人工島上大規模PHC管樁施工技術

黃 磊

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程研究中心 上海 200002

1 工程概況

PHC樁全稱為預應力高強混凝土管樁，是采用先張法預應力工藝和離心成型方法制成的一種空心圓柱形預制預應力高強混凝土管樁，具有質量穩定、施工快、承載力高、價格低、穿透能力強和抗震性能好等優點，廣泛應用于建筑、水利、橋梁等工程中。

港珠澳大橋珠海口岸是港珠澳大橋主體與珠海、澳門兩地的銜接中心，位于珠澳人工島北片區。珠澳人工島坐落于珠海拱北灣南側，由人工填海而成，總面積208.87 hm2。珠海口岸樁基礎采用強度等級為C80、φ600 mm×130 mm的PHC管樁，共計12 378根，總長約510 000 m，單根樁長30～60 m。

承壓樁以⑤2強風化花崗巖或⑤1全風化花崗巖作為樁端持力層（上部有人工填土層、淤泥層），抗拔樁以黏性土層或砂層作為持力層，樁端進入持力層內不小于900 mm。單樁分2～4節，最大單節質量7.5 t（含樁靴）。

2 工程的重難點

1）人工島原始地貌單元為海相地貌，后經拋石護岸，填砂堆填整平，地形相對較平坦，標高為4.8 m左右，原始地形業已改變。場地內存在的特殊性巖土為人工填土、軟土及風化巖層。人工填土層由中粗砂、粉細砂構成，經過強夯處理。軟土由淤泥質黏土、淤泥、細砂及粗砂構成，并進行過真空堆載聯合預壓處理。風化巖層主要由礫質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖及中風化花崗巖構成。其中人工填土層及淤泥層與陸域地層存在著顯著的差異，需要對PHC管樁施工工藝流程中的部分環節采取針對性的技術措施。

2）人工島與陸地沒有橋梁連接，交通不便，因此人員、材料和設備運輸均需依賴船舶海運，其中管樁運輸是建設工程的瓶頸，需要專門制訂運輸方案。

3）島上大風、雷暴等不利天氣影響比周邊陸域環境大，因此人工島上PHC管樁施工難度將會超出類似條件下的陸域施工，在施工技術和施工組織方面均應做好充分的準備。

3 施工工藝

地層上部人工填土層為砂性土，層厚7～10 m，在砂性土中因受振動液化影響，錘擊樁施工摩阻力比靜壓樁要小；人工島四面環海，錘擊樁施工帶來的噪聲在采取適當措施下可忽略。另外，靜壓樁因樁機重而對場地要求高，故綜合考慮PHC管樁采用錘擊法[1-2]。

3.1 樁機及樁錘參數

樁機采用全旋轉步履多功能樁架，立柱高22 m，樁機工作狀態尺寸為8.5 m×8.2 m×23.8 m，樁架總質量60 t。

柴油錘結構簡單、使用方便、錘擊能力大、工效高，且落距隨沉樁阻力大小而自動調整，故比較適合管樁的施打。根據“重錘輕擊”的原則，樁徑600 mm的管樁樁錘可選擇HD80型柴油錘，該錘上活塞質量8 000 kg，單次打擊能量176～272 kJ，錘體總質量16.6 t，起落架總質量1 170 kg，上活塞最大沖程4.1 m，錘體高度6.22 m，樁錘寬度1.1 m。

3.2 施工流程

場地平整、測量放樣→布設樁機走道→樁機就位、調整垂直度→吊樁→插樁→錘擊沉樁→電焊接樁→接頭檢查→送樁至要求深度及貫入度→單樁完成及驗收→樁基承載力檢測

3.3 施工工藝要點

在人工島上采用錘擊法施工PHC管樁，應在常規陸地上的施工方法的基礎上，根據人工島的地質、環境特點加以改進。

3.3.1 沉樁

人工島上的人工填土層改變了原始地貌，在PHC管樁施工中需要引起重視。本工程中人工填砂層厚度在10 m左右，其下為淤泥層，施工時首節管樁基本在砂層中打入，摩阻力較大，進尺速度較慢；接完第2節樁繼續沉樁時，樁尖往往已經穿過砂層進入淤泥層，摩阻力急劇下降，進尺速度非常快，有時無需響錘，僅靠錘自重即可沉入數米。因此在管樁施工前需要認真研究地質勘察報告，根據地層的特點有針對性地制訂施工參數，對現場施工人員進行詳細的技術交底。

