樁基礎施工新技術專題講座（三十三） 自平衡下沉大直徑管樁施工工法（下）

（接上期）

自平衡下沉大直徑管樁施工工藝

根據不同工程條件和各工程具體情況，自平衡下沉大直徑管樁施工工藝可歸納總結為如下七種：無水地層自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝、無水地層自平衡下沉大直徑管樁（擴底）錨樁頂壓法工藝、無水地層自平衡下沉大直徑管樁預挖基坑填埋法工藝、無水地層自平衡下沉大直徑管樁（擴底）預挖基坑填埋法工藝、含水地層自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝、淺水河床（水深≤3m）自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝、深水河（海）床（水深3～30m）自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝。

本講僅介紹“無水地層自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝”

無水地層自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝

施工機械設備

自平衡下沉大直徑管樁與小斷面沉井的施工在制作和初始下沉階段有相似之處。主要差別是沿豎向分節，設中繼間，安裝千斤頂，上下節間設拉桿，靠千斤頂頂拉強迫下沉。

施工機械設備包括：①混凝土攪拌、運輸和澆筑設備，如運輸混凝土罐車、混凝土輸送泵車、混凝土振搗設備。②除土下沉設備，扣抓斗式挖掘機、吸泥機、高壓水泵和水槍沖射設備。③強迫下沉頂壓設備，如液壓千斤頂、高壓油泵、控制閥、高壓輸油鋼管及超高壓膠管。

鋼絲繩抓斗式挖掘機鋼絲繩抓斗式挖掘機是用鋼絲繩借助斗體自重的作用，打開和關閉斗門，以便挖去土體并將其帶出孔外的一種挖土機械。這種抓斗是用兩個鋼絲繩卷筒上的兩根鋼絲繩來操作，其中一根鋼絲繩用來提升或下放抓斗，另一根鋼絲繩則用來打開和關閉抓斗：其結構簡單耐用，價格低廉，特別適用于在含有大量漂石的地基中挖槽。

吸泥機 不排水下沉時，當水深大于5m時宜用吸泥機除土：吸泥機包括空氣吸泥器（機頭）、吸泥管、排泥管、風管，并另配相應排量的空氣壓縮機（表2）。

頂拉千斤頂機及油泵 中繼間安裝活塞式千斤頂，頂力1000～2000KN（依具體工程情況而定）。樁頂拉桿安裝穿心式千斤頂，頂力600-1200KN（依具體工程情況而定）：高壓油泵工作壓力為32-72KN/mm2，排量為21～4L/min。

無水地層自平衡下沉大直徑管樁錨樁頂壓法工藝

錨樁和基坑①在大直徑管樁周邊距管樁1500mm處鉆孔澆筑直徑600～800mm，長約6000mm呈正交的錨樁4根，樁頂與基坑底平=②管樁位置挖2.5～3.0m深的基坑，基坑底高程與管樁頂蓋板底面高程一致。③在基坑內預制第一節管樁。④錨樁內鋼筋與樁頂拉桿連接：⑤拉桿頂端安裝穿心式千斤頂壓緊頂壓鋼橫梁。

安裝鋼刃角 ①鋪設砂礫墊層，其厚度為250mm，寬度為管樁厚度加1000mm，灑水夯實：②在砂礫墊層上安裝組焊的鋼刃角，位置要準確，支撐穩定牢固。

砌筑磚底模 ①在砂礫墊層上砌筑磚底模，底寬為管樁厚度加500mm，頂寬為管樁厚度加250mm，高500mm。②鋼刃角與磚砌體間要填塞嚴密。③鋼刃角外鍘、磚徹底模內側填土夯實。

預制第一節管樁 ①在磚砌底模及鋼刃角上安裝、綁扎管樁鋼筋。②安裝管樁內、外側模板。③預留中繼間千斤頂槽，并預埋鋼墊板。④預埋φ40螺紋鋼拉桿、頂端安裝錐形聯接螺母，與預埋拉桿擰緊，頂面與管樁頂面齊平，螺母孔內填塞，防止混凝土流入堵塞。

