人工島上大規(guī)模PHC管樁施工技術(shù)

黃 磊

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開(kāi)挖建造工程研究中心 上海 200002

1 工程概況

PHC樁全稱為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，是采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型方法制成的一種空心圓柱形預(yù)制預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，具有質(zhì)量穩(wěn)定、施工快、承載力高、價(jià)格低、穿透能力強(qiáng)和抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、水利、橋梁等工程中。

港珠澳大橋珠?？诎妒歉壑榘拇髽蛑黧w與珠海、澳門兩地的銜接中心，位于珠澳人工島北片區(qū)。珠澳人工島坐落于珠海拱北灣南側(cè)，由人工填海而成，總面積208.87 hm2。珠?？诎稑痘A(chǔ)采用強(qiáng)度等級(jí)為C80、φ600 mm×130 mm的PHC管樁，共計(jì)12 378根，總長(zhǎng)約510 000 m，單根樁長(zhǎng)30～60 m。

承壓樁以⑤2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或⑤1全風(fēng)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(jìn)入持力層內(nèi)不小于900 mm。單樁分2～4節(jié)，最大單節(jié)質(zhì)量7.5 t（含樁靴）。

2 工程的重難點(diǎn)

1）人工島原始地貌單元為海相地貌，后經(jīng)拋石護(hù)岸，填砂堆填整平，地形相對(duì)較平坦，標(biāo)高為4.8 m左右，原始地形業(yè)已改變。場(chǎng)地內(nèi)存在的特殊性巖土為人工填土、軟土及風(fēng)化巖層。人工填土層由中粗砂、粉細(xì)砂構(gòu)成，經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理。軟土由淤泥質(zhì)黏土、淤泥、細(xì)砂及粗砂構(gòu)成，并進(jìn)行過(guò)真空堆載聯(lián)合預(yù)壓處理。風(fēng)化巖層主要由礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖構(gòu)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(duì)PHC管樁施工工藝流程中的部分環(huán)節(jié)采取針對(duì)性的技術(shù)措施。

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

3）島上大風(fēng)、雷暴等不利天氣影響比周邊陸域環(huán)境大，因此人工島上PHC管樁施工難度將會(huì)超出類似條件下的陸域施工，在施工技術(shù)和施工組織方面均應(yīng)做好充分的準(zhǔn)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(dòng)液化影響，錘擊樁施工摩阻力比靜壓樁要??；人工島四面環(huán)海，錘擊樁施工帶來(lái)的噪聲在采取適當(dāng)措施下可忽略。另外，靜壓樁因樁機(jī)重而對(duì)場(chǎng)地要求高，故綜合考慮PHC管樁采用錘擊法[1-2]。

3.1 樁機(jī)及樁錘參數(shù)

樁機(jī)采用全旋轉(zhuǎn)步履多功能樁架，立柱高22 m，樁機(jī)工作狀態(tài)尺寸為8.5 m×8.2 m×23.8 m，樁架總質(zhì)量60 t。

柴油錘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)調(diào)整，故比較適合管樁的施打。根據(jù)“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(zhì)量8 000 kg，單次打擊能量176～272 kJ，錘體總質(zhì)量16.6 t，起落架總質(zhì)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(chǎng)地平整、測(cè)量放樣→布設(shè)樁機(jī)走道→樁機(jī)就位、調(diào)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(yàn)收→樁基承載力檢測(cè)

3.3 施工工藝要點(diǎn)

在人工島上采用錘擊法施工PHC管樁，應(yīng)在常規(guī)陸地上的施工方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)人工島的地質(zhì)、環(huán)境特點(diǎn)加以改進(jìn)。

