湖口大桥东塔桩基冻结法施工技术介绍

2冻结壁厚度计算
　　设计单机制冷，盐水温度为-25℃--28℃，冻结壁平均温度取-6℃，淤泥质亚粘土冻土抗压强度根据冻土试验结果取3.46Mpa；根据冻结壁弹塑性理论，按无限长厚壁圆筒计算冻结壁厚度为：
　　E=R{{(a)/[(a)-2p]}1/2-1}
　　式中：R—冻结井壁半径
　　(a)—冻土抗压强度
　　E—冻结壁厚；E=1.83m
　　4.3冻结方式
　　为确保基岩工作面的温度满足混凝土的养护要求，以及减少冻结孔的冷量损失，采用局部冻结方式，冻结段标高分别为：
　　外圈主冻结孔：+20m～-23m(有效冻深43.0m)
　　桩内孔：-18m～-23m(有效冻深5.0m)(见图1)

　　4.4　冻结孔的布置
　　根据东塔桩基开挖时的孔径及冻结壁厚度的要求，将冻结孔布置成圆筒状，共分为3圈，外圈为主排孔，圈径6.0m，布孔19个，开孔间距0.992m；中圈及内圈孔为桩内封底孔，中圈孔圈径3.5m，布孔5个，开孔间距2.2m；内圈孔圈径1.5m，布孔3个，开孔间距1.57m；每桩布置两个测温孔，桩内桩外各一

个，测温孔应视现场情况布置在冻结有效发展范围内，并尽量布在间距最大的冻结孔附近(见图2)。
　　4.5　冻结需冷量计算
　　设计冷冻盐水温度为-25℃～-28℃，考虑施工期内湖口地区的气候条件，冷量损失取15％，则总需冷量为：Q=1.15nsHq
　　式中：n——冷冻管根数，取n=(19+5+3)×4=108（根）
　　s——冷冻管直径，s=0.5m
　　H——冻结深度，H=43m
　　q——冷冻管吸冷量，考虑施工水位较高，围堰封水不安全，取q=879.23kj/m2h(210千卡/m2h)即Q=1878.2MJ/h(44.86万千卡/小时)
　　4.6　冻结时间计算
　　根据长期实践证明，表土层冻土发展速度为22mm～25mm/米，基岩交圈速度为40mm/天，据此推算，冻结壁厚度达到1.83m需时为1830/(25×2)=35(米)。
　　4.7　东塔桩基基岩段钻爆法施工设计
　　当冻结期结束后，测温资料表明冻结壁交圈且强度可满足桩基开挖要求时，即开始进行开挖工作。对桩孔通过的冲积层部分，采用传统人工挖孔施工，对基岩部分则采用钻爆法施工。根据对冻结法施工和钻孔法挖孔施工特点的综合分析，决定对湖口大桥东塔桩基基岩段按光面爆破设计钻爆法施工，采用T220防冻水胶炸药和秒延期段发电雷管进行爆破施工，为防止一次爆深过大造成对冻结壁的破坏，决定以每次爆深不超过1米的原则来控制炮眼布置及装药量。
　　4.7.1　炮眼布置
　　根据桩孔开挖形状，将炮孔布置成圆圈状，圈径定为D1=0.7m，D2=1.9m，D3=3.1m，炮眼间距取：掏槽眼0.45m，辅助眼0.6m，周边眼0.4m，每孔布置炮眼41个。(见图3)

　　　　　　　图3　爆破炮眼布置图　　　　　　单位：mm

　　4.7.2　装药量
　　辅助眼0.5-0.8Kg/眼，周边眼0.3-0.5Kg/眼，正向装药，爆破参数见表1。
表1

　　4.8　东塔桩基低温混凝土施工
　　确保低温条件下桩基混凝土免受冻害是东塔桩基冻结法施工成败的关键，根据煤炭系统多年来冻结施工的经验，冻结壁在混凝土浇注后几个小时，由于受低温环境的影响，靠近孔壁的混凝土出现降温，随后由于混凝土水化热所产生的热量比低温环境吸去的热量多，孔壁混凝土开始出现升温，随着热交换的进行，混凝土的热量进一步散失而进入降温过程，直至0℃以下。总之，混凝土在降至0℃前有一定的正温养护期，获得一定强度后，在混凝土温度降至0℃后，强度还会继续增长(见图4)。根据实测资料证明，仅需将混凝土入模温度提高即可使混凝土免受冻害。

　　　注：Z3－煤矿井筒外层井壁与井帮交界面处混凝上温度曲线（实测）
　　　　　H－东塔基桩与孔帮交界面处混凝上温度曲线（预测）

图4　混凝土养护期与孔帮交界面温度变化曲线

　　根据本工程的具体特点，桩基混凝土浇注时间已在5～6月之间，气温已比较高，混凝土入模温度可达25℃以上，基本可以解决混凝土的冻害问题。但为确保万无一失，在进行混凝土配合比试验时，还采取了以下几个措施：
　　4.8.1　针对桩基直径大，为避免混凝土水化热造成桩基产生过大温度应力，选用矿渣水泥生产混凝土；
　　4.8.2　配置混凝土时，掺加防冻型早强减水剂，可有效防止混凝土遭受冻害。为了进一步检验混凝土的整体性及混凝土的浇注质量，本工程还成功进行了铅芯取样。为确保芯样具有代表性，取芯位置按最不利情况，分直孔和斜孔两种，采用SPT—100型地质钻机取芯样，证明混凝土整体性完好，强度满足设计要求。

　　5.东塔桩基冻结施工工艺设计
　　5.1根据设计要求，冻结管布置成圆筒状，采用φ127m无缝钢管，安装冻结管之前，首先采用SPT-800型地质钻机成孔，成孔直径为200㎝，要求冻结钻孔偏斜率控制在1%以内。
　　5.2根据冻结需冷量计算结果，采用两台KY—2KA20C型螺杆冷冻机组人工制冷，设计蒸发温度+30℃，冷凝温度-30℃，设计工况制冷量为：2261MJ/h(54万千卡/小时)。
　　5.3盐水系统
　　5.3.1盐水用氯化钙配置，比重为126t/m3，凝固温度为-37.6℃；
　　5.3.2根据冻结需冷量要求，盐水总干管采用φ245×10mm无缝钢管

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