永冻层钻孔桩施工监理技术总结.docx
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永冻层钻孔桩施工监理技术总结
前锋农场至嫩江公路伊春至北安段工程建设项目
（K11+930冻土桥）
2011年技术总结
前嫩第七总监办（ZJ7）
2011年11月30日
永冻层钻孔桩施工监理
在严寒的黑龙江省北部有一种少见的、常年冻结不融的特殊地质结构层，一般称之为“永冻层”，地球上的永冻层分部面积大约3700万平方公里，占陆地面积的25%，中国永冻层分布面积多在西藏、新疆和东北黑龙江，大约125万平方公里，位居世界第三位。
在永冻层地带修建的桥梁俗称《冻土桥》。
黑龙江省在永冻地带修建的《冻土桥》比较少，且冻土大桥更罕见。
笔者对冻土桥的科技资料和相关知识见之极少，理论及实践匮乏。
今年首次参加冻土桥施工并承担工程监理任务，略有窥见。
就其永冻层钻孔桩基础施工技术，粗写此文，与同行交流探讨。
一、概况
黑龙江省重点公路建设项目之一，前锋农场至嫩江县高速公路伊春至北安段K11+930大桥为黑龙江省公路桥梁工程中少有的，也是第一座公路冻土大桥，由黑龙江省公路勘察设计院设计，龙建路桥第一工程有限公司承建，黑龙江省公路工程监理咨询公司承担监理任务。
全长1427.16m，上部结构为（71×20）m预应力简支转连续T梁，下部为柱式墩、台，钻孔灌注桩基础，共288根钻孔桩，均为穿越永冻层的“冻土桩”。
1、该桥位于黑龙江省北部伊春市林区，是小兴安岭主脉之地，东经120°54′到126°36′和北纬47°43′到48°14′之间；平均海拔400m，具有明显大陆性季风气候特点，一年四季分明，春季干旱多风，夏季温热多雨，秋季降温急剧，冬季漫长、干燥，严寒、多雪，年平均气温﹣1℃—1℃，极端最高气温38℃，极端最低气温﹣43℃，年平均降水量631mm，最大积雪厚度49cm，最大冻结深度2.43m，每年10月地面开始聚冰冻结，次年4月开始融化解冻。
2、永冻区的一般概念是有一定冻结深度，又多年四季不融化的地带。
本桥属公路自然区划I区，即《北部岛状多年冻土区》。
在公路施工图设计时，对于冻土下限超过7m的饱冰冻土，含土冰层等公路穿越地段，一般采用“以桥代路”设计方案，下部采用钻孔灌注桩穿越冻土层（永冻层），桩基承载力不考虑冻土层桩侧摩阻力（相应加长桩长）。
这种设计方案可有效的克服冻融等病害对公路的影响，且能保证公路的稳定和安全。
黑龙江省在永冻区建桥极少，此桥是一个范例，它地处典型的永冻区，人烟稀少，地势平坦低洼，多为沼泽湿地，塔头和次生林草覆盖，一般冻深6—8m，最大冻深达12m。
3、根据实际钻孔留样分析，区域内即有少冰冻土、多冰冻土，也有饱冰冻土和含土冰层等。
大多饱冰冻土和多冰冻土存在于粉质粘土或粗砂层中。
本桥实际地质结构大体分以下三类:
地面线Ｉ类Ⅱ类Ⅲ类
二、适合永冻层的钻机类型及特点
本桥地质情况特殊，特别是含有饱冰冻土层，桩基础施工时会带来一定热量，破坏冻土的稳定冻结状态，使冻土层的土体加速融化，出现孔壁不稳定扩孔甚至塌孔的质量问题，所以根据不同的土质情况和地下水位选用不同类型的钻机。
1、对于砂层、含大量饱冰冻土，土质变化大，地质条件复杂的桩选用冲击钻，采用双护筒施工。
内护筒靠其自重随钻头跟进，以防止塌孔，内护筒跟进深度应超过冻土层下限2-3m。
工艺优点：
