沪杭高速铁路横潦泾特大桥大直径PHC管桩陆上沉桩技术研究

王凤龙

(中交二航局第二工程有限公司，重庆 400015)

1 工程概况

沪杭高速铁路第三合同段横潦泾特大桥位于上海市松江区境内，本桥段桩基工程中共有PHC-B型管桩984根，管桩直径为1.0 m，壁厚130 mm，桩长为52～69 m，桩尖穿过(2)2黏土层、(3)淤泥质黏土层、(4)2黏土层、(4)3粉土、粉砂层、(5)4黏土层、(6)1黏土层、(6)2粉质黏土层、(8)1粉质黏土层，最终达到(8)2黏 土 层［7］，单 桩 竖 向 承 载 力 在2 719.1 ～4 071.4 kN。PHC管桩施工时共分4节打入，与承台连接的第一节管桩长度原则上不小于16 m，上、下节桩之间的连接采用端板焊接连接，管桩的施工控制以桩长为主以贯入度为辅。每个承台有8根管桩和10根管桩不等，其排列形式如图1所示。

图1(a)中4、5号桩为直桩其余为12.5∶1的倾斜桩，图1(b)中5、6号桩为直桩其余为12.5∶1的倾斜桩［10］。

2 工艺试验桩

2.1 试验桩目的

工艺试验桩的目的就是，通过沉桩试验确定合适的沉桩设备及最后送桩阶段贯入度，并通过静载试验验证PHC管桩设计是否满足要求。

2.2 试验桩施工工艺

PHC管桩沉桩施工采用锤击方式，施工工艺为:地上、地下障碍物处理→场地平整、强化→测量放线→桩机就位、调竖直度→吊桩、插桩→桩身对中调直→锤击沉桩→焊接接桩(根据设计桩长)→锤击沉桩→桩顶高程和贯入度符合设计要求→成桩验收。

图1 承台桩基平面布置

2.3 沉桩设备的选择

本工程打桩设备主要是选择合适的打桩锤与桩架。桩锤应根据工程地质条件、单桩竖向承载力设计值、PHC管桩的规格及入土深度等因素选用，选用时应遵循重锤低击的原则，桩锤的夯击能量必须克服桩的贯入阻力，包括克服桩尖阻力、桩侧摩阻力和桩的回弹产生的能量损失等，在本标段施工中打桩设备的选择是通过工艺试验桩来确定的，打桩机桩架采用YBD-24型步履式桩架，桩锤采用12.8 t和15 t重导杆式柴油打桩锤及10 t重筒式柴油打桩锤，其型号分别为:DD12.8、DD15、D100-3。打桩锤主要参数见表1。

表1 各打桩锤技术参数

DD12.8型导杆式柴油锤优点:自重小，机械性能稳定，对桩顶损坏小，噪声小，效率高。

DD12.8型导杆式柴油锤缺点:锤击能量低，锤击作用力小，连续作业时间短，施工中要2人来操作(1人操作油门，1人操作起落架)，对施工场地平整度及压实度要求高。

DD15型导杆式柴油锤优点:锤击能量高，锤击作用力大，对桩顶损坏小，噪声小，效率高。

DD15型导杆式柴油锤缺点:自重大，机械性能不稳定，连续作业时间短，施工中要2人来操作(1人操作油门，1人操作起落架)，对施工场地平整度及压实度要求高。

D100-3型筒式柴油锤优点:自重轻，耗油量小，锤击能量损失小，落锤高度及锤击能量可通过5个档位来调整，可连续锤击9 000～10 000击，施工中仅需1人操作档位即可，效率高。

D100-3型筒式柴油锤缺点:对桩顶损坏大，噪声大，对施工场地平整度及压实度要求高。

2.4 各打桩锤试打结果

各桩锤试验结果见表2。

表2 各试验桩施工数据

在所有试验桩中选最后送桩阶段贯入度较大的377-6号桩做静载试验［9］，单桩竖向抗压静载荷试验成果表明，试验桩377-6号桩的单桩竖向极限承载力不小于4 000 kN，大于设计要求Pmax=3 186.8 kN，最大沉降6.03 mm，小于设计规定8.8 mm。

