微型鋼管樁在運行變電站地基基礎加固中的應用

周元強，湯 昊，王 磊，姚 剛

(1.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102；2.江蘇省電力公司揚州供電公司，江蘇 揚州 225009)

江蘇的沿海地區屬于濱海相海積沖積平原地貌單元，土層中含有較厚的軟土，具有高壓縮性、低強度、低透水性、觸變性等特性，工程性狀較差。建造于軟土地基上的變電站，往往對一些主要構建筑物采用人工地基，而對次要構筑物使用天然地基淺基礎。構筑物基礎在覆土和設備自重的作用下，會產生較大的沉降差。

蘇州某變電站于2003年建成投運，運行后出現大面積地面沉降和甚為嚴重的基礎不均勻沉降，造成設備支架傾斜、導線繃直(圖1)，嚴重影響了設備的安全運行。原設計單位在2004年12月1日～2010年4月19日間，對基礎沉降進行了多次測量，最大沉降達420mm。

目前變電站沉降雖漸趨緩定，但地面沉降仍會繼續，急需采取有效控制、補救措施。

1 工程地質條件與工程特點

1.1 工程地質條件

站址地基土30m深度范圍內自上而下的基本層序為：層(0)填土；層(1)原地表耕土；層(2)粉質粘土；層(3)淤泥質土；層(4)粉質粘土；層(5)粉土或粉砂。勘測期間地下水位埋深為0.5m左右。該區地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期為0.35s，場地地基土不考慮地震液化。

地質柱狀圖、平均層厚及微型鋼管混凝土樁入土深度見表1。

表1 地質柱狀圖及鋼管樁入土深度

1.2 工程特點

由于當地供電形勢嚴峻，沒有停電施工的可能，需要在運行變電站內實施作業。同時，變電站內的設備布置密集，給施工帶來困難。本工程特點及施工難點如下：

(1)對安全的要求極高

變電站內設備密集，所有的加固項目必須在不停電的情況下組織施工。業主規定施工操作高度不得超過2.2 m。在“一高(高電壓)一低(低空間)”的環境下必須做到“雙滿足”，既滿足變電站運行安全，又滿足現場施工安全。

(2)基礎類型多種多樣

加固、頂升、糾偏的施工方案必須隨現場條件的不同而千變萬化，需要施工單位不但要求具有綜合施工能力，更要求具備設計施工一體化能力，對于現場變化能提出合理可行、因地制宜的變更方案，方便協調，利于工程有序開展。

(3)崗前培訓必不可少

施工技術人員需要進行特殊培訓，在運行的高電壓設備下進行打樁施工，安全風險大，因此，必須對上崗工人進行嚴格的崗前安全及技術培訓。

(4)土建電氣密切配合

施工中部分因素難以預計，土建施工必須與電氣運行人員密切配合，除確保施工安全外，還應確保加固、整修結果能達到運行的要求。

2 地基基礎加固方案

既有建構筑物地基基礎加固技術，根據加固原理、時間、性質，通常分為注漿托換、樁式托換及基礎托換等。其中樁式托換法，概念清晰、傳力明確，安全可靠，控制沉降效果明顯。主要形式有：錨桿靜壓樁法、坑式靜壓法、預壓樁法、樹根樁法等[1]。針對站內基礎沉降情況，結合運行變電站內的現場作業條件，通過方案比選，選用打入式微型鋼管樁加固方案。考慮到運行變電站的供電安全，現有的加固方法和機械設備往往不能適應高壓帶電場區作業的技術要求。為解決運行變電站內地基基礎加固的施工難題，工程項目組自行研制小型樁機[2]，在基礎旁打設微型鋼管混凝土樁，通過化學植筋及鋼板連接件與鋼管樁連接(圖1)，實現天然地基地基的加固和頂升、糾偏。

微型鋼管混凝土樁的鋼管直徑為Ф152mm，壁厚4.5mm，用于加固地基的樁長22m，用于基礎頂升糾偏的樁長25m，管內分別灌注C30混凝土。

圖1 鋼管樁與基礎的連接示意圖

3 沉樁施工流程與方法

本工程的施工內容包括地基加固、基礎糾偏與頂升等幾個方面，它們都依靠微型鋼管混凝土樁來實現。微型鋼管混凝土樁以層(4)可塑～硬塑的粘性土為持力層，進入持力層的深度約2.0m～2.5m。

