邻近既有线预应力管桩地基处理施工技术研究

冯 浩

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

目前我国基础设施建设处于高速发展阶段，为节约土地、科学利用资源和便捷交通，避免不了在邻近既有线旁进行铁路、公路以及房屋建筑、市政等基础设施建设。普通铁路中繁忙干线、客运专线、高速铁路等既有线规格高、行车密集繁忙、运量多、社会影响力大。邻近这些既有线施工，如何安全、优质、高效、绿色施工显得尤为重要，同时要综合考虑在建工程本身的安全性、可靠性、高效性、经济性及环保性等，所有研究邻近既有线路基管桩地基如何处理尤为重要。本文以津秦铁路客运专线和石济铁路客运专线梁段路基工程为项目背景，研究邻近既有线预应力管桩（PHC）地基处理的施工技术。

1 工程概况

津秦客运专线Ⅰ标段路基，起讫里程为DK9+000～DK16+479.8，长7479.8m，位于天津市河东区和东丽区，与既有线津山线(繁忙干线)路堤段并行，既有线侧最近一排桩与既有线线路中心线距离22～26m。石济客运专线SJZ-6标段平原东站站场路基，起讫里程为改DK351+386.62～改DK352+672.3，长1285.7m，位于山东省平原县境内，与既有线京沪高铁桥梁段并行，既有线侧最近一排桩与既有线线路中心线距离35～37m。

2 预应力管桩地基处理的工艺原理

在软质地基中压入 PHC管桩，使土体挤密，提高地基承载力。PHC管桩压入土体后，经过一定时间，周围土体将PHC管桩合抱紧密，增大PHC管桩与土体之间的摩擦力，PHC管桩承载力得到提高。PHC管桩压入土体后，土体受到挤压产生横向应力，推动土体横向位移，可对邻近既有建筑物基础产生破坏。需在PHC管桩与既有建筑物基础之间设应力释放孔，以效削减横向应力，保护既有建筑物。

施工中采用邻排奇、偶数隔桩跳压（即梅花状）施工顺序，可避免应力集中，减少对邻近的既有建筑物破坏力，同时降低对已经压入PHC管桩的影响。

采取先大直径后小直径、先长桩后短桩的压桩次序工艺，先施作对土体产生应力变形大、影响面广的桩。压入的桩对桩底以上土体产生的应力较大，对桩底以下的土体影响较小。如先压入细桩、短桩，再压入粗桩、长桩可能导致整根细桩、短桩发生横向位移。压桩方向从邻近铁路侧向远离铁路侧进行，使得应力对铁路影响由近及远逐渐减小。

邻近铁路侧选用低矮宽大较为稳定的静压机，防止倾覆侵入铁路限界；远离铁路侧选用较高但作业灵活的锤击机，提高工作效率。

在既有铁路的路肩、桥梁承台顶部设变形观测标，或直接利用桥墩既有观测标，通过仪器监测PHC管桩压入作业对铁路路基或桥梁的高程和位移产生变形量，以指导、控制施工。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

预制预应力管桩施工工艺流程，如图1所示。

图1 预制预应力管桩施工工艺流程

3.2 工艺性试验

预应力管桩正式施工前需做工艺试验。针对工程地质特征，初步拟定施工设备类型及型号，通过现场试验复核地质资料以及设备、工艺、管桩压入作业顺序、应力释放孔设置是否适宜，确定压桩速度、压力、桩长控制以及锤击法施工的锤重、捶击数、桩长控制等各项工艺参数，为正式施工积累经验、提供各项指标和数据。

3.3 施工技术要点

3.3.1 应力释放孔施工

依据工艺试验所得参数，通过计算，在既有线与邻近既有线侧第一排管桩之间，设1排(或2排)应力释放孔。采用螺旋钻机成孔，直径 40～50cm，孔深 12～15m，间距3～5m，距离最外一排管桩1～2m。当1排孔不足以消除应力，可设2排。管桩压入时土体受力横向位移，导致应力释放孔内空间受挤压变形，从而应力被释放、消除。如图2所示。

图2 螺旋钻机应力释放孔作业

3.3.2 压桩作业施工

管桩压入施工采用静压法和锤击法两种施工方法，邻近既有线侧选用静压机，详见图 3；远离既有线侧选用锤击机，详见图4。

压桩作业原则。压桩作业方向应以排为单位，从邻近既有线侧开始，向远离既有线侧进行，由近及远。同排作业时，奇、偶隔桩跳压；邻排作业时，偶、奇错位隔桩跳压；先大直径后小直径先长桩后短桩(先深后浅)；垂直线路方向分区、平行线路方向间隔分段作业；当桩较密集时，从中间向四周对称施作，或由中间向两边对称施作；当远离既有线且桩间距较稀疏时，可采用由一侧向另一侧逐排隔一跳压。

