沉樁擠土效應對輸水管道的影響與對策

[摘要] 近來在供水管道附近進行PHC樁沉樁施工時有進行，并因沉樁擠土效應造成管道破壞，出現了一些供水安全事故，造成巨大經濟損失。該文通過工程實例，分析了PHC樁沉樁中的擠土效應對輸水管道的影響，并提出對策，建議在沉樁前對供水管道進行防護，以確保供水安全。

[關鍵詞] PHC樁 沉樁 擠土效應 輸水管道

1 前言

近年來，靜壓法預應力高強混凝土管樁（即PHC樁）由于其價格低、工期短、無排漿污染、無噪音污染等優點在建設工程中得以廣泛應用。但PHC樁沉樁施工對周邊土體產生擠土效應，引起樁周圍土體產生嚴重拉裂和剪切，使樁周附近土體產生位移、轉動、應變，從而對附近埋置于地下的輸水管道等地下建筑物造成危害或破壞。輸水管道的安全是一個城市正常運行的重要保障。因此，在輸水管道周邊進行PHC樁沉樁前，應對其沉樁影響進行評價并采取相應對策以保證輸水管道的安全性和供水的連續性。

2 工程概況

湄洲灣北岸供水工程是由東圳水庫輸水至莆田市秀嶼、東吳工業開發區的大型調水、輸水工程，管道起點接東圳水庫放水管，管線全長66.407km。一期管道工程已于1997年11月建成通水，干管管徑1600mm，管材主要為預應力鋼筋混凝土管，設計輸水能力8.6萬m3/s，目前正穩定地向北岸一些大型企業如湄洲灣火電廠、佳通輪胎廠等和湄洲島供水，對供水的要求保證率高。

莆田媽祖工藝城是福建省重點項目，一期擬建的工藝品展示中心為2～3層大跨度建筑物，基礎采用靜壓式預應力高強混凝土管樁，樁徑為400mm及500mm，湄洲灣北岸供水管道從沉樁場地東南側通過，管底埋深3.50m，沉樁的基樁中心與湄洲灣北岸供水管道軸線僅5～7m。由于供水管道從場地東南側通過，施工單位僅對管道附近的9根基樁預留未打外，其他基樁均已沉樁完畢。

3 沉樁對管道的影響評價

本工程管道埋設于淤泥中，位于穩定地下水位以下，PHC樁體擠入軟粘土中，土體的初始應力平衡狀態遭到破壞，產生較大的瞬時擠壓應力，使土體壓縮，樁入土擠開相應體積的土體，在樁周圍飽和軟土中產生很高的超孔隙水壓力，擠土使樁周一定范圍內的土體隆起、位移。但由于靜壓樁擠土涉及到土的工程性質、有限變形問題、接觸問題、土的本構關系問題、固結問題等，機理復雜。

采用無限土體中圓柱形小孔擴張理論計算結果與實際的情況偏差較大。根據國內已有類似工程的實踐和監測，部分工程因沉樁擠土效應產生的應力增量、影響范圍和位移等遠比理論計算值要大得多。如寶鋼某廠房打樁時樁頂最大側移達400mm、在距樁中心距離40m左右處尚有10mm的水平位移量；武漢某預制樁工程，在16m埋深處距樁4m范圍內沉樁過程所引起的孔隙水應力增量達500kPa以上，在距樁6～10m范圍內仍有相當大的超孔隙水壓力存在；上海某高層建筑，樁基礎采用鋼筋混凝土預制樁，有效樁長28m，基樁斷面為450mm×450mm，沉樁過程雖然采用采取了打釋放孔、控制施工速率等措施，但在距沉樁區邊緣9m處的煤氣管線水平位移仍高達138mm；莆田東圳路某商住樓靜壓預應力管樁施工過程中，在施工的基樁與湄洲灣北岸供水管道距離約10m時管道接頭脫節，致使停止供水多天。

綜上，由于靜壓樁擠土機理的復雜性、采用圓柱孔擴張理論計算的不完善性等，使得有關沉樁影響的計算偏于安全，本工程應根據以上工程實踐及監測資料，充分考慮沉樁擠土效應對管道的影響，在沉樁施工中采取防護措施和監測措施，以確保管道的安全性和供水的可靠性。

4 防護方案

4.1 預鉆孔取土沉樁

先在基樁樁孔位進行鉆孔取土，取土后進行沉樁。這種措施的作用相當于增加了塑性區內土的體積壓縮變形，對減少擠土效應比較明顯。鉆孔孔徑比樁徑小100mm，基樁ZH1（樁徑500mm）其相應預鉆孔YZK1的孔徑為400mm、基樁ZH2（樁徑400mm）其相應預鉆孔YZK2的孔徑為300mm；預鉆孔的深度均為設計樁長的2/3，約為13m左右。