①施工稳妥、不扩孔、不塌孔、质量稳定。
工艺缺点：
①成孔速度慢、施工成本高。
②施工不当很可能出现刮、埋钻头现象、施工风险大。
2、对于冻土层浅，地下水位低，土质情况较好的桩位采用大功率旋挖钻机干法（或湿法）成孔。
工艺优点：
①钻机由全液压系统控制，能更好的保证桩基垂直度，孔位、孔深、达到规范要求。
②成孔效率高，正常情况5-7小时即可成孔，保证工程进度。
③因孔内无泥浆，空气导热慢，孔壁稳定性好，不易扩孔、塌孔。
④成孔后清孔彻底。
⑤施工噪音低，不污染林区环境。
工艺缺点：
①旋挖钻设备昂贵，使用成本高。
不适用于独立的中小桥基础施工。
根据不同的地质条件，监理工程师同意采用不同型号钻机，本项目由于地下水位低，大部分桩位由旋挖钻机干法（或湿法）成孔完成。
旋挖钻机在本项目的应用已取得了很好的效果。
三、永冻层旋挖钻成孔工序控制
1、施工准备和测量放样
桥位位于沼泽地域，首先清除树根及植被。
为了减少对冻土的热扰动，尽快用碎石土进行筑岛，筑岛深度为1.5m。
筑岛土方填筑密实、平整，利于旋挖钻机就位，避免钻进过程中钻机沉陷。
准确测出桩中心位置，利用十字线放出控制桩位，并以控制桩位基准埋设护筒。
2、护筒埋设
护筒采用挖坑埋设法。
钻机就位后，先用比护筒直径大一级别的钻头施钻，到达深度后提钻安设护筒，护筒就位后分层夯实。
护筒内径比桩径大20-40cm，护筒中心竖直线与桩中心线重合，平面允许误差50mm，倾斜不大于1%，护筒高出地面50cm，护筒就位后必须复测，监理工程师复核认可。
3、泥浆调制（湿法作业用）
对于地质层复杂，冻土层深的桩位。
为了保证成孔的质量，防止孔壁坍塌，抑制地下水，必须认真调制泥浆，其各项指标符合要求。
泥浆相对密度：
1.3-1.55，粘度：
23-32.5Pa.s，砂率≤4%，泥皮厚度：
＜2mm，PH值：
＞7。
施工时监理工程师随时检测泥浆的各项指标并做好记录。
确保泥浆对冻土孔壁的支撑，避免施工事故发生。
4、旋挖钻机施工
采用南车TR360C型旋挖钻机，其最大输出扭矩370KN.m，最大旋挖速度6-23rpm，发动机功率192KW，最大压力450KN，最大起拔力450KN，配置功率277KW，最大钻孔直径2500mm，最大钻孔深度95m，适用于粘性土、粉质土、砂土、风化岩层等多种地质层施工，该钻机通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土，反复循环而成孔，并具有功率大、钻孔速度快、移位方便、定位准确、工作效率高、噪音小、环保等优点。
钻机就位后，调整钻杆垂直度，先低挡慢速钻进，钻至护筒下1m后，再以正常速度钻进，钻进时旋转钻头并施加压力，将土挤入钻头内，仪表自动显示筒满时，钻头底部关闭，提升钻头将土卸于堆放地点。
要根据不同的土质情况选用不同类型的钻头，如遇到粘土层时选用筒式钻头；遇到碎石土或卵石层可选用螺旋钻头；遇到弱风化岩层时选用改进的截齿钻头。
遇极特殊情况几种钻头都无法完成时，改用冲击钻补钻直至达到设计孔深。
施工时注意以下事项：
①钻进过程中严格控制钻进速度，避免埋钻事故。
②旋挖钻机较重，施工场地必须平整、密实，避免钻机沉陷。
③钻进冻土层时必须降低钻进速度，控制钻杆稳定，防止因钻杆晃动对冻土的过多拢动引起的扩孔、塌孔现象发生。
④桥位位于林地，为了保护环境，钻渣、泥浆不能随意在附近排放，必须运至指定弃土场掩埋处理。
