某工業廠房預應力管樁施工實踐與應用

范從建，鐘燦兵，呂華剛，王 洋，王 超

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

1 研究背景及意義

預應力高強混凝土管樁具有強度高、沉樁速度快（200～300m/臺班）、地質條件適應性強、經濟效益好、適用范圍廣泛等顯著優勢，已被廣泛應用于各類建筑基礎及軟基處理工程。但PHC管樁在核電中的應用并不寬泛，通過AED及經驗反饋系統搜索查詢，發現類似實施項目及相關經驗總結極少，且建筑物等級低、設計樁長較短、承載力設計值較低。

文章結合復雜地質條件下PHC管樁大面積的施工應用，對本工程PHC管樁施工難點、經驗反饋及EC協同管理等多方面進行總結，旨在為后續PHC管樁的應用提供借鑒意義。

2 工程概況

2.1 工程概述

汕尾地區某風電產業園的工程樁基設計等級為丙級，所有預應力管樁均為端承摩擦樁，樁型號為PHCAB500（125），設計樁長9～25m不等，樁數約2500根，總長約50000m。單樁抗壓承載力特征值1000kN，單樁抗拔承載力特征值不小于300kN。沉樁施工質量控制為貫入度、樁長雙控，樁端持力層為礫質黏土層、全風化花崗巖或強風化花崗巖，樁入持力層至少1m。

2.2 工程地質情況

該場地典型地質情況從上而下為素填土、粉砂、細砂、粉質黏土、礫質黏性土、全風化花崗巖。工程所在場地內地質情況較為復雜，地層變化起伏大，部分場地存在深厚砂層，砂層最大厚度可達15m。同時，由于花崗巖具有風化不均勻的特征，在殘積土或強（全）風化花崗巖中發育有花崗巖球狀風化體（俗稱“孤石”），其風化及巖性在空間上是隨機的，并無規律性，填土層中含有碎石，粒徑約2～80cm不等，均將對沉樁產生不利影響。

3 主要施工難點分析及應對措施

3.1 管樁樁長配置

（1）難點分析。樁長配制是管樁施工質量能否滿足設計、規范要求及管樁施工損耗能否達成業主約定3%限值的主要制約因素。經分析，制約本工程配樁主要因素如下：①本工程初始設計樁長范圍較為寬泛，且未明確給出每承臺樁底標高。貫入度要求10～20mm/陣，沉樁收錘標準高。沉樁施工設計約定：下節樁露出地面約1.2m即可接樁，最后一節有效樁長不宜小于5m，送樁深度不超過1.0m。當沉樁快至設計標高時，此時貫入度還未達到設計要求，此時若接樁，則接樁樁長至少6m，有可能打入一半即以收錘，造成管樁損耗過高。②工程所在場地地質情況較為復雜，地層變化起伏大，雙控難度較大，勘察手段不合理、取樣間距過大，極易造成設計深度滿足但錘擊貫入度未達收錘標準，或收錘標準滿足要求但設計樁長達不到要求的情況。③本工程工期較短，從現場施工組織優化角度要求盡量減少樁節種類。

（2）應對措施。①將承臺樁位放樣到地質剖面圖，根據設計持力層要求確定承臺樁長，并提交設計、監理及建設單位共同確認；②根據承臺首根樁施工情況動態調配該承臺后續樁位配樁；③管樁供應根據當日施工情況并結合第二天施工樁位地質情況按需、均衡供應以滿足后續動態調配需求，避免集中到貨造成后續動態配樁被動，導致外露長度過大損耗率偏高；④合理確定收錘標準及樁錘類型；⑤需就地質成果不準確導致的樁長耗損合同邊界爭議與業主達成一致。

3.2 施工中遇孤石

（1）難點分析。根據地質勘探成果及前期場平施工狀況，工程所在場地孤石及填土層中2～80cm碎石含量較多，鉆探報告表明揭示到孤石埋藏的勘探孔約占總孔數的12%。極易造成施工過程中管樁爆頭、破裂及斷樁等情況，造成管樁耗損率較高。

