鄰近既有線預應力管樁地基處理施工技術研究

馮 浩

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

目前我國基礎設施建設處于高速發(fā)展階段，為節(jié)約土地、科學利用資源和便捷交通，避免不了在鄰近既有線旁進行鐵路、公路以及房屋建筑、市政等基礎設施建設。普通鐵路中繁忙干線、客運專線、高速鐵路等既有線規(guī)格高、行車密集繁忙、運量多、社會影響力大。鄰近這些既有線施工，如何安全、優(yōu)質、高效、綠色施工顯得尤為重要，同時要綜合考慮在建工程本身的安全性、可靠性、高效性、經(jīng)濟性及環(huán)保性等，所有研究鄰近既有線路基管樁地基如何處理尤為重要。本文以津秦鐵路客運專線和石濟鐵路客運專線梁段路基工程為項目背景，研究鄰近既有線預應力管樁（PHC）地基處理的施工技術。

1 工程概況

津秦客運專線Ⅰ標段路基，起訖里程為DK9+000～DK16+479.8，長7479.8m，位于天津市河東區(qū)和東麗區(qū)，與既有線津山線(繁忙干線)路堤段并行，既有線側最近一排樁與既有線線路中心線距離22～26m。石濟客運專線SJZ-6標段平原東站站場路基，起訖里程為改DK351+386.62～改DK352+672.3，長1285.7m，位于山東省平原縣境內(nèi)，與既有線京滬高鐵橋梁段并行，既有線側最近一排樁與既有線線路中心線距離35～37m。

2 預應力管樁地基處理的工藝原理

在軟質地基中壓入 PHC管樁，使土體擠密，提高地基承載力。PHC管樁壓入土體后，經(jīng)過一定時間，周圍土體將PHC管樁合抱緊密，增大PHC管樁與土體之間的摩擦力，PHC管樁承載力得到提高。PHC管樁壓入土體后，土體受到擠壓產(chǎn)生橫向應力，推動土體橫向位移，可對鄰近既有建筑物基礎產(chǎn)生破壞。需在PHC管樁與既有建筑物基礎之間設應力釋放孔，以效削減橫向應力，保護既有建筑物。

施工中采用鄰排奇、偶數(shù)隔樁跳壓（即梅花狀）施工順序，可避免應力集中，減少對鄰近的既有建筑物破壞力，同時降低對已經(jīng)壓入PHC管樁的影響。

采取先大直徑后小直徑、先長樁后短樁的壓樁次序工藝，先施作對土體產(chǎn)生應力變形大、影響面廣的樁。壓入的樁對樁底以上土體產(chǎn)生的應力較大，對樁底以下的土體影響較小。如先壓入細樁、短樁，再壓入粗樁、長樁可能導致整根細樁、短樁發(fā)生橫向位移。壓樁方向從鄰近鐵路側向遠離鐵路側進行，使得應力對鐵路影響由近及遠逐漸減小。

鄰近鐵路側選用低矮寬大較為穩(wěn)定的靜壓機，防止傾覆侵入鐵路限界；遠離鐵路側選用較高但作業(yè)靈活的錘擊機，提高工作效率。

在既有鐵路的路肩、橋梁承臺頂部設變形觀測標，或直接利用橋墩既有觀測標，通過儀器監(jiān)測PHC管樁壓入作業(yè)對鐵路路基或橋梁的高程和位移產(chǎn)生變形量，以指導、控制施工。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

預制預應力管樁施工工藝流程，如圖1所示。

圖1 預制預應力管樁施工工藝流程

3.2 工藝性試驗

預應力管樁正式施工前需做工藝試驗。針對工程地質特征，初步擬定施工設備類型及型號，通過現(xiàn)場試驗復核地質資料以及設備、工藝、管樁壓入作業(yè)順序、應力釋放孔設置是否適宜，確定壓樁速度、壓力、樁長控制以及錘擊法施工的錘重、捶擊數(shù)、樁長控制等各項工藝參數(shù)，為正式施工積累經(jīng)驗、提供各項指標和數(shù)據(jù)。

