高頻免共振鋼管樁在基坑豎向支承體系的應(yīng)用

陸 文 卿

(上海寰宇城市投資發(fā)展有限公司，上海 200232)

0 引言

鋼管樁的高頻免共振沉樁工藝，是采用高頻免共振設(shè)備(主要是液壓振動(dòng)錘)，配合起吊設(shè)備和垂直度矯正措施，將鋼管分節(jié)打入土中，用鋼襯墊熔透焊配合CO2氣體保護(hù)的方式將鋼管分段連接并形成樁體。液壓振動(dòng)錘的設(shè)計(jì)是通過(guò)可變偏心力矩實(shí)現(xiàn)偏心塊的振動(dòng)頻率在零至工作頻率之間自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而消除設(shè)備在啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)與土體固有頻率的共振，起到減少沉樁過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境影響的作用[1,2]。

作為一種新型施工技術(shù)，高頻免共振鋼管樁能契合國(guó)家住建部在2010年推廣的建筑業(yè)十項(xiàng)新技術(shù)中關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)和綠色施工技術(shù)的應(yīng)用。相較普通鉆孔灌注樁或PHC預(yù)應(yīng)力管樁，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)也較為明顯：綜合經(jīng)濟(jì)效益與鉆孔灌注樁基本相同；設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)方便，占用的施工場(chǎng)地較??；工效高又無(wú)振動(dòng)或擠土效應(yīng)，對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)有利；施工過(guò)程環(huán)保，無(wú)噪聲污染、無(wú)泥漿、無(wú)揚(yáng)塵。

目前，高頻免共振沉樁工藝在上海地區(qū)道橋工程[3]和市區(qū)敏感項(xiàng)目(鄰近地鐵[4,5]、高鐵、機(jī)場(chǎng)、老舊建筑等)樁基礎(chǔ)的應(yīng)用和研究較多，而在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用較少。本文以上海徐匯某深基坑工程為例，對(duì)采用高頻免共振鋼管樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系立柱樁的可行性進(jìn)行分析和驗(yàn)證，為今后深基坑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

項(xiàng)目由4棟甲級(jí)寫(xiě)字樓和若干商業(yè)裙房組成，整體設(shè)置3層地下室，基坑總面積約8萬(wàn)m2，分區(qū)先后順作實(shí)施，普遍區(qū)域開(kāi)挖深度為17.5 m。實(shí)施過(guò)程中，兩個(gè)位于關(guān)鍵路線上的分區(qū)(A,B)基坑由于工況調(diào)整增加棧橋平面布置，需增打豎向支撐樁柱28根。由于分區(qū)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了放坡開(kāi)挖，在既有坡體上進(jìn)行鉆孔灌注樁施工的難度較大；另一方面，常規(guī)鉆孔灌注樁需要較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，將嚴(yán)重影響項(xiàng)目工期?；谏鲜鲈颍瑸闈M(mǎn)足工期進(jìn)度的要求，采用直徑800 mm，壁厚16 mm，長(zhǎng)度60 m的鋼管作為豎向支撐樁柱，選用ICE-70RF型高頻免共振設(shè)備進(jìn)行鋼管樁施工，該設(shè)備沉樁深度可達(dá)60 m～80 m，峰值振動(dòng)頻率為2 300 r/min。

2 鋼管樁的豎向承載力計(jì)算

采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立支撐和立柱整體模型，通過(guò)計(jì)算立柱的柱底反力來(lái)確定其樁頂荷載，如圖1所示(陰影部分為棧橋或封板)。荷載取值原則按棧橋上活荷載25 kPa、支撐上活荷載4 kN/m確定，計(jì)算立柱的樁頂荷載標(biāo)準(zhǔn)值(1.0恒+1.0活)和設(shè)計(jì)值(1.3恒+1.5活)，A區(qū)、B區(qū)基坑棧橋下的樁頂最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為3 560 kN和3 768 kN。由于勘察報(bào)告中未提供預(yù)制樁側(cè)摩阻力fs及樁端阻力fp，故根據(jù)上海市《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]中建議的預(yù)制樁樁側(cè)及樁端阻力的下限值進(jìn)行單樁承載力計(jì)算，得到鋼管樁的單樁承載力特征值為3 810 kN，大于棧橋立柱的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 高頻免共振鋼管樁的施工