4.2 設置排水砂井

根據以上的評價可知，在飽和軟土中打樁會導致很高的孔隙水應力。砂井的作用是促使孔隙水應力很快消散，以減少對管道的影響。砂井部分布設在管道一側、部分布設在樁群內部。樁徑為400mm、樁距為1600mm、樁長至圓礫層。砂井應采用出土灌砂法施工，這種施工方法一方面可不增加沉樁區內土的體積、減少擠土效應，另一方面可減少因沉管井壁的涂抹作用而降低其滲透能力。

4.3 設置防擠孔

根據魏錫克（Vcsic）[1]的修正剛度指數理論，在沉樁擠土效應中，樁周若有一個微小的體積變化，就會大大地減少土的剛度比，從而可大大降低塑性區半徑和擴張壓力。據此原設計方案為在管道與樁基之間采用“挖溝保護”法，但考慮管道埋深較大，場地狹小，放坡挖溝后壓樁機無法作業。故在臨管道側設置密集防擠孔，孔徑130mm、孔深7m、間距700mm、排距700mm、排數2排，呈梅花形布置。

4.4 合理安排沉樁方向

沉樁的流向對減少環境影響、保護管線和建筑物效果較好。背著建筑物沉樁比對著建筑物沉樁，其擠壓影響要小得多，這是因為先沉入的樁具有遮簾作用，使擠土的方向有所改變，從而起到保護作用。對9根未沉樁的基樁按以上原則合理安排沉樁方向，把對管道的擠土效應影響降到最小程度。

4.5 控制打樁速率

打樁速率越快，孔隙水應力的積聚越快，土的擾動越嚴重。特別是對于本工程，大部分樁基已沉樁完畢，屬于沉樁后期，沉樁區入土樁數已達一定數量，土體的可壓縮性逐漸減少，因此沉樁速率對管道的影響特別敏感。沉樁速率控制多少為宜，應根據現場監測情況而定。

防護方案布置如圖1所示。

5 防護效果評價

為了對本工程采用的防護措施進行效果評價，在防護施工中開挖暴露3個管節頭進行位移監測、管道外間隙監測和空隙水應力檢測[2]。

5.1 位移監測

把管節頭開挖暴露后，在管節頭上安裝變形監測點，監測點高度高出地面500mm，以便進行水平位移和垂直位移觀測。水平位移采用DJ2經緯儀觀測，垂直位移采用DS1型高精度水準儀按二等水準測量進行觀測。在施工前進行初值觀測，施工期間每天觀測3～5次，施工結束后繼續觀測10天，每天觀測2～3次。監測結果為：水平位移△emax=3.2mm，垂直位移△hmax=1.1mm。

5.2 管道外間隙監測

管道外間隙的大小是管道變形的直接反映。在每個管節的上方、左方、右方各做一個固定刻痕作為監測標志，采用游標卡尺進行測量。在施工前進行初值觀測，施工期間每天觀測1～2次，施工結束后繼續觀測10天，每天觀測1次。

監測結果：上間隙、左間隙、右間隙的位移最大值分別為：△上=0.04mm，△左=0.06mm，△右=0.1mm。

5.3 孔隙水應力監測

孔隙水應力監測設備采用振弦式孔隙水壓力計。本次監測共布設監測點5個?？紫端畨毫τ嫷穆裨O采用鉆孔埋設法，即在埋設地點用鉆機鉆孔，達到要求的深度或標高后，先在孔底填入部分干凈的細砂，將測頭放入，再在測頭周圍填砂，最后用膨脹性粘土將上部鉆孔封好。本次監測每天監測3次（其中至少1次必須在沉樁過程中監測），監測至沉樁結束后10天。監測結果：空隙水應力增量△u=5~12kPa。

通過以上監測及竣工后幾個月的運行可知，本工程通過采取一系列的工程措施和非工程措施后，空隙水應力增量小，管道幾乎沒有發生位移，管道正常、安全運行，防護措施有效。

6 結論

6.1 PHC樁沉樁的實際擠土效應遠比現行理論計算值大，理論計算尚待進一步深入研究。

6.2 PHC樁沉樁前應充分收集場地及場地附近輸水管道等地下建筑物的分布情況，并對其影響進行評價。

6.3 為了減少PHC樁沉樁對輸水管道的影響，采用預鉆孔取土沉樁、設置排水砂井、設置防擠孔等工程措施并結合合理安排沉樁方向、控制打樁速率等非工程措施對管道進行防護，其效果是非常顯著的。

參考文獻

[1] 胡中雄. 土力學與環境土力學[M]. 上海:同濟大學出版社，1997.

[2] 夏才初， 潘國榮. 土木工程監測技術[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.