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[哈尔滨]高寒地区桥梁深水基础冬季施工方案（中铁）

高寒地区桥梁深水基础冬季施工技术

内容提要：本文对哈尔滨绕城公路东北段（秦家至东风）XX大桥钻孔桩冬季施工技术，异形双壁钢围堰加工、拼装、下沉、纠偏施工技术，主桥的承台、墩身冬季施工过程和冬季井点降水、模板安装、钢筋焊接，混凝土拌合、运输、浇注、养护、降温、测温的施工技术及相关的施工过程中应注意的问题进行了阐述，旨在对同类工程的施工提供一点参考。

关键词：钻孔桩冬季施工异形双壁钢围堰大体积混凝土井点降水

XX大桥工程项目为哈尔滨绕城公路东北段（秦家至东风)的主要控制工程，本合同段起点里程桩号为K77+704.72～K80+029.64电力安装施工安全措施.pdf，全长2324.92m，桥跨布置为2×40m+3×40m+4×50m[南引桥]+90.5m+3×138m+90.5m[主桥]+4×40m+10×(30×40m)[北引桥]。主桥上部结构为大跨度预应力混凝土连续梁结构，引桥采用40m预应力混凝土简支T梁结构，桥面连续。下部结构主桥均采用上、下行分离式钢筋混凝土实体墩，引桥为双柱式墩身。主桥构造见图1。

图1XX大桥主桥构造图

路线所经地区属于大陆季风性气候，为北寒带气候条件，冬季漫长达5个月之久，春秋季节较短，年平均气温3.6～3.8℃，最高气温35.9～36.4℃，年温差超过70℃。年平均降雨量445.0～523.3mm，雨季集中在6～8月份。最大冻结深度1.78～2.05m，地面稳定冻结期11月24日，地面稳定解冻期4月13日。

1.3地形地貌、地质水文

XX大桥位于松嫩中断(坳)陷带中的东南隆起区Ⅲ级改造单元内，地势较平多水，主桥跨越XX主河道，引桥跨越XX河漫滩，XX常水位111.5m，最高通航水位118.76m，设计水位120.33m。现场钻探地质资料显示，地质构造为细砂、中砂、粗砂、砾石、亚粘土及粘土分层堆积层，桥梁基础均穿越上述各堆积层后，桩底座落于全风化或微风化砂岩或泥岩。

2.钻孔桩冬季施工技术

主桥墩基础为群桩，每墩有16根Ф2.0m的钻孔桩，梅花分布，间距5.2m，水中墩桩长77m，陆地主桥桩长70m，以整体式承台连接。

主桥过渡墩的基础为钻孔桩，桩径为Ф2.0m，桩长53m，左、右幅各4根，成方形布置，桩顶以分离式承台联接，承台的平面尺寸9.0m×8.4m和9.55m×8.4m，厚度3m。桥墩柱形墩，左、右幅分离，每幅独柱。

引桥钻孔灌注桩基础，桥台钻孔桩为Ф1.2m，左、右幅分离，每幅6根，桩顶以承台联接。桥墩在墩高小于11m时采用Ф1.8m钻孔桩为基础；在墩高大于11m时采用Ф2.0m钻孔桩为基础，左、右幅分离，每幅2根，桩顶以系梁联接。

2.2钻孔桩施工计划安排

总体进度计划安排主桥水中墩钻孔桩于2006年9月底完成。北引桥于2006年11月底完成钻孔桩，南引桥在2007年5月底完成钻孔桩。

详细钻孔桩施工计划如下：

34#、35#、38#主墩钻孔桩于2005年6月至2005年12月完成。

36#、37#主桥水中墩钻孔桩于2005年10月至2006年9月完成。

0#～33#北引桥钻孔桩于2006年3月至2006年11月底完成。

39#～48#南引桥钻孔桩于2007年3月至2007年5月底完成。

2.3施工工艺和设备的选择

2.3.1施工工艺的选择

根据地质资料和设计桩长等因素，主桥钻孔灌注桩施工采用反循环钻机成孔，2座搅拌站拌和混凝土，混凝土罐车运输混凝土，进行水下混凝土灌注。

冬期施工时，当混凝土拌和物搅拌合成后不能满足所需要的温度时，考虑对拌和用水加热，如仍不能满足需要时，则对骨料进行加热处理，出拌和站温度应达到10～20℃，运输罐车棉毡围护覆盖以减少与环境的热交换，到达现场后对混凝土进行温度抽检，入模温度不得小于5℃。在气温0℃及以下时，待灌注的孔口搭设移动式防风大棚并视混凝土温度情况考虑炉火加温。