3.3 施工技術要點

3.3.1 應力釋放孔施工

依據(jù)工藝試驗所得參數(shù)，通過計算，在既有線與鄰近既有線側第一排管樁之間，設1排(或2排)應力釋放孔。采用螺旋鉆機成孔，直徑 40～50cm，孔深 12～15m，間距3～5m，距離最外一排管樁1～2m。當1排孔不足以消除應力，可設2排。管樁壓入時土體受力橫向位移，導致應力釋放孔內(nèi)空間受擠壓變形，從而應力被釋放、消除。如圖2所示。

圖2 螺旋鉆機應力釋放孔作業(yè)

3.3.2 壓樁作業(yè)施工

管樁壓入施工采用靜壓法和錘擊法兩種施工方法，鄰近既有線側選用靜壓機，詳見圖 3；遠離既有線側選用錘擊機，詳見圖4。

壓樁作業(yè)原則。壓樁作業(yè)方向應以排為單位，從鄰近既有線側開始，向遠離既有線側進行，由近及遠。同排作業(yè)時，奇、偶隔樁跳壓；鄰排作業(yè)時，偶、奇錯位隔樁跳壓；先大直徑后小直徑先長樁后短樁(先深后淺)；垂直線路方向分區(qū)、平行線路方向間隔分段作業(yè)；當樁較密集時，從中間向四周對稱施作，或由中間向兩邊對稱施作；當遠離既有線且樁間距較稀疏時，可采用由一側向另一側逐排隔一跳壓。

圖3 鄰近既有線側靜壓機作業(yè)

圖4 遠離既有線側錘擊機作業(yè)

管樁進場驗收與存放。管樁進場前必須抽樣檢驗樁體、樁頭等質量和規(guī)格，滿足相應規(guī)范標準和設計要求，驗收不合格產(chǎn)品嚴禁進入工地。存放位置最大限度選擇在壓樁機附近，盡量減少管樁轉角的范圍。按不同種類和使用順序碼放，遵循“先進場樁先使用”的原則碼放，最大限度滿足管樁的強度和齡期要求。分層存放時，層數(shù)不超過3層。兩點支承時，支承點設在距樁端0.21倍樁長處；三點支承時，支承點設在距樁端0.15倍樁長及樁中點處。每層支承墊木必須保持在同一平面上。雨季和春融期間，宜采取措施，防止因地面軟化發(fā)生不均勻下沉造成基樁斷裂或損壞。

3.3.3地表處理與測定樁位施工

壓樁施工前，清除表土、種植土等雜物，平整場地，進行碾壓，承載力不宜低于100kPa。如不能滿足，須進行補強處理，如換填、改良土等措施，直到達標。采用全站儀測設路基中線及邊樁中心線，據(jù)此測設出每排樁的中線，每間隔20m放出同排的2個樁作為控制樁位，然后用鋼尺根據(jù)兩個控制樁量測出每個樁位，用木簽定出每根樁的中心，根據(jù)樁的直徑用石灰畫出圓形邊線。

3.3.4 靜壓法施工技術

（1）靜力壓樁原理

靜力壓樁機就位利用行走裝置完成，行走裝置由橫向行走（短船行走）、縱向行走（長船行走）和回轉機構組成。通過橫向和縱向油缸的伸程和回程使樁機實現(xiàn)步驟式的橫向和縱向行走。當橫向兩油缸一只伸程，另一只回程可使樁機實現(xiàn)小角度回轉。

如圖5~圖6所示，壓樁機利用自身起重裝置，將管樁吊入夾持器中。夾持油缸將管樁從側面夾緊，壓樁油缸伸程，把管樁壓入土層中。油缸伸長完成后，夾持油缸回程松夾，壓樁油缸回程，重復上述動作，可實現(xiàn)連續(xù)壓樁操作，直至把管樁壓入預定深度土層中。當樁歪斜時，可利用壓樁油缸回程，將壓入土層中的管樁拔出，實現(xiàn)拔樁作業(yè)。