正如前述，施工的主要難點是要在2.2m限高條件下實施所有作業，其關鍵點就是沉樁設備。本工程的沉樁設備沒有現成的產品，必須自行研制。研制的內容不僅僅是機械制造問題，應還包含了以下四個重點：沉樁工藝參數、設備制作、沉樁工藝方法以及質量控制。

3.1 沉樁工藝參數

3.1.1 估算單樁沉樁動阻力

按照長三角工程地質條件與工程經驗公式估算單樁沉樁動阻力：

式中：Lfi為動側阻力集中區域，為樁端以上8倍樁徑(即1.2m)；Pdk為動端阻力。層⑷粘性土取3000kPa；qdk為動側摩阻力。取160kPa；K為閉口樁阻力系數，取1.3。

將樁的動阻力與估算而得的靜極限阻力(300kN)進行比較可得190/300=0.63，與本地區工程實測數據范圍(0.6～0.75)比較吻合。

3.1.2 錘擊沉樁工藝與參數

本工程場地地質條件屬于軟弱土類型，樁體長徑比L/d＝22/0.152＝145，屬于超長型，樁距一般為1.0m， 距徑比S/d大于6， 最大排土率小于2%，屬于疏樁型。所以，本工程的樁屬于在軟弱土體內錘擊小直徑、超長型的疏樁，宜采用低落距、重錘輕擊工藝。

鋼管樁錘擊沉樁，錘重在有效落距為1.0～1.5m時取樁體自重的1.0～2.0倍(落距大取低值)。本工程φ152×4.5鋼管樁的樁體自重為360kg，落距在1.0～1.5m時，錘重應控制在4～7.2kN之間。考慮到2.2m限高要求以及重錘、低距、輕擊的原則，落距宜按0.5m考慮。根據錘的沖擊力應大于沉樁阻力的基本要求，使錘的沖擊力Pd應滿足下式要求：

式中：λ為沖擊系數，與樁錘及樁墊材質有關，一般取50；W為錘重；H為落距。

由上式演變為

因此必須使錘重W ≥7.5kN。

對于小直徑(d＜600mm)、壁厚大于0.02d的鋼管，當最大錘擊應力小于鋼材強度設計值時，可不進行局部壓曲驗算。Q235φ152×4.5鋼管能承受的最大錘擊應力σ =190/(π×0.0762－π×0.07152)=91.1kPa＜210 kPa，能夠滿足要求。

由以上計算分析，最后確定錘擊沉樁工藝與參數為：錘重為750kg的自由落錘錘擊方法，0.5m左右的低落距的錘擊工藝。

3.2 設備制作

新研制的沉樁設備必須具備下列基本功能。

(1)限高2.2m：包括設備總高度以及行為的最高觸及高度。

(2)單件輕便、方便裝拆：由于凈空受限，無法采用大型起重設備或機械移動裝置，沉樁設備必須能方便地裝拆，分解后的單件重量較輕，適合人力搬遷。

(3)能適應小空間：由于變電站內的基礎布置十分緊密，施工空間狹小，沉樁設備必須能適應小空間作業。

(4)能進行多項作業：能夠滿足掛卸錘、自由下落、焊接、調整垂直度等多項作業的需要。

3.3 沉樁工藝

3.3.1 準備工作

準備工作包括熟悉設計圖紙、測量放線、基礎與施工場地凈空量測、沉樁順序安排等。除了測量放線與施工場地凈空量測是特殊內容外，其他準備工作與常規施工相同。

3.3.2 測量放線與基礎邊沿暴露

微型鋼管混凝土樁的樁位必須緊靠基礎邊緣，以便沉樁后與基礎的連接。為了準確測放樁位，需要將基礎邊沿輪廓暴露出來。對于需要頂升或糾偏的基礎，需根據基礎頂面埋置深度采取挖除頂面土方或局部挖坑方式。

3.3.3 施工場地凈空量測

需要把每一個進行加固、頂升與糾偏基礎上面的設備情況、設備之間凈空詳細調查量測，為安排沉樁順序和沉樁設備布置方式提供依據。

3.3.4 鋼管制作

鋼管材質為Q235B，φ152焊接鋼管，壁厚4.5mm，單根采購長度6.0m。進場復檢合格后，采用砂輪切割機切割成1.5m與1.0m兩種長度規格，1.5m用于軟土段內，1.0m用于持力層與表層穿越硬殼層。切口要平直，去除毛刺。鋼管的下端磨成坡口。

為保證鋼管內可灌入混凝土，本工程采用閉口鋼樁尖。

3.3.5 分段沉樁與焊接

(1)分段原則：每樁開始的4.0m范圍是穿過填土與硬殼層的一段，采用單節1.0m鋼管，用大落距重擊。在淤泥質土中采用單節1.5m鋼管，小落距輕擊，最后4.0m范圍內采用單節1.0m鋼管，大落距重擊，使樁端進入持力層的深度滿足設計需要。

