多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》是中鐵十六局集團有限公司完成的建築類施工工法，作者分別是程紅彬、楊希文、常彥博、邸建玄、陳衛東；該工法適用於多年凍土區不同地質情況的公路、鐵路橋樑及其他結構物樁基施工，也可適用於非凍土地區樁基施工，但地下水豐富地質自穩性差時，應慎重選擇。

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》主要的工法特點：設備性能先進，自動化程度高，勞動強度低；施工進度快，鑽進效率高；不需要泥漿循環，施工現場整潔，環境污染小，旋挖鑽機振動小，噪聲低；採用大功率旋挖鑽機，能克服因缺氧機械效率折減帶來的施工困難。

2006年1月19日，《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2003~2004年度國家級工法。

基本介紹

• 中文名：多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法
• 工法編號：YJGF08-2004
• 主要完成人：程紅彬、楊希文、常彥博、邸建玄、陳衛東
• 類 別：工程建設類
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 完成單位：中鐵十六局集團有限公司
• 主要榮譽：國家級工法（2003~2004年度）

形成過程

在鐵路、公路橋樑混凝土鑽孔灌注樁基礎施工中，由於中國生產迴轉、衝擊及反循環施工鑽機存在效率低、轉移孔位繁瑣、對環境污染大、鑽孔成本高等缺點，因此，逐漸被義大利、德國一些公司生產的性能先進的旋挖鑽機擠出樁基工程市場。旋挖鑽機機械化、自動化程度高、現場移位靈活方便、成孔效率高且質量好、環境污染小，在樁基施工中，旋挖鑽機鑽孔日益普及，但在多年凍土區旋挖鑽機鑽孔灌注樁施工還只是嘗試。中鐵十六局集團有限公司在施工的青藏鐵路多年凍土區第十六標段2002、2003兩年的橋樑樁基施工中，經過不斷的嘗試，逐漸總結出一套旋挖鑽機施工橋樑樁基的施工經驗，並根據科研成果和施工經驗總結形成《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》。

工法特點

1．設備性能先進，自動化程度高，勞動強度低。旋挖鑽機為履帶式全液壓自行式鑽機，採用全套液壓系統，有些還配備先進的電腦作業系統。

2．施工進度快，鑽進效率高。旋挖鑽機迴轉扭矩大，並可根據地層情況自動調整。鑽壓力大，並易於控制。同時由於旋挖鑽頭直接從孔內提取岩土，故其鑽進速度非常高。

3．不需要泥漿循環，施工現場整潔，環境污染小，同時旋挖鑽機振動小，噪聲低。減少了對多年凍土環境的熱擾動。

4．採用大功率旋挖鑽機，克服因缺氧機械效率折減帶來的施工困難。

5．一機多用，實現多種鑽進方式，以滿足大型施工機械對不同施工方法的適應性。

6．成孔質量高，擴孔率小。

操作原理

適用範圍

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》適用於多年凍土區不同地質情況的公路、鐵路橋樑及其他結構物樁基施工，也可適用於非凍土地區樁基施工，但地下水豐富地質自穩性差時，應慎重選擇。

工藝原理

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》根據凍脹力作用於基礎表面的部位和方向，可劃分為三種凍脹力：切向凍脹力、水平凍脹力、法向凍脹力（見圖1）。水平凍脹力相互抵消，對工程造成破壞的主要是凍脹產生的切向凍脹力和法向凍脹力。在工程建設中，採取以下措施防止樁基礎凍脹。

作用於樁基礎的凍脹力（圖1 ）

1．為避免樁基礎受到法向凍脹力，將樁基礎嵌入多年凍土天然上限以下一定深度。

2．將鋼製護筒埋入多年凍土上限以下至少0.5米，護筒內徑比樁徑大10厘米，並於護筒外圍塗以渣油，成樁後不拆除護筒，減少外表面的親水程度。

3．儘量採用高樁承台，凍脹嚴重地區採用鑽孔擴底樁。

4．在護筒外側、低樁承台底部採用渣油拌制粗顆粒土回填。這些措施的採用，能有效地減小切向凍脹力，降低凍土對護筒的上拔凍脹力（見圖2）。

鑽孔灌注樁防凍脹示意圖（圖2 ）

同時，旋挖鑽機乾法成孔有效地保證了孔位置正確和鑽孔的垂直度，有效解決對凍土的熱擾動問題，並有利於高原環保；採用低溫早強耐久混凝土，避免了對多年凍土的熱侵蝕，又避免了混凝土低溫澆築帶來的強度增長慢的問題。

