預應力混凝土管樁樁孔封板技術研究

梁彬LIANG Bin；麻金峰MA Jin-feng；張金龍ZHANG Jin-long；宋秀軍SONG Xiu-jun

（中交建筑集團有限公司第一工程分公司，南京 210000）

0 引言

預應力混凝土管樁是解決地基沉降及不穩定性的高效率施工方案，但在錘打管樁和基土開挖的過程中，要避免泥土等雜物落入樁孔中。為此，本文設計提供了一種成本低、結構簡單、操作方便的樁頭保護裝置用于樁孔的清潔，既保證了管樁的施工效率和質量，還為后續地表土的高效率開挖創造了有利環境。

本文以某工程項目預應力混凝土管樁大規模施工為案例，分析工程量較大的管樁施工容易產生的進度、質量、成本控制及施工安全問題，尤其是影響樁孔清潔問題，并深入探討了樁孔施工容易堵塞的技術性和結構性原因，同時還為克服原因提供了性價比高的解決方案，以賦能預應力混凝土管樁施工效率和質量的進一步提高。

1 常見的封孔方法

預應力混凝土管樁構造中，端板與樁套箍焊接，預應力主筋錨固在端板上。根據所生產的管樁長度，確定預應力主筋下料長度；根據預應力主筋規格，確定預應力主筋墩頭尺寸：墩頭直徑和墩頭厚度。預應力主筋定長、剪切、墩頭后，通過滾焊工藝與箍筋焊接成圓形鋼筋籠。端板與樁套箍焊接后，裝配在鋼筋籠兩端。預應力主筋錨固在端板上，必然需要在端板上設置預應力主筋穿孔和預應力主筋錨孔；為保證施工中的接樁質量以及沉樁質量，端板外端面要求平整，因此，錨孔需為沉孔端板與樁套箍裝配在鋼筋籠兩端后，預應力主筋經端板上的預應力鋼筋穿孔穿過端板，就位于預應力鋼筋錨孔中。張拉機通過聯接端板的張拉螺栓給預應力鋼筋施加規定的拉力，不同規格的管樁，預應力鋼筋規格、數量不同，張拉力也不同。因此，端板上必須設置張拉螺栓孔。

1.1 粘土人工封孔

常用粘土為黃泥或水泥團，粘土封孔法對封孔的材料要求不高，而且所花費的成本也很低，但是對封孔的工藝要求卻很高。其受限于鉆孔長度和粘土的軟硬度，很難將鉆孔封得密閉不透氣，稍有一個環節的疏忽都會導致其鉆孔封閉不實。粘土封孔方法封孔長度較短，黃泥遇水變軟，密實性不好，容易漏氣。采用黃泥、水泥團人工封孔，鉆孔密封質量差、作業時間長、勞動強度大，現場已很少采用。

1.2 機械注水泥砂漿封孔

水泥砂漿封孔法是在孔口處安好截止裝置后，將水泥砂漿用注漿泵壓入鉆孔，可以用于封孔段較長的鉆孔。其封孔材料在注入時為液態，等其凝固后為固態，能較好地封閉鉆孔周圍的一些裂隙和解決粘土法封孔難以解決的一些難題，從而能較好地封實鉆孔。用一根回漿管即可檢驗其封孔長度，操作比較簡單省時。

機械注漿雖可大大縮短封孔時間，但是目前的機械注漿設備笨重，加大了工人的勞動強度和搬運時間。對于傾斜鉆孔可以保證封孔質量，但是對于近水平或緩傾斜煤層不適用。水泥短時間內不能硬化固結，并且凝固后易收縮導致漏氣，從而使封孔后瓦斯濃度衰減比較快。

1.3 封孔器封孔法

封孔器封孔法一般用于巖層致密和服務時間不長的巖孔，主要包括摩擦式封孔器和水力膨脹式封孔器兩大類。封孔時先將封孔器放入鉆孔封孔位置，再通過留在鉆孔外的專門機械機構使內、外管相對運動，擠壓封孔器前端的膠皮脹圈，使之在徑向膨脹進而將鉆孔封堵嚴密。封孔器膨脹系數大，封孔質量可靠，還可以重復利用，是一種理想的封孔裝置。但是由于其昂貴的成本和價格，目前并沒有得到普及應用。

