人工岛上大规模PHC管桩施工技术

黄 磊

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海城市非开挖建造工程研究中心 上海 200002

1 工程概况

PHC桩全称为预应力高强混凝土管桩，是采用先张法预应力工艺和离心成型方法制成的一种空心圆柱形预制预应力高强混凝土管桩，具有质量稳定、施工快、承载力高、价格低、穿透能力强和抗震性能好等优点，广泛应用于建筑、水利、桥梁等工程中。

港珠澳大桥珠海口岸是港珠澳大桥主体与珠海、澳门两地的衔接中心，位于珠澳人工岛北片区。珠澳人工岛坐落于珠海拱北湾南侧，由人工填海而成，总面积208.87 hm2。珠海口岸桩基础采用强度等级为C80、φ600 mm×130 mm的PHC管桩，共计12 378根，总长约510 000 m，单根桩长30～60 m。

承压桩以⑤2强风化花岗岩或⑤1全风化花岗岩作为桩端持力层（上部有人工填土层、淤泥层），抗拔桩以黏性土层或砂层作为持力层，桩端进入持力层内不小于900 mm。单桩分2～4节，最大单节质量7.5 t（含桩靴）。

2 工程的重难点

1）人工岛原始地貌单元为海相地貌，后经抛石护岸，填砂堆填整平，地形相对较平坦，标高为4.8 m左右，原始地形业已改变。场地内存在的特殊性岩土为人工填土、软土及风化岩层。人工填土层由中粗砂、粉细砂构成，经过强夯处理。软土由淤泥质黏土、淤泥、细砂及粗砂构成，并进行过真空堆载联合预压处理。风化岩层主要由砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩及中风化花岗岩构成。其中人工填土层及淤泥层与陆域地层存在着显著的差异，需要对PHC管桩施工工艺流程中的部分环节采取针对性的技术措施。

2）人工岛与陆地没有桥梁连接，交通不便，因此人员、材料和设备运输均需依赖船舶海运，其中管桩运输是建设工程的瓶颈，需要专门制订运输方案。

3）岛上大风、雷暴等不利天气影响比周边陆域环境大，因此人工岛上PHC管桩施工难度将会超出类似条件下的陆域施工，在施工技术和施工组织方面均应做好充分的准备。

3 施工工艺

地层上部人工填土层为砂性土，层厚7～10 m，在砂性土中因受振动液化影响，锤击桩施工摩阻力比静压桩要小；人工岛四面环海，锤击桩施工带来的噪声在采取适当措施下可忽略。另外，静压桩因桩机重而对场地要求高，故综合考虑PHC管桩采用锤击法[1-2]。

3.1 桩机及桩锤参数

桩机采用全旋转步履多功能桩架，立柱高22 m，桩机工作状态尺寸为8.5 m×8.2 m×23.8 m，桩架总质量60 t。

柴油锤结构简单、使用方便、锤击能力大、工效高，且落距随沉桩阻力大小而自动调整，故比较适合管桩的施打。根据“重锤轻击”的原则，桩径600 mm的管桩桩锤可选择HD80型柴油锤，该锤上活塞质量8 000 kg，单次打击能量176～272 kJ，锤体总质量16.6 t，起落架总质量1 170 kg，上活塞最大冲程4.1 m，锤体高度6.22 m，桩锤宽度1.1 m。

3.2 施工流程

场地平整、测量放样→布设桩机走道→桩机就位、调整垂直度→吊桩→插桩→锤击沉桩→电焊接桩→接头检查→送桩至要求深度及贯入度→单桩完成及验收→桩基承载力检测

3.3 施工工艺要点

在人工岛上采用锤击法施工PHC管桩，应在常规陆地上的施工方法的基础上，根据人工岛的地质、环境特点加以改进。

3.3.1 沉桩

人工岛上的人工填土层改变了原始地貌，在PHC管桩施工中需要引起重视。本工程中人工填砂层厚度在10 m左右，其下为淤泥层，施工时首节管桩基本在砂层中打入，摩阻力较大，进尺速度较慢；接完第2节桩继续沉桩时，桩尖往往已经穿过砂层进入淤泥层，摩阻力急剧下降，进尺速度非常快，有时无需响锤，仅靠锤自重即可沉入数米。因此在管桩施工前需要认真研究地质勘察报告，根据地层的特点有针对性地制订施工参数，对现场施工人员进行详细的技术交底。