（2）應對措施。①首先要仔細研究巖土地質情況，了解孤石分布位置、埋藏深度，孤石巖質情況（強風化、中風化或者微風化巖），然后根據孤石的不同情況，采取相應的技術措施；②孤石深度不大于4m時，需停止沉樁，并拔出管樁、挖除孤石，原土回填后再繼續沉樁；③孤石深度超過4m時，將現場具體情況反饋設計，包括樁身完整性、斷樁位置、傾斜程度等，由設計確定處理方案；④需就挖孤石等發生的合同邊界爭議與業主達成一致。

3.3 深厚砂層

（1）難點分析。根據詳勘報告，本工程管樁施工建議選擇全風化巖及其以下地層作為樁端持力層，最終設計樁端持力層為礫質黏土層、全風化花崗巖或強風化花崗巖。但場地廣泛分布有中密～密實細砂層，最大層厚約15m。場地地下水豐富，砂層處于飽和狀態，隨著管樁壓力的增加，砂層逐漸密實，沉樁砂層產生的超孔隙水壓力或砂層的“尖頂尖”效應使施工幾乎無法繼續進行，當管樁的摩阻力加樁底阻力與打樁沖擊力相等時，管樁無進尺，當沖擊力達到管樁極限承載力時，管樁破裂。

（2）應對措施。①設計試驗樁其持力層為粉砂層，其檢測結果良好，能滿足設計承載力要求，但設計圖紙要求的持力層為礫質黏土、全風化巖、強風化巖，推動設計持力層能否根據地質剖面情況制定分類控制標準；②選擇合適的樁錘；③必要時，考慮引孔。

4 本工程主要施工經驗反饋

在工程施工初期，按照地勘剖面圖配置的管樁施工時，部分管樁樁端持力層為中密細砂層即以收錘，繼續按設計要求施打樁身出現裂紋、甚至斷樁，斷樁及爆頭頻繁，外露長度最長可達6m，經統計，管樁損耗率高達20%。同時，存在部分管樁進入地質剖面圖中的中等風化巖約3m后仍未收錘，與相關規范推薦范圍及工程實踐偏差較大。通過相關文獻查閱，成熟工程實例查證、地勘資料剖析、專家咨詢、EC協同等多途徑，從勘探、設計、施工等多角度探討存在的主要問題及原因，并針對性地提出應采取的控制措施，實施效果良好，滿足質量及經濟性要求。經梳理，主要經驗反饋如下。

4.1 EC協同是實現施工降本增效的制度保證

項目實施之初便已奠定“又好、又快、又省”的工作總基調，反復論證尋求“技術最優、成本最省”的方案。針對管樁施工實施初期出現的管樁耗損高、施工與原設計要求偏差等技術難題，項目部主動轉變思路，深入分析存在問題，加強設計與施工EC聯動，實現無縫對接，加強安全、質量、成本、進度的平衡控制，同時加強精益化管理，成本控制相結合。

通過樁長、貫入度等設計指標的優化、并根據現場實際情況結合樁基檢測結果進行了樁長的動態調配，圓滿完成了該園區的樁基施工。經檢測，施工質量合格，進度及管樁損耗滿足業主要求，相較于設計樁長，累計節省管樁樁長8198m，實現節省造價約250萬，經濟效益顯著。