第一節管樁下沉 ①第一節管樁混凝土強度達到設計的70%后即可開始在孔內挖土下沉。②抓斗式挖土機在孔內挖土呈鍋底形，深度達鋼刃角下1.5m后，由人工清挖刃角。③人工清挖鋼刃角，清挖外邊線與鋼刃角外側齊平，深約300～500mm，沿管樁環向、分段、對稱開挖，防止管樁傾斜。④管樁靠自重邊清挖刃角邊下沉，沉入深度約2m后，即停止第一階段下沉。

接高預制第二節管樁 ①第一節管樁沉入2m左右后，下沉困難不再挖土下沉，準備接高預制第二節管樁。②第一節管樁樁頂清理干凈，涂刷隔離劑；清理預埋拉桿聯接螺母，接長拉桿并套上波紋管；綁扎鋼筋，并與聯接鋼板焊接，安裝第二節管樁模板。③澆筑第二節管樁第一段混凝土，在管樁頂預留接高鋼筋，拉桿及孔道。④安裝外模前，預埋中繼間千斤頂。

管樁繼續下沉 ①開始第二階段下沉。靠兩節管樁自重，可使管樁下沉4～5m。②第二階段下沉重復第一階段工序，機械挖土，人工清挖鋼刃角，清挖時保持對稱、分段、同步，保證管樁平穩下沉。③管樁下沉達到5m左右后，因阻力增大很難繼續下沉，即停止第二階段下沉，準備接高管樁。

接高第二節管樁 ①管樁入土5～6m后下沉困難，準備接長第二節管樁。②清理管樁頂而，鑿毛、清洗，接長第二節管樁第二段鋼筋、拉桿及孔道波紋管，安裝管樁模板。③澆筑混凝土前做好施上縫處理，澆筑管樁混凝土，完成管樁預制工作。④接長錨樁拉桿，在管樁頂安裝頂壓橫梁，安裝錨樁頂穿心式千斤頂，利用管樁自重及錨樁提供輔助頂壓力，開始分節頂壓管樁下沉。

安裝頂壓設備預壓下沉 ①中繼間千斤頂槽安裝4臺1000KN千斤頂，調整為最小行程狀態。②管樁頂拉桿位置安裝穿心式千斤頂，拉桿穿過中心孔，千斤頂調整為最大行程狀態，拉桿螺母壓緊千斤頂活塞柱。③高壓油管要固定在管樁內壁上，中斷間與管樁頂千斤頂由一組油泵供油，由同一組滑閥控制，中繼間千斤頂給油時（頂壓下節），穿心式千斤頂同步回油、卸載，拉桿隨下節管樁下移一個行程。④清挖鋼刃角土方，啟動中繼間千斤頂頂下節管樁沉入一個行程，中繼間拉開200mam間隙，第一次頂開后立即清理隔離層及拉桿孔道，保證壓漿孔道為暢通狀態。

管樁自平衡下沉 ①管樁入土10m以后，即可實現自平衡下沉，可拆除錨樁頂壓設備。開動中繼間千斤頂，使下節管樁下沉一個行程，然后開動管樁頂穿心式千斤頂，使上部管樁跟進一個行程，如此往復進行。②機械挖土至刃角以下1.5～2.0m后，人工清挖刃角，刃角下清挖外邊線與刃角邊齊平，避免管樁下沉過程中刃角吃土給下沉增加阻力，清挖深度達300～500mm，即可開始頂壓。③刃角清挖后，開啟中繼間千斤頂，同步管樁頂穿心式千斤頂回油，頂壓下節管樁下沉一個行程（200mm），然后中繼間千斤頂回油，同步啟動管樁頂穿心式千斤頂頂壓上節管樁跟進下沉一個行程。④重復循環步驟③所述，交替頂壓操作，連續頂壓5～6個行程，管樁下沉1m后，暫停頂壓下沉，繼續用機械挖土，挖土深度超過刃角以下1.5～2.0m后，清挖刃角后，再次頂壓下沉，直至管樁下沉到頂定深度。