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(shí)首節(jié)管樁基本在砂層中打入，摩阻力較大，進(jìn)尺速度較慢；接完第2節(jié)樁繼續(xù)沉樁時(shí)，樁尖往往已經(jīng)穿過(guò)砂層進(jìn)入淤泥層，摩阻力急劇下降，進(jìn)尺速度非?？欤袝r(shí)無(wú)需響錘，僅靠錘自重即可沉入數(shù)米。因此在管樁施工前需要認(rèn)真研究地質(zhì)勘察報(bào)告，根據(jù)地層的特點(diǎn)有針對(duì)性地制訂施工參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底。

首節(jié)樁精度控制尤為重要，務(wù)必保證樁的平面位置正確以及垂直精度。否則，待后續(xù)施工中再調(diào)整，樁將始終貫入土體偏軟弱方向，若樁的傾斜度過(guò)大，將直接影響樁的貫入深度，甚至造成樁折斷等現(xiàn)象。另外，每根樁的第1節(jié)沉樁是控制傾斜誤差的關(guān)鍵。若控制住第1節(jié)樁誤差，則其他節(jié)段的樁相對(duì)易控，整根樁的質(zhì)量即得到保證。當(dāng)插樁位置正確且垂直度小于L/500時(shí)（L為樁長(zhǎng)），即可開(kāi)始沉樁作業(yè)。初沉階段力求輕擊，以利于保證樁的垂直度。當(dāng)發(fā)生傾斜時(shí)，及時(shí)糾正，傾斜嚴(yán)重時(shí)必須拔出重打。當(dāng)樁入土漸深，垂直度在L/300范圍內(nèi)，可充分發(fā)揮錘的工作能力，將樁沉入土中。

開(kāi)始錘擊時(shí)，應(yīng)使錘處于低沖程的空冷錘法錘擊狀態(tài)，樁尖入土3 m后，在確認(rèn)樁身貫入方向無(wú)異常時(shí)，方可進(jìn)行連續(xù)正常錘擊。沉樁應(yīng)力求連續(xù)施工，中途不得人為停錘，確需停錘時(shí)，應(yīng)盡量縮短停錘時(shí)間。樁錘擊時(shí)的壓應(yīng)力應(yīng)小于樁身材料的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；錘擊拉力應(yīng)小于樁身材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

沉樁過(guò)程中，在樁的正、側(cè)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(fēng)大影響線錘擺動(dòng)，重錘下須配置油杯，或使用2臺(tái)經(jīng)緯儀在90°夾角方向觀測(cè)，確保樁尖、樁身、樁錘在同一豎直方向上。遇6級(jí)風(fēng)以上時(shí)，須暫停沉樁作業(yè)。

沉樁過(guò)程中，若出現(xiàn)貫入度反常，樁身傾斜、移位或樁身、樁頂破損，應(yīng)查明原因，進(jìn)行必要處理后方可繼續(xù)施工。因地下障礙物致使樁位偏移或傾斜時(shí)，不得強(qiáng)行糾偏，應(yīng)會(huì)同參建方研究并達(dá)成統(tǒng)一意見(jiàn)后進(jìn)行處理。在沉樁過(guò)程中要保持柴油錘正常跳動(dòng)，不得隨意調(diào)整柴油錘油門開(kāi)關(guān)，時(shí)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(jié)拼接而成，采用端板焊接連接?？紤]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(shè)計(jì)方案采取預(yù)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(shí)必須以多層多道橫焊完成。通過(guò)端板模擬焊接工藝試驗(yàn)，確定了焊接工藝：

1）焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。

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

3）樁管端面對(duì)接前先清理兩端面上的泥沙和其他雜物，以免焊接產(chǎn)生氣孔而影響焊接質(zhì)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(dāng)增減。

5）二氧化碳?xì)馄勘M量豎放，保證開(kāi)氣時(shí)可以看到減壓氣鋼珠的浮動(dòng)值。一般調(diào)節(jié)氣壓為20 MPa左右，但由于工地海風(fēng)有時(shí)較大，可以適當(dāng)調(diào)高氣壓≥25 MPa。