4.2 準確的地勘資料是確保工程質量及經濟合理性的前提

（1）主要問題。①本工程勘探取樣間距30～35m，而承臺間距約為8m，考慮到場地地質條件的復雜性，其取樣間距過大，不能準確反映各承臺下地質情況；②場地大部分為開挖區域，部分回填分層碾壓區域，回填厚度約2m，經過處理后的地基強度達120kPa，但地勘揭示的人工素填土層平均厚度為5.58m，且人工素填土層不能作為持力層。設計據此在承載力計算時，未考慮素填土層樁側摩阻力，造成設計過于保守；③經現場施工反饋，部分地勘資料不準確，如某勘探孔揭示地面以下15m處存在粒徑約4m的大直徑塊石，塊石下覆土為硬塑礫質黏性土，但實際施工時，該樁沉樁深度為22m，差異較大。同時，部分管樁沉樁深度已達25m，樁端進入地質剖面圖中的中等風化巖約3m后仍未收錘；④通過比對巖心照，咨詢專家指出其勘探結論與現場存在不一致的情況。

（2）解決措施。限于業主工期進度要求，不可能重新進行勘探。因此，經協調達成一致意見：后續若遇異常情況，通知勘探單位進行補堪以查明地下實際情況。

（3）經驗反饋。①本工程詳勘單位為業主推薦單位，但合同為設計與地勘單位簽訂，設計院承擔部分地勘質量風險，為后續合同爭議處理埋下了隱患。后續類似社會工程建議由建設單位提供；②本工程勘探單價低，不排除勘探資料造假的嫌疑，需加強質量成果的審核及過程監管；③后續建議按照廠房平面布置進行勘探點的設計，必要時，可在詳勘后安排部分典型場地的超前鉆。

4.3 試驗樁是準確獲得施工參數確保技術可行的必要環節

本工程設計等級為丙級，根據規范要求其設計承載力根據原位測試和經驗參數確定即可，考慮到地質復雜性，設計初期設計院安排進行了靜載荷試驗，以確定合理的預應力樁長、收錘貫入度、打入樁長及錘擊設備的選擇。

（1）主要問題。①因試驗樁施工窗口前置，試驗樁依據可研階段地勘報告而非詳勘，其樁端持力層為粉砂層，與詳勘及設計文件要求的礫質黏土層及風化巖不一致。同時，試驗樁位與最終廠房布設尚有一段距離，且較集中，其代表性不夠典型；②試樁入土長度約15m，現場安排進行了試樁檢測工作，Q-s曲線平緩，無明顯陡降段，最大沉降量為4mm。但因設計未提供試驗極限荷載參考值，現場僅根據規范要求按照兩倍特征值進行加載，這也是部分管樁外露長度難以達到收錘標準的原因。

（2）采取措施。第一棟廠房施工結束后，業主單位安排對已施工工程樁進行了極限載荷試驗，選取的3根樁分別為雙控標準滿足、樁長未達設計要求但已收錘（有效樁長10.5m）以及樁長滿足要求但未收錘。其檢測結果顯示其特征值能夠達到1800kN，業主要求設計據此對后續廠房樁基進行了優化。

（3）經驗反饋。①試驗樁應依據詳勘報告成果進行，避免可研勘探及詳勘存在矛盾時出現顛覆性結果；②試驗樁最好根據類似項目提供試驗極限承載力建議值，以便現場實施；③選取試驗樁應具有代表性；④樁基檢測單位未深刻理解設計試驗樁檢測目的及要求也是造成未達設計試樁目的的原因之一，因此，選擇合適的檢測單位是必須的。

4.4 合理選擇持力層是樁基設計及施工可行性及經濟性的重要一環

如上所述，管樁持力層為砂層時，其入土樁長普遍未達設計要求即已收錘，經統計，外露長度平均可達2m，最長達6m。

（1）主要問題及原因分析。①本場地部分地區含有深厚中密～密實砂層，最大層厚約15m。場地地下水豐富，砂層處于飽和狀態，隨著管樁壓力的增加，砂層逐漸密實，沉樁砂層產生的超孔隙水壓力或砂層的“尖頂尖”效應使施工幾乎無法繼續進行，當沖擊力達到管樁極限承載力時，管樁破裂；②因項目實施前期尚未實施檢測，現場施工人員不敢貿然終錘，只能繼續施打以確保樁端進入設計持力層，但往往隨著錘擊數的增加，其出現爆頭、樁身斷裂的概率顯著增加，管樁損耗率較高；③上述設計試驗樁代表性不足以及實際地質情況與地勘資料偏差較大也是造成持力層選擇不合理的原因。

