滬杭高速鐵路橫潦涇特大橋大直徑PHC管樁陸上沉樁技術(shù)研究

王鳳龍

(中交二航局第二工程有限公司，重慶 400015)

1 工程概況

滬杭高速鐵路第三合同段橫潦涇特大橋位于上海市松江區(qū)境內(nèi)，本橋段樁基工程中共有PHC-B型管樁984根，管樁直徑為1.0 m，壁厚130 mm，樁長為52～69 m，樁尖穿過(2)2黏土層、(3)淤泥質(zhì)黏土層、(4)2黏土層、(4)3粉土、粉砂層、(5)4黏土層、(6)1黏土層、(6)2粉質(zhì)黏土層、(8)1粉質(zhì)黏土層，最終達(dá)到(8)2黏 土 層［7］，單 樁 豎 向 承 載 力 在2 719.1 ～4 071.4 kN。PHC管樁施工時共分4節(jié)打入，與承臺連接的第一節(jié)管樁長度原則上不小于16 m，上、下節(jié)樁之間的連接采用端板焊接連接，管樁的施工控制以樁長為主以貫入度為輔。每個承臺有8根管樁和10根管樁不等，其排列形式如圖1所示。

圖1(a)中4、5號樁為直樁其余為12.5∶1的傾斜樁，圖1(b)中5、6號樁為直樁其余為12.5∶1的傾斜樁［10］。

2 工藝試驗樁

2.1 試驗樁目的

工藝試驗樁的目的就是，通過沉樁試驗確定合適的沉樁設(shè)備及最后送樁階段貫入度，并通過靜載試驗驗證PHC管樁設(shè)計是否滿足要求。

2.2 試驗樁施工工藝

PHC管樁沉樁施工采用錘擊方式，施工工藝為:地上、地下障礙物處理→場地平整、強(qiáng)化→測量放線→樁機(jī)就位、調(diào)豎直度→吊樁、插樁→樁身對中調(diào)直→錘擊沉樁→焊接接樁(根據(jù)設(shè)計樁長)→錘擊沉樁→樁頂高程和貫入度符合設(shè)計要求→成樁驗收。

圖1 承臺樁基平面布置

2.3 沉樁設(shè)備的選擇

本工程打樁設(shè)備主要是選擇合適的打樁錘與樁架。樁錘應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、單樁豎向承載力設(shè)計值、PHC管樁的規(guī)格及入土深度等因素選用，選用時應(yīng)遵循重錘低擊的原則，樁錘的夯擊能量必須克服樁的貫入阻力，包括克服樁尖阻力、樁側(cè)摩阻力和樁的回彈產(chǎn)生的能量損失等，在本標(biāo)段施工中打樁設(shè)備的選擇是通過工藝試驗樁來確定的，打樁機(jī)樁架采用YBD-24型步履式樁架，樁錘采用12.8 t和15 t重導(dǎo)桿式柴油打樁錘及10 t重筒式柴油打樁錘，其型號分別為:DD12.8、DD15、D100-3。打樁錘主要參數(shù)見表1。

表1 各打樁錘技術(shù)參數(shù)

DD12.8型導(dǎo)桿式柴油錘優(yōu)點:自重小，機(jī)械性能穩(wěn)定，對樁頂損壞小，噪聲小，效率高。

DD12.8型導(dǎo)桿式柴油錘缺點:錘擊能量低，錘擊作用力小，連續(xù)作業(yè)時間短，施工中要2人來操作(1人操作油門，1人操作起落架)，對施工場地平整度及壓實度要求高。

DD15型導(dǎo)桿式柴油錘優(yōu)點:錘擊能量高，錘擊作用力大，對樁頂損壞小，噪聲小，效率高。

DD15型導(dǎo)桿式柴油錘缺點:自重大，機(jī)械性能不穩(wěn)定，連續(xù)作業(yè)時間短，施工中要2人來操作(1人操作油門，1人操作起落架)，對施工場地平整度及壓實度要求高。