清挖管樁底板基坑 ①管樁經全斷面除土、交替頂壓下沉到預定深度后，停止下沉，中繼間千斤頂回油并啟動樁頂穿心式千斤頂，將中繼間接縫壓緊密合，同時用螺母將拉桿錨固在樁頂。②人工清挖刃角下基坑達刃角下1m深，平整基坑底，清除松土，準備澆筑底板混凝土。

澆筑管樁底板混凝土 ①管樁底板基坑清挖并經驗槽滿足設計要求后綁扎底板鋼筋，周邊要伸入刃角下。②澆筑底板混凝土，刃角下混凝土必須填滿，振搗密實。

拆除千斤頂，封閉中繼間 ①用樁頂穿心式千斤頂張緊拉桿，并錨固于樁頂，然后拆除管樁頂穿心式千斤頂以及中繼間千斤頂。②在中繼間接縫處，將上、下節管樁預埋的連接鋼板清理干凈，貼焊環管樁內壁環形聯接鋼板，將上下節管樁內側鋼筋聯接。③中繼間千斤頂槽內，上下節管樁鋼墊板之間焊接聯接鋼筋。④在中繼間千斤頂槽及環形聯接鋼板處支模澆筑混凝土，并留凸出管壁150mm左右的杯口，保證混凝土澆筑密實。⑤拉桿孔道及中繼間接縫處壓水泥漿填實、錨固。

管樁空心回填砂礫，澆筑頂板混凝土 ①管樁空心回填砂礫，分層回填灑水振搗密實。②回填到管樁頂，平整后澆筑50～70mm厚的墊層混凝土。③管樁頂接長綁扎鋼筋，支外側模板，預留墩柱預埋鋼筋，檢驗劍橋后澆筑頂板混凝土。

管樁頂接墩柱施工 ①管樁頂板混凝土脫模后，回填肥槽，全部完成管樁基礎工程。②清理管樁頂板表面并鑿毛，綁扎墩柱鋼筋，安裝墩柱模板，經檢驗合格后，澆筑墩柱混凝土，完成樁、柱合一的橋梁下部結構。

無水或不透水地層大直徑管樁自平衡下沉施工要點

管樁預制 自平衡下沉大直徑管樁可在工廠或現場分節（分段）預制，運至沉樁位置安裝、拼接，或在樁位就地預制，分節接高下沉。管樁分段長度第1、2節應等長，以4～5m為宜，第3節及以后各節可依需要加長到不超過第1、2節之和的長度。

管樁下沉除土 管樁下沉采用全斷面除土，初始階段管樁靠自重只能下沉4～5m、此時第2節管樁尚未入土不具備自平衡下沉條件，解決初始階段下沉可采用以下3種方法：①預挖基坑填埋法。在樁位處預挖4～5m深基坑，在基坑底面上安裝或澆筑第1、2節管樁，靠自重由基坑底深入4～5m，然后回填肥槽將第2節管樁埋入土中、接高第3節管樁后，啟動中繼間千斤頂，開始分節自平衡下沉。②加大底節自重法。將底節管樁壓縮到最短（3m），加厚底節管樁壁厚到（1/10～1/8）D，使底節白重增加到一般情況的2～3倍，靠自重深入地面以下；接高第2節管樁、第2節管樁自重可下沉6～7m，然后啟動中繼間千斤頂、開始分節自平衡下沉。③錨樁加壓法。沿管樁外側環向對稱設置4根錨樁，錨樁頂預埋拉桿與管樁頂面橫粱聯接，安裝4臺穿心式千斤頂（YC-60）、用千斤頂加壓輔助管樁下沉，第2節管樁入土后、啟動中繼間千斤頂、開始分節自平衡下沉。

