（铁一院研制）系列外加剂，当单方水泥用量为４００ｋｇ/ｍ３时，在周围介质长期为－２℃～－５℃条件下，混凝土的抗冻融等级超过Ｆ３００，各项力学性能指标均能达到或超过设计要求。

３．２混凝土入孔温度控制
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５℃～１０℃范围内。

３．３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。

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０．５ｍ～１．０ｍ。

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。

３．４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２个月的不间断观测。

结果表明，灌注后桩基内的温度在４ｄ～６ｄ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４℃，且桩体温度在３０ｄ后降到０℃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。

１７标段８８０根桩按上述方法施工完毕后，经第三方１００％无损检测，桩基质量均合格，且９７％为Ⅰ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、降低施
工成本、保护冻土环境方面具有非常明显的效果。

经过对各种型号旋挖钻机的使用和对比，小功率的钻机适用于土质均匀的冻土，各种岩层则宜采用大功率的钻机，而旋挖钻机在孤石、漂石地层中钻进则非常困难，必须辅以其他措施。

多年冻土区桩基混凝土施工中，只有选用低温早强耐久混凝土，并严格控制其入孔温度，才能做到既保证混凝土施工质量，又减少施工对冻土地基的热扰动。