2 前景及可行性分析

預應力混凝土管樁是工廠化、規模化、標準化設計制造，是應對工程項目地基施工中地基沉降、抗震性能差、土石方開挖量大、施工周期長等的現代化解決方案。有了預應力混凝土管樁的加持，不但保證了基礎狀態的穩固性，還減少了土石方的開挖量，繼而減少了雜土的運輸成本和存放成本，有效地支撐了地基施工的進度、效率及成本控制要求，是建筑材料、建筑技術的模式創新。需要注意的是，管樁施工要保證樁孔的絕對清潔，以支撐后續樁端孔的灌芯質量。為了解決這一工藝瑕疵，有的施工單位安排專人專崗負責樁孔的清潔管理，既提高了勞動強度和人力資源成本，也不利于施工安全。為此，本文設計制作了樁頭保護裝置用于樁孔的封堵和清潔。這種裝置可通過模具工廠化加工，材料成本、工藝成本、加工成本都很低，尤其是在管樁施工現場也操作簡單，安裝方便，且維護保養成本低，可循環利用，有效支撐了預應力混凝土管樁地基施工和土石方開挖的工程效率和質量，具有工藝可推廣復制性。

混凝土結構物裂縫的產生除了跟配方、原材料質量等上游工藝有直接關系，還和澆筑施工過程有密不可分的關系。比如，有的混凝土工程不僅需要幾天幾星期，更需要數月和數年逐層澆筑。龐大的混凝土施工量對工程管理尤其是防范規避裂縫產生帶來了不可回避的挑戰。首先，跨周期的混凝土施工必然產生不同的拌和料溫度、工程車運輸溫度、工程現場環境溫度。眾所周知，溫度是影響混凝土施工進度及質量的重要變量，繼而也是裂縫產生的核心要素。尤其在混凝土澆筑、振搗等過程中，不同的環境溫度會形成混凝土不同的流通速度和沉降速度，繼而形成骨料與砂漿分布的不均勻。結構的不均勻使固化速度及時間不同步，就會構成裂縫隱患。此外，環境溫度的變化還會使混凝土表面溫度與內部溫度出現較大差異性。比如，秋冬季混凝土施工，表面溫度就會明顯低于混凝土中心溫度，外表凝固速度就會快于中心處，一快一慢就又構成混凝土固化不同步，繼而為裂縫產生創造了客觀條件。另外，大工程量的混凝土澆筑還會產生逐層、逐塊澆筑的接縫、接頭，這些接縫和接頭也是誘發裂縫產生的結構性原因。簡言之，混凝土裂縫的產生跟溫度控制有密切的相關性，跟工程量的大小也有關聯度。內外一致的混凝土溫度管理可以使混凝土內外固化同步，繼而內外應力均衡。而最大限度減少接縫、接頭也可以消除裂縫產生的客觀環境。

隨著國民經濟高質量發展對水、電、路、網、港等重要基礎設施的迫切需要，大規模的混凝土結構施工成為不可回避的主題。建筑物體積大必然帶來混凝土施工工程量大。大工程量的混凝土澆注因為工程現場作業面展開有限，繼而不能一次性投入過多的人力、物力等資源，必須通過跨月、跨年的長周期混凝土施工才能將藍圖變成現實。這種跨周期的混凝土施工勢必首先解決溫度對裂縫產生的風險問題。為此，在一些諸如水電站大壩的項目立項前，已經通過實驗室建模和仿真技術等模擬了大工程量混凝土施工的溫度控制難題，為混凝土內外溫度的平衡提供了物質材料基礎和工藝技術資源，繼而賦能大工程量混凝土施工可以在全天候環境下逐層、分段、分區施工。比如，數字信息化技術加持的傳感器可以在混凝土中心回傳溫度信息、固化速度信息、應力信息等，繼而使工程師可以基于混凝土全要素大數據的收集、整理及分析，通過混凝土施工環境溫度的調控和混凝土表面溫度的增減形成混凝土內外溫度的統籌，繼而形成混凝土內外固化同步，使裂縫產生的風險從源頭上得到解決。

3 樁頭保護裝置構造

根據管樁內徑和外徑尺寸制作樁頭保護裝置，此裝置由鎖緊卡扣、樁頭外部固定裝置、樁孔內部嵌固裝置和連接端板組成。本文以PHC-500AB-125 型預應力混凝土管樁為例，展示此樁頭保護裝置細部構造。樁頭保護裝置整體及剖面如圖1、圖2 所示。

圖1 樁頭保護裝置示意圖

圖2 樁頭保護裝置剖面圖

3.1 鎖緊卡扣

鎖緊卡扣分兩種，一種是樁頭外部固定卡扣，另一種是樁孔內部嵌固卡扣。外部固定卡扣和內部嵌固卡扣均按照120°間隔布置，卡扣長度與包裹的硬質鐵皮寬度一致，每種卡扣各三個，內外呈60°角錯開，卡扣為整個裝置的骨架，主要起固定樁頭的作用，如圖3 所示。

