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煤矿主井井塔桩基施工探索与分析
[谪要]根据主井现场的特殊情况，从桩基的设计、地基土的人工解冻、施工方法、采取的措施，分析桩基施工中应注意的问题及取得的效果。
[关键词]钻孔灌桩基：人工解冻：后压浆：应力应变测试
1、前言
主井井塔是煤矿能否按期投产的关键性工程之一，该工程设计规模在井塔类工程中堪称“亚洲第一”，且在人工解冻的冻融土地基上建设如此井塔便是一个最大的创新，同时对冻结的地基土进行了人工解冻也是前所未有的。为确保结构安全，桩基采取后压浆技术，埋设压力盒、应力计进行随时观测。该项目的成功实施，将为今后冻融土的研究提供有力的依据。现就ＸＸ庄煤矿主井井塔桩基施工过程中采取的措施、桩基设计施工方案作简要论述。
2、 工程概况：
××煤矿一座特大型矿井，设计生产能力为年产煤碳800万吨，主井井塔总高度90.8m，轴线尺寸23 .9m×21.00m，共八层，建筑面积为4372㎡，建筑体积481978m3, 钢筋砼框架剪力墙结构，总重量为31000吨，可堪称亚洲第一井塔。主井井筒采用冻结法施工，冻结采用-330C盐水，至2004年3月28日开始正式冻结，2004年10月26日停止冻结，冻结深度600米。由于主井井塔工期紧迫，2005年5月初，采用人工解冻，解冻深度为60米。解冻利用原冻结孔，采用热盐水循环。自2005年3月17日开始解冻，2005年6月30日停止解冻，累计解冻时间为105天。井塔基础采用钻孔灌注桩，设计桩径1m，桩长45m，单桩竖向承载力特征值为4000KN~4300KN，总桩数为86根。
3、地基现状及采取人工解冻措施
3．1主井前期冻结及自然解情况
主井井筒设计冻结孔采用主排孔+内排辅助孔，主排孔：布置圈径18m，孔数44个，孔深307m，开孔间距1.28m;内排孔：布置圈径14m/12.5m，孔数18个，孔深150m/230m，开孔间距2.416m。自04年3月26日开冻，于2004年10月26日停冻，共计冻结212天。停冻后几次测温数据如下表。
主井1#测温孔温度变情况
日期 深度
日期