2.5 试验桩最终分析

通过试验桩的施工参数及静载试验结果，可以得出以下结论:

(1)采用15 t重导杆式打桩锤(落锤高度为1.8 m)能够满足施工要求;

(2)62 m长的PHC-B1000(130)管桩承载力能够达到设计要求的最大承载力，对应的最大沉降量也小于设计规定的最大沉降量;

(3)施工最后30 cm平均贯入度11 cm/10击，能够满足设计要求。

2.6 最终设备选择

通过工艺试验桩及前期各打桩机施打情况来看，3种规格打桩锤各有优缺点，可以优势互补，是比较理想的沉桩设备，但是DD12.8型由于自重轻、锤击能量小，在送桩阶段常常出现贯入度偏小，甚至无法将PHC管桩施打到设计高程，所以决定放弃DD12.8型打桩锤，最终选用DD15型打桩锤和D100-3型打桩锤作为沉桩施工的打桩设备。

3 PHC管桩施打工艺

3.1 插桩

在打桩前，用2台经纬仪从互相垂直的两个方向对打桩机进行竖直度调整，使桩塔竖直，并应在打桩期间经常校验检查，随时保持桩塔竖直度，经纬仪应设置在不受打桩机移动及打桩作业影响的位置。插桩后，应调整桩塔，使之与打入方向成一直线，在确认桩的中心位置及角度无误后，再转为正式打入。在施打过程中必须保证桩身、桩帽和桩锤三者的中心线重合，保持桩身竖直，由测量控制其垂直度偏差不大于0.5%［3］，符合要求方可打入。

3.2 打桩

先张法预应力管桩由4节组成，底桩就位前，应在桩身上划出单位长度标记，以便观察桩的入土深度及记录每米沉桩击数。吊桩用单点将管桩吊直，用钢丝绳捆绑并控制桩的下端，使桩尖插在白灰圈内，桩头部插入锤下面的桩帽套内就位。

直桩的控制:调直，使桩身、桩帽和桩锤三者的中心线重合，保持桩身垂直，由测量控制其垂直度偏差不大于0.5%［4］。符合要求方可打入。

斜桩的控制:按12.5∶1的斜率控制［2］，在打桩机架上用锤球吊12.5 m的高度，然后用量程为2 m的钢板尺水平固定在打桩机架上。打桩时先将管桩垂直送入桩帽，然后调整角度与钢板尺读数1 m处对齐，待测量复核斜率符合要求后方可进行打桩。

因地层较软，初打时下沉量较大，宜低锤轻打，随着沉桩加深，沉速减慢，起锤高度可渐增，以有效降低锤击应力，尽量不使管桩受到偏心锤打，以免管桩弯扭破坏。打桩较难下沉时，要检查落锤有无倾斜偏心，特别是要检查桩垫桩帽是否合适。如果不合适，需更换或补充软垫。每根桩宜连续一次打完，不要中断，以免难以继续打下。

3.3 接桩

接桩采用端板焊接连接，焊缝等级为二级［5］。当下节桩的桩头距地面0.5～1.0 m［6］时，开始进行接桩。先将焊接面清刷干净，再在下节桩头上安装导向箍引导就位，当PHC桩对好后，对称点焊4～6点［4］加以固定，然后拆除导向箍。由2名电焊工对称施焊，焊接层数应大于等于3层［5］，内层焊渣必须清理干净后再焊下一层，要保证焊缝饱满连续。焊接采用二氧化碳保护焊，焊缝不得凸出桩身，可与桩身外壁平起或凹进1～3 mm［7］，表面不得有气孔、夹渣，弧坑裂纹、电弧擦伤，并按不小于20%的抽检比例进行手工超声波探伤。焊好的桩接头应自然冷却8 min以上［6］，涂刷环树脂涂层自然凝固后方可锤击沉桩。接桩的原则是接触紧密，现场连接操作简便，并要注意新接桩节与原桩节的轴线一致。