首節樁精度控制尤為重要，務必保證樁的平面位置正確以及垂直精度。否則，待后續施工中再調整，樁將始終貫入土體偏軟弱方向，若樁的傾斜度過大，將直接影響樁的貫入深度，甚至造成樁折斷等現象。另外，每根樁的第1節沉樁是控制傾斜誤差的關鍵。若控制住第1節樁誤差，則其他節段的樁相對易控，整根樁的質量即得到保證。當插樁位置正確且垂直度小于L/500時（L為樁長），即可開始沉樁作業。初沉階段力求輕擊，以利于保證樁的垂直度。當發生傾斜時，及時糾正，傾斜嚴重時必須拔出重打。當樁入土漸深，垂直度在L/300范圍內，可充分發揮錘的工作能力，將樁沉入土中。

開始錘擊時，應使錘處于低沖程的空冷錘法錘擊狀態，樁尖入土3 m后，在確認樁身貫入方向無異常時，方可進行連續正常錘擊。沉樁應力求連續施工，中途不得人為停錘，確需停錘時，應盡量縮短停錘時間。樁錘擊時的壓應力應小于樁身材料的軸心抗壓強度設計值；錘擊拉力應小于樁身材料的抗拉強度設計值。

沉樁過程中，在樁的正、側兩面，以線錘校核插樁的垂直度（雙向吊線），考慮到人工島上風大影響線錘擺動，重錘下須配置油杯，或使用2臺經緯儀在90°夾角方向觀測，確保樁尖、樁身、樁錘在同一豎直方向上。遇6級風以上時，須暫停沉樁作業。

沉樁過程中，若出現貫入度反常，樁身傾斜、移位或樁身、樁頂破損，應查明原因，進行必要處理后方可繼續施工。因地下障礙物致使樁位偏移或傾斜時，不得強行糾偏，應會同參建方研究并達成統一意見后進行處理。在沉樁過程中要保持柴油錘正常跳動，不得隨意調整柴油錘油門開關，時刻觀察樁的入土情況并作好沉樁原始記錄。

3.3.2 接樁

PHC管樁由單節拼接而成，采用端板焊接連接。考慮到人工島地下水、土具有一定的腐蝕性等不利因素，為提高管樁接頭的耐腐蝕性能，設計方案采取預留腐蝕余量的措施，將接頭的焊接剖口深度加深至25 mm，且將AB型管樁的端板厚度由20 mm增至24 mm。因此，接樁焊接時必須以多層多道橫焊完成。通過端板模擬焊接工藝試驗，確定了焊接工藝：

1）焊接采用二氧化碳氣體保護焊。

2）焊絲的規格必須選用ER-506或等強的其他焊絲，焊絲直徑為1.0 mm或1.2 mm。

3）樁管端面對接前先清理兩端面上的泥沙和其他雜物，以免焊接產生氣孔而影響焊接質量。

4）第1道焊（打底焊）電壓為35 V，電流為280 A；第2道焊電壓為38 V，電流為300 A；第3道焊電壓為42 V，電流為350 A；第4道焊（高面焊）電壓33 V，電流為260 A。視樁管端面坡口大小、深度而自定焊縫層次，焊縫電壓和電流也適當增減。

5）二氧化碳氣瓶盡量豎放，保證開氣時可以看到減壓氣鋼珠的浮動值。一般調節氣壓為20 MPa左右，但由于工地海風有時較大，可以適當調高氣壓≥25 MPa。

焊接時盡量控制焊絲與工件（端面）的距離≤8 mm，由2～3名焊工采用對稱焊接法同時施焊，以減小變形和殘余應力。焊接層數≥3，焊縫應飽滿連續，接頭不可強制冷卻，在自然冷卻5～10 min以后才可進行施壓。

在單根樁沉樁完成后，須及時采用薄鋼板或編織袋裝砂封堵孔口，并回填至與地面相平，防止因風大等因素引起的墜物現象，從而給后續清理樁內雜物帶來不便。回填材料可利用場地內砂土，回填后密實度須滿足樁機行走要求。在澆灌填芯混凝土前，應清理干凈管樁內壁浮漿及雜物，以提高填芯混凝土與管樁樁身混凝土的整體性。