⑤为了防止对冻土层的热扰动在泥浆池底部铺50cm河卵石，周围用袋装河卵石码砌，再铺防水塑材和彩条布，防止泥浆和坑壁发生热交换。
5、成孔检查
①孔径检测
达到设计孔深后利用笼式井径器进行检测。
检测时将井径器吊起，为了防止对冻土孔壁干扰应慢慢放入孔内，上下通畅无阻。
若中途遇阻则有缩径或孔斜现象，应采取措施予以处理。
笼式井径器的结构和尺寸应符合要求，监理工程师现场检查笼井式井径器放入情况并记录。
②孔深和孔底沉渣检测
孔深和孔底沉渣采用标准测锤检测。
满足设计要求后，监理工程师应填写终孔检验记录。
成孔后质量检测标准见下表
项目
允许偏差
孔中心位置（mm）
50
孔径（mm）
不小于设计桩长
倾斜度（%）
小于1%
孔深
不小于设计规定
沉淀层厚度（mm）
符合设计要求并≤300
孔后泥浆指标
相对密度1.03~1.10粘度17~20Pa.s含砂率小于2%，胶体率大于98%
四、永冻层钻孔桩施工监理体会
冻土区桥梁桩基础施工时，会传递给冻土很多热量，破坏冻土的原有冻结状态，施工完成后冻土会自然回冻，在这过程中可能会影响桩基的强度，降低桩基的承载力。
在冻胀力的作用下，当桩基的长度和上部荷载不足时，会产生冻胀变形，对结构物产生严重破坏。
本桥位于正在退化的多年冻土地带，还得考虑桩的融沉影响。
可见多年冻土对桩的破坏之大。
如何满足设计要求，保证工程质量，总结几点体会供参考：
1、设计上桩基承载力不考虑冻土层桩侧摩阻力，在钻孔时监理工程师应根据实际情况认真记录冻土层深度。
如发现不符应及时通知业主，设计部门尽快对基础进行重新计算。
2、开工初根据设计要求，施工单位应进行试桩试验。
分别采用冲击钻、旋挖钻、反循环钻进行试桩。
通过试钻选定钻机类型，总结施工工艺，获得试验数据。
3、根据实际土质情况同意选用冲击钻，全护筒跟进法成孔和旋挖钻干法（或湿法）成孔。
监理工程师按规范、图纸要求，进行全过程监督。
4、通过改善施工工艺来缩短桩基完成时间。
为了有效降低热量对桩周冻土的扰动，旋挖钻成孔时监理工程师要求从以下几方面对工艺严格控制：
①确定首选旋挖钻干法（或湿法）成孔施工工艺。
②钢筋笼主筋用直螺纹套筒连接，钢筋笼整体入孔，缩短了制作钢筋笼时间。
③采用螺纹导管连接，缩短导管连接时间，加快下导管的速度。
④采用1000型和两个500型拌和站拌合混凝土，混凝土罐车运输，加快了出料速度，缩短了运输时间。
通过对工艺的改善，有效地缩短了完成钻孔桩的时间，以其中两根桩为例说明如下：
工艺名称
冲击钻成孔时间（小时）
旋挖钻成孔时间（小时）
钻孔
30
6
清孔
3
下钢筋笼
1
1
下导管
2
1.5
灌注
3
3
合计
39
11.5
5、干法成孔仍采用导管法灌注混凝土。
监理工程师不应忽视这个环节，严格按灌注水下混凝土的监理程序进行控制。
针对冻土区桥梁的桩基础施工，监理工程师要求施工单位必须理解设计意图，满足设计要求。
应采取可行的保护冻土措施，尽量减少对多年冻土的热量侵入和过多的扰动，合理保护生态环境。
以上是对冻土钻孔桩施工监理工作的理解。
基于对多年冻土相关知识了解甚少，理论知识、实践经验远远不足，有很多疏漏之处望各位同仁给予指正。
前嫩冻土桥总监办（ZJ7）张庆华
2011年11月30日
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