管樁下沉到位 管樁下沉到預定位置后，先封底、然后拆除中繼間千斤頂、封閉中繼問、緊固拉桿、孔道壓漿使各節管樁聯成整體。

管樁空心回填 管樁空心可用貧混凝土、片石或砂礫回填，按設計要求也可以不回填，管樁頂蓋板要考慮樁柱合一結構受力要求和樁與墩柱聯接的需要。

自平衡下沉大直徑管樁設計

自平衡下沉大直徑管樁是將管樁合理分節，靠自身阻抗互為支撐，交互頂壓下沉，然后聯接各節為一整體成樁（見圖1a）。管樁采用全斷面除土下沉，具適用樁徑為3～lOm，最大可達15m。管樁斷面和白重不受沉入摩阻力制約，可按結構受力和構造需要選擇截面，一般壁厚約為釬樁外徑的1/20左右，最小壁厚不官小于180mm，管樁的設計和施工，完全可按照現行罔杯、行標巾的基礎及結構規范實施。

自平衡下沉大直徑管樁作為橋梁基礎，首先要考慮樁柱合一的結構形式，墩柱與樁直接連接，不設承臺，根據墩柱斷面尺寸及荷載選擇樁徑及析長。

管樁豎向及水平承載能力，應驗算地基基礎及圍巖摩阻的容許承載力和樁側彈性阻抗。管樁樁身多數為環形偏心受壓構件。樁身應驗算豎向軸心受壓、受彎、及水平荷載作用下的強度及剛度變形。

管樁采用靜力強迫下沉工藝沉入，沉入過程采用全斷面除土，管樁下端設鋼刃角，刃腳外徑應較管樁外徑大40～50mm左右。管樁分節處設中繼間，安裝千斤頂，其頂力大于下節摩阻的1.2～1.5倍，確保下節管樁在靜壓下沉入。中繼間部位的上節管樁預埋設置600mm高的鋼板滑動套筒作上下節間的滑動連接，防止下沉過程接縫處進士。沿管樁斷面中線環向對稱設置直徑50～70mm預留拉桿孔道設置拉桿，拉桿總拉力應大于上節管樁摩阻力，拉桿下端錨固在下節管樁內，頂端在上節管樁頂連接穿心式千斤頂。下節管樁沉入一個行程后；由拉桿千斤頂上節管樁跟進下沉、實現交替下沉。

管樁排水下沉或封底后排水時，應驗算環形截面承受水壓力、土壓力作用下的強度剛度。

無水河床上管樁可以易地預制，吊裝就位連接，樁徑較大時官在樁位就地預制，邊下沉邊接高。有水或深水河床宜在工廠或現場易地分段預制，預拼到需要樁長后，浮運至橋墩位置，起吊、扶正，就位。

工程實例

2010年，在北京阜石路改建項目高架橋工程91#-96#橋墩，運用自平衡下沉大直徑管樁完成橋梁基礎工程，取得圓滿成功。采用一根樁徑7m，樁長18m的白平衡下沉大直徑管樁，成功取代原設計4根樁徑1.8m，樁長45m灌注樁承臺基礎。（見圖3）

工程地質情況：表層～-25m為卵石層，-25m～-35m為10m厚黏土層，-35m以下為卵石層，地下水位位于-23m左右。

該部分基礎原設計為4根直徑1800mm鉆孔樁，樁長45m，承臺8m×8m×2.5m，承臺頂面N=23700kN，M=90200kN·m，H=5260kN。單樁承載力Nmax=16000kN，Nmin=4097kN（抗拔）。高架橋上部結構為獨柱大懸挑蓋梁，造成原設計灌注樁承臺基礎中部分樁受拉。

上述基礎改為自平衡下沉大直徑管樁，樁柱合一，不設承臺。按照π型橋墩截面外緣6m×2m需要選用直徑7000mm，長18m，壁厚350mm管樁。管樁承載力容許值[Ra]=73050kN>40700kN。自平衡下沉大直徑管樁，樁柱合一取消承臺既簡化了基礎結構，又消除了原基礎結構受力不合理的不足，充分利用樁端阻力，合理選用地基持力層，使樁長減少60%，使原來復雜的施工問題得以簡化。

經濟分析對比，鉆孔灌注樁基礎總造價為80.2萬元，大直徑管樁基礎總造價為55.1萬元，后者較前者節省直接費31%。

施工工期對比，鉆孔灌注樁基礎為38天，大直徑管樁基礎為29天。后者較前者大大縮短工期。

（本講完）