高速鐵路橋梁大直徑管樁關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

韓廣峰 （國家鐵路局工程質(zhì)量監(jiān)督中心，北京 100860）

1 引言

隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，橋梁建造正朝著設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、施工裝配化和機(jī)械化、管理信息化的方向發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)的各種新理念和橋梁施工的各種新方法都在不斷地被嘗試。橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工藝作為綠色環(huán)保建設(shè)的代表工法，不僅可以促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，還能降低勞動(dòng)成本、節(jié)約建筑材料、降低能耗、減少揚(yáng)塵，是符合節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策的先進(jìn)技術(shù)，得到了世界各國建設(shè)領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可，有望成為今后橋梁重要施工方法之一。

PHC預(yù)應(yīng)力管樁一般只應(yīng)用于路基及房建工程，樁徑基本都比較?。ㄒ话阒睆皆?.4～0.6m），對(duì)于大直徑PHC樁來講，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠、用材節(jié)省、綠色環(huán)保、承載力高等特點(diǎn)，在港口碼頭建設(shè)行業(yè)應(yīng)用相對(duì)較多，但是在鐵路建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用極少，尤其是大直徑PHC管樁（直徑1m）在350km/h高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用，在國內(nèi)外更是極其少見。自1998年新長鐵路開始，PHC管樁陸續(xù)應(yīng)用于秦沈鐵路，寧西鐵路、贛龍鐵路、寧啟鐵路、滬杭高鐵、滬通鐵路和連鎮(zhèn)鐵路等。當(dāng)前預(yù)應(yīng)力管樁在鐵路路基處理上也有應(yīng)用，如京滬高速鐵路宿州站，溫福鐵路、宣杭鐵路軟土路基加固等，見表1。

預(yù)制管樁在鐵路工程應(yīng)用統(tǒng)計(jì) 表1

從鐵路應(yīng)用情況可以得出：管樁在橋梁上的應(yīng)用在長三角、珠三角地區(qū)較多，應(yīng)用的地層包含了黏土、粉土、中密中砂以及粗礫；橋梁管樁采用錘擊施工方法較多。由于高速鐵路橋梁所采用的常規(guī)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工工序復(fù)雜、成本高、工期長、環(huán)境污染大一直都是影響高速鐵路施工重要環(huán)節(jié)。因此，對(duì)于深入開展大直徑PHC管樁在高速鐵路橋梁中的應(yīng)用技術(shù)研究意義尤為重大。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一施工技術(shù)展開了研究，并取得了一定成果。阮白一[1]針對(duì)PHC管樁提出了一種新型的施工方法—跟鉆法，研究了其在鐵路橋梁基礎(chǔ)應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性；徐惠純[2]對(duì)管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了論述；楊少宏[3]結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)在軟土地區(qū)的PHC管樁、鋼管樁和鉆孔灌注樁方案進(jìn)行了比選；蔡華炳等[4]對(duì)不同樁徑進(jìn)行了單樁豎向動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在樁端持力層較好的情況下，軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略由于高速列車運(yùn)營的反復(fù)荷載作用對(duì)樁基工后沉降和豎向承載力的影響；李青和[5]介紹了鐵路橋梁在動(dòng)荷載作用下的樁基托換施工方法、頂升轉(zhuǎn)換工藝及橋梁結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)控；Sonal Singh等[6]研究了鋼管樁在不同性質(zhì)的土層中的動(dòng)力響應(yīng)；Wang Yonghong等[7]用硅壓阻傳感器對(duì)PHC管樁貫入引起樁土界面超孔隙水壓力進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。但以上研究較少涉及350km/h高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)。

本文以新建京雄城際鐵路固霸特大橋?yàn)楣こ桃劳?，從沉樁過程分析模型及沉樁設(shè)備施工原理、具體施工步驟和成樁檢測(cè)三個(gè)方面論述在特殊地質(zhì)條件下高速鐵路橋梁大直徑PHC管樁沉樁施工技術(shù)，為該類結(jié)構(gòu)的拓展應(yīng)用提供參考。