焊接時(shí)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(duì)稱焊接法同時(shí)施焊，以減小變形和殘余應(yīng)力。焊接層數(shù)≥3，焊縫應(yīng)飽滿連續(xù)，接頭不可強(qiáng)制冷卻，在自然冷卻5～10 min以后才可進(jìn)行施壓。

在單根樁沉樁完成后，須及時(shí)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(fēng)大等因素引起的墜物現(xiàn)象，從而給后續(xù)清理樁內(nèi)雜物帶來(lái)不便。回填材料可利用場(chǎng)地內(nèi)砂土，回填后密實(shí)度須滿足樁機(jī)行走要求。在澆灌填芯混凝土前，應(yīng)清理干凈管樁內(nèi)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(yù)留區(qū)基礎(chǔ)樁送樁最大深度達(dá)到9.7 m，其他各區(qū)基礎(chǔ)樁送樁深度達(dá)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(duì)送樁深度7.5 m以內(nèi)的樁，送樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。地鐵預(yù)留區(qū)承臺(tái)樁送樁深度過(guò)大，數(shù)量也較少（300～400根），為保證施工質(zhì)量，考慮采用加長(zhǎng)配樁長(zhǎng)度、開(kāi)挖后截樁的方式處理。

根據(jù)DBJ/T 15-22—2008《廣東省錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)基礎(chǔ)規(guī)范》，送樁深度不宜大于6 m。為了確保超深送樁質(zhì)量，制訂了技術(shù)措施，主要措施如下：

1）確保工程樁垂直度。底樁（第1節(jié)）就位后對(duì)中調(diào)直，這道工序?qū)Τ蓸顿|(zhì)量起到關(guān)鍵性的作用。調(diào)直時(shí)，一要使樁身垂直，二要使樁身、樁帽、樁錘的中心線重合。測(cè)量管樁樁身包括打樁導(dǎo)桿的垂直度，當(dāng)垂直度偏差不大于0.4%（規(guī)范要求0.5%）時(shí)方可開(kāi)錘施打。樁打入過(guò)程中修正樁角度較困難，因此就位時(shí)應(yīng)正確安放，開(kāi)始應(yīng)輕輕打下，必要時(shí)要拔出重打。

2）送樁器。送樁器做成圓筒形，并應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐打性；上下兩端應(yīng)平整，且與送樁器軸線垂直，器身彎曲度不得超過(guò)0.1%。送樁作業(yè)時(shí)，在送樁器套筒內(nèi)設(shè)置硬紙板或膠合板襯墊，襯墊經(jīng)錘擊壓實(shí)后的厚度不小于15 cm。由于送樁器過(guò)長(zhǎng)，在施工過(guò)程中不斷錘擊，可能會(huì)造成送樁器變形，因此需定期對(duì)送樁器的外形形狀、順直度和樁帽進(jìn)行檢查，確保無(wú)恙。

3）柴油錘油門控制。當(dāng)樁錘錘擊樁頭時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)沿樁身向下傳播的壓縮應(yīng)力波。應(yīng)力波的最大強(qiáng)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(zhǎng)送樁器在施工過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的彎曲及管樁垂直度的偏差，因此更容易發(fā)生送樁器與樁之間非面接觸狀態(tài)。為防止樁受錘擊時(shí)過(guò)大的沖擊應(yīng)力使樁頭被打爛擊碎，應(yīng)遵循“重錘低擊”原則，選用80型柴油錘運(yùn)作時(shí)，油門一般只開(kāi)二擋，最多開(kāi)三擋，這樣樁頭不易被打碎，錘也不易損壞。

3.3.4 土方開(kāi)挖時(shí)對(duì)管樁的保護(hù)

由于管樁樁頭多處于人工填土層和淤泥層中，基坑土方開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意對(duì)管樁的保護(hù)?？墒褂眯⌒屯诰驒C(jī)械設(shè)備，在施工便道上鋪設(shè)鋼板，特別是要控制土方開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備作業(yè)面、運(yùn)輸車輛作業(yè)通道與開(kāi)挖面之間的高差，防止因施工荷載過(guò)大導(dǎo)致臨時(shí)邊坡失穩(wěn)，發(fā)生土體滑移，導(dǎo)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(yùn)輸