2.3.2成孔设备和灌注设备的选择

成孔设备和灌注设备详见表1。

表1钻孔桩施工主要工程设备表

2.4.1操作系统的加热保温

36#、37#墩钻孔桩护筒在冬期施工之前全部埋设完毕。每个水中桩均设有钢护筒，钢护筒用厚16mm和10mm的钢板卷成，内径较桩径大20cm。护筒焊接成整体，护筒顶端留有高0.4m，宽0.2m的出浆口，底节护筒下端设刃脚。底部穿过砂层深度不小于3.5m。用25t汽车吊上施工平台作业，吊车吊起1600kN振拔桩锤，用桩锤夹具夹住护筒口，在导向架内对中准确后开动桩锤把护筒打入河床。陆地桩护筒埋设为2～4m，受冬季影响不大。

由于平台距河岸距离较远，水中钻孔桩的泥浆池的位置设在施工平台上，可以采用施钻周围的护筒作为泥浆池，用钢板制作成矩形槽，矩形槽两端的开口与护筒的开口相联接，多余泥浆及沉渣采用泥浆泵抽至砼罐车运至指定弃土场堆放。

在冬期施工，对泥浆在低温下容易析水问题应予以重视。经试验发现膨胀土泥浆受冻后容易析水，使用粘土也应掺加CMC(羚基纤维素)和纯碱（Na2CO3）,务必使泥浆在冬期的各项指标能满足规范要求。

在冬期施工，为了保证泥浆的拌制、储存、输送、浮渣、循环的正常进行，采取如下的加热保温措施：

⑴拌制泥浆用的粘土均使用暖土，在进入冰冻前即将粘土运输到现场，集大堆存放，并用棉帐篷覆盖，以防止冻结，如发生粘土冻结，则需打成碎块。

⑵浆拌制池、贮浆池、沉淀池均罩以暖棚，陆地桩池四周外层用装满河砂的草袋围挡，内层填珍珠岩、炉渣或暖土保温。在池与池之间设火炉加温。

⑶泥浆循环管路均用防寒毡裹。每台钻机另设一套备用管路，一旦受冻可及时将备用的管路换上。对于钻孔大棚到泥浆溜槽也设置暖棚，防止受冻后更大地影响泥浆的各项技术指标。

泥浆配比：膨润土：水：纯碱=200kg：1000kg：4kg。根据现场施工要求适当对比例参数进行调整，必要时，适当加入一定量的纤维素来改善泥浆性能。性能指标：根据地层条件本次试桩泥浆主要控制指标包括以下三项：比重、粘度、砂率。制备泥浆性能指标：比重控制在1.06～1.10之间，粘度17～20S，砂率小于4%。

水中墩钻机设立在施工平台上，钻机采用反循环旋转钻机进行钻孔。在严寒的冬季钻孔，首先应考虑钻机的防寒问题，选择电力为动力源。在孔位和钻机周围搭设暖棚，保证孔位处温度符和要求。

终孔检查后，应迅速清孔，不得停歇过久使泥浆、钻渣沉淀增多，造成清孔工作困难，清孔完毕后在最短时间内灌注混凝土。使用反循环回转钻机钻孔时，可在终孔后停止进尺，利用钻机的反循环系统的泥石泵持续吸渣5min～15min左右，使孔底钻渣清除干净。孔底沉淀土厚度不大于设计规定的量值时，即可终止清孔。在灌注混凝土之前要进行二次孔深检测，如果沉淀层超过设计允许范围30cm，应进行二次清孔。

2.4.6钢筋骨架加工制作

冬期钻孔桩施工的钢筋骨架加工制作与常温施工大体相同，但应注意：

焊接钢筋全部在现场搭建的暖棚内进行，当必须在室外进行时，最低温度不宜低于－20℃，并采取防雪挡风措施，减少焊件温度差，焊接后的接头严禁立刻接触冰雪。

2.4.7水下混凝土的施工

水下混凝土的冬期施工采取以下措施：

根据钻孔桩施工配合比经热工计算(公式1)若骨料不加热，水加热至50℃时，骨料按照0℃计算，搅拌后温度可以达到11.64℃；当骨料温度为0℃时，水加热至70℃时,混凝土搅拌后温度可以达到16.18℃。当砂加热到20℃，水加热至70℃时，混凝土搅拌后温度可以达到22.45℃。见表2。