2 工程概況

2.1 設(shè)計(jì)情況

新建京雄城際鐵路固霸特大橋位于河北省霸州市與固安縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為雙線高速鐵路，時(shí)速350km/h。本橋在DK72+580.45～DK73+578.47（349#～380#墩）段樁基設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，管樁單根樁長34～42m。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁外徑1.0m，內(nèi)徑0.74m，壁厚0.13m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。采用柴油錘或液壓錘錘擊法沉樁，樁身分段長度控制在16m以內(nèi)，樁身節(jié)段間采用焊接，焊接接頭端板接頭采用環(huán)氧樹脂漆進(jìn)行防腐處理；樁尖根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求采用開口型鋼樁尖。管樁頂以下6m范圍澆筑填芯混凝土，形成實(shí)體段并配置構(gòu)造鋼筋籠與承臺(tái)連接。

2.2 地質(zhì)情況

橋梁施工范圍內(nèi)地貌為沖積平原，地形平坦開闊，路有起伏。固霸特大橋典型土層為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂，典型土層分布圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)情況圖

本工程管樁應(yīng)用范圍內(nèi)固霸特大橋管樁樁底標(biāo)高位于粉質(zhì)黏土層（200kPa）或細(xì)砂層（300kPa），其地質(zhì)條件如表2。

管樁工程樁位置地質(zhì)情況分布 表2

2.3 工程特點(diǎn)及重難點(diǎn)分析

通過現(xiàn)場調(diào)查資料，結(jié)合已有管樁施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本工程特點(diǎn)及施工重難點(diǎn)進(jìn)行了分析，制定了解決方案，如表3所述。

工程特點(diǎn)及重難點(diǎn)分析表 表3

3 大直徑管樁施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 沉樁過程分析模型及沉樁設(shè)備施工原理

打樁過程可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為樁錘對(duì)樁的沖擊過程；第二個(gè)階段為樁獲得沖擊能量在土中的貫入過程。

柴油錘工作過程如圖2所示，其工作實(shí)質(zhì)是2次沖擊，它是利用錘芯沖擊部分自由下落的沖擊能和柴油燃燒爆炸的能量使樁下沉，這個(gè)過程用簡單三角沖擊荷載來模擬是不符合實(shí)際的。柴油錘的一個(gè)特點(diǎn)是：地層愈硬，樁錘跳得愈高，這樣就自動(dòng)調(diào)節(jié)了沖擊力。

圖2 噴液式柴油錘工作過程圖解

柴油錘多采用噴油設(shè)計(jì)，其壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示，可將其工作過程及特點(diǎn)簡化為以下8個(gè)步驟：

圖3 壓力-時(shí)間關(guān)系圖

①錘芯下降并關(guān)閉排氣孔；

②封閉在汽缸內(nèi)在錘芯和PHC管樁之間的氣體的壓強(qiáng)和溫度增加；

③在排氣孔關(guān)閉之后不久，油在低壓下被噴入燃燒室，即為液體的形態(tài)，液體的油料聚集在PHC管樁之上；

④錘芯撞擊PHC管樁，這樣使油汽化，在燃燒之前，在錘芯撞擊PHC管樁的過程中壓力保持不變；

⑤在撞擊后的幾毫秒內(nèi)，汽化的燃料開始爆炸，撞擊和燃燒之間的時(shí)間延遲表示為燃燒延遲td；

⑥燃燒過程在持續(xù)時(shí)間tcd內(nèi)結(jié)束，即在燃燒開始的幾毫秒內(nèi)結(jié)束，并且汽缸內(nèi)的氣壓達(dá)到最大之后結(jié)束；

⑦在燃燒時(shí)，錘芯通常開始離開PHC管樁，汽缸體積的增加，導(dǎo)致汽缸氣壓的減少；

⑧錘芯到達(dá)排氣孔，汽缸內(nèi)的氣壓回到環(huán)境氣壓。

3.2 特殊地質(zhì)條件下大直徑PHC管樁沉樁施工技術(shù)

橋梁管樁試樁施工工藝流程圖見圖4。

圖4 橋梁管樁施工工藝流程圖

3.2.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)施工方案，針對(duì)管樁的施工要求，在開展施工前需要做好以下施工準(zhǔn)備工作：