图3 邻近既有线侧静压机作业

图4 远离既有线侧锤击机作业

管桩进场验收与存放。管桩进场前必须抽样检验桩体、桩头等质量和规格，满足相应规范标准和设计要求，验收不合格产品严禁进入工地。存放位置最大限度选择在压桩机附近，尽量减少管桩转角的范围。按不同种类和使用顺序码放，遵循“先进场桩先使用”的原则码放，最大限度满足管桩的强度和龄期要求。分层存放时，层数不超过3层。两点支承时，支承点设在距桩端0.21倍桩长处；三点支承时，支承点设在距桩端0.15倍桩长及桩中点处。每层支承垫木必须保持在同一平面上。雨季和春融期间，宜采取措施，防止因地面软化发生不均匀下沉造成基桩断裂或损坏。

3.3.3地表处理与测定桩位施工

压桩施工前，清除表土、种植土等杂物，平整场地，进行碾压，承载力不宜低于100kPa。如不能满足，须进行补强处理，如换填、改良土等措施，直到达标。采用全站仪测设路基中线及边桩中心线，据此测设出每排桩的中线，每间隔20m放出同排的2个桩作为控制桩位，然后用钢尺根据两个控制桩量测出每个桩位，用木签定出每根桩的中心，根据桩的直径用石灰画出圆形边线。

3.3.4 静压法施工技术

（1）静力压桩原理

静力压桩机就位利用行走装置完成，行走装置由横向行走（短船行走）、纵向行走（长船行走）和回转机构组成。通过横向和纵向油缸的伸程和回程使桩机实现步骤式的横向和纵向行走。当横向两油缸一只伸程，另一只回程可使桩机实现小角度回转。

如图5~图6所示，压桩机利用自身起重装置，将管桩吊入夹持器中。夹持油缸将管桩从侧面夹紧，压桩油缸伸程，把管桩压入土层中。油缸伸长完成后，夹持油缸回程松夹，压桩油缸回程，重复上述动作，可实现连续压桩操作，直至把管桩压入预定深度土层中。当桩歪斜时，可利用压桩油缸回程，将压入土层中的管桩拔出，实现拔桩作业。

图5 压桩机起吊管桩图

图6 夹持器夹持管桩图

（2）压桩顺序

压桩前先将施工区域进行总体分区、分段，即垂直线路方向分区、平行线路方向间隔分段作业，如图7所示。A区先同时作业，B区后同时作业，AB区均成“品”字形。分区作业一可避免应力集中，二可减少作业面相互干扰，三可提高工程效率。每个作业区内采取由近至远逐排隔桩的跳压法，如图8所示。

图7 分区隔段作业图

图8 邻近既有线侧A(B)作业区压桩顺序示意

具体施工顺序是，先压靠近既有线第1排1、3、5等奇数号桩，再压第2排2、4、6等偶数号桩，第三步压第3排1、3、5等奇数号桩，第四步压第四排2、4、6等偶数号桩，如此一直静压至第N排。第二轮再依次压入第1排2、4、6等偶数号桩，第2排的1、3、5等奇数号桩……，如此交替经1～N排剩余桩全部静压完成。第N+1排及以远的管桩，采用锤击法施工。

施工中，当压桩间隔时间过短或遇地质发生变化等原因，导致土体横向应力较大，来不及消除时，可在相邻两排桩之间增设1排应力释放孔。第二轮隔桩跳压时，需在相邻桩压入后一定时间、孔隙水压力消散到一定程度后进行，避免应力过大，发生地面隆起、挤桩等现象。

（3）压桩作业

起吊管桩时，吊点设在距桩上端1/3桩长处，提升要平稳；同时采用钢丝绳捆绑桩的下端，人工控制，防止摇摆。管桩送入夹持器后，检查夹持要牢固，与桩身四周密贴要均匀。压入前，保证管桩与放样的桩中心在同一轴线上，垂直度误差控制在5‰之内。压桩需连续均速进行，避免中途停歇。