首节桩精度控制尤为重要，务必保证桩的平面位置正确以及垂直精度。否则，待后续施工中再调整，桩将始终贯入土体偏软弱方向，若桩的倾斜度过大，将直接影响桩的贯入深度，甚至造成桩折断等现象。另外，每根桩的第1节沉桩是控制倾斜误差的关键。若控制住第1节桩误差，则其他节段的桩相对易控，整根桩的质量即得到保证。当插桩位置正确且垂直度小于L/500时（L为桩长），即可开始沉桩作业。初沉阶段力求轻击，以利于保证桩的垂直度。当发生倾斜时，及时纠正，倾斜严重时必须拔出重打。当桩入土渐深，垂直度在L/300范围内，可充分发挥锤的工作能力，将桩沉入土中。

开始锤击时，应使锤处于低冲程的空冷锤法锤击状态，桩尖入土3 m后，在确认桩身贯入方向无异常时，方可进行连续正常锤击。沉桩应力求连续施工，中途不得人为停锤，确需停锤时，应尽量缩短停锤时间。桩锤击时的压应力应小于桩身材料的轴心抗压强度设计值；锤击拉力应小于桩身材料的抗拉强度设计值。

沉桩过程中，在桩的正、侧两面，以线锤校核插桩的垂直度（双向吊线），考虑到人工岛上风大影响线锤摆动，重锤下须配置油杯，或使用2台经纬仪在90°夹角方向观测，确保桩尖、桩身、桩锤在同一竖直方向上。遇6级风以上时，须暂停沉桩作业。

沉桩过程中，若出现贯入度反常，桩身倾斜、移位或桩身、桩顶破损，应查明原因，进行必要处理后方可继续施工。因地下障碍物致使桩位偏移或倾斜时，不得强行纠偏，应会同参建方研究并达成统一意见后进行处理。在沉桩过程中要保持柴油锤正常跳动，不得随意调整柴油锤油门开关，时刻观察桩的入土情况并作好沉桩原始记录。

3.3.2 接桩

PHC管桩由单节拼接而成，采用端板焊接连接。考虑到人工岛地下水、土具有一定的腐蚀性等不利因素，为提高管桩接头的耐腐蚀性能，设计方案采取预留腐蚀余量的措施，将接头的焊接剖口深度加深至25 mm，且将AB型管桩的端板厚度由20 mm增至24 mm。因此，接桩焊接时必须以多层多道横焊完成。通过端板模拟焊接工艺试验，确定了焊接工艺：

1）焊接采用二氧化碳气体保护焊。

2）焊丝的规格必须选用ER-506或等强的其他焊丝，焊丝直径为1.0 mm或1.2 mm。

3）桩管端面对接前先清理两端面上的泥沙和其他杂物，以免焊接产生气孔而影响焊接质量。

4）第1道焊（打底焊）电压为35 V，电流为280 A；第2道焊电压为38 V，电流为300 A；第3道焊电压为42 V，电流为350 A；第4道焊（高面焊）电压33 V，电流为260 A。视桩管端面坡口大小、深度而自定焊缝层次，焊缝电压和电流也适当增减。

5）二氧化碳气瓶尽量竖放，保证开气时可以看到减压气钢珠的浮动值。一般调节气压为20 MPa左右，但由于工地海风有时较大，可以适当调高气压≥25 MPa。

焊接时尽量控制焊丝与工件（端面）的距离≤8 mm，由2～3名焊工采用对称焊接法同时施焊，以减小变形和残余应力。焊接层数≥3，焊缝应饱满连续，接头不可强制冷却，在自然冷却5～10 min以后才可进行施压。

在单根桩沉桩完成后，须及时采用薄钢板或编织袋装砂封堵孔口，并回填至与地面相平，防止因风大等因素引起的坠物现象，从而给后续清理桩内杂物带来不便。回填材料可利用场地内砂土，回填后密实度须满足桩机行走要求。在浇灌填芯混凝土前，应清理干净管桩内壁浮浆及杂物，以提高填芯混凝土与管桩桩身混凝土的整体性。