工藝流程

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》施工工藝流程見圖3。

鑽孔灌注樁施工工藝流程圖（圖3）

操作要點

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》操作要點有以下8項：

（1）施工準備。

①設計圖最佳化核對。確定橋樑墩台位置是否合理，淨跨淨空是否滿足使用要求；跨河橋尤其是變遷性河流地段的橋樑是否滿足流量要求；基礎類別是否滿足《凍土地區設計暫規》。

②場地平整、施工便道、施工用電準備。鑽孔場地布置儘量以填代挖，以減少對原地表的開挖引起的熱擾動。鑽機底座下發動機散熱部分鋪設聚苯乙烯泡沫塑膠隔熱板，以減少對地基土的熱侵蝕，影響地基土的熱平衡。修建施工便道，確保鑽機及其他施工車輛出入通行。準備發電機，做好施工前準備。

③施工測量。測量放樣遵循“由整體到局部的原則”，先放樣墩台位，再由墩台位控制樁定出樁位，並在樁的前後左右距中心2米處分別設定護樁，以供隨時檢測樁中心和標高。測量控制樁要注意保護，防止地表擾動、凍融引起樁位變動。

（2）鑽機就位及設備進場。

採用德國寶蛾旋挖鑽機成孔。鑽機利用自動走移系統就位，鑽頭與樁位的對位誤差要小於2厘米。

（3）埋設護筒。

護筒一般採用5～6毫米厚的鋼板卷制，內徑比樁徑大10厘米；護筒埋至多年凍土上限以下0.5米。鑽機就位後，先用比護筒直徑大一級別的螺旋鑽頭施鑽，鑽至凍土上限以下0.5米深度後停鑽，安放護筒。安放前，護筒外表面塗滿10毫米厚渣油。護筒準確就位後，其外側與孔壁所形成的孔隙用渣油拌制的粗顆粒土回填密實。護筒埋設時要將護筒中心與樁中心對準，其誤差不大於5厘米，護筒上下要垂直，其誤差不大於1％護筒長度。

（4）鑽孔。

旋挖鑽進是利用旋挖鑽桿上的液壓馬達往下壓，並利用扭矩旋轉，使旋挖鑽頭擠壓並旋轉切入土體，使破碎的岩體直接裝入鑽頭內，然後再由鑽機提升裝置和伸縮式鑽桿將鑽頭提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土卸土，直至鑽至設計深度。提出孔外的鑽渣，裝入自卸汽車運走。

①鑽孔前，縱橫調平鑽機，保持鑽機垂直穩固。開鑽前將鑽頭著地，進尺深度調整為零。

②鑽進時原地順時針旋轉開孔，然後以鑽斗自重、鑽桿自重加以液壓力作為鑽進壓力，初鑽壓力控制在90千帕左右，鑽速先慢後快，逐漸正常。

③不同地質條件採取不同類別的旋挖鑽機鑽頭進行施工：細砂、中砂、礫砂、角礫土、圓礫土及強風化層可採用筒式鑽頭；對於強度不均勻地質、易偏孔地質以及風化、中風化岩層採用短螺旋勘岩鑽頭；岩層軟硬不均、存在孤石及抗壓強度較高的岩石地質採用筒式勘岩鑽頭。

④因短螺旋勘岩鑽頭出渣能力有限，出渣時換用筒式鑽頭。

⑤當鑽斗被旋轉擠滿鑽渣後，停止下壓及迴旋，逆時針方向轉動動力頭，稍向下送行，關閉鑽頭迴轉底蓋。上提鑽斗時緩慢進行，避免鑽頭碰撞孔壁。提離孔口後，鑽機自身旋轉至自卸車處，用動力頭頂壓頂桿，將底蓋打開，傾卸鑽渣。然後關閉底蓋，旋迴孔位，對準孔位慢慢將鑽斗放至孔底鑽孔，重複進行。當出現鑽桿跳動，鑽機搖晃，鑽不進尺等異常情況時，立即停機提鑽檢查，查明原因妥善處理後再鑽。

⑥鑽至設計深度時，檢查孔深、孔位、孔徑及孔底虛渣厚度，當虛渣厚度大於規範允許厚度時（柱樁10厘米，摩擦樁30厘米），及時清孔。清孔採用筒式鑽頭。清孔合格後，再次進行孔深、孔位、孔徑及垂直度檢測，合格後轉入下道工序。