3.1 鋼管的加強(qiáng)措施

基坑豎向設(shè)置4道混凝土支撐，為保證鋼管與混凝土支撐豎向連接可靠，如圖2所示在與混凝土支撐相交范圍內(nèi)的鋼管外側(cè)焊接弧形鋼板，并在弧形鋼板上設(shè)置栓釘。由于鋼管阻斷了混凝土支撐主筋的貫通，在相交處設(shè)置環(huán)梁，并將支撐主筋錨入環(huán)梁中。同時(shí)為防止水平支撐力較大引起鋼管變形，在支撐范圍內(nèi)平行于支撐方向設(shè)置內(nèi)部加勁板。此外，鋼管樁每節(jié)頂部500 mm范圍內(nèi)采用10 mm厚鋼板作加強(qiáng)處理，以保證沉樁過(guò)程中ICE設(shè)備夾取位置的鋼管不發(fā)生變形。

3.2 鋼管樁施工流程

鋼管總長(zhǎng)度60 m，分為4節(jié)打入，每節(jié)長(zhǎng)度15 m，采用ICE-70RF高頻免共振液壓振動(dòng)錘，根據(jù)場(chǎng)地條件配備一臺(tái)履帶吊，將振動(dòng)錘通過(guò)鋼絲繩懸掛在吊鉤上，對(duì)鋼管樁進(jìn)行施打，另配備一臺(tái)輔吊用于鋼管樁的卸車(chē)和喂樁。振動(dòng)錘(含油管、夾具等)約13.8 t、單節(jié)鋼管約5 t、吊鉤和鋼絲繩約4.2 t，總重約23 t。結(jié)合打樁起始高度和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)半徑，根據(jù)起重性能表，選用一臺(tái)Q250 t履帶吊，臂長(zhǎng)45.2 m，最大工作半徑28 m，額定起重量29 t，按照安全系數(shù)0.8計(jì)算29 t×0.8=23.2 t>23 t，可滿(mǎn)足施工要求。

現(xiàn)場(chǎng)按照“測(cè)量放樣→沉下節(jié)樁→焊接→沉中下節(jié)樁→焊接→沉中上節(jié)樁→焊接→沉上節(jié)樁”的步驟進(jìn)行施工。具體步驟如下：

1)施工前先計(jì)算出鋼管樁中心坐標(biāo)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣和復(fù)核；2)在履帶吊與輔吊的配合下，用提樁器將鋼管樁水平起吊并翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，制動(dòng)提樁器，將鋼管提升至振動(dòng)錘夾具位置并夾緊，完成對(duì)樁；3)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)2臺(tái)互成90°夾角的經(jīng)緯儀，對(duì)鋼管樁的垂直度進(jìn)行觀測(cè)和調(diào)整；4)開(kāi)啟振動(dòng)錘，進(jìn)行下節(jié)樁沉樁施工，并預(yù)留一定長(zhǎng)度鋼管進(jìn)行焊接施工，在沉樁過(guò)程中利用經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)觀測(cè)樁身垂直度；5)待下節(jié)樁就位后，進(jìn)行中節(jié)樁的起吊，對(duì)中并焊接后繼續(xù)沉放施工；6)重復(fù)上述步驟，直至60 m的鋼管沉放至設(shè)計(jì)深度后轉(zhuǎn)移至下一樁位，繼續(xù)施工。

3.3 工效統(tǒng)計(jì)和分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)28根ICE鋼管樁的沉樁過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)記錄，統(tǒng)計(jì)出各道工序平均施工時(shí)間，以分析和評(píng)價(jià)本次作業(yè)的施工效率。如表1所示，沉樁平均施工時(shí)間約2 h，而實(shí)際作業(yè)過(guò)程中還存在準(zhǔn)備工作時(shí)間，包括挪機(jī)移位、焊接吊耳、起吊喂樁等。如果場(chǎng)地條件較好、工人操作熟練、工序配合順暢，準(zhǔn)備工作時(shí)間可在30 min內(nèi)完成。單次焊接時(shí)間在30 min左右，三次焊接時(shí)間合計(jì)約1.5 h。

