深基坑围护新技术——“冻结排桩法”

信息化施工润扬长江公路大桥南汊桥采用跨径1490m双塔单跨双铰钢箱梁悬索桥方案，是我国目前跨径最大的桥梁，位居世界第三。悬索桥两根主缆6.8万吨拉力通过锚碇及重力式嵌岩基础传至地基。南锚碇基础尺寸为70.5m×52.5m×29m（长×宽×深），为特大型嵌岩深基坑工程。设计方案经过初步设计阶段、技术设计阶段和带案招标设计阶段等对沉井、地下连续墙、冻结、地下连续墙加冻结、排桩加冻结基础方案的反复论证和比较，最终确定在国内首次采用 “冻结排桩基坑围护设计方案”。
1、工程地质及水文情况
1.1工程地质状况南锚碇位于镇江岸农田内，距江边大堤540m，距达标大堤270m。地处下扬子板块前陆褶皱冲断区宁镇冲断带。锚区地面高程+3.0m（黄海高程系统，以下同），，第四系覆盖层主要以软塑淤泥质亚粘土、亚粘土与粉砂互层为主，底层为3～5m粉细砂，总厚27.80～29.40m。基岩的岩性为二长风化花岗岩，层面总体上较为平缓，标高在-24.80～-26.40m之间，但全风化层和强风化层分布不均匀。在基坑西侧岩石呈碎裂结构，裂隙发育。
1.2水文条件南锚碇场区地下水位为+1.8～+2.2m，由于区域断裂构造的叠加影响及长江漫滩冲刷沉积，赋存两大含水层组——第四系孔隙微承压含水层组及基岩裂隙微承压含水层组，其渗透系数分别为2.0m/d和0.006～0.4 m/d，两个含水层与长江水系均有不同程度的水力联系。
2、冻结排桩围护结构设计与施工
2.1基本原理 深大基坑工程施工关键技术是解决封水和挡土问题。南锚碇冻结排桩围护体系是以含水地层冻结形成的冻结帷幕为基坑的封水结构，以排桩及内支撑系统为抵抗水土压力的承力结构，将二者的优势有机结合起来，形成一种新的围护技术，较好地解决了基坑围护结构的嵌岩及封水问题。
2.2结构设计
2.2.1排桩结构设计沿基坑四周布置140φ150cm@170cm(172.5cm)钻孔灌注桩，桩长35m，嵌岩6m。基坑内设7道钢筋混凝土水平支撑，并由29根钢格构作为水平支撑的支承立柱。
2.2.2冻结帷幕设计冻结帷幕布置在排桩外侧，设计采用单排冻结孔冻结封水，与排桩插花布置，间距1.70m（1.725m），距离排桩中心线1.4m。冻结孔数量为144个，孔深40m，冻结帷幕入岩11m。为了保护冻结帷幕不会因地下水绕流冲刷融化，同时增加封水深度减少基底的涌水量和扬压力，沿基坑一周共设置74个注浆孔，在冻结前，对深度37～45m范围内的基岩裂隙进行地面预注浆封堵。含水地层经冻结后产生冻胀，当这种冻胀受到约束时，就会产生冻胀力。为了降低冻胀力对排桩结构不利影响，设计采取在冻结帷幕外侧覆盖层土体内设置288φ25cm卸压孔。为了有效地释放冻胀力，卸压孔内注满优质泥浆。以防孔壁坍塌。
2.3施工工艺
2.3.1工艺流程
2.3.2预注浆施工 ① 注浆工艺根据锚碇场区地质水文条件，施工采用下行式注浆方案。施工设备主要有地质钻机、注浆机和制浆机。注浆施工顺序为：钻机就位 固管段钻进施工 下钢套管、固管 第一段高取芯 清孔 压水试验 浆液配制 注浆 养护 第二段高取芯、注浆 ②注浆相关参数㈠注浆深度：-34.0米～-42.0米，注浆段高为8.0米，分两个段高，每段4m。㈡注浆压力：注浆的终压为静水压力的1.5~4倍，即0.6~1.8MPa之间。㈢注浆扩散半径：2.5~4m。㈣注浆材料：p.o32.5普硅水泥+40°Be水玻璃。㈤浆液配比：水泥浆液配比（水灰比）2：1、1.5：1、1.25：1、1：1、0.8：1、0.7：1、0.6：1七种，根据注浆钻孔时的吸水量确定浆液浓度，如吸水量小，说明可注性差，选择稀浆高压注浆；反之亦然。 