3.3.3 超深送桩

本工程地铁预留区基础桩送桩最大深度达到9.7 m，其他各区基础桩送桩深度达到5.5～7.5 m。常用送桩器可送桩6 m，另增配7.5～8.8 m送桩器，对送桩深度7.5 m以内的桩，送桩至设计标高。地铁预留区承台桩送桩深度过大，数量也较少（300～400根），为保证施工质量，考虑采用加长配桩长度、开挖后截桩的方式处理。

根据DBJ/T 15-22—2008《广东省锤击式预应力混凝土管桩技术基础规范》，送桩深度不宜大于6 m。为了确保超深送桩质量，制订了技术措施，主要措施如下：

1）确保工程桩垂直度。底桩（第1节）就位后对中调直，这道工序对成桩质量起到关键性的作用。调直时，一要使桩身垂直，二要使桩身、桩帽、桩锤的中心线重合。测量管桩桩身包括打桩导杆的垂直度，当垂直度偏差不大于0.4%（规范要求0.5%）时方可开锤施打。桩打入过程中修正桩角度较困难，因此就位时应正确安放，开始应轻轻打下，必要时要拔出重打。

2）送桩器。送桩器做成圆筒形，并应有足够的强度、刚度和耐打性；上下两端应平整，且与送桩器轴线垂直，器身弯曲度不得超过0.1%。送桩作业时，在送桩器套筒内设置硬纸板或胶合板衬垫，衬垫经锤击压实后的厚度不小于15 cm。由于送桩器过长，在施工过程中不断锤击，可能会造成送桩器变形，因此需定期对送桩器的外形形状、顺直度和桩帽进行检查，确保无恙。

3）柴油锤油门控制。当桩锤锤击桩头时就产生一个沿桩身向下传播的压缩应力波。应力波的最大强度主要取决于桩锤的锤击速度，而锤击速度与锤的落距的平方根成正比，特别是超长送桩器在施工过程中可能会产生一定程度的弯曲及管桩垂直度的偏差，因此更容易发生送桩器与桩之间非面接触状态。为防止桩受锤击时过大的冲击应力使桩头被打烂击碎，应遵循“重锤低击”原则，选用80型柴油锤运作时，油门一般只开二挡，最多开三挡，这样桩头不易被打碎，锤也不易损坏。

3.3.4 土方开挖时对管桩的保护

由于管桩桩头多处于人工填土层和淤泥层中，基坑土方开挖时应注意对管桩的保护。可使用小型挖掘机械设备，在施工便道上铺设钢板，特别是要控制土方开挖机械设备作业面、运输车辆作业通道与开挖面之间的高差，防止因施工荷载过大导致临时边坡失稳，发生土体滑移，导致管桩倾斜偏位，甚至受剪切破坏造成断桩。

4 施工组织

4.1 管桩材料运输

管桩海运方案的制订原则为：根据总工程量、工期、运距、天气等因素，算出每天运输需求量，再根据每天运输需求量安排船只载质量、数量及装货卸货作业人员等。

珠海口岸基础工程管桩总需求量超过500 000 m，工期5个月左右，平均每月需供应100 000 m管桩，单位时间内供应量大。人工岛距离九洲港约2.6 km，其北端有一个长95 m的交通码头，主要供人员交通使用，施工期间可供材料和设备运输。经过实地勘测，2 000 t级散货船可靠泊卸货。通过实测收集数据，精确计算后确定管桩运输方案。管桩全部采用船运至人工岛北侧码头，由履带吊卸桩至平板车上，再转运至施工现场各台桩机施工区域临时堆放，考虑天气等异常因素影响，每天运输不少于4 000 m，满足了施工进度的需求。

4.2 施工机械组织

在现场施工中，应综合考虑桩数、场地、桩机工效、工期和码头吞吐量等各因素，合理安排桩机数量。根据桩基础平面布置图，结合GB 50202—2016《建筑地基基础工程施工质量验收规范》中“静载荷试验……检验桩数量不应少于总数的1%，且不应少于3根”的要求，划分好管桩检验批。每一检验批桩数接近且不超过300根管桩，兼顾满足规范要求和减少检测不确定性对桩基础质量验收的影响。个别检验批桩数不得不超过300根的，则应尽量接近且不超过400根桩。