管樁海運(yùn)方案的制訂原則為：根據(jù)總工程量、工期、運(yùn)距、天氣等因素，算出每天運(yùn)輸需求量，再根據(jù)每天運(yùn)輸需求量安排船只載質(zhì)量、數(shù)量及裝貨卸貨作業(yè)人員等。

珠?？诎痘A(chǔ)工程管樁總需求量超過(guò)500 000 m，工期5個(gè)月左右，平均每月需供應(yīng)100 000 m管樁，單位時(shí)間內(nèi)供應(yīng)量大。人工島距離九洲港約2.6 km，其北端有一個(gè)長(zhǎng)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(shè)備運(yùn)輸。經(jīng)過(guò)實(shí)地勘測(cè)，2 000 t級(jí)散貨船可靠泊卸貨。通過(guò)實(shí)測(cè)收集數(shù)據(jù)，精確計(jì)算后確定管樁運(yùn)輸方案。管樁全部采用船運(yùn)至人工島北側(cè)碼頭，由履帶吊卸樁至平板車上，再轉(zhuǎn)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)各臺(tái)樁機(jī)施工區(qū)域臨時(shí)堆放，考慮天氣等異常因素影響，每天運(yùn)輸不少于4 000 m，滿足了施工進(jìn)度的需求。

4.2 施工機(jī)械組織

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)綜合考慮樁數(shù)、場(chǎng)地、樁機(jī)工效、工期和碼頭吞吐量等各因素，合理安排樁機(jī)數(shù)量。根據(jù)樁基礎(chǔ)平面布置圖，結(jié)合GB 50202—2016《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中“靜載荷試驗(yàn)……檢驗(yàn)樁數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的1%，且不應(yīng)少于3根”的要求，劃分好管樁檢驗(yàn)批。每一檢驗(yàn)批樁數(shù)接近且不超過(guò)300根管樁，兼顧滿足規(guī)范要求和減少檢測(cè)不確定性對(duì)樁基礎(chǔ)質(zhì)量驗(yàn)收的影響。個(gè)別檢驗(yàn)批樁數(shù)不得不超過(guò)300根的，則應(yīng)盡量接近且不超過(guò)400根樁。

施工時(shí)，每一檢驗(yàn)批就是一個(gè)施工分區(qū)，盡可能由1臺(tái)樁機(jī)施工完成。同時(shí)，應(yīng)合理規(guī)劃樁機(jī)走向，包括在每一個(gè)施工分區(qū)內(nèi)的走位和施工分區(qū)之間的走位，確保每臺(tái)樁機(jī)按照施工走位圖能夠每天完成計(jì)劃樁數(shù)。相鄰施工分區(qū)的樁機(jī)保持一定的距離，不產(chǎn)生互相干擾。樁機(jī)完成一個(gè)施工分區(qū)內(nèi)的樁基礎(chǔ)后，能迅速轉(zhuǎn)移至下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工，盡量做到無(wú)縫銜接，避免樁機(jī)長(zhǎng)距離跨分區(qū)轉(zhuǎn)移。

4.3 施工場(chǎng)地排水組織

珠海地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，年均降雨量超過(guò)1 770 mm。珠?？诎痘A(chǔ)工程施工期間恰逢雨季和臺(tái)風(fēng)多發(fā)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(chǎng)地平坦，無(wú)排水管網(wǎng)，僅有沿岸分布數(shù)根鋼筋混凝土管排水口，地面排水困難。