15

30

60

83

105

135

160

205

225

250

274

301

2004.10.26
-7.5
-9.5
-9.6
-9.5
-9.3
-11.1
-9.4
-9
-10.1
-11.6
-11.5
-11.8
2004.11.02
-7.1
-9
-8.5
-9.1
-9.3
-7.5
-8
-7.7
-8.7
-10.1
-10
-10.1
2005.03.10
-1.6
-2.9
-1.6
-2
-3
-1.4
-0.7
-1
-1.3
-0.8
-0.2
-2.5
经合肥煤炭设计研究院勘察所于2005年3月17日初次勘探，地面向下3.7m便见冻土（硬度较大，无法钻进）；并查明冻土外围半径12m，根据勘查情况，及以上测温数据结果，比照矸石井自然解冻测温数据，如完全自然解冻，尚需两年时间。为确保矿井投产，提前施工井塔基础，必须进行人工强制解冻。
3.2解冻方案：
根据桩基结构图，对井塔内排桩基2m范围内所有冻结孔进行强制解冻，使这些冻结孔四周的冻结壁融化。设计桩深-50m，为保证桩基质量，解冻深度定为60m。对在解冻范围内的冻结孔进行热盐水循环，吸收冻结孔四周冻结壁的冷量，使之快速融化，恢复常态。具体
方法是：对冻结孔因进清水而封冻的孔进行冲孔处理，在冻结孔内下φ63×6的聚乙烯塑料软管（下配加重管）作供液管，制作冻结孔盐水循环去回路分配器，在地面设置盐水箱，对箱内氯化钠盐水进行加热，使盐水达到一定温度，再由盐水泵把热盐水送入冻结孔去回路分配器，对冻结孔进行加热循环后，周而复始，直至冻结土融化。经过历时3个多月的人工解冻，于6月20日合肥煤炭设计院勘察所在井筒周边采用径向钻孔进行钻探，均未发现冻土。为防止回冻，现场继续维持解冻至6月30日全部停止解冻。
4、桩基的设计与施工
4.1桩基设计
该工程桩基设计方案前期为现场预制钢筋混凝土方桩，桩径为400mmx400mm，初步确定桩长27m，共布置桩位296根。因现场场地狭窄，无预制场地，现场预制桩质量不易控制，随考虑改为预应力管桩。经过市场调研，预制应力管桩价格较高，运输费用很大，且如土质稍硬，打压过程中极易造成断桩。无论采用预制方桩或预应力管桩，打压方法采用锤击，最多上2台设备，如采用静压仅能上1台设备，且静压设备重达1000T，对场地的要求很高，场地必须保证静压机或锤击桩移位方便，否则将在很大程度上制约打桩的进度。考虑主井井周围的特殊性，有众多的冻结管及冷冻沟槽，如采用预制方桩和预应力管桩，场地很不利于打桩机的施工，且采用预制方桩和预应力管桩，桩间距很小，现场桩位极易与冻结孔相碰，将直接造成桩的无法打入。综合以上各种因素，经充分的研究分析，确定桩基设计为机械钻孔灌注桩，钻孔桩机较为灵活，对现场场地要求不高。为尽量加大桩间距，尽可能避免桩位与冻结孔相碰，尽量减少桩数，按大直径
桩基进行设计，桩径确定为1.0m，有效桩长45m，埋深-50m，共计布置桩数86根。其中扩底桩44根，不扩底桩42根，后压浆处理28根，并根据桩基检测要求，选定试桩3根，锚桩12根。
4.2桩基施工
4.2.1施工工艺流程：设置护筒——桩机就位——钻孔（扩底）——处理孔底虚土（沉渣）——钢筋笼安放——插入导管——二次清孔——水下灌注砼、拔出导管——拔出护筒。
4.2.2前期准备：为确保桩基的按时开工，首先对主井附近桩位范围的障碍物及冻结沟槽进行拆除，中要并回填粘土压实。在拆除及回填过程中，对桩位及冻结孔的相对位置关系进行核对，如有冲突，及时联系设计部门进行变更设计，并且在拆除和回填中要保证冻结管的垂直，避免冻结管在回填土中倾斜。为确保成桩机械行驶，其上铺垫800㎜厚矸石压实。由于回填土较厚约5m，且人工解冻后的土质太差，给成孔带来一定的难度。为确保上部不发生塌孔，故采用6m长钢护筒，以确保孔口的安全。由于正常施工护筒长度仅为1m，现场长达6m的护筒在埋设及拔出上就给施工带来了很大的困难。为此，现场采用了25T汽车吊、桩机、挖掘机等多种机械协调配合的施工方法。
4.2.3桩基施工工艺：由于该工程工期非常紧张，为加快桩基进度，现场采用YTR230大型旋挖机进行施工，并从北京专门加工了一套与旋挖机配套的扩底钻头，大大提高了成孔速度（较常规成孔机械的效率提高近3倍），每桩的成孔耗时约为4小时。为保证混凝土浇筑速度，专门布设了一座砼搅拌站，设一台JS750强制性搅拌机，