D100-3型筒式柴油錘優(yōu)點:自重輕，耗油量小，錘擊能量損失小，落錘高度及錘擊能量可通過5個檔位來調(diào)整，可連續(xù)錘擊9 000～10 000擊，施工中僅需1人操作檔位即可，效率高。

D100-3型筒式柴油錘缺點:對樁頂損壞大，噪聲大，對施工場地平整度及壓實度要求高。

2.4 各打樁錘試打結(jié)果

各樁錘試驗結(jié)果見表2。

表2 各試驗樁施工數(shù)據(jù)

在所有試驗樁中選最后送樁階段貫入度較大的377-6號樁做靜載試驗［9］，單樁豎向抗壓靜載荷試驗成果表明，試驗樁377-6號樁的單樁豎向極限承載力不小于4 000 kN，大于設(shè)計要求Pmax=3 186.8 kN，最大沉降6.03 mm，小于設(shè)計規(guī)定8.8 mm。

2.5 試驗樁最終分析

通過試驗樁的施工參數(shù)及靜載試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)采用15 t重導(dǎo)桿式打樁錘(落錘高度為1.8 m)能夠滿足施工要求;

(2)62 m長的PHC-B1000(130)管樁承載力能夠達(dá)到設(shè)計要求的最大承載力，對應(yīng)的最大沉降量也小于設(shè)計規(guī)定的最大沉降量;

(3)施工最后30 cm平均貫入度11 cm/10擊，能夠滿足設(shè)計要求。

2.6 最終設(shè)備選擇

通過工藝試驗樁及前期各打樁機(jī)施打情況來看，3種規(guī)格打樁錘各有優(yōu)缺點，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，是比較理想的沉樁設(shè)備，但是DD12.8型由于自重輕、錘擊能量小，在送樁階段常常出現(xiàn)貫入度偏小，甚至無法將PHC管樁施打到設(shè)計高程，所以決定放棄DD12.8型打樁錘，最終選用DD15型打樁錘和D100-3型打樁錘作為沉樁施工的打樁設(shè)備。

3 PHC管樁施打工藝

3.1 插樁

在打樁前，用2臺經(jīng)緯儀從互相垂直的兩個方向?qū)Υ驑稒C(jī)進(jìn)行豎直度調(diào)整，使樁塔豎直，并應(yīng)在打樁期間經(jīng)常校驗檢查，隨時保持樁塔豎直度，經(jīng)緯儀應(yīng)設(shè)置在不受打樁機(jī)移動及打樁作業(yè)影響的位置。插樁后，應(yīng)調(diào)整樁塔，使之與打入方向成一直線，在確認(rèn)樁的中心位置及角度無誤后，再轉(zhuǎn)為正式打入。在施打過程中必須保證樁身、樁帽和樁錘三者的中心線重合，保持樁身豎直，由測量控制其垂直度偏差不大于0.5%［3］，符合要求方可打入。

3.2 打樁

先張法預(yù)應(yīng)力管樁由4節(jié)組成，底樁就位前，應(yīng)在樁身上劃出單位長度標(biāo)記，以便觀察樁的入土深度及記錄每米沉樁擊數(shù)。吊樁用單點將管樁吊直，用鋼絲繩捆綁并控制樁的下端，使樁尖插在白灰圈內(nèi)，樁頭部插入錘下面的樁帽套內(nèi)就位。

直樁的控制:調(diào)直，使樁身、樁帽和樁錘三者的中心線重合，保持樁身垂直，由測量控制其垂直度偏差不大于0.5%［4］。符合要求方可打入。

斜樁的控制:按12.5∶1的斜率控制［2］，在打樁機(jī)架上用錘球吊12.5 m的高度，然后用量程為2 m的鋼板尺水平固定在打樁機(jī)架上。打樁時先將管樁垂直送入樁帽，然后調(diào)整角度與鋼板尺讀數(shù)1 m處對齊，待測量復(fù)核斜率符合要求后方可進(jìn)行打樁。

