微型鋼管樁在運行變電站地基基礎(chǔ)加固中的應(yīng)用

周元強，湯 昊，王 磊，姚 剛

(1.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102；2.江蘇省電力公司揚州供電公司，江蘇 揚州 225009)

江蘇的沿海地區(qū)屬于濱海相海積沖積平原地貌單元，土層中含有較厚的軟土，具有高壓縮性、低強度、低透水性、觸變性等特性，工程性狀較差。建造于軟土地基上的變電站，往往對一些主要構(gòu)建筑物采用人工地基，而對次要構(gòu)筑物使用天然地基淺基礎(chǔ)。構(gòu)筑物基礎(chǔ)在覆土和設(shè)備自重的作用下，會產(chǎn)生較大的沉降差。

蘇州某變電站于2003年建成投運，運行后出現(xiàn)大面積地面沉降和甚為嚴重的基礎(chǔ)不均勻沉降，造成設(shè)備支架傾斜、導(dǎo)線繃直(圖1)，嚴重影響了設(shè)備的安全運行。原設(shè)計單位在2004年12月1日～2010年4月19日間，對基礎(chǔ)沉降進行了多次測量，最大沉降達420mm。

目前變電站沉降雖漸趨緩定，但地面沉降仍會繼續(xù)，急需采取有效控制、補救措施。

1 工程地質(zhì)條件與工程特點

1.1 工程地質(zhì)條件

站址地基土30m深度范圍內(nèi)自上而下的基本層序為：層(0)填土；層(1)原地表耕土；層(2)粉質(zhì)粘土；層(3)淤泥質(zhì)土；層(4)粉質(zhì)粘土；層(5)粉土或粉砂。勘測期間地下水位埋深為0.5m左右。該區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s，場地地基土不考慮地震液化。

地質(zhì)柱狀圖、平均層厚及微型鋼管混凝土樁入土深度見表1。

表1 地質(zhì)柱狀圖及鋼管樁入土深度

1.2 工程特點

由于當?shù)毓╇娦蝿輫谰瑳]有停電施工的可能，需要在運行變電站內(nèi)實施作業(yè)。同時，變電站內(nèi)的設(shè)備布置密集，給施工帶來困難。本工程特點及施工難點如下：

(1)對安全的要求極高

變電站內(nèi)設(shè)備密集，所有的加固項目必須在不停電的情況下組織施工。業(yè)主規(guī)定施工操作高度不得超過2.2 m。在“一高(高電壓)一低(低空間)”的環(huán)境下必須做到“雙滿足”，既滿足變電站運行安全，又滿足現(xiàn)場施工安全。

(2)基礎(chǔ)類型多種多樣

加固、頂升、糾偏的施工方案必須隨現(xiàn)場條件的不同而千變?nèi)f化，需要施工單位不但要求具有綜合施工能力，更要求具備設(shè)計施工一體化能力，對于現(xiàn)場變化能提出合理可行、因地制宜的變更方案，方便協(xié)調(diào)，利于工程有序開展。

(3)崗前培訓(xùn)必不可少

施工技術(shù)人員需要進行特殊培訓(xùn)，在運行的高電壓設(shè)備下進行打樁施工，安全風(fēng)險大，因此，必須對上崗工人進行嚴格的崗前安全及技術(shù)培訓(xùn)。

(4)土建電氣密切配合

施工中部分因素難以預(yù)計，土建施工必須與電氣運行人員密切配合，除確保施工安全外，還應(yīng)確保加固、整修結(jié)果能達到運行的要求。

2 地基基礎(chǔ)加固方案

既有建構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)加固技術(shù)，根據(jù)加固原理、時間、性質(zhì)，通常分為注漿托換、樁式托換及基礎(chǔ)托換等。其中樁式托換法，概念清晰、傳力明確，安全可靠，控制沉降效果明顯。主要形式有：錨桿靜壓樁法、坑式靜壓法、預(yù)壓樁法、樹根樁法等[1]。針對站內(nèi)基礎(chǔ)沉降情況，結(jié)合運行變電站內(nèi)的現(xiàn)場作業(yè)條件，通過方案比選，選用打入式微型鋼管樁加固方案。考慮到運行變電站的供電安全，現(xiàn)有的加固方法和機械設(shè)備往往不能適應(yīng)高壓帶電場區(qū)作業(yè)的技術(shù)要求。為解決運行變電站內(nèi)地基基礎(chǔ)加固的施工難題，工程項目組自行研制小型樁機[2]，在基礎(chǔ)旁打設(shè)微型鋼管混凝土樁，通過化學(xué)植筋及鋼板連接件與鋼管樁連接(圖1)，實現(xiàn)天然地基地基的加固和頂升、糾偏。