一台配料机，一台HBT--60输送泵，砼用泵送砼，砼内掺加水泥用量1%的HT--4（华腾牌）高效泵送剂。
4.2.4旋挖机的工作原理和特点
1、 本桩基工程采用干土直接取土工艺。旋机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土；遇硬土时，自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关即打开底门，钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。每一循环视孔深不同约在1~5min内完成。每钻进一斗，入土0.5~0.8m。50m深桩孔，在一般地质条件下约100~200斗即告完成。软土层最高小时进尺能达到15m。
2、 旋挖钻机的钻进特点：1）成孔速度快、质量高；2）环保特点突出，施工现场干净。这是由于旋机通过钻头旋土，再通过凯式伸缩钻杆将钻头提出孔内再缷土；3）行走移位方便。旋挖钻机具有履带，可以自行走；4）旋挖钻机的地层适应能力强。旋挖钻机可以适用于淤泥质土、粘土、砂土、卵石层等地层。
4.2.5清水施工工艺的成孔工艺流程
在成孔过程中不需泥浆护壁，而是钻斗在慢速旋挖过程中自造的泥浆对孔壁起到一定稳定作用，在旋挖钻进过程中，钻斗往返于孔底
与地表之间，所形成的孔壁比较粗糙。旋挖钻孔灌注桩的桩土之间的咬合作用较强，能较好地反映出混凝土桩体与黄土及粉质粘土之间的相互作用效应。
4.2.6施工过程的质量控制。
为保证工程质量，矿方根据现行规范，制定了一套严格的监督验收制度及验收程序，实行了全过程的质量控制。从护筒的埋设到砼灌注完毕，对每一分项必须根据验收规范进行实测检查，并现场签字认可。每一道工序未进行签字验收合格，坚决不得进行下道工序施工。从而有效地保证了桩基的工程质量。现场针对在－15m～－20m流沙层段由于人工解冻后成孔困难的情况，采取合理地调配泥浆比重，和控制钻进速度的办法，有效地降低了在该段出现塌孔的机率。
5、后压浆技术的应用
5.1由于土层经过冻融后，其物理力学指标均显著降低，为保证灌注桩满足上部荷载要求，采用后压浆技术进行处理。钻孔灌注桩后压浆技术是通过预埋的后压浆管路，对钻孔灌注桩的桩侧压入水泥浆液，通过浆液的渗扩、挤密和劈裂、压实等方式，改善桩土界面，使桩侧泥皮及桩周以内的土体物理力学性能得以明显改善，桩周一定范围内的土体得到加固，土体强度增加，增大桩侧摩阻力，和减少沉降量，从而大幅度地提高钻孔灌注桩的承载力，技术和经济效益十分明显。
5.2 后压浆技术设计：桩侧压浆器分别距桩顶5m、10m、15m、20m四个断面环向布置，压浆器采用铝塑花管在其表面套置具有一定弹性的材料组成，侧壁压浆导管选用内径φ20的镀锌钢管，所有压
浆管路均采用丝扣和隔水带严密联接，浆液配制为P.O.32.5级水泥，水灰比0.5：1。主要设备选用BW—150型高压注浆泵，其最大工作压力为7MP，泵的排量为50～300L/min。
5.3后压浆施工：将桩侧压浆导管底接上三通和短节，以便与压浆器铝塑花管相连，并绑扎在相应位置的钢筋笼外侧。压浆管件下入应随钢筋笼下置同时进行，每下完一节钢筋笼后，必须在压浆导管内注水检查其密封性，压浆管下入完毕，在管口必须拧上堵头，防止杂物进行管内造成堵塞。为保证每根压浆管畅通，每根桩身砼灌注完毕，养护三天后用清水预压一遍。压浆施工在桩身砼养护7天后进行。先压稀浆再逐渐加浓。压浆过程中应时刻观察压力表变化情况，并做好记录。注浆量根据现场试注情况确定，桩头出现返浆，可停止高压注浆，24小时后补注浆一次。为防止压注水泥浆完毕，因管内压力过大造成返浆现象，要求在压浆管口处安装相应规格的水管球阀，在压浆完毕后关闭球阀，待管内浆液压力释放完毕后方可拆除。本工程共计注浆30根，共注水泥105吨。
5.4后压浆施工检测与评价
1、 在后压浆施工过程中，施工管理人员密切注意注浆时钻孔内及四周的变化，浆液通过高压管到达预定的层段时开始注浆，当该层段被浆液充分填满后必定沿着井壁上升，当达到一定量时，造成桩头出现返浆，有的甚至沿钻孔埋设的护筒四周往上冒到地表，在这样的情况下停止注浆，然后分层段进行二次补注浆。由此，我们认为后压浆达到了预期的目的，即桩侧压水泥浆液，使水泥浆液在桩四周土体劈裂，充填孔隙，挤推泥皮，桩周物理力学性质改善，桩周土密实，桩与桩周土的粘结力加强，从而极大地提高了钻孔灌注桩的承载力。

