高频免共振钢管桩在基坑竖向支承体系的应用

陆 文 卿

(上海寰宇城市投资发展有限公司，上海 200232)

0 引言

钢管桩的高频免共振沉桩工艺，是采用高频免共振设备(主要是液压振动锤)，配合起吊设备和垂直度矫正措施，将钢管分节打入土中，用钢衬垫熔透焊配合CO2气体保护的方式将钢管分段连接并形成桩体。液压振动锤的设计是通过可变偏心力矩实现偏心块的振动频率在零至工作频率之间自动调节，从而消除设备在启动和关闭时与土体固有频率的共振，起到减少沉桩过程对周边环境影响的作用[1,2]。

作为一种新型施工技术，高频免共振钢管桩能契合国家住建部在2010年推广的建筑业十项新技术中关于钢结构技术和绿色施工技术的应用。相较普通钻孔灌注桩或PHC预应力管桩，其特点和优势也较为明显：综合经济效益与钻孔灌注桩基本相同；设备进出场方便，占用的施工场地较小；工效高又无振动或挤土效应，对周边环境保护有利；施工过程环保，无噪声污染、无泥浆、无扬尘。

目前，高频免共振沉桩工艺在上海地区道桥工程[3]和市区敏感项目(邻近地铁[4,5]、高铁、机场、老旧建筑等)桩基础的应用和研究较多，而在基坑支护工程中的应用较少。本文以上海徐汇某深基坑工程为例，对采用高频免共振钢管桩作为基坑支护结构体系立柱桩的可行性进行分析和验证，为今后深基坑项目的设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

项目由4栋甲级写字楼和若干商业裙房组成，整体设置3层地下室，基坑总面积约8万m2，分区先后顺作实施，普遍区域开挖深度为17.5 m。实施过程中，两个位于关键路线上的分区(A,B)基坑由于工况调整增加栈桥平面布置，需增打竖向支撑桩柱28根。由于分区内已经进行了放坡开挖，在既有坡体上进行钻孔灌注桩施工的难度较大；另一方面，常规钻孔灌注桩需要较长的养护时间才能达到设计强度，将严重影响项目工期。基于上述原因，为满足工期进度的要求，采用直径800 mm，壁厚16 mm，长度60 m的钢管作为竖向支撑桩柱，选用ICE-70RF型高频免共振设备进行钢管桩施工，该设备沉桩深度可达60 m～80 m，峰值振动频率为2 300 r/min。

2 钢管桩的竖向承载力计算

采用盈建科结构计算软件建立支撑和立柱整体模型，通过计算立柱的柱底反力来确定其桩顶荷载，如图1所示(阴影部分为栈桥或封板)。荷载取值原则按栈桥上活荷载25 kPa、支撑上活荷载4 kN/m确定，计算立柱的桩顶荷载标准值(1.0恒+1.0活)和设计值(1.3恒+1.5活)，A区、B区基坑栈桥下的桩顶最大荷载标准值分别为3 560 kN和3 768 kN。由于勘察报告中未提供预制桩侧摩阻力fs及桩端阻力fp，故根据上海市《地基基础设计标准》[6]中建议的预制桩桩侧及桩端阻力的下限值进行单桩承载力计算，得到钢管桩的单桩承载力特征值为3 810 kN，大于栈桥立柱的竖向荷载标准值，满足设计要求。

3 高频免共振钢管桩的施工

3.1 钢管的加强措施

基坑竖向设置4道混凝土支撑，为保证钢管与混凝土支撑竖向连接可靠，如图2所示在与混凝土支撑相交范围内的钢管外侧焊接弧形钢板，并在弧形钢板上设置栓钉。由于钢管阻断了混凝土支撑主筋的贯通，在相交处设置环梁，并将支撑主筋锚入环梁中。同时为防止水平支撑力较大引起钢管变形，在支撑范围内平行于支撑方向设置内部加劲板。此外，钢管桩每节顶部500 mm范围内采用10 mm厚钢板作加强处理，以保证沉桩过程中ICE设备夹取位置的钢管不发生变形。

3.2 钢管桩施工流程

钢管总长度60 m，分为4节打入，每节长度15 m，采用ICE-70RF高频免共振液压振动锤，根据场地条件配备一台履带吊，将振动锤通过钢丝绳悬挂在吊钩上，对钢管桩进行施打，另配备一台辅吊用于钢管桩的卸车和喂桩。振动锤(含油管、夹具等)约13.8 t、单节钢管约5 t、吊钩和钢丝绳约4.2 t，总重约23 t。结合打桩起始高度和现场作业半径，根据起重性能表，选用一台Q250 t履带吊，臂长45.2 m，最大工作半径28 m，额定起重量29 t，按照安全系数0.8计算29 t×0.8=23.2 t>23 t，可满足施工要求。

