高速鐵路橋梁大直徑管樁關鍵技術應用

韓廣峰 （國家鐵路局工程質量監督中心，北京 100860）

1 引言

隨著橋梁建設的發展和技術的進步，橋梁建造正朝著設計標準化、生產工廠化、施工裝配化和機械化、管理信息化的方向發展，橋梁設計的各種新理念和橋梁施工的各種新方法都在不斷地被嘗試。橋梁預應力混凝土管樁工藝作為綠色環保建設的代表工法，不僅可以促進傳統產業的轉型升級，還能降低勞動成本、節約建筑材料、降低能耗、減少揚塵，是符合節能環保的產業政策的先進技術，得到了世界各國建設領域的廣泛認可，有望成為今后橋梁重要施工方法之一。

PHC預應力管樁一般只應用于路基及房建工程，樁徑基本都比較小（一般直徑在0.4～0.6m），對于大直徑PHC樁來講，具有強度高、質量可靠、用材節省、綠色環保、承載力高等特點，在港口碼頭建設行業應用相對較多，但是在鐵路建設領域的應用極少，尤其是大直徑PHC管樁（直徑1m）在350km/h高速鐵路橋梁樁基礎中的應用，在國內外更是極其少見。自1998年新長鐵路開始，PHC管樁陸續應用于秦沈鐵路，寧西鐵路、贛龍鐵路、寧啟鐵路、滬杭高鐵、滬通鐵路和連鎮鐵路等。當前預應力管樁在鐵路路基處理上也有應用，如京滬高速鐵路宿州站，溫福鐵路、宣杭鐵路軟土路基加固等，見表1。

預制管樁在鐵路工程應用統計 表1

從鐵路應用情況可以得出：管樁在橋梁上的應用在長三角、珠三角地區較多，應用的地層包含了黏土、粉土、中密中砂以及粗礫；橋梁管樁采用錘擊施工方法較多。由于高速鐵路橋梁所采用的常規鉆孔灌注樁基礎施工工序復雜、成本高、工期長、環境污染大一直都是影響高速鐵路施工重要環節。因此，對于深入開展大直徑PHC管樁在高速鐵路橋梁中的應用技術研究意義尤為重大。

近年來，國內外學者對這一施工技術展開了研究，并取得了一定成果。阮白一[1]針對PHC管樁提出了一種新型的施工方法—跟鉆法，研究了其在鐵路橋梁基礎應用中的經濟性及適應性；徐惠純[2]對管樁基礎設計方法進行了論述；楊少宏[3]結合工程實例，對在軟土地區的PHC管樁、鋼管樁和鉆孔灌注樁方案進行了比選；蔡華炳等[4]對不同樁徑進行了單樁豎向動靜載實驗，結果表明，在樁端持力層較好的情況下，軟土地基橋梁樁基礎設計時可以忽略由于高速列車運營的反復荷載作用對樁基工后沉降和豎向承載力的影響；李青和[5]介紹了鐵路橋梁在動荷載作用下的樁基托換施工方法、頂升轉換工藝及橋梁結構的位移監控；Sonal Singh等[6]研究了鋼管樁在不同性質的土層中的動力響應；Wang Yonghong等[7]用硅壓阻傳感器對PHC管樁貫入引起樁土界面超孔隙水壓力進行了現場實驗。但以上研究較少涉及350km/h高速鐵路橋梁樁基礎。

本文以新建京雄城際鐵路固霸特大橋為工程依托，從沉樁過程分析模型及沉樁設備施工原理、具體施工步驟和成樁檢測三個方面論述在特殊地質條件下高速鐵路橋梁大直徑PHC管樁沉樁施工技術，為該類結構的拓展應用提供參考。

2 工程概況

2.1 設計情況

新建京雄城際鐵路固霸特大橋位于河北省霸州市與固安縣境內，設計為雙線高速鐵路，時速350km/h。本橋在DK72+580.45～DK73+578.47（349#～380#墩）段樁基設計為預應力管樁基礎，管樁單根樁長34～42m。預應力混凝土管樁外徑1.0m，內徑0.74m，壁厚0.13m，混凝土強度等級為C80。采用柴油錘或液壓錘錘擊法沉樁，樁身分段長度控制在16m以內，樁身節段間采用焊接，焊接接頭端板接頭采用環氧樹脂漆進行防腐處理；樁尖根據地質條件和設計要求采用開口型鋼樁尖。管樁頂以下6m范圍澆筑填芯混凝土，形成實體段并配置構造鋼筋籠與承臺連接。