3.3.3 超深送樁

本工程地鐵預留區基礎樁送樁最大深度達到9.7 m，其他各區基礎樁送樁深度達到5.5～7.5 m。常用送樁器可送樁6 m，另增配7.5～8.8 m送樁器，對送樁深度7.5 m以內的樁，送樁至設計標高。地鐵預留區承臺樁送樁深度過大，數量也較少（300～400根），為保證施工質量，考慮采用加長配樁長度、開挖后截樁的方式處理。

根據DBJ/T 15-22—2008《廣東省錘擊式預應力混凝土管樁技術基礎規范》，送樁深度不宜大于6 m。為了確保超深送樁質量，制訂了技術措施，主要措施如下：

1）確保工程樁垂直度。底樁（第1節）就位后對中調直，這道工序對成樁質量起到關鍵性的作用。調直時，一要使樁身垂直，二要使樁身、樁帽、樁錘的中心線重合。測量管樁樁身包括打樁導桿的垂直度，當垂直度偏差不大于0.4%（規范要求0.5%）時方可開錘施打。樁打入過程中修正樁角度較困難，因此就位時應正確安放，開始應輕輕打下，必要時要拔出重打。

2）送樁器。送樁器做成圓筒形，并應有足夠的強度、剛度和耐打性；上下兩端應平整，且與送樁器軸線垂直，器身彎曲度不得超過0.1%。送樁作業時，在送樁器套筒內設置硬紙板或膠合板襯墊，襯墊經錘擊壓實后的厚度不小于15 cm。由于送樁器過長，在施工過程中不斷錘擊，可能會造成送樁器變形，因此需定期對送樁器的外形形狀、順直度和樁帽進行檢查，確保無恙。

3）柴油錘油門控制。當樁錘錘擊樁頭時就產生一個沿樁身向下傳播的壓縮應力波。應力波的最大強度主要取決于樁錘的錘擊速度，而錘擊速度與錘的落距的平方根成正比，特別是超長送樁器在施工過程中可能會產生一定程度的彎曲及管樁垂直度的偏差，因此更容易發生送樁器與樁之間非面接觸狀態。為防止樁受錘擊時過大的沖擊應力使樁頭被打爛擊碎，應遵循“重錘低擊”原則，選用80型柴油錘運作時，油門一般只開二擋，最多開三擋，這樣樁頭不易被打碎，錘也不易損壞。

3.3.4 土方開挖時對管樁的保護

由于管樁樁頭多處于人工填土層和淤泥層中，基坑土方開挖時應注意對管樁的保護。可使用小型挖掘機械設備，在施工便道上鋪設鋼板，特別是要控制土方開挖機械設備作業面、運輸車輛作業通道與開挖面之間的高差，防止因施工荷載過大導致臨時邊坡失穩，發生土體滑移，導致管樁傾斜偏位，甚至受剪切破壞造成斷樁。

4 施工組織

4.1 管樁材料運輸

管樁海運方案的制訂原則為：根據總工程量、工期、運距、天氣等因素，算出每天運輸需求量，再根據每天運輸需求量安排船只載質量、數量及裝貨卸貨作業人員等。

珠海口岸基礎工程管樁總需求量超過500 000 m，工期5個月左右，平均每月需供應100 000 m管樁，單位時間內供應量大。人工島距離九洲港約2.6 km，其北端有一個長95 m的交通碼頭，主要供人員交通使用，施工期間可供材料和設備運輸。經過實地勘測，2 000 t級散貨船可靠泊卸貨。通過實測收集數據，精確計算后確定管樁運輸方案。管樁全部采用船運至人工島北側碼頭，由履帶吊卸樁至平板車上，再轉運至施工現場各臺樁機施工區域臨時堆放，考慮天氣等異常因素影響，每天運輸不少于4 000 m，滿足了施工進度的需求。

4.2 施工機械組織

在現場施工中，應綜合考慮樁數、場地、樁機工效、工期和碼頭吞吐量等各因素，合理安排樁機數量。根據樁基礎平面布置圖，結合GB 50202—2016《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》中“靜載荷試驗……檢驗樁數量不應少于總數的1%，且不應少于3根”的要求，劃分好管樁檢驗批。每一檢驗批樁數接近且不超過300根管樁，兼顧滿足規范要求和減少檢測不確定性對樁基礎質量驗收的影響。個別檢驗批樁數不得不超過300根的，則應盡量接近且不超過400根樁。