⑦鑽孔過程中，注意填寫鑽進記錄，繪製地質剖面圖，現場配備鑽渣樣盒，對鑽進情況及地層地質的情況進行記錄，與設計進行比較。

（5）鋼筋籠製作與安裝。

①鋼筋籠製作。鋼筋籠在橋位的鋼筋加工場或加工棚製作。鋼筋端面比較平整時，採用預熱閃光焊，端面不夠平整時，採用閃光-預熱-閃光焊工藝。雨天、雪天、大風天氣及環境溫度低於-20攝氏度時不得進行露天焊接作業。必須施焊時，要採取有效的遮蔽保溫措施。焊後熱處理完畢，讓其在環境溫度下自然冷卻，焊後未冷卻的接頭嚴禁碰到冰雪。鋼筋焊接時，主筋內緣應光滑，鋼筋接頭不得侵入主筋淨空內。鋼筋籠下端應整齊，用加強箍筋全部封住不露頭，使混凝土導管能順利升降，防止與鋼筋籠卡掛。在其上、下端及中部每隔2.5米左右距離於同一橫截面上對稱設定4個Ф16鋼筋耳環，確保鋼筋的保護層厚度。

②鋼筋籠安裝。鋼筋籠一般用吊車整體吊裝，當鋼筋籠長於25米時，考慮到吊車臂長，將鋼筋籠分節製作，現場分段吊裝焊接接長。採用汽車吊吊裝入孔，吊放鋼筋骨架入孔時，切勿撞擊孔壁。分段吊裝時，鋼筋籠運至孔口，吊入孔內，並在孔口進行焊接接長。具體作法為：鋼筋骨架用吊車起吊，第一段投入孔內後用鋼管或型鋼臨時擱置在護筒口，再起吊另一段，對正位置焊接後逐段放入孔內至設計標高，最後將最上面一段的吊環掛在孔口並臨時與護筒口焊牢定位，以免在澆築混凝土過程中發生掉籠或浮籠現象。鋼筋骨架在下放時，下落速度要均勻，要防止碰撞孔壁，如放入困難，要查明原因，不得強行插入。鋼筋骨架安放後的頂面和底面標高誤差不得大於±5厘米。成孔後，應儘快吊裝鋼筋籠，避免樁孔長時間閒置。

（6）灌注混凝土。

採用導管法灌注樁基混凝土。混凝土在拌和站集中攪拌，用混凝土輸送車運至現場。應儘快進行混凝土灌注，減少成孔的閒置時間。樁基混凝土採用低溫早強耐久混凝土，由於灌注混凝土時輸入凍土的熱量較大，因此混凝土入模溫度一般控制在0～5攝氏度範圍內。

導管接頭為法蘭盤加錐形活套式，直徑0.25米，分節長度為2米，底節長4米，漏斗下可配短節。導管要求內壁圓順、內徑一致，使用前須進行試拼、試壓，不得漏水，並編號及自下而上標示尺度。導管在吊入孔內時，其位置應居中、軸線順直穩沉放，防止卡掛鋼筋骨架。

灌注混凝土前，複測沉碴厚度，合格後進行灌注。每根樁混凝土灌注要連續進行，不得中斷，混凝土坍落度控制在18～20厘米內。灌注混凝土，應連續進行，並儘可能縮短拆除導管的間隔時間；灌注過程中要經常用測錘探測孔內混凝土面位置，及時調整導管埋深，要保證導管埋置深度在任何情況下，不得小於1米，一般控制在2～6米左右，灌注過程中設專人經常測量導管埋置深度，做好記錄。

灌注完畢，拔管時注意慢提及反震，以保證樁芯混凝土密實度。為確保樁頂質量，樁頂加灌0.5～1米高度。同時指定專人負責填寫混凝土灌註記錄。

混凝土在拌和站必須按耐久混凝土標準進行自動計量配比，對拌和物溫度、攪拌時間、出料溫度、人模溫度等進行檢測、記錄，並且在灌注現場還必須對含氣量、坍落度及泌水率三項指標進行現場檢測，確認合格後方可使用，對檢測不合格混凝土，轉作他用或廢棄。混凝土灌注完後，應在樁表面覆蓋草墊或用編織袋裝珍珠岩覆蓋蓄熱保溫，起到樁頂養生的作用。

（7）樁基檢驗。

所有樁基達到一定強度後，用風鎬鑿除樁頭浮渣，直到鑿除到新鮮岩面，並進行打磨，進行小應變無損檢測。對樁身混凝土質量有疑問時，進行鑽芯取樣。

（8）樁基回凍。

樁基工程施工改變了地基的熱平衡條件，施工活動產生的各種熱量--鑽孔的摩擦熱、回填料的熱量、灌注樁混凝土的水化熱等，使樁基地溫場急劇變化，引起樁周地基土一定範圍升溫及融化。為形成新的熱平衡狀態，多年凍土區鑽孔灌注樁樁身混凝土澆築後，須經過一個階段的熱交換過程後方可進行承台以上部分的施工。

通過對凍土區橋樁基礎地溫變化觀測得出：由於混凝土拌和蓄熱及硬化過程中冰化熱的釋放，某樁周（8米長）與凍土交界面上，溫度波動5.2攝氏度，樁周土體恢復到穩定負溫值需要50～60天。