(2)樁節限位：將首段鋼管沿基礎邊緣樁位處插入土層。沉樁機機架底板處設置護管裝置，可有效地限制鋼管下端位置，不因遇到地下障礙物而偏移。鋼管頂端卡在樁墊的凹槽內，樁墊沿錘架立柱上下垂直移動，樁墊的凹槽與底盤護管位于同一條垂直中心線上，保證了鋼管樁的垂直度。

(3)錘擊沉樁：首節樁與每節樁焊接后的起始若干錘都應采用小落距輕擊，待沉入0.3m以后，再增大落距。根據沉樁貫入度隨時調整落距和錘擊節奏，保證均勻有節奏地沉樁。

(4)焊接：沉入土中的樁頂高出底盤護管0.2m～0.3m時，應采用小落距輕擊，以控制鋼管的頂面在護盤面以上50mm～100mm，便于焊接作業。鋼管焊接采用對稱連續焊接，要求焊縫飽滿，符合焊接抗拉強度標準及焊縫的密閉性，能阻擋地下水滲入鋼管內。焊接在坑內實施。

3.3.6 管內灌注混凝土

管內灌注C30混凝土的作業分段完成。因每次灌注的混凝土量很小，只能采用人工拌制。通常在沉入土中的樁段長度累計達2m～4m時進行混凝土澆筑作業。澆筑后的混凝土振搗依靠后續錘擊沉樁時的振動力予以振密。最后一段的混凝土則用微型振動棒插入管內振搗密實。

3.3.7 管樁與基礎連接錨固

管樁與基礎錨固連接的施工工藝流程如下：

植筋分為劃線定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋、固化與質量檢測等過程。

劃線定位：應根據構件植筋部位放線定位，用鋼筋探測儀探測鉆孔處有無鋼筋，若有鋼筋應適當調整鉆孔位置。

鉆孔：在鉆孔過程中，當遇到鋼筋或預埋件時應立即停鉆，并適當調整鉆孔位置。鉆孔直徑＝錨栓直徑d＋4mm(錨栓直徑小于20mm)、植筋錨固長度15d。

清孔：將硬毛刷插入孔中，往返旋轉清刷3次，用工業酒精棉棒將孔壁及孔底的剩余粉末清除干凈。同時將鋼筋上的銹跡刷除，鋼筋(植入孔內部分)上的油污擦拭干凈。

灌注膠粘劑：使用專門灌注器進行灌注植筋膠，邊灌注邊排空氣。灌注量為孔深的2/3，保證在植入鋼筋后有少許膠粘劑溢出。

植筋：注入膠粘劑后，應立即將錨栓邊單向旋轉邊插入孔內，并盡量使錨栓與孔壁間的間隙均勻，直至達到規定的深度。

靜置固化：膠黏劑完全固化前，不得觸動或振動已植入的錨栓，以免影響其粘結效果。

用于加固地基的錨固板用4M16高強螺栓固定(圖9)，用于基礎頂升糾偏的錨固板用6M16高強螺栓固定。

與微型鋼管混凝土樁連接的牛腿鋼板厚度也各不相同。用于加固地基的錨固板用12mm厚，用于基礎頂升糾偏的錨固板用20mm厚。

3.4 質量控制

3.4.1 材料控制

鋼管、電焊條、砂、石、水泥應有出場合格證與質保書。鋼管應進行焊接抗拉強度試驗，砂、石、水泥等均應抽樣檢驗。自拌的混凝土每根樁制作三組混凝土試塊。

3.4.2 停錘標準

微型鋼管樁沉樁的停錘標準以樁端設計標高控制為主，最后貫入度作為參考。當沉樁過程中出現下列異常情況時，應立即會同有關方研究處理：①進入持力層后，與設計深度相差較遠，連續三陣每陣十錘的貫入度小于3～4cm/擊；②總錘擊數達到200錘以上，最后1m的錘擊數大于20錘以上。