3.4 送桩

为将管桩打到设计高程，需要采用送桩器，送桩器用钢板制作，长度3～4 m不等，一般送桩器长度视送桩深度而定。送桩器应有足够的刚度和较小的变形量，以有效地传递能量给桩。

送桩前，将送桩器的下端置于桩顶，上端由桩机夹桩器夹持。送桩器的规格和强度须适应桩顶、桩机的构造要求，外形不致使下打阻力明显增大，且易于拔出、以尽可能少带起土体。送桩器宜坚硬牢固、不产生弯曲变形、能多次重复使用。送桩器和桩两者的轴线在一条直线上，以减少偏心影响。

3.5 桩顶高程及贯入度确定

为保证能够将PHC管桩送入到指定的高程位置，应提前在送桩器上做好水平刻线，作为终锤高程线，送桩时只要将送桩器向下锤击到终锤高程线与水准仪十字丝的横丝对齐即可，终锤高程线的位置就是从送桩器底部向上量取定值，该定值为仪器高与桩顶高程之差。

由终锤高程线向下每隔10 cm引1道水平刻线，连续引3道，在送桩到接近设计高程时可以数每下降10 cm锤击数，以此来计算终锤时贯入度。

3.6 终锤标准

管桩的沉桩以设计高程控制为主，贯入度为辅。设计控制指标为:

(1)桩尖达到设计高程，最后10击贯入度小于等于12 cm且总锤击数不超过规范规定的2 500击时以设计桩尖高程为控制指标;

(2)桩尖达到设计高程，最后10击贯入度大于12 cm时即报设计院请设计院明确处理方案;

(3)桩尖达不到设计高程，但总锤击数超过规范规定的2 500击贯入度指标10击小于等于10 cm同时桩尖高程与设计桩尖高程差值不大于2 m时，即可终锤。

4 施工注意事项

4.1 管节的焊接

PHC管桩的焊接要保持2管节的轴线一致，施焊面上的泥土、油污、铁锈等要预先清刷干净。接桩时在下节桩头上安装导向箍或加定位钢筋。引导上节桩就位，施工时两端板之间间隙不应大于2 mm［5］，拼接处坡口槽电焊应分层对称进行，焊缝应连续饱满。接桩时上下段桩的中心线偏差不得大于2 mm［2］，节点弯矢高不得大于桩段的0.1%。管桩焊接施工应由有经验的焊工按照技术规程进行，根据钢端板的钢材型号选择合适的焊条，用CO2气体保护焊进行焊接［8］。

4.2 打桩应力的控制

打桩应力的控制要点如下:

(1)在整个打桩过程中，应注意控制桩锤、替打、桩身在同一轴线上;

(2)每根桩宜连续一次打完，不要中断，以免加大打桩应力;

(3)初打下沉量可能较大，宜采取低提锤，随着沉桩贯入度减少，起锤高度可渐增;

(4)“重锤低打”能有效降低锤击应力，桩锤对桩头的锤击速度越快，在桩身上(产生的应力波强度也越高.即打桩应力与锤击速度成正比，所以为降低锤击应力并保持较好的贯入度，应采用较重的桩锤和较低的速度施打;

(5)选择合适的桩垫可以延长锤击作用时间、降低锤击速度。并借以降低锤击应力;

(6)防止锤击过度。根据经验，PHC管桩的总锤击数不宜超过3 000击，最后1 m的锤击数不宜超过300 击［6］。

5 施工应急处理

在PHC管桩施打过程中会由于PHC管桩自身质量、现场施工操作、施工地质条件等因素，导致部分管桩出现打裂或打不到设计高程现象，对于这些桩基一般都采取补桩措施。

5.1 打裂的PHC管桩处理

一般PHC管桩出现裂纹有以下几点原因:PHC管桩自身有质量缺陷、桩顶偏心受力、强行纠偏角度过大、地层太硬桩尖无法穿透。对于打裂的PHC管桩在处理时，通常采用在其外侧净距20 cm处补加同直径、同桩长、同倾斜率PHC管桩的办法。