①施工場地應(yīng)平整，有一定的承載能力和運(yùn)載能力，能滿足打樁機(jī)行走要求；

②調(diào)查施工場地內(nèi)的地下和地上管線無地下和地上管線影響；

③收集進(jìn)場機(jī)械設(shè)備及人員持證情況及管樁產(chǎn)品說明書、質(zhì)量保證資料等；

④管樁進(jìn)場驗(yàn)收。

3.2.2 取樁

管樁堆放時(shí)疊放均不能超過2層，可采用打樁機(jī)自行拖樁取樁或使用50t吊車取樁。取樁時(shí)用鐵鉤鉤住管樁的后端，并把鋼絲繩捆綁在管樁的前端距樁頂約2m處，拖拉取樁時(shí)，注意保持打樁機(jī)的穩(wěn)定。同時(shí)要注意保護(hù)下節(jié)管樁露出地面部分的樁頭，避免上節(jié)管樁吊起擺直時(shí)端頭激烈碰撞造成樁身破裂。管樁吊起后，緩緩地將一端送入樁帽中?，F(xiàn)場實(shí)際操作過程中如圖5和圖6所示。

圖5 16t導(dǎo)桿式振動(dòng)錘

圖6 20t液壓式振動(dòng)錘

3.2.3 垂直度控制

按規(guī)范要求底樁起吊就位插入地面時(shí)樁身的垂直度第一節(jié)偏差不大于0.3%，第二、三節(jié)偏差不大于0.5%。測(cè)量管樁樁身包括打樁架導(dǎo)桿的垂直度，采用兩臺(tái)全站儀在離打樁機(jī)10m以外成90°角方向進(jìn)行觀察（見圖7），并每2m測(cè)量一次，當(dāng)樁身打入4m后再不進(jìn)行調(diào)直，防止打樁中不均勻受力。

圖7 全站儀進(jìn)行垂直度控制

3.2.4 打樁

打樁前技術(shù)人員先在樁側(cè)上劃出以米為單位的長度標(biāo)記（見圖8），以便在打樁時(shí)觀測(cè)每米的錘擊數(shù)。開始打樁時(shí)，先用重錘以自由落體的形式進(jìn)行打樁，落距控制在小于2.8m。打樁過程中隨時(shí)用全站儀檢查樁的垂直度。

圖8 沉樁時(shí)樁身畫線標(biāo)記

3.2.5 引孔

裝配式橋梁段位置砂層距原地面深度為26.5～29.3m，由于管樁施工范圍存在砂層地層，管樁進(jìn)入砂層后沉樁貫入度急劇減小，繼續(xù)沉樁極易對(duì)管樁樁頭造成損壞，經(jīng)試驗(yàn)，采用長螺旋鉆機(jī)引孔可有效解決管樁進(jìn)入砂層后貫入度急劇減小的問題，管樁施工時(shí)在第一節(jié)和第二節(jié)管樁打入完成后采用螺旋鉆機(jī)分別進(jìn)行2次引孔施工。引孔過程中引孔直徑不宜超過樁直徑的2/3，引孔深度根據(jù)地質(zhì)情況確定，宜穿透砂層但不宜超過設(shè)計(jì)孔深，引孔宜采用長螺旋鉆機(jī)引孔，垂直度偏差不宜大于0.5%。引孔施工見圖9。

圖9 錘擊法（引孔）施工

3.2.6 接樁

①當(dāng)下節(jié)管樁打入土層后應(yīng)留0.5m～1m的樁頭在地面以上，便于焊接時(shí)操作方便。

②根據(jù)當(dāng)前控制措施所控制的第一節(jié)管樁垂直度均小于0.3%，且第二節(jié)垂直度均不大于0.5%，所以下節(jié)管樁應(yīng)與上節(jié)管樁樁身順直，兩端面緊密貼合，且貼合前應(yīng)將上下端面的泥土等雜物清除干凈。在焊接前，技術(shù)員需檢查貼合情況，不得在接頭處出現(xiàn)間隙，管節(jié)間錯(cuò)位偏差不應(yīng)大于2mm。