3.4.3 焊接檢查

每個接頭焊接完畢，及時進行檢查驗收。如有疑問，可以在現場截取焊接試樣進行抗拉強度試驗，如對整個樁的焊接質量有懷疑，可以進行整根樁的抗拔試驗。

3.4.4 承載力與樁身質量檢查

采用靜載荷試驗檢測單樁極限承載能力，對所有完成的微型鋼管混凝土樁，按樁數的30%進行低應變動力測試，以檢驗樁身質量。

植筋進行錨固承載力的現場抽樣分批檢驗，每批隨機抽檢3件。

3.4.5 合理安排沉樁順序和控制沉樁速率

閉口的微型鋼管混凝土樁屬于擠土樁，雖因距徑比大于6，沉樁擠土率僅在2%以內，擠土效應不很明顯。但對深厚的淤泥質土地基來說，容易受到沉樁的擾動，孔隙水壓力消散較慢，所以還應注意沉樁擠土效應。

緩減擠土效應的主要途徑是要減小孔隙水壓力。主要措施是控制沉樁速率、合理安排沉樁順序、設置消散壓力的應力釋放孔或排水孔等。由于本工程加固樁屬于疏樁基礎，受施工凈空影響，每根樁的接頭很多，施工效率很低，因此每天的沉樁速率慢。每套22m的微型鋼管混凝土樁的沉樁歷時約為4h，每臺班(工作8h)沉樁僅2套。所以沉樁引起的孔隙水壓力不會很大，擠土效應也就不是很明顯。

對于基礎密集區域，盡量安排好沉樁流程，先密集區域然后稀疏區域，對于密集區域從內向外擴展。流程安排還要結合機械設備搬遷的實際狀況，做到統籌兼顧。

3.4.6 施工監測

防止擠土效應影響的另一個途徑就是加強施工監測，做到動態信息化施工。

由于本工程的理論擠土率不高，且沉樁速率也不快，所以沉樁施工監測項目主要以沉樁部位周邊的設備基礎的豎向沉降與水平位移為主，同時監測已經沉下去的相鄰樁的位移情況。

根據位移與沉降監測結果初步判定沉樁擠土效應的嚴重程度不很大。

4 頂升糾偏施工方法

頂升與糾偏都是用已沉入土中的微型鋼管混凝土樁來提供反力。原定僅作地基加固的微型鋼管混凝土樁是22m，它的反力只有220kN，而場地中多數基礎的墊層厚度達700mm，需要頂升反力達250kN以上，因此必須加長微型鋼管混凝土樁的長度，來獲得足夠的反力。

頂升糾偏的施工工藝流程為：

頂升糾偏的施工方法如下：

(1)在微型鋼管混凝土樁頂上放一塊鋼墊板，將起重量為500kN的千斤頂平穩地置于其上。

(2)將自制的專用頂升糾偏裝置安裝到牛腿和千斤頂上，收緊螺桿使千斤頂抵住頂升糾偏裝置的受力鋼板，螺桿下部構件勾住兩塊牛腿鋼板(圖2)。

(3)開始頂升時應緩慢加力，此時主要是克服基底與地基土的吸附粘結力，直到基底完全脫離地基。此過程中應監控千斤頂的壓力值，力求千斤頂壓力均勻，防止超過微型鋼管混凝土樁的承載力。

(4)當所頂升的基礎同時需要糾偏調平。在基礎與地基完全脫離后即將進入頂升狀態時，先進行基礎的糾偏調平，要求各支撐點根據計算的頂升量采用定向微量差動方法實現糾偏調平，即按照每步發力頂升3～5mm的微量，先短邊，后長邊的原則逐一調整，直至達到糾偏調平的目標。

(5)過程監控

頂升糾偏的另一個重要環節就是過程監控。監控內容包括微型鋼管混凝土樁沉降、基礎平面頂升量與水平位移、千斤頂壓力值等。

(6)基礎落實處理

當基礎頂升糾偏到位后，將微型鋼管混凝土樁焊接到基礎側面的鋼牛腿上。至此，基礎已牢固地連接到微型鋼管混凝土樁上。拆除頂升糾偏裝置和千斤頂，澆筑混凝土保護墩進行養護，最后覆土回填。

5 結語

(1)微型鋼管樁在運行變電站中進行地基加固與基礎頂升、糾偏獲得成功。這是繼連云港云臺變電站地基加固處理的又一個成功實例，為后續類似工程積累了成功經驗。

(2)沉樁設備輕巧可拆、便于搬遷，滿足運行變電站中限高空間的作業要求。

(3)建構筑物地基基礎的加固、糾偏施工應嚴格控制每一道工序，加強質量控制和施工監測，確保工程順利完成。

[1]林宗元.簡明巖土工程勘察設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[2]楊敏.微型鋼管樁施加預應力加固沉降基礎的試驗研究[J].建筑技術，2008，39(6).

[3]張雁，劉金波.樁基手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[S].