（2）采取措施。①根據現場施工、試驗樁實施情況及類似工程經驗，并經業主組織的勘探設計施工專家咨詢會，就持力層達成一致意見，同意砂層可作為樁端持力層；②樁端持力層為砂時，若貫入度仍未達到中止錘擊標準，可暫停錘擊，并在12h后復打，直至滿足錘擊條件。

（3）經驗反饋。①目前密實砂層作為持力層的應用也較為普遍，持力層選擇時應綜合場地地質、試驗樁情況及類似工程綜合確定，杜絕一味追求風化巖作為持力層，以避免施工時硬性增加錘擊數，而使管樁擊壞，造成不必要的浪費；②應確保地勘報告的準確度；③后續樁基施工時應預留試樁窗口時間，選取典型地質條件進行試樁，以便有利于現場設計優化。

4.5 合理確定樁錘設備是技術可行性的有力保障

（1）主要問題及原因分析。①經統計分析，本工程未達收錘的管樁主要是80錘占95%，且其入土深度均達到20m以上，說明80錘對于本工程并不具有良好的適應性；②在工程實施初期，對于樁錘的選擇，雖經過初步計算推薦選取62、72錘，但限于工程基地的特殊性，2臺80錘設備已進場。因此，工程施工時仍選取了80錘，是導致未收錘的原因之一。

（2）采取措施。工程實施中期，在統計分析的基礎上，結合檢測成果，調整了樁錘設備，退場了1臺80錘，后續未收錘現象得到了根本改善。且管樁入土14、15m即能夠滿足收錘標準要求，減少了接樁工作，提高了施工效率及質量。

（3）經驗反饋。①一般重錘施工效率相對而言較高，但不能一味片面追求施工速度而忽視了收錘的可操作性。需綜合進度、質量、經濟等多因素進行綜合確定，避免選錘過大造成入土樁長過長造成經濟上的浪費；②根據錘重與樁重的比例來進一步選錘，一般土質情況下，柴油錘沖擊體重量與成樁樁重之比可取0.5，若軟土較厚，可取0.4；③施工前應進行試樁，以合理確定施工設備。

4.6 合理確定收錘標準是工程質量可靠性的重要影響因素

在施工初期，收錘標準為最后三陣貫入度為10～20mm/陣，收錘標準過嚴，造成爆頭、外露長度超過控制值。盲目追求貫入度的做法是不科學的，它不僅浪費人力、物力，還會使本來合格的工程樁因錘擊數過多而破壞，延誤工程進度，造成巨大浪費。

（1）主要問題及原因分析。①由于地質條件不同，樁穿過的有人工素填土、粉土、砂、風化巖等；樁端持力層有細砂、礫質黏土層、強風化巖等；樁長相差可達1倍，樁重不同要求錘擊能量必然不同；柴油錘類型不同，重打與輕擊貫入度必然不同；地層持力層標高起伏及施工機械不同，要求統一的收錘標準顯然不合理，且該收錘標準較高，這也是造成斷樁以及未收錘的重要原因；②試驗樁樁端持力層為粉砂層，但場地地質條件較為復雜，與詳勘結論及推薦持力層不匹配，由試驗樁得出的收錘標準作為正式施工依據并不具有普適性；③施工初期，因業主施工進度限值且未及時組織工程樁檢測，除試驗樁檢測成果外無其他設計反饋輸入，導致部分管樁外露長度達不到要求；④沉樁設備不適應。

（2）采取的措施。①第一棟廠房成樁完畢后，安排檢測單位進場檢測，對于質量有異議及未收錘且最后貫入度較大的樁進行了檢測，檢測結果較好。以檢測結果作為輸入，按照分類控制原則，對不同樁錘，不同地質條件下的收錘標準進行了優化，如沖擊體質量為7.2他時沖程為1.8m，收錘標準為40～60mm/陣，80錘沖程1.5m，收錘標準為50～80mm/陣；②嚴格執行重錘輕擊原則；③調整樁錘，退場了1臺80錘，后續未收錘現象得到了根本改善。