2.2 地質情況

橋梁施工范圍內地貌為沖積平原，地形平坦開闊，路有起伏。固霸特大橋典型土層為黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂，典型土層分布圖如圖1所示。

圖1 地質情況圖

本工程管樁應用范圍內固霸特大橋管樁樁底標高位于粉質黏土層（200kPa）或細砂層（300kPa），其地質條件如表2。

管樁工程樁位置地質情況分布 表2

2.3 工程特點及重難點分析

通過現場調查資料，結合已有管樁施工經驗，對本工程特點及施工重難點進行了分析，制定了解決方案，如表3所述。

工程特點及重難點分析表 表3

3 大直徑管樁施工關鍵技術

3.1 沉樁過程分析模型及沉樁設備施工原理

打樁過程可以分為兩個階段：第一個階段為樁錘對樁的沖擊過程；第二個階段為樁獲得沖擊能量在土中的貫入過程。

柴油錘工作過程如圖2所示，其工作實質是2次沖擊，它是利用錘芯沖擊部分自由下落的沖擊能和柴油燃燒爆炸的能量使樁下沉，這個過程用簡單三角沖擊荷載來模擬是不符合實際的。柴油錘的一個特點是：地層愈硬，樁錘跳得愈高，這樣就自動調節了沖擊力。

圖2 噴液式柴油錘工作過程圖解

柴油錘多采用噴油設計，其壓力隨時間的變化規律如圖3所示，可將其工作過程及特點簡化為以下8個步驟：

圖3 壓力-時間關系圖

①錘芯下降并關閉排氣孔；

②封閉在汽缸內在錘芯和PHC管樁之間的氣體的壓強和溫度增加；

③在排氣孔關閉之后不久，油在低壓下被噴入燃燒室，即為液體的形態，液體的油料聚集在PHC管樁之上；

④錘芯撞擊PHC管樁，這樣使油汽化，在燃燒之前，在錘芯撞擊PHC管樁的過程中壓力保持不變；

⑤在撞擊后的幾毫秒內，汽化的燃料開始爆炸，撞擊和燃燒之間的時間延遲表示為燃燒延遲td；

⑥燃燒過程在持續時間tcd內結束，即在燃燒開始的幾毫秒內結束，并且汽缸內的氣壓達到最大之后結束；

⑦在燃燒時，錘芯通常開始離開PHC管樁，汽缸體積的增加，導致汽缸氣壓的減少；

⑧錘芯到達排氣孔，汽缸內的氣壓回到環境氣壓。

3.2 特殊地質條件下大直徑PHC管樁沉樁施工技術

橋梁管樁試樁施工工藝流程圖見圖4。

圖4 橋梁管樁施工工藝流程圖

3.2.1 施工準備

根據施工方案，針對管樁的施工要求，在開展施工前需要做好以下施工準備工作：

①施工場地應平整，有一定的承載能力和運載能力，能滿足打樁機行走要求；

②調查施工場地內的地下和地上管線無地下和地上管線影響；

③收集進場機械設備及人員持證情況及管樁產品說明書、質量保證資料等；

④管樁進場驗收。

3.2.2 取樁

管樁堆放時疊放均不能超過2層，可采用打樁機自行拖樁取樁或使用50t吊車取樁。取樁時用鐵鉤鉤住管樁的后端，并把鋼絲繩捆綁在管樁的前端距樁頂約2m處，拖拉取樁時，注意保持打樁機的穩定。同時要注意保護下節管樁露出地面部分的樁頭，避免上節管樁吊起擺直時端頭激烈碰撞造成樁身破裂。管樁吊起后，緩緩地將一端送入樁帽中。現場實際操作過程中如圖5和圖6所示。

圖5 16t導桿式振動錘

圖6 20t液壓式振動錘

3.2.3 垂直度控制

按規范要求底樁起吊就位插入地面時樁身的垂直度第一節偏差不大于0.3%，第二、三節偏差不大于0.5%。測量管樁樁身包括打樁架導桿的垂直度，采用兩臺全站儀在離打樁機10m以外成90°角方向進行觀察（見圖7），并每2m測量一次，當樁身打入4m后再不進行調直，防止打樁中不均勻受力。

圖7 全站儀進行垂直度控制

3.2.4 打樁

打樁前技術人員先在樁側上劃出以米為單位的長度標記（見圖8），以便在打樁時觀測每米的錘擊數。開始打樁時，先用重錘以自由落體的形式進行打樁，落距控制在小于2.8m。打樁過程中隨時用全站儀檢查樁的垂直度。