微型鋼管混凝土樁的鋼管直徑為Ф152mm，壁厚4.5mm，用于加固地基的樁長22m，用于基礎(chǔ)頂升糾偏的樁長25m，管內(nèi)分別灌注C30混凝土。

圖1 鋼管樁與基礎(chǔ)的連接示意圖

3 沉樁施工流程與方法

本工程的施工內(nèi)容包括地基加固、基礎(chǔ)糾偏與頂升等幾個方面，它們都依靠微型鋼管混凝土樁來實現(xiàn)。微型鋼管混凝土樁以層(4)可塑～硬塑的粘性土為持力層，進入持力層的深度約2.0m～2.5m。

正如前述，施工的主要難點是要在2.2m限高條件下實施所有作業(yè)，其關(guān)鍵點就是沉樁設(shè)備。本工程的沉樁設(shè)備沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品，必須自行研制。研制的內(nèi)容不僅僅是機械制造問題，應(yīng)還包含了以下四個重點：沉樁工藝參數(shù)、設(shè)備制作、沉樁工藝方法以及質(zhì)量控制。

3.1 沉樁工藝參數(shù)

3.1.1 估算單樁沉樁動阻力

按照長三角工程地質(zhì)條件與工程經(jīng)驗公式估算單樁沉樁動阻力：

式中：Lfi為動側(cè)阻力集中區(qū)域，為樁端以上8倍樁徑(即1.2m)；Pdk為動端阻力。層⑷粘性土取3000kPa；qdk為動側(cè)摩阻力。取160kPa；K為閉口樁阻力系數(shù)，取1.3。

將樁的動阻力與估算而得的靜極限阻力(300kN)進行比較可得190/300=0.63，與本地區(qū)工程實測數(shù)據(jù)范圍(0.6～0.75)比較吻合。

3.1.2 錘擊沉樁工藝與參數(shù)

本工程場地地質(zhì)條件屬于軟弱土類型，樁體長徑比L/d＝22/0.152＝145，屬于超長型，樁距一般為1.0m， 距徑比S/d大于6， 最大排土率小于2%，屬于疏樁型。所以，本工程的樁屬于在軟弱土體內(nèi)錘擊小直徑、超長型的疏樁，宜采用低落距、重錘輕擊工藝。

鋼管樁錘擊沉樁，錘重在有效落距為1.0～1.5m時取樁體自重的1.0～2.0倍(落距大取低值)。本工程φ152×4.5鋼管樁的樁體自重為360kg，落距在1.0～1.5m時，錘重應(yīng)控制在4～7.2kN之間。考慮到2.2m限高要求以及重錘、低距、輕擊的原則，落距宜按0.5m考慮。根據(jù)錘的沖擊力應(yīng)大于沉樁阻力的基本要求，使錘的沖擊力Pd應(yīng)滿足下式要求：

式中：λ為沖擊系數(shù)，與樁錘及樁墊材質(zhì)有關(guān)，一般取50；W為錘重；H為落距。

由上式演變?yōu)?/p>

因此必須使錘重W ≥7.5kN。

對于小直徑(d＜600mm)、壁厚大于0.02d的鋼管，當最大錘擊應(yīng)力小于鋼材強度設(shè)計值時，可不進行局部壓曲驗算。Q235φ152×4.5鋼管能承受的最大錘擊應(yīng)力σ =190/(π×0.0762－π×0.07152)=91.1kPa＜210 kPa，能夠滿足要求。