5.2 桩尖无法达到设计高程的PHC管桩处理

对于桩尖无法达到设计高程的管桩视其截桩高度而定，如果截桩高度在2 m以内，则不用采取措施可以直接进度下道工序施工，如果截桩高度超过2 m且单个承台截桩数量大于等于3根或是2根角桩的，需要补加同直径、同桩长、同倾斜率PHC管桩。

对于一些地质条件不理想，致使PHC管桩根本就无法达到设计高程的，则将该承台管桩全部改为钻孔桩，如果已经施打了部分管桩的，则在其旁边补加钻孔桩，补桩的最终目的和原则就是，保证该承台桩基各项技术指标都能够设计及施工要求。

6 工程监测与结果评价

按照上海铁路局印发的《上海铁路局建设项目预应力混凝土管桩施工管理暂行办法》中的文件要求，对施工过程中的管桩焊缝进行超声波无损检测，要求达到二级焊缝要示，抽检比例不小于20%;施工完成后的管桩进行小应变检测、静载试验及大应变检测，检测比例为小应变100%检测;静载试验按照桩数的2‰进行，单个工点不少于3根，实际抽检3根;大应变按照桩数的5‰进行，单个工点不少于3根，实际抽检3根［6］，通过对工艺试验桩及已施工完成的管桩进行检测分析，监测结果与设计值分析比较，所施工的PHC管桩焊缝等级、桩身完整性、极限承载力及最大沉降量均满足设计施工要求。

7 结语

横潦泾特大桥采用大直径PHC管桩陆上沉桩技术方法，将桥梁基础由以前的钻孔桩变为PHC管桩，与常规施工方法相比，其具有占地少，安全风险低，不影响跨线交通，质量有保证，成本节约，施工速度快等优点。同时，PHC管桩施工方法集中了生产场地，形成工厂化标准管理，有效控制施工质量，最大限度降低了对周围的干扰。其具有先进的施工工艺和高效率的特点，在国内外桥梁建设基础中也得到成功应用，其具有更大的发展和推广空间。

采用大直径PHC管桩陆上沉桩技术方法，从工效上大大减轻了工期压力大的难题，从工艺和控制上克服了常规施工中出现的不足。根据检测结果与现场施工情况，施工全过程安全、稳定、快速、优质，达到了又好又快的优质目标，成功解决了该工程工期压力大的难题，降低了工程风险与工程造价。

作为一种成熟的工程产品，由于PHC管桩性能卓越、工程适应性强，在施工中具有低噪声、无污染、施工速度快、文明施工等特点，在工程上越来越得到广泛应用。但其应用仍有一定的局限，如施工过程中对场地平整度及硬化强度要求较高，PHC管桩在铁路桩基上进一步的发展应用还应当突破一些施工技术难题，如打裂桩头的处理、截桩高度的处理、贯入度的明确以及同一断面管桩接头率问题，笔者认为PHC管桩的发展方向应是改良拼接工艺。

［1］TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范［S］.

［2］中铁第四勘察设计院集团有限公司.沪杭甬铁路客运专线施工图［Z］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008.

［3］中华人民共和国铁道部.TB10218—2008 铁路工程基桩检测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［4］周新兴.DBJT08—92—2000 先张法预应力混凝土管桩［S］.

［5］蒋元海，匡红杰，等.GB13476—1999 先张法预应力混凝土管桩［S］.

［6］汤关祚，蒋元海.03SG409 预应力混凝土管桩(国家建筑标准设计图集)［S］.

［7］薛吉岗主编.客运专线铁路工程施工质量验收标准应用指南［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［8］JGJ18—2003 钢筋焊接及验收规程［S］.

［9］中华人民共和国建设部.GB50205—2001 钢结构工程施工质量验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2002.

［10］上海铁路局.上铁建发［2009］180号 预应力混凝土管桩施工管理暂行办法［Z］.上海:上海铁路局，2009.