再根据(公式2)验证此三种拌和方式是否可行。见表3

因此，在气温0℃以上水可加热到70℃；气温在0℃以下时，则对骨料进行加热。拌和站采用型钢架设支架，用棉制盖布将拌和站围裹起来，必要时内设火炉，使混凝土的拌和始终在不低于10℃的条件下进行。运输罐车棉毡围护覆盖以减少与环境的热交换，到达现场后对混凝土进行温度抽检，入模温度不得小于5℃。在气温0℃及以下时，待灌注的孔口搭设移动式防风大棚并视混凝土温度情况考虑炉火加温。

2.4.7.1混凝土热工计算

a混凝土拌和物的拌和后温度可按下式（公式1）进行计算

—混凝土合成后的温度，℃；

、
、
—水泥、砂、石的干燥质量，kg；

—拌和加水的质量（不包括骨料的含水）；

、
、
、
—水泥、砂、石、水装入搅拌机时的温度，℃；

、
—砂石的含水率；

—水泥及骨料的比热，kJ/kg·K，可采用0.92

、
—水泥的比热及溶解热，℃，当骨料温度＞0℃时，
=4.19、
=0；当骨料温度≤0℃时，
=2.09、
=335；

表2砼搅拌后温度对比表

b.混凝土拌和物的出机温度Tb需满足下式要求

—混凝土拌和物在搅拌过程中的热量损失，由下式求得：

—混凝土运输至成型的温度损失℃；

—混凝土开始养护时所需温度，此处取10℃；

—搅拌棚内温度，℃；

—混凝土运输至成型的时间，h；

—混凝土自搅拌机中倾出时的温度，℃；

—每小时温度损失系数，此处取
=0.10。

验证表2所列混凝土拌和后温度是否可行见表3。

表3砼搅拌后温度对比表

—搅拌棚内温度，取10℃；
—混凝土运输至成型的时间，h取2小时；

—混凝土倒运次数，n取1次；
—室外气温，℃；根据拌和当日温度取值。

表4混凝土搅拌运转及浇筑时的热量损失

注：1、温度差不等于表列数值时，可用插入法求得相应的热损失温度。

2、运转一次系指混凝土由搅拌机倒入汽车，或由汽车倒入溜槽，或由溜槽倒入小车。

2.4.7.2拌和用水加热

在南北两岸搅拌站处分别设2t燃油锅炉各两个，8t储水池各一个，对水进行加热。燃油锅炉由燃油机和锅炉内水仓组成，燃油机对水仓内水进行加热，水仓与水池内水在水泵的作用下进行循环，从而对水池内蓄水进行加热。2t燃油锅炉可在3h内迅速将8t水加热到70℃。

燃油锅炉与循环系统安排专人管理，负责日常的检测、维修。开盘前4h将燃油由油库运输至锅炉旁，并由专业人员进行预加热，调试完毕后即进行水加热。

采用保温盖布将蓄水池覆盖，以减少水加热过程中热量散失。

2.4.7.3骨料的保温加热

当室外温度高于0℃时，骨料只需要覆盖保温，采用大块棉制盖布将骨料全面覆盖，以防止骨料温度散失。料场的覆盖物可根据当日粗细骨料的用量进行后移，对于局部结块的砂子应进行破碎。

当室外温度低于0℃时，则需对细骨料进行加热，粗骨料继续采用覆盖保温。

在细骨料堆放场地旁边硬化一块6m×10m的场地，并用砖砌一座3.5m高的简易砖房，用于对细骨料进行加热。加热方式采用蒸汽法。在硬化地面采用一寸半钢管布设蒸汽管道，管道上每间距10cm打2个孔，以便向外排放蒸汽。另外在墙壁上也同样布设管道并打孔。并使加热房内管道与2t锅炉形成循环。管道布置如图2：

图2加热房内蒸汽管道布置图

细骨料的进出加热房均采用传送带运输。并安排专人管理，确保两传送带的正常工作。

开盘前先由试验人员测试碎石、砂子、水的温度以及砂子的含水率，并出具施工配合比。

2.4.7.4改变混凝土的拌制方式

当拌和水和砂的混合物的温度太高时，与水泥直接接触会产生假凝现象，为防止此现象的发生，施工中在拌制混凝土时采用二次搅拌，即先将加热的拌和水、砂和石料投入搅拌机内进行混合搅拌以提高砂石温度并降低水温，然后再投人水泥进行搅拌。另外，在拌制混凝土过程中考虑热平衡过程，适当地将拌制时间延长为常温拌制时间的1.5倍，从而确保混凝土的出机温度。然而，根据现场施工情况，混凝土的出机温度也不宜太高(20℃左右为宜)，因温度愈高、温差愈大、湿度愈小，混凝土的坍落度损失愈大，混凝土运输至前方作业区后不易倒出，给前方混凝土的灌注施工带来困难。