由以上計算分析，最后確定錘擊沉樁工藝與參數(shù)為：錘重為750kg的自由落錘錘擊方法，0.5m左右的低落距的錘擊工藝。

3.2 設(shè)備制作

新研制的沉樁設(shè)備必須具備下列基本功能。

(1)限高2.2m：包括設(shè)備總高度以及行為的最高觸及高度。

(2)單件輕便、方便裝拆：由于凈空受限，無法采用大型起重設(shè)備或機械移動裝置，沉樁設(shè)備必須能方便地裝拆，分解后的單件重量較輕，適合人力搬遷。

(3)能適應(yīng)小空間：由于變電站內(nèi)的基礎(chǔ)布置十分緊密，施工空間狹小，沉樁設(shè)備必須能適應(yīng)小空間作業(yè)。

(4)能進行多項作業(yè)：能夠滿足掛卸錘、自由下落、焊接、調(diào)整垂直度等多項作業(yè)的需要。

3.3 沉樁工藝

3.3.1 準備工作

準備工作包括熟悉設(shè)計圖紙、測量放線、基礎(chǔ)與施工場地凈空量測、沉樁順序安排等。除了測量放線與施工場地凈空量測是特殊內(nèi)容外，其他準備工作與常規(guī)施工相同。

3.3.2 測量放線與基礎(chǔ)邊沿暴露

微型鋼管混凝土樁的樁位必須緊靠基礎(chǔ)邊緣，以便沉樁后與基礎(chǔ)的連接。為了準確測放樁位，需要將基礎(chǔ)邊沿輪廓暴露出來。對于需要頂升或糾偏的基礎(chǔ)，需根據(jù)基礎(chǔ)頂面埋置深度采取挖除頂面土方或局部挖坑方式。

3.3.3 施工場地凈空量測

需要把每一個進行加固、頂升與糾偏基礎(chǔ)上面的設(shè)備情況、設(shè)備之間凈空詳細調(diào)查量測，為安排沉樁順序和沉樁設(shè)備布置方式提供依據(jù)。

3.3.4 鋼管制作

鋼管材質(zhì)為Q235B，φ152焊接鋼管，壁厚4.5mm，單根采購長度6.0m。進場復(fù)檢合格后，采用砂輪切割機切割成1.5m與1.0m兩種長度規(guī)格，1.5m用于軟土段內(nèi)，1.0m用于持力層與表層穿越硬殼層。切口要平直，去除毛刺。鋼管的下端磨成坡口。

為保證鋼管內(nèi)可灌入混凝土，本工程采用閉口鋼樁尖。

3.3.5 分段沉樁與焊接

(1)分段原則：每樁開始的4.0m范圍是穿過填土與硬殼層的一段，采用單節(jié)1.0m鋼管，用大落距重擊。在淤泥質(zhì)土中采用單節(jié)1.5m鋼管，小落距輕擊，最后4.0m范圍內(nèi)采用單節(jié)1.0m鋼管，大落距重擊，使樁端進入持力層的深度滿足設(shè)計需要。

(2)樁節(jié)限位：將首段鋼管沿基礎(chǔ)邊緣樁位處插入土層。沉樁機機架底板處設(shè)置護管裝置，可有效地限制鋼管下端位置，不因遇到地下障礙物而偏移。鋼管頂端卡在樁墊的凹槽內(nèi)，樁墊沿錘架立柱上下垂直移動，樁墊的凹槽與底盤護管位于同一條垂直中心線上，保證了鋼管樁的垂直度。

(3)錘擊沉樁：首節(jié)樁與每節(jié)樁焊接后的起始若干錘都應(yīng)采用小落距輕擊，待沉入0.3m以后，再增大落距。根據(jù)沉樁貫入度隨時調(diào)整落距和錘擊節(jié)奏，保證均勻有節(jié)奏地沉樁。

(4)焊接：沉入土中的樁頂高出底盤護管0.2m～0.3m時，應(yīng)采用小落距輕擊，以控制鋼管的頂面在護盤面以上50mm～100mm，便于焊接作業(yè)。鋼管焊接采用對稱連續(xù)焊接，要求焊縫飽滿，符合焊接抗拉強度標準及焊縫的密閉性，能阻擋地下水滲入鋼管內(nèi)。焊接在坑內(nèi)實施。

3.3.6 管內(nèi)灌注混凝土

管內(nèi)灌注C30混凝土的作業(yè)分段完成。因每次灌注的混凝土量很小，只能采用人工拌制。通常在沉入土中的樁段長度累計達2m～4m時進行混凝土澆筑作業(yè)。澆筑后的混凝土振搗依靠后續(xù)錘擊沉樁時的振動力予以振密。最后一段的混凝土則用微型振動棒插入管內(nèi)振搗密實。