施工时，每一检验批就是一个施工分区，尽可能由1台桩机施工完成。同时，应合理规划桩机走向，包括在每一个施工分区内的走位和施工分区之间的走位，确保每台桩机按照施工走位图能够每天完成计划桩数。相邻施工分区的桩机保持一定的距离，不产生互相干扰。桩机完成一个施工分区内的桩基础后，能迅速转移至下一个区域进行施工，尽量做到无缝衔接，避免桩机长距离跨分区转移。

4.3 施工场地排水组织

珠海地区属亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，年均降雨量超过1 770 mm。珠海口岸基础工程施工期间恰逢雨季和台风多发期，人工岛上人工填土材料为砂，砂层中积聚的雨水和地下水量丰富。施工场地平坦，无排水管网，仅有沿岸分布数根钢筋混凝土管排水口，地面排水困难。

在预应力管桩和基坑止水帷幕、支护桩施工期间建立地面排水系统，由排水渠和排水沟组成。排水渠环绕整个施工场地一周，与人工岛西侧中部的2个排水口连接，总长度达3 000 m。排水渠深2 m，下底宽2 m，上口宽约8 m，两侧按1∶1.5放坡，用砂袋堆筑护坡。为确保临时道路安全，排水渠距离道路约10 m。临时道路通过排水渠的路段下埋设2根φ1 350 mm钢筋混凝土排水管。施工场地内低洼地段开挖一些小型排水沟并使其与大排水渠相连，使场地积水主要通过自排方式排出，解决了场地汇水面积大与水泵数量有限的矛盾。

在排水渠修筑后，经历数次暴雨检验，逾200 000 m2的施工场地再也没出现过水浸问题，雨后可迅速恢复施工生产，为工程赢得了宝贵的施工生产时间。

5 施工效果

5.1 工程质量

预应力管桩施工结束后，按设计要求和规范规定进行了抗压和抗拔静载试验、低应变等质量检测。其中，抗压静载试验检测129根、抗拔静载试验检测34根、水平推力静载试验19根，全部合格。管桩低应变检测结果显示，全部被检桩均达到Ⅱ类桩以上标准。其中：送桩深度＞6 m的Ⅰ类桩占比97.42%，送桩深度≤6 m的Ⅰ类桩占比96%。管桩桩位偏差复核结果显示：送桩深度＞6 m的桩，桩位偏差不符合要求的共12根，占比2.01%；送桩深度≤6 m的桩，桩位偏差不符合要求的共15根，占比2.34%。

从统计结果看：针对人工岛特殊的环境制订了相应的独特的工艺，保证了人工岛上大规模PHC管桩施工的总体质量是优良的，达到了优质结构的质量要求；同时，在采取了前述超深送桩的技术措施后，送桩深度超过6 m的预应力管桩与送桩深度在6 m以内的预应力管桩的施工质量和桩位偏差基本在同一水平上，可见制订的技术措施是行之有效的。

5.2 工程进度

通过有效的施工组织，保障了管桩材料的供应，管桩施工期间共投入锤击桩机20台，划分了施工分区（检验批）41个，5个月完成了12 368根、总长516 242 m管桩的施工，满足了合同工期的要求。最快的时候19 d完成100 000 m管桩的施工，施工产量单日最高峰值达到7 000 m。

6 结语

PHC管桩是广东地区应用广泛的桩基施工方法，本文以港珠澳大桥珠海口岸工程为背景，通过对特殊地理位置、地质条件、气候条件下大规模预应力管桩施工技术的介绍，得出如下结论[3-5]：

1）施工前应对施工环境进行系统性分析，对人工岛施工的各种困难要有深刻的认识，做好充分的技术准备，合理规划施工部署。

2）以传统工艺为基础制订了人工岛上PHC管桩独特的施工工艺，并通过施工和质量检测加以验证，积累了宝贵的经验和数据。

3）由于人工岛自身的特殊性和管桩施工产生的挤土效应，所以在管桩施工过程中需注意管桩的施工顺序，以免产生较大的桩位偏差。

4）对材料供应、机械配置、场地排水等施工组织工作进行深入的分析研究，实践后取得了成功经验，为类似环境下大规模管桩施工提供了参考，具有一定的推广价值。