表1 鋼管樁平均沉樁施工時(shí)間統(tǒng)計(jì)

自下而上4節(jié)鋼管的沉樁時(shí)間均有所不同。其中，第2節(jié)(中下節(jié)樁)的沉樁速度最快，第4節(jié)(上節(jié)樁)的沉樁速度最慢，這與鋼管樁在施工上節(jié)樁時(shí)樁端進(jìn)入了砂土層有關(guān)，但總體來(lái)說(shuō)實(shí)際沉樁速度可達(dá)2.7 m/min～3.9 m/min，遠(yuǎn)超過(guò)普通振動(dòng)錘的施工效率。而在相同條件下，高頻免共振鋼管樁幾乎是傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工效率的5倍。

4 鋼管樁實(shí)施效果

從A區(qū)、B區(qū)基坑調(diào)整棧橋布置到增打的28根鋼管樁全部完成，共歷時(shí)21 d。其中，現(xiàn)場(chǎng)施工僅用12 d，且施工完成后無(wú)需養(yǎng)護(hù)可直接進(jìn)行后續(xù)支撐及棧橋的施工作業(yè)，大大節(jié)省了工期。而在施工過(guò)程中，由于高頻免共振沉樁無(wú)泥漿排放，無(wú)需對(duì)廢渣進(jìn)行處理和外運(yùn)；同時(shí)施工產(chǎn)生的振動(dòng)極小，對(duì)周邊已經(jīng)施工完成的結(jié)構(gòu)影響較小。

施工時(shí)采用履帶吊配合ICE設(shè)備對(duì)鋼管樁進(jìn)行吊打，垂直度的控制難度較大。用經(jīng)緯儀在沉樁過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)樁身垂直度進(jìn)行觀測(cè)和調(diào)整，確保第一節(jié)鋼管垂直度偏差不大于0.2%，余下各節(jié)鋼管垂直度偏差控制在0.3%以?xún)?nèi)，可確保ICE鋼管樁能滿(mǎn)足樁身垂直度偏差不大于1/300的設(shè)計(jì)要求。隨著本工程基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高(如圖3所示)，暴露出來(lái)的鋼管樁垂直度普遍好于鉆孔灌注樁角鋼格構(gòu)柱。

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)ICE鋼管樁垂直位移、水平位移進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。以基坑中部鋼管立柱樁為例，其豎向隆起變化規(guī)律與普通鉆孔灌注樁格構(gòu)柱相比基本類(lèi)似，A區(qū)、B區(qū)最大立柱隆起量分別為18.1 mm和19.5 mm，且與相鄰鉆孔灌注樁格構(gòu)柱的差異沉降量均小于10 mm，而最大水平位移僅為9 mm。說(shuō)明鋼管樁與格構(gòu)柱的協(xié)調(diào)性較好，作為豎向支承體系的效果較為理想。

此外，免共振工藝是通過(guò)高頻振動(dòng)將鋼管樁周邊土體液化而進(jìn)行沉樁的，沉樁后需要一定的恢復(fù)時(shí)間才能發(fā)揮其最大設(shè)計(jì)承載力。本項(xiàng)目在鋼管樁施工完成后開(kāi)展首道支撐和棧橋的施工，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才進(jìn)行土方開(kāi)挖，這段時(shí)間恰好為鋼管樁承載力提供了恢復(fù)期。

5 結(jié)語(yǔ)

采用高頻免共振鋼管樁作為深基坑豎向支承體系大大縮短了立樁柱的施工周期，其沉樁速度可達(dá)2.7 m/min～3.9 m/min，是常規(guī)鉆孔灌注樁施工效率的5倍；施工過(guò)程綠色環(huán)保無(wú)泥漿排放且施工產(chǎn)生的振動(dòng)影響極其微小，符合國(guó)家大力倡導(dǎo)的建筑工程綠色環(huán)保施工技術(shù)的要求；其施工垂直度偏差和基坑開(kāi)挖過(guò)程中的豎向及水平位移均在可控范圍內(nèi)。因此，高頻免共振鋼管可廣泛用于深基坑工程中作為豎向支承樁柱。