3.3.7 管樁與基礎(chǔ)連接錨固

管樁與基礎(chǔ)錨固連接的施工工藝流程如下：

植筋分為劃線定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋、固化與質(zhì)量檢測等過程。

劃線定位：應(yīng)根據(jù)構(gòu)件植筋部位放線定位，用鋼筋探測儀探測鉆孔處有無鋼筋，若有鋼筋應(yīng)適當調(diào)整鉆孔位置。

鉆孔：在鉆孔過程中，當遇到鋼筋或預(yù)埋件時應(yīng)立即停鉆，并適當調(diào)整鉆孔位置。鉆孔直徑＝錨栓直徑d＋4mm(錨栓直徑小于20mm)、植筋錨固長度15d。

清孔：將硬毛刷插入孔中，往返旋轉(zhuǎn)清刷3次，用工業(yè)酒精棉棒將孔壁及孔底的剩余粉末清除干凈。同時將鋼筋上的銹跡刷除，鋼筋(植入孔內(nèi)部分)上的油污擦拭干凈。

灌注膠粘劑：使用專門灌注器進行灌注植筋膠，邊灌注邊排空氣。灌注量為孔深的2/3，保證在植入鋼筋后有少許膠粘劑溢出。

植筋：注入膠粘劑后，應(yīng)立即將錨栓邊單向旋轉(zhuǎn)邊插入孔內(nèi)，并盡量使錨栓與孔壁間的間隙均勻，直至達到規(guī)定的深度。

靜置固化：膠黏劑完全固化前，不得觸動或振動已植入的錨栓，以免影響其粘結(jié)效果。

用于加固地基的錨固板用4M16高強螺栓固定(圖9)，用于基礎(chǔ)頂升糾偏的錨固板用6M16高強螺栓固定。

與微型鋼管混凝土樁連接的牛腿鋼板厚度也各不相同。用于加固地基的錨固板用12mm厚，用于基礎(chǔ)頂升糾偏的錨固板用20mm厚。

3.4 質(zhì)量控制

3.4.1 材料控制

鋼管、電焊條、砂、石、水泥應(yīng)有出場合格證與質(zhì)保書。鋼管應(yīng)進行焊接抗拉強度試驗，砂、石、水泥等均應(yīng)抽樣檢驗。自拌的混凝土每根樁制作三組混凝土試塊。

3.4.2 停錘標準

微型鋼管樁沉樁的停錘標準以樁端設(shè)計標高控制為主，最后貫入度作為參考。當沉樁過程中出現(xiàn)下列異常情況時，應(yīng)立即會同有關(guān)方研究處理：①進入持力層后，與設(shè)計深度相差較遠，連續(xù)三陣每陣十錘的貫入度小于3～4cm/擊；②總錘擊數(shù)達到200錘以上，最后1m的錘擊數(shù)大于20錘以上。

3.4.3 焊接檢查

每個接頭焊接完畢，及時進行檢查驗收。如有疑問，可以在現(xiàn)場截取焊接試樣進行抗拉強度試驗，如對整個樁的焊接質(zhì)量有懷疑，可以進行整根樁的抗拔試驗。

3.4.4 承載力與樁身質(zhì)量檢查

采用靜載荷試驗檢測單樁極限承載能力，對所有完成的微型鋼管混凝土樁，按樁數(shù)的30%進行低應(yīng)變動力測試，以檢驗樁身質(zhì)量。

植筋進行錨固承載力的現(xiàn)場抽樣分批檢驗，每批隨機抽檢3件。

3.4.5 合理安排沉樁順序和控制沉樁速率

閉口的微型鋼管混凝土樁屬于擠土樁，雖因距徑比大于6，沉樁擠土率僅在2%以內(nèi)，擠土效應(yīng)不很明顯。但對深厚的淤泥質(zhì)土地基來說，容易受到沉樁的擾動，孔隙水壓力消散較慢，所以還應(yīng)注意沉樁擠土效應(yīng)。

緩減擠土效應(yīng)的主要途徑是要減小孔隙水壓力。主要措施是控制沉樁速率、合理安排沉樁順序、設(shè)置消散壓力的應(yīng)力釋放孔或排水孔等。由于本工程加固樁屬于疏樁基礎(chǔ)，受施工凈空影響，每根樁的接頭很多，施工效率很低，因此每天的沉樁速率慢。每套22m的微型鋼管混凝土樁的沉樁歷時約為4h，每臺班(工作8h)沉樁僅2套。所以沉樁引起的孔隙水壓力不會很大，擠土效應(yīng)也就不是很明顯。