2、 对钻孔桩桩头开挖检测发现，通过后压浆处理的钻孔灌注桩，桩周出现水泥浆泡，水泥浆液在桩周扩散，达到了预期目的。
6、应力应变监测
6.1测试目的：由于目前国内外对冻融土研究甚少，各种地基土的物理力学指标的选取具有一定的不准确性，可能使钻孔灌注桩承载力达不到设计要求，这将严重影响到整个工程的安全使用，造成极大的经济损失和社会影响。为此，必须在工程建设和使用过程中对钻孔灌注桩及其地基土进行应力应变及冻融土温度变化等方面的原位测试，为建筑物的安全使用提供准确的评价分析数据。
6.2测试方法：通过在钻孔灌注桩身和桩底埋设钢筋应力计、温度计和桩底埋设压力盒来测试钻孔灌注桩承受荷载时在冻融土及冻融土后压浆条件下桩侧摩阻力和桩端阻力的分布特征，从而分析出冻融土对钻孔灌注桩承载力的影响程度。钢筋应力计、压力盒及温度计选择在28#、46#、71#、77#桩内埋设，根据岩土工程地质勘察报告，将钻孔灌注桩桩基范围内场地地基土物理力学性质和地基承载力特征值相近的土层归并为五层：0.0～-6.0m;-6.0～-9.0;-9.0～-11.0;-11.0～-23.0;-23.0～-50.0(以场地自然地面标高作为零点)。在每一地层分界面上分别埋设钢筋应力计、温度计，每根桩的钢筋应力计分-6.0m-9.0m-11.0m-23.0m四个断面安放，每个断面4组;土压力盒安放在桩底，通过这段时间的测试和分析，数据比较准确而稳定，能够真实反映该工程的现场实际情况。
6.3检测原理。检测使用的钢筋应力计、压力盒及温度计为振弦式传感器。振弦式传感器工作原理为：仪器内部有一根张紧的钢弦，钢弦一端固定，另一端则固定在测量元件（受压膜片或测量端块）上，
受力后钢弦长度将产生微小变化，引起固定频率的变化，根据振动的谐振频率与钢弦的应变或者应力成正比从而计算出物理量的数值。这种基本关系可以用来测量多种物理量如应变、荷载、力、压力、温度和倾斜等。振弦传感器较一般传感器的优点就在于传感器的输出是频率而不是电压。频率可以通过长电缆（>2000m）传输，不会因为导线电阻的变化、接触电阻或绝缘改变而引起信号的明显衰减。
6.4检测概况
该工程从2005年7月30日开始检测。针对各个阶段的观测数据变化通过计算公式来计算和分析各阶段桩基的轴力、摩阻力、桩端阻力及地温的变化趋势，数据比较准确而且稳定。综合轴力和侧摩阻力的分析，我们认为桩基处于正常稳定的状态，建筑物是安全的，从地温的观测分析结果上看，地温基本保持稳定，不会出现回冻现象。
7、桩机检测
在桩基检测中，合肥煤炭设计院勘察所打破了常规抽检的方法，对每根桩都进行了低应变测试，以确定工程桩的桩身完整性。低应变完整性检测结果。通过对55#、75#、86#桩进行抽芯取样检验，均未发现断桩现象。同时对15#、36#、39#桩进行了单桩竖向抗压静载试验测试，3根工程桩的单桩竖向抗压承载力特征值均不小于4400KN，满足设计要求；对60#、71#桩进行单桩水平静载试验，受检的工程桩单桩水平承载力特征值均不小于280KN(取水平临界荷载值的0.8倍)，均满足设计要求。
8、结语
承载力是地基强度的重要标志，只有通过确定地基承载力，才能确定上部结构的荷载，才能判定地基强度是否满足要求。因此，检验
工程中基的承载力是否满要求有有着重要的意义。刘庄煤矿主井井塔在人工解冻的冻融土地基上直接施工钻孔灌注 桩基的成功实现，为今后同类工程的施工提供了宝的借鉴经验，打破了以往需待自然解冻土质恢复后方可施工的现状，大大缩短了建井工期。同时为今后人们对冻融土的研究提供了有力的依据。