圖5 壓樁機起吊管樁圖

圖6 夾持器夾持管樁圖

（2）壓樁順序

壓樁前先將施工區(qū)域進行總體分區(qū)、分段，即垂直線路方向分區(qū)、平行線路方向間隔分段作業(yè)，如圖7所示。A區(qū)先同時作業(yè)，B區(qū)后同時作業(yè)，AB區(qū)均成“品”字形。分區(qū)作業(yè)一可避免應力集中，二可減少作業(yè)面相互干擾，三可提高工程效率。每個作業(yè)區(qū)內(nèi)采取由近至遠逐排隔樁的跳壓法，如圖8所示。

圖7 分區(qū)隔段作業(yè)圖

圖8 鄰近既有線側A(B)作業(yè)區(qū)壓樁順序示意

具體施工順序是，先壓靠近既有線第1排1、3、5等奇數(shù)號樁，再壓第2排2、4、6等偶數(shù)號樁，第三步壓第3排1、3、5等奇數(shù)號樁，第四步壓第四排2、4、6等偶數(shù)號樁，如此一直靜壓至第N排。第二輪再依次壓入第1排2、4、6等偶數(shù)號樁，第2排的1、3、5等奇數(shù)號樁……，如此交替經(jīng)1～N排剩余樁全部靜壓完成。第N+1排及以遠的管樁，采用錘擊法施工。

施工中，當壓樁間隔時間過短或遇地質發(fā)生變化等原因，導致土體橫向應力較大，來不及消除時，可在相鄰兩排樁之間增設1排應力釋放孔。第二輪隔樁跳壓時，需在相鄰樁壓入后一定時間、孔隙水壓力消散到一定程度后進行，避免應力過大，發(fā)生地面隆起、擠樁等現(xiàn)象。

（3）壓樁作業(yè)

起吊管樁時，吊點設在距樁上端1/3樁長處，提升要平穩(wěn)；同時采用鋼絲繩捆綁樁的下端，人工控制，防止搖擺。管樁送入夾持器后，檢查夾持要牢固，與樁身四周密貼要均勻。壓入前，保證管樁與放樣的樁中心在同一軸線上，垂直度誤差控制在5‰之內(nèi)。壓樁需連續(xù)均速進行，避免中途停歇。

兩節(jié)及以上管樁，采用焊接法接續(xù)。下節(jié)管樁壓入到上端距地面50～100cm時，進行接樁作業(yè)。接樁前清理上、下節(jié)兩個端部鋼板上的泥土、油污、鐵銹等雜物，清刷干凈。調(diào)整上、下節(jié)中心軸線對位一致，偏差不大于3‰，且錯臺不大于2mm。施焊前在下節(jié)樁頭上安裝導向箍，以引導上節(jié)樁準確就位。上、下節(jié)精準對位后，在樁端板圓周坡口上對稱點焊4～6點加以固定，然后拆除導向箍，進行正式焊接作業(yè)，分層施焊。施焊第1層時適當加大電流、增大熔深，清除焊渣后再施焊第2~3層，焊縫要連續(xù)、飽滿，各層焊縫接頭要相互錯開。施工中應盡量減少接樁，管樁長度在預制時要充分考慮接樁因素。

如圖9所示，焊接完成后樁頭應自然冷卻至常溫，禁止用水冷卻。人工涂刷防腐材料2遍并檢查合格后方可壓樁，嚴禁焊接完成后立即壓樁。壓至設計標高后移機進行下一根管樁施工。壓入后的管樁，頂部用沙袋覆蓋，一則防止雜物落入管樁孔內(nèi)，二則保護樁頭質量不被撞損。