對于基礎(chǔ)密集區(qū)域，盡量安排好沉樁流程，先密集區(qū)域然后稀疏區(qū)域，對于密集區(qū)域從內(nèi)向外擴展。流程安排還要結(jié)合機械設(shè)備搬遷的實際狀況，做到統(tǒng)籌兼顧。

3.4.6 施工監(jiān)測

防止擠土效應(yīng)影響的另一個途徑就是加強施工監(jiān)測，做到動態(tài)信息化施工。

由于本工程的理論擠土率不高，且沉樁速率也不快，所以沉樁施工監(jiān)測項目主要以沉樁部位周邊的設(shè)備基礎(chǔ)的豎向沉降與水平位移為主，同時監(jiān)測已經(jīng)沉下去的相鄰樁的位移情況。

根據(jù)位移與沉降監(jiān)測結(jié)果初步判定沉樁擠土效應(yīng)的嚴重程度不很大。

4 頂升糾偏施工方法

頂升與糾偏都是用已沉入土中的微型鋼管混凝土樁來提供反力。原定僅作地基加固的微型鋼管混凝土樁是22m，它的反力只有220kN，而場地中多數(shù)基礎(chǔ)的墊層厚度達700mm，需要頂升反力達250kN以上，因此必須加長微型鋼管混凝土樁的長度，來獲得足夠的反力。

頂升糾偏的施工工藝流程為：

頂升糾偏的施工方法如下：

(1)在微型鋼管混凝土樁頂上放一塊鋼墊板，將起重量為500kN的千斤頂平穩(wěn)地置于其上。

(2)將自制的專用頂升糾偏裝置安裝到牛腿和千斤頂上，收緊螺桿使千斤頂?shù)肿№斏m偏裝置的受力鋼板，螺桿下部構(gòu)件勾住兩塊牛腿鋼板(圖2)。

(3)開始頂升時應(yīng)緩慢加力，此時主要是克服基底與地基土的吸附粘結(jié)力，直到基底完全脫離地基。此過程中應(yīng)監(jiān)控千斤頂?shù)膲毫χ担η笄Ы镯攭毫鶆?，防止超過微型鋼管混凝土樁的承載力。

(4)當所頂升的基礎(chǔ)同時需要糾偏調(diào)平。在基礎(chǔ)與地基完全脫離后即將進入頂升狀態(tài)時，先進行基礎(chǔ)的糾偏調(diào)平，要求各支撐點根據(jù)計算的頂升量采用定向微量差動方法實現(xiàn)糾偏調(diào)平，即按照每步發(fā)力頂升3～5mm的微量，先短邊，后長邊的原則逐一調(diào)整，直至達到糾偏調(diào)平的目標。

(5)過程監(jiān)控

頂升糾偏的另一個重要環(huán)節(jié)就是過程監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容包括微型鋼管混凝土樁沉降、基礎(chǔ)平面頂升量與水平位移、千斤頂壓力值等。

(6)基礎(chǔ)落實處理

當基礎(chǔ)頂升糾偏到位后，將微型鋼管混凝土樁焊接到基礎(chǔ)側(cè)面的鋼牛腿上。至此，基礎(chǔ)已牢固地連接到微型鋼管混凝土樁上。拆除頂升糾偏裝置和千斤頂，澆筑混凝土保護墩進行養(yǎng)護，最后覆土回填。

5 結(jié)語

(1)微型鋼管樁在運行變電站中進行地基加固與基礎(chǔ)頂升、糾偏獲得成功。這是繼連云港云臺變電站地基加固處理的又一個成功實例，為后續(xù)類似工程積累了成功經(jīng)驗。

(2)沉樁設(shè)備輕巧可拆、便于搬遷，滿足運行變電站中限高空間的作業(yè)要求。

(3)建構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)的加固、糾偏施工應(yīng)嚴格控制每一道工序，加強質(zhì)量控制和施工監(jiān)測，確保工程順利完成。

[1]林宗元.簡明巖土工程勘察設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]楊敏.微型鋼管樁施加預(yù)應(yīng)力加固沉降基礎(chǔ)的試驗研究[J].建筑技術(shù)，2008，39(6).

[3]張雁，劉金波.樁基手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].