因地層較軟，初打時下沉量較大，宜低錘輕打，隨著沉樁加深，沉速減慢，起錘高度可漸增，以有效降低錘擊應(yīng)力，盡量不使管樁受到偏心錘打，以免管樁彎扭破壞。打樁較難下沉?xí)r，要檢查落錘有無傾斜偏心，特別是要檢查樁墊樁帽是否合適。如果不合適，需更換或補(bǔ)充軟墊。每根樁宜連續(xù)一次打完，不要中斷，以免難以繼續(xù)打下。

3.3 接樁

接樁采用端板焊接連接，焊縫等級為二級［5］。當(dāng)下節(jié)樁的樁頭距地面0.5～1.0 m［6］時，開始進(jìn)行接樁。先將焊接面清刷干凈，再在下節(jié)樁頭上安裝導(dǎo)向箍引導(dǎo)就位，當(dāng)PHC樁對好后，對稱點焊4～6點［4］加以固定，然后拆除導(dǎo)向箍。由2名電焊工對稱施焊，焊接層數(shù)應(yīng)大于等于3層［5］，內(nèi)層焊渣必須清理干凈后再焊下一層，要保證焊縫飽滿連續(xù)。焊接采用二氧化碳保護(hù)焊，焊縫不得凸出樁身，可與樁身外壁平起或凹進(jìn)1～3 mm［7］，表面不得有氣孔、夾渣，弧坑裂紋、電弧擦傷，并按不小于20%的抽檢比例進(jìn)行手工超聲波探傷。焊好的樁接頭應(yīng)自然冷卻8 min以上［6］，涂刷環(huán)樹脂涂層自然凝固后方可錘擊沉樁。接樁的原則是接觸緊密，現(xiàn)場連接操作簡便，并要注意新接樁節(jié)與原樁節(jié)的軸線一致。

3.4 送樁

為將管樁打到設(shè)計高程，需要采用送樁器，送樁器用鋼板制作，長度3～4 m不等，一般送樁器長度視送樁深度而定。送樁器應(yīng)有足夠的剛度和較小的變形量，以有效地傳遞能量給樁。

送樁前，將送樁器的下端置于樁頂，上端由樁機(jī)夾樁器夾持。送樁器的規(guī)格和強(qiáng)度須適應(yīng)樁頂、樁機(jī)的構(gòu)造要求，外形不致使下打阻力明顯增大，且易于拔出、以盡可能少帶起土體。送樁器宜堅硬牢固、不產(chǎn)生彎曲變形、能多次重復(fù)使用。送樁器和樁兩者的軸線在一條直線上，以減少偏心影響。

3.5 樁頂高程及貫入度確定

為保證能夠?qū)HC管樁送入到指定的高程位置，應(yīng)提前在送樁器上做好水平刻線，作為終錘高程線，送樁時只要將送樁器向下錘擊到終錘高程線與水準(zhǔn)儀十字絲的橫絲對齊即可，終錘高程線的位置就是從送樁器底部向上量取定值，該定值為儀器高與樁頂高程之差。

由終錘高程線向下每隔10 cm引1道水平刻線，連續(xù)引3道，在送樁到接近設(shè)計高程時可以數(shù)每下降10 cm錘擊數(shù)，以此來計算終錘時貫入度。

3.6 終錘標(biāo)準(zhǔn)

管樁的沉樁以設(shè)計高程控制為主，貫入度為輔。設(shè)計控制指標(biāo)為:

(1)樁尖達(dá)到設(shè)計高程，最后10擊貫入度小于等于12 cm且總錘擊數(shù)不超過規(guī)范規(guī)定的2 500擊時以設(shè)計樁尖高程為控制指標(biāo);

(2)樁尖達(dá)到設(shè)計高程，最后10擊貫入度大于12 cm時即報設(shè)計院請設(shè)計院明確處理方案;