在預(yù)應(yīng)力管樁和基坑止水帷幕、支護(hù)樁施工期間建立地面排水系統(tǒng)，由排水渠和排水溝組成。排水渠環(huán)繞整個(gè)施工場(chǎng)地一周，與人工島西側(cè)中部的2個(gè)排水口連接，總長(zhǎng)度達(dá)3 000 m。排水渠深2 m，下底寬2 m，上口寬約8 m，兩側(cè)按1∶1.5放坡，用砂袋堆筑護(hù)坡。為確保臨時(shí)道路安全，排水渠距離道路約10 m。臨時(shí)道路通過(guò)排水渠的路段下埋設(shè)2根φ1 350 mm鋼筋混凝土排水管。施工場(chǎng)地內(nèi)低洼地段開(kāi)挖一些小型排水溝并使其與大排水渠相連，使場(chǎng)地積水主要通過(guò)自排方式排出，解決了場(chǎng)地匯水面積大與水泵數(shù)量有限的矛盾。

在排水渠修筑后，經(jīng)歷數(shù)次暴雨檢驗(yàn)，逾200 000 m2的施工場(chǎng)地再也沒(méi)出現(xiàn)過(guò)水浸問(wèn)題，雨后可迅速恢復(fù)施工生產(chǎn)，為工程贏得了寶貴的施工生產(chǎn)時(shí)間。

5 施工效果

5.1 工程質(zhì)量

預(yù)應(yīng)力管樁施工結(jié)束后，按設(shè)計(jì)要求和規(guī)范規(guī)定進(jìn)行了抗壓和抗拔靜載試驗(yàn)、低應(yīng)變等質(zhì)量檢測(cè)。其中，抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)129根、抗拔靜載試驗(yàn)檢測(cè)34根、水平推力靜載試驗(yàn)19根，全部合格。管樁低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果顯示，全部被檢樁均達(dá)到Ⅱ類樁以上標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)核結(jié)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(tǒng)計(jì)結(jié)果看：針對(duì)人工島特殊的環(huán)境制訂了相應(yīng)的獨(dú)特的工藝，保證了人工島上大規(guī)模PHC管樁施工的總體質(zhì)量是優(yōu)良的，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求；同時(shí)，在采取了前述超深送樁的技術(shù)措施后，送樁深度超過(guò)6 m的預(yù)應(yīng)力管樁與送樁深度在6 m以內(nèi)的預(yù)應(yīng)力管樁的施工質(zhì)量和樁位偏差基本在同一水平上，可見(jiàn)制訂的技術(shù)措施是行之有效的。

5.2 工程進(jìn)度

通過(guò)有效的施工組織，保障了管樁材料的供應(yīng)，管樁施工期間共投入錘擊樁機(jī)20臺(tái)，劃分了施工分區(qū)（檢驗(yàn)批）41個(gè)，5個(gè)月完成了12 368根、總長(zhǎng)516 242 m管樁的施工，滿足了合同工期的要求。最快的時(shí)候19 d完成100 000 m管樁的施工，施工產(chǎn)量單日最高峰值達(dá)到7 000 m。

6 結(jié)語(yǔ)

PHC管樁是廣東地區(qū)應(yīng)用廣泛的樁基施工方法，本文以港珠澳大橋珠?？诎豆こ虨楸尘?，通過(guò)對(duì)特殊地理位置、地質(zhì)條件、氣候條件下大規(guī)模預(yù)應(yīng)力管樁施工技術(shù)的介紹，得出如下結(jié)論[3-5]：

1）施工前應(yīng)對(duì)施工環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)性分析，對(duì)人工島施工的各種困難要有深刻的認(rèn)識(shí)，做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備，合理規(guī)劃施工部署。

2）以傳統(tǒng)工藝為基礎(chǔ)制訂了人工島上PHC管樁獨(dú)特的施工工藝，并通過(guò)施工和質(zhì)量檢測(cè)加以驗(yàn)證，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

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

4）對(duì)材料供應(yīng)、機(jī)械配置、場(chǎng)地排水等施工組織工作進(jìn)行深入的分析研究，實(shí)踐后取得了成功經(jīng)驗(yàn)，為類似環(huán)境下大規(guī)模管樁施工提供了參考，具有一定的推廣價(jià)值。