现场按照“测量放样→沉下节桩→焊接→沉中下节桩→焊接→沉中上节桩→焊接→沉上节桩”的步骤进行施工。具体步骤如下：

1)施工前先计算出钢管桩中心坐标，进行现场放样和复核；2)在履带吊与辅吊的配合下，用提桩器将钢管桩水平起吊并翻转至竖直状态，制动提桩器，将钢管提升至振动锤夹具位置并夹紧，完成对桩；3)现场通过2台互成90°夹角的经纬仪，对钢管桩的垂直度进行观测和调整；4)开启振动锤，进行下节桩沉桩施工，并预留一定长度钢管进行焊接施工，在沉桩过程中利用经纬仪实时观测桩身垂直度；5)待下节桩就位后，进行中节桩的起吊，对中并焊接后继续沉放施工；6)重复上述步骤，直至60 m的钢管沉放至设计深度后转移至下一桩位，继续施工。

3.3 工效统计和分析

现场对28根ICE钢管桩的沉桩过程进行了详细记录，统计出各道工序平均施工时间，以分析和评价本次作业的施工效率。如表1所示，沉桩平均施工时间约2 h，而实际作业过程中还存在准备工作时间，包括挪机移位、焊接吊耳、起吊喂桩等。如果场地条件较好、工人操作熟练、工序配合顺畅，准备工作时间可在30 min内完成。单次焊接时间在30 min左右，三次焊接时间合计约1.5 h。

表1 钢管桩平均沉桩施工时间统计

自下而上4节钢管的沉桩时间均有所不同。其中，第2节(中下节桩)的沉桩速度最快，第4节(上节桩)的沉桩速度最慢，这与钢管桩在施工上节桩时桩端进入了砂土层有关，但总体来说实际沉桩速度可达2.7 m/min～3.9 m/min，远超过普通振动锤的施工效率。而在相同条件下，高频免共振钢管桩几乎是传统钻孔灌注桩施工效率的5倍。

4 钢管桩实施效果

从A区、B区基坑调整栈桥布置到增打的28根钢管桩全部完成，共历时21 d。其中，现场施工仅用12 d，且施工完成后无需养护可直接进行后续支撑及栈桥的施工作业，大大节省了工期。而在施工过程中，由于高频免共振沉桩无泥浆排放，无需对废渣进行处理和外运；同时施工产生的振动极小，对周边已经施工完成的结构影响较小。

施工时采用履带吊配合ICE设备对钢管桩进行吊打，垂直度的控制难度较大。用经纬仪在沉桩过程中实时对桩身垂直度进行观测和调整，确保第一节钢管垂直度偏差不大于0.2%，余下各节钢管垂直度偏差控制在0.3%以内，可确保ICE钢管桩能满足桩身垂直度偏差不大于1/300的设计要求。随着本工程基坑开挖至设计标高(如图3所示)，暴露出来的钢管桩垂直度普遍好于钻孔灌注桩角钢格构柱。

在基坑开挖过程中，现场对ICE钢管桩垂直位移、水平位移进行了跟踪监测。以基坑中部钢管立柱桩为例，其竖向隆起变化规律与普通钻孔灌注桩格构柱相比基本类似，A区、B区最大立柱隆起量分别为18.1 mm和19.5 mm，且与相邻钻孔灌注桩格构柱的差异沉降量均小于10 mm，而最大水平位移仅为9 mm。说明钢管桩与格构柱的协调性较好，作为竖向支承体系的效果较为理想。

此外，免共振工艺是通过高频振动将钢管桩周边土体液化而进行沉桩的，沉桩后需要一定的恢复时间才能发挥其最大设计承载力。本项目在钢管桩施工完成后开展首道支撑和栈桥的施工，达到设计强度后才进行土方开挖，这段时间恰好为钢管桩承载力提供了恢复期。

5 结语

采用高频免共振钢管桩作为深基坑竖向支承体系大大缩短了立桩柱的施工周期，其沉桩速度可达2.7 m/min～3.9 m/min，是常规钻孔灌注桩施工效率的5倍；施工过程绿色环保无泥浆排放且施工产生的振动影响极其微小，符合国家大力倡导的建筑工程绿色环保施工技术的要求；其施工垂直度偏差和基坑开挖过程中的竖向及水平位移均在可控范围内。因此，高频免共振钢管可广泛用于深基坑工程中作为竖向支承桩柱。