③焊接時(shí)保證一次性焊接成型，焊縫飽滿，焊接部分沒有咬邊、焊瘤、夾渣、氣孔、裂縫、漏焊等外觀缺陷。

④管樁采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，兩個(gè)焊工對(duì)稱焊接。在焊接前檢查焊接設(shè)備參數(shù)及保護(hù)氣體壓力，以免造成焊縫不飽滿、平順；根據(jù)規(guī)定自然冷卻時(shí)間不應(yīng)小于8min，并進(jìn)行焊縫無損檢測(cè)。

⑤焊接時(shí)間大約在30-45分鐘之間。

焊接過程見圖10。

圖10 焊接及焊縫檢測(cè)情況

3.2.7 送樁

當(dāng)上節(jié)樁沉至離地面0.5～1.0m時(shí)停錘，注意樁墊的完整性，必要時(shí)應(yīng)換上新的樁墊。套上送樁桿，調(diào)節(jié)樁架，使送樁桿帽與樁頂接觸平實(shí)，送樁桿與樁軸線成一條直線后開錘送樁，直至達(dá)到樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高。

施工前在送樁桿上刻長度標(biāo)志，便于樁頂標(biāo)高控制。沉樁及送樁過程中，通過觀測(cè)樁的入土情況，并記錄錘擊數(shù)，計(jì)算貫入度。樁頂標(biāo)高由水準(zhǔn)儀測(cè)量控制，保證樁長滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.8 終錘成樁

當(dāng)樁端位于一般土層時(shí)，成樁要求為標(biāo)高為主，貫入度為輔。當(dāng)樁端達(dá)到持力土層時(shí)，進(jìn)入持力層不小于1.5m，以貫入度控制為主，標(biāo)高為輔。貫入度達(dá)到設(shè)計(jì)要求而樁端標(biāo)高未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)連續(xù)錘擊3陣，并按每陣10擊的貫入度不大于25～90mm為準(zhǔn)。在確認(rèn)樁端進(jìn)入設(shè)計(jì)持力層后，連續(xù)三振均達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)采取送樁、接樁、變更樁長等措施。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求和現(xiàn)場實(shí)際，橋梁預(yù)制樁采用錘擊法施工，任意單樁的總錘擊數(shù)不超過2500擊，最后1m錘擊數(shù)不超過300擊。

3.3 成樁檢測(cè)

成樁質(zhì)量的檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括截樁后的樁頂標(biāo)高檢測(cè)、樁頂平面位置檢測(cè)、樁長及樁身的完整性檢測(cè)、單樁承載力檢測(cè)等，檢測(cè)結(jié)果見表4和表5。

樁身完整性檢測(cè)結(jié)果匯總表 表4

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果表 表5

4 總結(jié)

通過對(duì)大直徑PHC管樁在高速鐵路橋梁中的工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其工藝及應(yīng)用效果具有如下特點(diǎn)。

①施工速度快，生產(chǎn)效率高

橋梁樁基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，每臺(tái)打樁機(jī)日均可施工完成三根，較原每臺(tái)鉆機(jī)日均施工完成兩根鉆孔樁，速度提高了50%。

②工程質(zhì)量優(yōu)異

由于傳統(tǒng)建筑施工的特殊性，作業(yè)人員流動(dòng)性大，施工技術(shù)水平差異性較高，作業(yè)現(xiàn)場分散，供料原材質(zhì)量不能有效控制，導(dǎo)致建筑存在施工質(zhì)量通病，而工廠預(yù)制管樁從原材料質(zhì)量控制、作業(yè)人員穩(wěn)定性、作業(yè)人員培訓(xùn)考核方面有效避免了傳統(tǒng)建筑施工質(zhì)量問題。

③施工成本降低

采取標(biāo)準(zhǔn)化的流程提高成品合格率，利用先進(jìn)技術(shù)手段減少物料消耗來降低原料成本，以達(dá)到在最短的施工周期內(nèi)建成低成本、高質(zhì)量的精品工程。

④節(jié)能環(huán)保成效突出

預(yù)制管樁施工較傳統(tǒng)鉆孔樁施工避免了大量泥漿排放對(duì)環(huán)境的污染，大大減少了施工現(xiàn)場的現(xiàn)澆混凝土作業(yè)量，減少了揚(yáng)塵、泥漿、建筑垃圾等廢棄物的產(chǎn)生，節(jié)能環(huán)保成效突出。