(3)樁尖達(dá)不到設(shè)計高程，但總錘擊數(shù)超過規(guī)范規(guī)定的2 500擊貫入度指標(biāo)10擊小于等于10 cm同時樁尖高程與設(shè)計樁尖高程差值不大于2 m時，即可終錘。

4 施工注意事項

4.1 管節(jié)的焊接

PHC管樁的焊接要保持2管節(jié)的軸線一致，施焊面上的泥土、油污、鐵銹等要預(yù)先清刷干凈。接樁時在下節(jié)樁頭上安裝導(dǎo)向箍或加定位鋼筋。引導(dǎo)上節(jié)樁就位，施工時兩端板之間間隙不應(yīng)大于2 mm［5］，拼接處坡口槽電焊應(yīng)分層對稱進(jìn)行，焊縫應(yīng)連續(xù)飽滿。接樁時上下段樁的中心線偏差不得大于2 mm［2］，節(jié)點彎矢高不得大于樁段的0.1%。管樁焊接施工應(yīng)由有經(jīng)驗的焊工按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行，根據(jù)鋼端板的鋼材型號選擇合適的焊條，用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接［8］。

4.2 打樁應(yīng)力的控制

打樁應(yīng)力的控制要點如下:

(1)在整個打樁過程中，應(yīng)注意控制樁錘、替打、樁身在同一軸線上;

(2)每根樁宜連續(xù)一次打完，不要中斷，以免加大打樁應(yīng)力;

(3)初打下沉量可能較大，宜采取低提錘，隨著沉樁貫入度減少，起錘高度可漸增;

(4)“重錘低打”能有效降低錘擊應(yīng)力，樁錘對樁頭的錘擊速度越快，在樁身上(產(chǎn)生的應(yīng)力波強(qiáng)度也越高.即打樁應(yīng)力與錘擊速度成正比，所以為降低錘擊應(yīng)力并保持較好的貫入度，應(yīng)采用較重的樁錘和較低的速度施打;

(5)選擇合適的樁墊可以延長錘擊作用時間、降低錘擊速度。并借以降低錘擊應(yīng)力;

(6)防止錘擊過度。根據(jù)經(jīng)驗，PHC管樁的總錘擊數(shù)不宜超過3 000擊，最后1 m的錘擊數(shù)不宜超過300 擊［6］。

5 施工應(yīng)急處理

在PHC管樁施打過程中會由于PHC管樁自身質(zhì)量、現(xiàn)場施工操作、施工地質(zhì)條件等因素，導(dǎo)致部分管樁出現(xiàn)打裂或打不到設(shè)計高程現(xiàn)象，對于這些樁基一般都采取補(bǔ)樁措施。

5.1 打裂的PHC管樁處理

一般PHC管樁出現(xiàn)裂紋有以下幾點原因:PHC管樁自身有質(zhì)量缺陷、樁頂偏心受力、強(qiáng)行糾偏角度過大、地層太硬樁尖無法穿透。對于打裂的PHC管樁在處理時，通常采用在其外側(cè)凈距20 cm處補(bǔ)加同直徑、同樁長、同傾斜率PHC管樁的辦法。

5.2 樁尖無法達(dá)到設(shè)計高程的PHC管樁處理

對于樁尖無法達(dá)到設(shè)計高程的管樁視其截樁高度而定，如果截樁高度在2 m以內(nèi)，則不用采取措施可以直接進(jìn)度下道工序施工，如果截樁高度超過2 m且單個承臺截樁數(shù)量大于等于3根或是2根角樁的，需要補(bǔ)加同直徑、同樁長、同傾斜率PHC管樁。

對于一些地質(zhì)條件不理想，致使PHC管樁根本就無法達(dá)到設(shè)計高程的，則將該承臺管樁全部改為鉆孔樁，如果已經(jīng)施打了部分管樁的，則在其旁邊補(bǔ)加鉆孔樁，補(bǔ)樁的最終目的和原則就是，保證該承臺樁基各項技術(shù)指標(biāo)都能夠設(shè)計及施工要求。