圖3 鎖緊卡扣示意圖

3.2 樁頭外部固定裝置

樁頭外部固定工作主要由一圈硬質鐵皮完成，外部固定卡扣主要起固定鎖緊作用，亦可減小鐵皮在沉樁過程中發生的變形。“”區域為外部固定硬質鐵皮，鐵皮焊接于樁頭外部鎖緊卡扣內側，如圖4 所示。

圖4 樁頭外部固定裝置示意圖

3.3 樁孔內部嵌固裝置

為了進一步提高樁頭的穩固性，特設計了樁孔內部嵌固裝置，以配合樁頭外部固定裝置形成促進樁頭牢固穩定的系統合力。另外，該裝置還能截留由樁頭滑落的泥土等雜物，并收集后移出樁孔內，保證樁孔清潔。

3.4 連接端板

連接端板是預應力混凝土管樁樁頭的預制結構件，它的外徑大于管樁外徑，端板內徑小于樁孔內徑，一大一小是為了接樁時上下兩樁頭以焊接提高兩樁的牢固性，并為安全穩定可靠送樁提供工藝加持。總之，連接端板詳細作用如下：①將樁頭外部固定裝置和樁孔內部嵌固裝置以連接端板為載體形成一個系統集成，既降低生產加工成本，又提高接樁、送樁效率和質量；②為樁頭端板的清潔提供結構加持；③成為整個樁頭保護裝置不可或缺的組成部分，提高接樁送樁效率和質量。

4 樁頭保護裝置實用性分析

4.1 適用范圍

樁頭保護裝置顧名思義就是為了保護預應力混凝土管樁的樁頭，以提高接樁、送樁及沉樁效率和質量，繼而保證基礎施工質量。

4.2 使用方法

當最后一節管樁沉樁結束后，及時將樁頭保護裝置置于樁頭端口處，同時將樁孔內部嵌固裝置與樁孔內部固定完成，為后續送樁提供平臺，然后再用專業送樁設備送樁至設計標高。送樁徹底完成后，用小型挖掘機等將泥土覆蓋好樁洞，以防大規模土方開挖過程中損壞樁頭。待土石方開挖完畢后，將樁頭保護裝置取下，清潔后以備循環利用。

4.3 優缺點分析

4.3.1 優點

①避免送樁工況下送樁設備終端與樁頭發生碰觸，導致樁頭受損，繼而提高送樁效率；②同時也為送樁工況完成后的工藝操作降低操作成本和時間成本，使樁洞得到更好的保護；③樁頭保護裝置附屬的樁孔內部托板還具有承接從樁孔滑落的雜土功效，以保持樁孔清潔，助力提高灌芯質量；④還可以防止土石方開挖工況下挖掘機與樁頭發生碰觸，在保護樁頭的基礎上提高土石開挖效率。

4.3.2 缺點

為提高樁頭保護裝置的保護功效，特提高了裝置與管樁的緊配合性。因此，要求樁體內壁要有一定的光潔度，以保證裝置與樁體的緊密接觸，以形成對樁體的保護。由此可見，即使有樁頭保護裝置提供保護，也需要工廠化制作的預應力混凝土管樁有嚴格的參數指標，以為管樁施工效率和質量提供系統支持，繼而提高了管樁的生產工藝成本。

4.4 經濟性分析

4.4.1 材料使用方面

樁頭保護裝置雖然在制作時有較高的樁頭匹配度要求，增加了加工制作難度，但該裝置不但可以循環利用，其維護保養成本也較低，只需對鐵質裝置進行針對性的防銹蝕處理。

4.4.2 施工工藝方面

樁頭保護裝置對管樁高質量施工提供了事半功倍的賦能。既能有效防止樁孔被渣土堵塞，又節約了人力資源投入；既起到了樁頭保護功效，又緩解了樁芯灌芯施工和土石方開挖的焦慮，繼而為基礎施工提供了工藝創新。

5 結語

樁頭保護裝置在工程化應用中取得了良好的經濟效益和社會效益，值得在預應力混凝土管樁施工中復制推廣。有了結構簡單、操作方便又可循環利用的樁頭保護裝置提供加持，可以在提高送樁、沉樁效率和質量的同時，降低管樁施工成本及整個基礎施工的成本，繼而為整個工程項目的施工進度、質量及成本控制夯實基礎，開一個好頭。