2.4.8操作系统的加热计算

2.4.8.1保温棚的结构

保温大棚可通过工字钢或其它型钢联结成框架结构作为骨架，骨架外面用棉帐蓬围裹而成。

2.4.8.2棚内温度的要求与计算

保温棚散热量按下式近似计算：

—保温大棚散热量，
；

—保温棚表面积，
；

—保温棚内最低设计温度，℃；

—室外最低温度，℃。

如建一保温棚尺寸为10m长×10m长×6m高，保温棚的表面积为：

[其中
=0.1549kJ/(mh℃)，
=0.016m]；

机械及人员进出棚的损失热量
，按保温大棚散热量的20%计算：

如果总耗热量由蒸汽供给，则需蒸汽量为：

—保温大棚总耗热量，
=212869
；

—每
蒸汽散热量，
=2680
。

如果总耗汽量由燃煤炉供给，燃煤消耗按下式计算：

—燃料（煤）发热量，
，此处取29308
；

—火炉效率，此处取0.5

2.4.9水下混凝土的养护

冬期施工的关键是防止混凝土早期受冻，必须十分重视水下混凝土的养护。

施工实践证明，水下混凝土一经入孔，即处在地温蓄热养护之中。但是在地层冰冻线以上部分的桩身混凝土，必须采取可靠的早期防冻措施。例如：供热、保温、在混凝土中配入外掺剂，以促进强度增长至不受冻害的限度。施工中经常采取的做法是：

⑴混凝土灌注温度应控制在10℃～15℃，这样可以满足技术要求，并能合理地利用能源。

⑵适当地延长混凝土的搅拌时间，并采用掺入温水的热拌工艺，提高其灌注时的温度与和易性。

⑶混凝土拌和时首先加入水（已加热）、砂、碎石，待搅拌均匀后再加入水泥和外加剂。

⑷提前检查水管的保温措施情况，及时进行保温，建好拌合站保温棚，包括加温锅炉的试运行，砂、石料加热平台的试运行（如需要）。在混凝土拌合机及构筑物处搭建保温棚，安装锅炉，保证混凝土搅拌、浇筑、养生时温度要求。

⑸做好热工计算，材料加热首先考虑施工用水的加热，如需要可考虑加热砂、石，严禁加热水泥。施工时加强对混凝土施工各阶段的温度测量，掌握混凝土搅拌时的温度、入模温度及养护温度，使各阶段的温度均符合设计和规范要求。

⑹严格控制混凝土的配合比和坍落度，搅拌时，投料先投人骨料和水，搅拌后再投人水泥搅拌，搅拌时间延长50%。

2.5机具设备的冰上运输

河面结冰后形成冰层，冰层漂浮在水面上成为具有弹性的承载结构，其上可以承受很大的荷载，有关冰上交通允许的荷重数据列举于表5。

表5冰上交通的允许荷重表

马拉货车或人推轻便铁道的小斗车通行

YT3式拖拉机一台与另一台间的间距不小于20m者可行，轻便铁道内燃机可通行。

250kN以下履带载重拖拉机，一台与另一台间间距不小于40m者可通行

H=[h1+0.5(h2+h3)]K1K2

H—冰层计算厚度，cm；

h1—透明层厚度，cm；

h2—浊层厚度，cm；

h3—初冻层厚，cm；

K1—结晶系数，贝壳状为1.0，针状为2/3；

K2—温度系数，0℃以下为1.0，0℃以上为0.8。

我国的北纬45°以北地区，严寒季节河面的最大冰冻厚度达成1.1m以上，其承载能力较大，冰层不用加固也可以在其上自由运输钻机、龙门吊架及其它设备。XX大桥所处北纬45°38′17″～45°52′15″之间，是属北寒带气候条件，但本桥所跨哈尔滨XX地段经常会出现清沟不冻河面或冻层很薄。在这时的冰面上作业，就要十分谨慎，采取一些必要的加固或扩大荷载面积的措施。主要加固措施是保证结冰厚度，增加冰层计算厚度H值。

2.5.1在降雪之后立即清雪，使冰面覆盖冰层更厚一些。

2.5.2在冰面上浇水增加结冰厚度。

冬期钻孔成桩的质量控制，除了设置有效可靠的加热保温设备，严格实施管理外，还应特别注意下列事项：

2.6.1监控泥浆温度

除保证泥浆的各项技术指标(主要是相对密度、粘度、含砂率等)外，为了防止泥浆受冻，应每隔3～4h对粘土、搅拌池、沉淀池、泥浆槽、护筒内泥浆及作业棚、泥浆棚的温度测定一次，发现温度异常及时采取加热措施。