6 工程監(jiān)測與結(jié)果評價

按照上海鐵路局印發(fā)的《上海鐵路局建設(shè)項目預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工管理暫行辦法》中的文件要求，對施工過程中的管樁焊縫進(jìn)行超聲波無損檢測，要求達(dá)到二級焊縫要示，抽檢比例不小于20%;施工完成后的管樁進(jìn)行小應(yīng)變檢測、靜載試驗及大應(yīng)變檢測，檢測比例為小應(yīng)變100%檢測;靜載試驗按照樁數(shù)的2‰進(jìn)行，單個工點不少于3根，實際抽檢3根;大應(yīng)變按照樁數(shù)的5‰進(jìn)行，單個工點不少于3根，實際抽檢3根［6］，通過對工藝試驗樁及已施工完成的管樁進(jìn)行檢測分析，監(jiān)測結(jié)果與設(shè)計值分析比較，所施工的PHC管樁焊縫等級、樁身完整性、極限承載力及最大沉降量均滿足設(shè)計施工要求。

7 結(jié)語

橫潦涇特大橋采用大直徑PHC管樁陸上沉樁技術(shù)方法，將橋梁基礎(chǔ)由以前的鉆孔樁變?yōu)镻HC管樁，與常規(guī)施工方法相比，其具有占地少，安全風(fēng)險低，不影響跨線交通，質(zhì)量有保證，成本節(jié)約，施工速度快等優(yōu)點。同時，PHC管樁施工方法集中了生產(chǎn)場地，形成工廠化標(biāo)準(zhǔn)管理，有效控制施工質(zhì)量，最大限度降低了對周圍的干擾。其具有先進(jìn)的施工工藝和高效率的特點，在國內(nèi)外橋梁建設(shè)基礎(chǔ)中也得到成功應(yīng)用，其具有更大的發(fā)展和推廣空間。

采用大直徑PHC管樁陸上沉樁技術(shù)方法，從工效上大大減輕了工期壓力大的難題，從工藝和控制上克服了常規(guī)施工中出現(xiàn)的不足。根據(jù)檢測結(jié)果與現(xiàn)場施工情況，施工全過程安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)，達(dá)到了又好又快的優(yōu)質(zhì)目標(biāo)，成功解決了該工程工期壓力大的難題，降低了工程風(fēng)險與工程造價。

作為一種成熟的工程產(chǎn)品，由于PHC管樁性能卓越、工程適應(yīng)性強(qiáng)，在施工中具有低噪聲、無污染、施工速度快、文明施工等特點，在工程上越來越得到廣泛應(yīng)用。但其應(yīng)用仍有一定的局限，如施工過程中對場地平整度及硬化強(qiáng)度要求較高，PHC管樁在鐵路樁基上進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用還應(yīng)當(dāng)突破一些施工技術(shù)難題，如打裂樁頭的處理、截樁高度的處理、貫入度的明確以及同一斷面管樁接頭率問題，筆者認(rèn)為PHC管樁的發(fā)展方向應(yīng)是改良拼接工藝。

［1］TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［2］中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.滬杭甬鐵路客運專線施工圖［Z］.武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2008.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［4］周新興.DBJT08—92—2000 先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.

［5］蔣元海，匡紅杰，等.GB13476—1999 先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.

［6］湯關(guān)祚，蔣元海.03SG409 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集)［S］.

［7］薛吉崗主編.客運專線鐵路工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［8］JGJ18—2003 鋼筋焊接及驗收規(guī)程［S］.

［9］中華人民共和國建設(shè)部.GB50205—2001 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2002.

［10］上海鐵路局.上鐵建發(fā)［2009］180號 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工管理暫行辦法［Z］.上海:上海鐵路局，2009.