两节及以上管桩，采用焊接法接续。下节管桩压入到上端距地面50～100cm时，进行接桩作业。接桩前清理上、下节两个端部钢板上的泥土、油污、铁锈等杂物，清刷干净。调整上、下节中心轴线对位一致，偏差不大于3‰，且错台不大于2mm。施焊前在下节桩头上安装导向箍，以引导上节桩准确就位。上、下节精准对位后，在桩端板圆周坡口上对称点焊4～6点加以固定，然后拆除导向箍，进行正式焊接作业，分层施焊。施焊第1层时适当加大电流、增大熔深，清除焊渣后再施焊第2~3层，焊缝要连续、饱满，各层焊缝接头要相互错开。施工中应尽量减少接桩，管桩长度在预制时要充分考虑接桩因素。

如图9所示，焊接完成后桩头应自然冷却至常温，禁止用水冷却。人工涂刷防腐材料2遍并检查合格后方可压桩，严禁焊接完成后立即压桩。压至设计标高后移机进行下一根管桩施工。压入后的管桩，顶部用沙袋覆盖，一则防止杂物落入管桩孔内，二则保护桩头质量不被撞损。

图9 管桩接头防腐涂材料施做图

（4）终止压桩

压桩以设计桩长及压力值控制。对于纯摩擦桩，终压以设计桩长为控制条件；对端承摩擦型静压桩，以设计桩长控制为主，终压力值作为对照。当桩长、压力值均达到设计要求时，即可终止压桩。

3.3.5 锤击法施工技术

由于锤击落距长，震动大，桩体瞬间压入土体所产生的应力快，对周围建筑物造成的安全隐患大，故安排远离既有线一侧。锤击法作业程序为：桩机就位→管桩起吊、稳桩→试击→正式锤击→接桩、锤击(如果分节)→检测验收→移机至下一桩位。其作业要点包括：

（1）准备。桩机就位时，须保持坠锤与桩位的中心线在同一轴线上。利用机身自带的2台卷扬机，将桩管提升到适当高度，垂直套入桩帽内，完成喂桩。锤击前应检查桩机桩架稳定性，坠锤、桩帽、桩身、桩位须在同一中心线上，桩身纵、横两个方向垂直度均应符合规定。

（2）试击。应先轻击2～3下后，复核管桩是否偏位，桩身垂直度是否偏移。若有偏差及时纠正，必要时要拔出重新作业。

（3）锤击。初始时由于桩身入土浅，下沉量较大，宜采取低提锤、轻击打；随着桩身入土加深，入土速度减慢，锤击落距可渐增；待桩身入土一定深度并确认桩位和垂直度符合要求后，再按规定落距进行锤击。另外，焊管桩锤击全程做好记录，每入土1米记录1次锤击数量，至达设计标高。

（4）终止锤击。当贯入度、桩尖设计高程达到设计要求时，即可终止锤击。

3.5 中止压桩

压桩时遇到下列情况一应暂停作业，与监理、设计研究处理：(1)压桩力（贯入度）突变；(2)压桩入土深度与设计要求差异较大；(3)桩头混凝土剥落、破碎，或桩身混凝土出现裂缝或破碎；(4)桩身突然倾斜、跑位；(5)地面明显隆起、邻桩上浮或位移过大；(6)压桩不到位，或总锤击数超过规定值(适用锤击压桩)。

4 既有线变形观测

在既有线的路肩顶部、桥梁承台顶部埋设变形观测标，或直接利用桥墩既有观测标，管桩施工全程对既有线变形量进行监测。通过仪器监测 PHC管桩压入作业时对铁路路基或桥梁的竖向高程抬高或沉降，以及水平位移产生变化；当变形量达到报警值，立即停工，分析原因，采取措施，调整压桩方案，以确保既有线安全。变形观测标宜50m左右设一个，必要时可加密观测。

5 结 语

津秦客运专线Ⅰ标段路基，共完成PHC管桩总长61.83万延米，有效弥补了因征地拆迁拖延工期的影响。在津山线路肩设观测桩(标)，高程和平面最大变形量均未超过预定报警值，保证了行车安全，未影响列车正常运行。未发生机械倾覆或坠物侵入既有线限界内事故和人员擅自进入铁路栅栏内事件。石济客运专线SJZ-6标段平原东站站场路基，共完成PHC管桩总长11.94万延米。利用既有线桥梁墩身观测桩(标)监测，高程和平面最大变形量均远低于预定报警值，行车安全。同时，未发生机械倾覆或坠物侵入既有线限界内事故。

通过上述工艺进行邻近既有线路基地基处理施工，可以有效提高工期效率、降低施工过程对邻近既有线行车带来的各种潜在风险源。