圖8 沉樁時樁身畫線標記

3.2.5 引孔

裝配式橋梁段位置砂層距原地面深度為26.5～29.3m，由于管樁施工范圍存在砂層地層，管樁進入砂層后沉樁貫入度急劇減小，繼續沉樁極易對管樁樁頭造成損壞，經試驗，采用長螺旋鉆機引孔可有效解決管樁進入砂層后貫入度急劇減小的問題，管樁施工時在第一節和第二節管樁打入完成后采用螺旋鉆機分別進行2次引孔施工。引孔過程中引孔直徑不宜超過樁直徑的2/3，引孔深度根據地質情況確定，宜穿透砂層但不宜超過設計孔深，引孔宜采用長螺旋鉆機引孔，垂直度偏差不宜大于0.5%。引孔施工見圖9。

圖9 錘擊法（引孔）施工

3.2.6 接樁

①當下節管樁打入土層后應留0.5m～1m的樁頭在地面以上，便于焊接時操作方便。

②根據當前控制措施所控制的第一節管樁垂直度均小于0.3%，且第二節垂直度均不大于0.5%，所以下節管樁應與上節管樁樁身順直，兩端面緊密貼合，且貼合前應將上下端面的泥土等雜物清除干凈。在焊接前，技術員需檢查貼合情況，不得在接頭處出現間隙，管節間錯位偏差不應大于2mm。

③焊接時保證一次性焊接成型，焊縫飽滿，焊接部分沒有咬邊、焊瘤、夾渣、氣孔、裂縫、漏焊等外觀缺陷。

④管樁采用二氧化碳氣體保護焊，兩個焊工對稱焊接。在焊接前檢查焊接設備參數及保護氣體壓力，以免造成焊縫不飽滿、平順；根據規定自然冷卻時間不應小于8min，并進行焊縫無損檢測。

⑤焊接時間大約在30-45分鐘之間。

焊接過程見圖10。

圖10 焊接及焊縫檢測情況

3.2.7 送樁

當上節樁沉至離地面0.5～1.0m時停錘，注意樁墊的完整性，必要時應換上新的樁墊。套上送樁桿，調節樁架，使送樁桿帽與樁頂接觸平實，送樁桿與樁軸線成一條直線后開錘送樁，直至達到樁頂設計標高。

施工前在送樁桿上刻長度標志，便于樁頂標高控制。沉樁及送樁過程中，通過觀測樁的入土情況，并記錄錘擊數，計算貫入度。樁頂標高由水準儀測量控制，保證樁長滿足設計要求。

3.2.8 終錘成樁

當樁端位于一般土層時，成樁要求為標高為主，貫入度為輔。當樁端達到持力土層時，進入持力層不小于1.5m，以貫入度控制為主，標高為輔。貫入度達到設計要求而樁端標高未達到設計標高時，應連續錘擊3陣，并按每陣10擊的貫入度不大于25～90mm為準。在確認樁端進入設計持力層后，連續三振均達不到設計指標，應采取送樁、接樁、變更樁長等措施。根據設計文件要求和現場實際，橋梁預制樁采用錘擊法施工，任意單樁的總錘擊數不超過2500擊，最后1m錘擊數不超過300擊。

3.3 成樁檢測

成樁質量的檢測內容應包括截樁后的樁頂標高檢測、樁頂平面位置檢測、樁長及樁身的完整性檢測、單樁承載力檢測等，檢測結果見表4和表5。

樁身完整性檢測結果匯總表 表4

單樁豎向抗壓靜載試驗結果表 表5

4 總結

通過對大直徑PHC管樁在高速鐵路橋梁中的工程應用，發現其工藝及應用效果具有如下特點。

①施工速度快，生產效率高

橋梁樁基礎采用預應力混凝土管樁，每臺打樁機日均可施工完成三根，較原每臺鉆機日均施工完成兩根鉆孔樁，速度提高了50%。

②工程質量優異

由于傳統建筑施工的特殊性，作業人員流動性大，施工技術水平差異性較高，作業現場分散，供料原材質量不能有效控制，導致建筑存在施工質量通病，而工廠預制管樁從原材料質量控制、作業人員穩定性、作業人員培訓考核方面有效避免了傳統建筑施工質量問題。

③施工成本降低

采取標準化的流程提高成品合格率，利用先進技術手段減少物料消耗來降低原料成本，以達到在最短的施工周期內建成低成本、高質量的精品工程。

④節能環保成效突出

預制管樁施工較傳統鉆孔樁施工避免了大量泥漿排放對環境的污染，大大減少了施工現場的現澆混凝土作業量，減少了揚塵、泥漿、建筑垃圾等廢棄物的產生，節能環保成效突出。