2.3.2 排桩施工排桩采用跳钻成孔施工工艺。根据排桩设计净距20cm（22.5cm）要求，施工重点控制成孔质量，主要是垂直度（1/200）和孔径（扩孔系数1.05）控制，其施工要点： ① 选择钻机刚度较大，导向性好地反循环钻机钻孔，优质膨润土化学泥浆护壁。 ② 安装钻机时要使钻盘、底座水平，起重滑轮中心、钻杆中心和护筒中心“三点一线”。 ③ 采取配重-减压钻进工艺，俗称“吊着打”，控制钻孔垂直度；根据土质变化，合理选择钻头及钻进参数，覆盖层用刮刀钻头中速钻进，基岩用滚刀钻头低速钻进。 ④ 采用JJC-1A检测仪测量孔径、孔斜等指标，一般在成孔过程中检测一次，终孔验收检测一次，发现问题及时解决。 ⑤ 钻进、清孔过程中，保持孔内外水头差。施工高峰时有19台钻机同时进行钻孔，65天完成140根钻孔灌注排桩，桩身质量用超声波脉冲检测法逐根进行检测，全部为A类桩。
2.3.3 冻结帷幕施工 ① 冻结孔、卸压孔施工在盐水温度、冻结管直径相同的冻结条件下，冻结帷幕的形成时间与冻结孔开孔间距、钻孔偏斜率有关，间距越大，冻结帷幕的形成时间就越长。为了达到冻结帷幕形成时间、厚度基本一致，必须按照设计孔位进行精确放样，并严格控制钻孔偏斜率，施工要求第四系覆盖层偏斜率≯0.3%，基岩层≯0.5%。成孔后采用灯光或陀螺仪对钻孔进行测斜并绘制钻孔偏斜平面图，钻孔超出规定偏斜要求需进行纠偏或回填土重钻等方法处理。卸压孔施工时使用优质粘土粉、纤维素、面碱、聚丙烯酰胺等材料配置钻进泥浆和充填泥浆。为保持孔口稳定，防止杂物落入孔内使泄压孔失效，在其周边砌筑沟槽和孔口加盖等措施进行保护。 ② 冻结管安装与试压冻结管采用规格为Φ127Χ6mm低碳钢无缝钢管，内供液管采用Φ50Χ5mm聚乙烯塑料管。冻结管下放到位后，进行压力试验，初压力1.0~1.5MPa，经30分钟观察，降压≯0.05MPa，再延长15分钟压力不降为合格。 ③ 积极冻结和积极冻结期积极冻结期是指冻结器开始循环低温盐水，土层降温、冻结交圈、冻结壁达到设计厚度和温度的过程。积极冻结所用的时间为积极冻结期。积极冻结技术指标：盐水温度-28~-29℃；单孔不平衡温度0.5℃；单孔流量5m3/h；冻土发展半径20mm/d；积极冻结期计划65d。冻结壁发展半径、速度及交圈情况是根据埋设在地层内不同位置、不同深度的温度传感器测得的温度场进行初步判定。最终判定冻结帷幕是否交圈是在坑内进行降水，观测坑内外水位变化情况。 图6 冻结帷幕形成示意图 ④维护冻结确定冻结帷幕形成并达到设计要求后，即可进入维护冻结阶段。其主要目的是补充冻结帷幕随时间损失的能量，控制冻结帷幕厚度不再继续增长或削弱，保证其在基坑开挖及回填阶段达到有效封水。维护冻结期间，通过对冻结帷幕温度的监控确定盐水温度、流量等参数。
2.3.4 基坑开挖及支护基坑深度达29m，开挖方量近10万方。水平支撑为钢筋混凝土结构，共7层；土方开挖分8层进行，支撑采用“逆做法”，开挖一层浇筑一道支撑。由于冻土存在蠕变效应，排桩暴露时间愈短愈好，尽可能减少支护结构的变形。对此，施工中采取以下措施： ① 规定排桩暴露时间不大于48h。 ② 每层开挖及支撑施工分三个区，即一个对策、两个角撑，施工顺序先对撑后角撑，开挖、支撑施工形成流水作业。 ③ 在淤泥质亚粘土地层采用真空深井降水效果不佳，第三、四层辅以浅层轻型井点降水改善基坑作业环境，加快施工速度。 ④ 加大施工投入， 尤其增加土方开挖及提升设备。 ⑤ 加强信息化施工的管理，进行动态设计，动态 

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