施工時，每一檢驗批就是一個施工分區，盡可能由1臺樁機施工完成。同時，應合理規劃樁機走向，包括在每一個施工分區內的走位和施工分區之間的走位，確保每臺樁機按照施工走位圖能夠每天完成計劃樁數。相鄰施工分區的樁機保持一定的距離，不產生互相干擾。樁機完成一個施工分區內的樁基礎后，能迅速轉移至下一個區域進行施工，盡量做到無縫銜接，避免樁機長距離跨分區轉移。

4.3 施工場地排水組織

珠海地區屬亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，年均降雨量超過1 770 mm。珠海口岸基礎工程施工期間恰逢雨季和臺風多發期，人工島上人工填土材料為砂，砂層中積聚的雨水和地下水量豐富。施工場地平坦，無排水管網，僅有沿岸分布數根鋼筋混凝土管排水口，地面排水困難。

在預應力管樁和基坑止水帷幕、支護樁施工期間建立地面排水系統，由排水渠和排水溝組成。排水渠環繞整個施工場地一周，與人工島西側中部的2個排水口連接，總長度達3 000 m。排水渠深2 m，下底寬2 m，上口寬約8 m，兩側按1∶1.5放坡，用砂袋堆筑護坡。為確保臨時道路安全，排水渠距離道路約10 m。臨時道路通過排水渠的路段下埋設2根φ1 350 mm鋼筋混凝土排水管。施工場地內低洼地段開挖一些小型排水溝并使其與大排水渠相連，使場地積水主要通過自排方式排出，解決了場地匯水面積大與水泵數量有限的矛盾。

在排水渠修筑后，經歷數次暴雨檢驗，逾200 000 m2的施工場地再也沒出現過水浸問題，雨后可迅速恢復施工生產，為工程贏得了寶貴的施工生產時間。

5 施工效果

5.1 工程質量

預應力管樁施工結束后，按設計要求和規范規定進行了抗壓和抗拔靜載試驗、低應變等質量檢測。其中，抗壓靜載試驗檢測129根、抗拔靜載試驗檢測34根、水平推力靜載試驗19根，全部合格。管樁低應變檢測結果顯示，全部被檢樁均達到Ⅱ類樁以上標準。其中：送樁深度＞6 m的Ⅰ類樁占比97.42%，送樁深度≤6 m的Ⅰ類樁占比96%。管樁樁位偏差復核結果顯示：送樁深度＞6 m的樁，樁位偏差不符合要求的共12根，占比2.01%；送樁深度≤6 m的樁，樁位偏差不符合要求的共15根，占比2.34%。

從統計結果看：針對人工島特殊的環境制訂了相應的獨特的工藝，保證了人工島上大規模PHC管樁施工的總體質量是優良的，達到了優質結構的質量要求；同時，在采取了前述超深送樁的技術措施后，送樁深度超過6 m的預應力管樁與送樁深度在6 m以內的預應力管樁的施工質量和樁位偏差基本在同一水平上，可見制訂的技術措施是行之有效的。

5.2 工程進度

通過有效的施工組織，保障了管樁材料的供應，管樁施工期間共投入錘擊樁機20臺，劃分了施工分區（檢驗批）41個，5個月完成了12 368根、總長516 242 m管樁的施工，滿足了合同工期的要求。最快的時候19 d完成100 000 m管樁的施工，施工產量單日最高峰值達到7 000 m。

6 結語

PHC管樁是廣東地區應用廣泛的樁基施工方法，本文以港珠澳大橋珠海口岸工程為背景，通過對特殊地理位置、地質條件、氣候條件下大規模預應力管樁施工技術的介紹，得出如下結論[3-5]：

1）施工前應對施工環境進行系統性分析，對人工島施工的各種困難要有深刻的認識，做好充分的技術準備，合理規劃施工部署。

2）以傳統工藝為基礎制訂了人工島上PHC管樁獨特的施工工藝，并通過施工和質量檢測加以驗證，積累了寶貴的經驗和數據。

3）由于人工島自身的特殊性和管樁施工產生的擠土效應，所以在管樁施工過程中需注意管樁的施工順序，以免產生較大的樁位偏差。

4）對材料供應、機械配置、場地排水等施工組織工作進行深入的分析研究，實踐后取得了成功經驗，為類似環境下大規模管樁施工提供了參考，具有一定的推廣價值。