圖9 管樁接頭防腐涂材料施做圖

（4）終止壓樁

壓樁以設計樁長及壓力值控制。對于純摩擦樁，終壓以設計樁長為控制條件；對端承摩擦型靜壓樁，以設計樁長控制為主，終壓力值作為對照。當樁長、壓力值均達到設計要求時，即可終止壓樁。

3.3.5 錘擊法施工技術

由于錘擊落距長，震動大，樁體瞬間壓入土體所產(chǎn)生的應力快，對周圍建筑物造成的安全隱患大，故安排遠離既有線一側。錘擊法作業(yè)程序為：樁機就位→管樁起吊、穩(wěn)樁→試擊→正式錘擊→接樁、錘擊(如果分節(jié))→檢測驗收→移機至下一樁位。其作業(yè)要點包括：

（1）準備。樁機就位時，須保持墜錘與樁位的中心線在同一軸線上。利用機身自帶的2臺卷揚機，將樁管提升到適當高度，垂直套入樁帽內(nèi)，完成喂樁。錘擊前應檢查樁機樁架穩(wěn)定性，墜錘、樁帽、樁身、樁位須在同一中心線上，樁身縱、橫兩個方向垂直度均應符合規(guī)定。

（2）試擊。應先輕擊2～3下后，復核管樁是否偏位，樁身垂直度是否偏移。若有偏差及時糾正，必要時要拔出重新作業(yè)。

（3）錘擊。初始時由于樁身入土淺，下沉量較大，宜采取低提錘、輕擊打；隨著樁身入土加深，入土速度減慢，錘擊落距可漸增；待樁身入土一定深度并確認樁位和垂直度符合要求后，再按規(guī)定落距進行錘擊。另外，焊管樁錘擊全程做好記錄，每入土1米記錄1次錘擊數(shù)量，至達設計標高。

（4）終止錘擊。當貫入度、樁尖設計高程達到設計要求時，即可終止錘擊。

3.5 中止壓樁

壓樁時遇到下列情況一應暫停作業(yè)，與監(jiān)理、設計研究處理：(1)壓樁力（貫入度）突變；(2)壓樁入土深度與設計要求差異較大；(3)樁頭混凝土剝落、破碎，或樁身混凝土出現(xiàn)裂縫或破碎；(4)樁身突然傾斜、跑位；(5)地面明顯隆起、鄰樁上浮或位移過大；(6)壓樁不到位，或總錘擊數(shù)超過規(guī)定值(適用錘擊壓樁)。

4 既有線變形觀測

在既有線的路肩頂部、橋梁承臺頂部埋設變形觀測標，或直接利用橋墩既有觀測標，管樁施工全程對既有線變形量進行監(jiān)測。通過儀器監(jiān)測 PHC管樁壓入作業(yè)時對鐵路路基或橋梁的豎向高程抬高或沉降，以及水平位移產(chǎn)生變化；當變形量達到報警值，立即停工，分析原因，采取措施，調(diào)整壓樁方案，以確保既有線安全。變形觀測標宜50m左右設一個，必要時可加密觀測。

5 結 語

津秦客運專線Ⅰ標段路基，共完成PHC管樁總長61.83萬延米，有效彌補了因征地拆遷拖延工期的影響。在津山線路肩設觀測樁(標)，高程和平面最大變形量均未超過預定報警值，保證了行車安全，未影響列車正常運行。未發(fā)生機械傾覆或墜物侵入既有線限界內(nèi)事故和人員擅自進入鐵路柵欄內(nèi)事件。石濟客運專線SJZ-6標段平原東站站場路基，共完成PHC管樁總長11.94萬延米。利用既有線橋梁墩身觀測樁(標)監(jiān)測，高程和平面最大變形量均遠低于預定報警值，行車安全。同時，未發(fā)生機械傾覆或墜物侵入既有線限界內(nèi)事故。

通過上述工藝進行鄰近既有線路基地基處理施工，可以有效提高工期效率、降低施工過程對鄰近既有線行車帶來的各種潛在風險源。