地溫變化曲線示意圖見圖4。

地溫變化曲線示意圖（圖4 ）

勞動組織

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》需用的勞動組織人員見表1。

註：按每個工點安排。

材料設備

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》需用的主要機具設備見表2。

註：按一台旋挖鑽機配備。

質量控制

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》質量控制應遵循以下要求：

1．鑽孔完成後及時封孔，孔深、孔徑、垂直度及沉碴厚度符合《青藏鐵路多年凍土區橋涵工程質量檢驗評定及驗收標準》。

2．成孔後，加強各工序銜接，快速施工，減少對周圍凍土的侵蝕，防止長時間的成孔閒置，以免造成坍孔等現象。

3．雨天、雪天、大風天氣及環境溫度低於-20攝氏度時不得進行露天焊接作業。必須施焊時，要採取有效的遮蔽保溫措施。焊後熱處理完畢，讓其在環境溫度下自然冷卻，焊後未冷卻的接頭嚴禁碰到冰雪。

4．鋼筋的焊逢長度、質量標準必須符合橋涵規範及質量評定驗收標準要求。

5．耐久混凝土入模溫度控制在0～5攝氏度，混凝土灌注迅速、連續，中間不能中斷。現場測試含氣量、坍落度及泌水率三項指標，混凝土滿足八項耐久性指標。

6．樁基回凍完成後，再進行承台施工。

安全措施

採用《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，應遵守注意下列事項：

1．加強鑽孔樁施工安全防護。樁基成孔後不能及時灌注時，設安全警示標牌，防止人員、機具等落入孔內。

2．施工過程中鑽機較高，嚴防傾倒，移動時必須有人指揮。

3．因高原施工，施工人員的勞動時間不得過長，一般每天工作時間不超過6小時。

4．懸挖鑽機司機經嚴格培訓，嚴禁非專業司機操作。

5．做好防雪、防雨、防雷、防凍等應急準備。

6．對地上、地下的管線進行標識和安全保護，嚴禁施工過程中造成破壞。

環保措施

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》應採取以下環保措施：

1．在橋樑限界範圍內設定圍擋，施工場地儘量小，不得隨意占用、破壞土地。

2．嚴禁隨意棄渣，鑽孔棄渣運至設計取土場，保護高原生態環境。

3．懸挖鑽機無泥漿循環，減少了對凍土熱擾動，有利高原環保。

4．施工場地內進行草皮移植，以便施工完畢後進行環境恢復。

效益分析

採用《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》施工，解決了高原凍土區快速施工的問題，自動化程度高，勞動強度低，施工效率高；減少對多年凍土環境的熱侵蝕，保證了成樁質量；不需要泥漿循環，有效保護了高原凍土環境和生態環境，最大限度地減少了對多年凍土的擾動，符合設計的基本要求，受到監理和業主的好評，取得了良好的社會效益，同時也取得較好的經濟效益。

套用實例

《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》套用實例：

青藏鐵路格爾木至拉薩段全長1100多公里，穿越世界海拔最高、氣候條件惡劣且有世界屋脊之稱的青藏高原。青藏高原平均海拔高程4500米以上，寒冷乾旱，氣候多變，四季不明，空氣稀薄，氣壓低，一年內凍結期長7～8個月（每年9月至次年4、5月），蒸發量遠大於降水量。多年凍土區年平均氣溫-2～-6.9攝氏度，7月份氣溫最高，平均6.5～8.1攝氏度，一月份氣溫最低，平均-14.5～-17.4攝氏度，年平均氣溫較差15～26攝氏度，極端較差不超過50攝氏度。

由中鐵十六局施工的青藏鐵路十六標段地處三江源自然保護區，全長46.5千米，屬布曲河谷階地及溫泉斷陷盆地，海拔高度自4712米至4835米，為唐古拉山區北麓。線路經過地段主要為高溫極不穩定多年凍土區，與布曲河河床及兩側形成的河流融區、溫泉斷陷盆地形成的構造融區，多次交替出現。共有橋樑27座，6456.04延長米，1044根鑽孔灌注樁，總計22246.5延長米，大部分採用旋挖鑽機施工。2002年6月開工，2003年11月完工，樁基施工結束後，經檢測十六標段橋樑樁基全部為Ⅰ、Ⅱ類樁，其中Ⅰ類樁達到90％以上，成樁質量優良。

榮譽表彰

2006年1月19日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《建設部關於公布2003~2004年度國家級工法的通知》，以文號建質[2006]16號公布，《多年凍土區鑽孔灌注樁施工工法》被評定為2003~2004年度國家級工法。