2.6.2监控混凝土(包括原材料)温度、坍落度及桩身温度变化

⑴拌和水、砂、石的加热温度，混凝土的出罐温度及灌注温度等，均要随时测定。

⑵集料的含水量，要随时测定。

⑶对混凝土坍落度要经常测定，有疑问时可随时测定。

2.7冬期施工的安全措施

⑴广泛进行冬期安全生产教育，增强全员冬期安全生产意识和自我防护意识，使每个职工都明确各自的安全责任，认真贯彻执行“安全生产、预防为主”的方针。

⑵注意取暖设施的安全，对锅炉、煤炉、碳火盆等取暖设备要有专人负责操作，安装和使用要按相关规程操作。

⑶煤碳等燃烧后废料统一处理，严防火灾等事故发生。

⑷定期和不定期检查取暖器材的性能，并根据生产及进度需要，经常更换和补充所需器材，确保能正常使用。

⑸在冰上作业前应测量冰层厚度，在允许荷载范围内才可以实施冰上作业。在结冰期和解冻期要有专人密切注意结冰情况，保证施工机械和人员的安全。

⑹冬期江上风雪较大，起重操作严格按规程施工，当风力大于4级时，应停止吊车作业。

⑺冬期施工冰雪较多，尽量避免高空作业。当必须进行高空作业时，施工人员必须配戴安全带、防滑鞋等相关防护用品。

⑻在XX南北两岸架立并维护一切必要而合适的标志牌，以便为施工人员和公众提供安全和方便。标志牌包括警告与危险标志、安全与控制标志、指路标志。特别对江上所存风险要标识明确。

⑼冬季气候干燥，在有风的季节里，施工现场悬挂防火旗，落实防火安全措施。

⑽项目部定期和不定期召开冬期安全工作会，对安全生产趋势进行分析，并形成报告。

3.异形双壁钢围堰施工技术

围堰的设计本着受力条件好、稳定性强、方便施工、节约材料的原则进行设计。根据水中主墩承台的尺寸和形状，经过多个方案的比较，最后设计成内径16.8m、外径19.2m的双圆形结构。即充分发挥了圆形结构受力条件好的特点，又最大限度的节省了材料。

双圆形双壁钢围堰结构设计如图3、图4，共分为4个部分，即刃脚段、双壁加强段、单壁段、内部横向支撑梁。

刃脚部分面板采用8mm钢板，角度为30度；双壁加强段内外面板及隔板均采用5mm钢板，内部为空间桁架结构，水平主桁加强圈采用∠100×100×10和∠75×75×8角钢，缀条用∠63×63×5角钢，竖向间距按不同的高度荷载计算求得；竖向加劲肋采用∠50×50×5和∠63×63×5角钢，周向间距按不同的高度荷载计算求得；围堰中支撑桁架用∠100×100×10和∠75×75×8角钢相扣成方管，空间用∠75×75×6做缀条组成桁架，竖向间距与加强圈相同。

总高21m，第1节刃脚2m高，第2节2.5m高，其余每节1.5m高，共13节，双壁加强段10m，单壁段9m。在双壁围堰12m处设置盖板，控制围堰下沉及上浮，盖板由5mm钢板和3mm钢板卷制抽水圆筒组成。

GB/T 41899-2022标准下载图3异形双壁钢围堰平面布置图

3.3双壁钢围堰加工技术

围堰分块根据设计图纸在工厂中加工，按互换件和对号入座的办法制成块件，经加工厂质检人员进行检查合格后，吊至运输车，且对其进行加固处理，避免在运输过程中导致块节变形；运至工地后，经施工现场质量检查员进行检查合格后方才进行卸车进行吊装拼装。具体工艺流程：

材料选择、校正钢板坡口焊接焊缝渗油检验

型钢定型骨架焊接检验半成品组装焊接出厂检查

钢板选用优质Q235钢，角钢采用A3钢。

壁板与加强圈之间和壁板与加固角钢之间采用双面间断焊，焊缝最大间隔60mm。外壁板焊缝总长不小于缝隙总长的三分之一外墙氟碳漆施工工艺，内壁板焊缝总长不小于缝隙总长的二分之一。加强圈和支撑桁架的主要受力杆件接长焊缝要对齐饱满。缀板与主桁架间采用双面焊。所有缀条两端采用两侧角焊缝，焊脚尺寸不得小于焊件厚度。壁板间采用坡口焊接方式，焊缝要进行渗油检验，合格后方可进行半成品组装。焊接杆件均需进行结构校正，圆形部位半径须满足设计要求、要圆顺。

3.3.3.1施工精度

3.3.3.2加工要求