（3）經驗反饋。①關于沉樁收錘標準，肖燕[1]利用HiLLey公式確定PHC樁收錘標準進行了初探，本工程實施初期，現場技術人員經過大量文獻的查閱，參照上述成果進行了初探，利用福建、江浙一帶經驗打樁公式對收錘標準進行了計算，公式如下：

計算結果如表1所示。該計算結果為設計優化提供了一定的參考。

表1 貫入度計算結果

②由于樁長樁重不同、錘重錘輕、重擊輕打、上層不同、送樁與否等問題，貫入度存在較大差異，必須通過試打樁即打規定數量且有代表性的樁并做靜載荷試驗或高低應變試驗來確定單樁豎向承載力，同時確定打樁施工參數和工藝，經設計人員對設計參數調整或驗證后方可進行正式樁基施工，否則待全部工程樁打完后再做靜載荷抽檢，隱患較大；③打樁時控制性技術指標和收錘標準必須結合具體的地質條件、錘重、樁長、樁基受力類型確定。在樁基施工中一定要具體問題具體分析，不能認為打樁收錘時一定要全部達到這些目標不可，應突出重點，抓住主要矛盾兼顧其他。一味強調滿足兩項指標往往反而對保證施工質量不利；④收錘標準達不到預期要求，則宜考慮降低承載力標準值而采取加樁或補樁等措施。

5 成樁質量檢測及實施效果

（1）檢測樁位選取原則。考慮本工程復雜性，按照檢測技術規范及設計要求并根據現場施工記錄，對典型區段及質量存疑的管樁進行了檢測。檢測樁位選取原則：①靜載試驗。未收錘選取入土樁長最短樁，已收錘樁長最短樁（持力層類似），力求各樁端持力全覆蓋，每種選取2～3根樁。②按照規范及設計要求，選取30%樁位，每承臺至少一根樁，對施工過程中存疑的樁位。③進行了部分高應變的樁位。④進行了極限載荷試驗的部分短樁[2]。

（2）檢測結果。①本工程共抽841根樁（占總樁數的35%）采用低應變動力檢測反射波法進行檢測，檢測的841根樁，實測縱波波形曲線規律性較好。經統計，樁身結構完整（I類）占91%，輕微缺陷（II類）占8%，Ⅲ類樁占2%，Ⅳ類樁僅1根且根部缺陷位于樁頂標高以上。對于Ⅲ、Ⅳ類樁，在同承臺進行了擴大檢測，檢測結果為II類及以上樁。并通過補樁、灌芯等工藝進行了處理；②共抽53根樁（占總樁數的2.5%）進行工程樁靜載檢測。Q-s曲線平緩，無明顯陡降段，最大沉降量滿足要求；③共抽3根樁進行了極限載荷試驗，樁長分別為11m、13m及20m，檢測結果表明其特征值最低滿足1800kN的要求[3]。

6 結束語

綜上，從施工工藝角度來看，預制樁施工較為成熟，工藝并不復雜。但因質量控制標準較多，且各標準之間存在一定的聯系。在預應力混凝土管樁施工時，應綜合考慮地質因素、樁身質量因素、勘察設計因素、施工技術和施工管理方面的影響因素，這些因素通常都會影響施工質量。為了保證施工質量安全可靠，應按照系統理論，加強EC協同，采用施工過程控制方法，綜合分析影響施工質量的因素及機理，并根據工程實際有針對性地預防并采取相應措施。為了避免出現質量事故或安全隱患，應嚴格執行相關標準、規范，及時進行各種實驗、監測、檢測工作，嚴格控制施工的全部過程，確保樁基礎質量及周圍環境的安全。