复杂地层桩基承台PC工法桩围堰设计与施工技术研究

陈宗国

(中铁二十五局集团有限公司 广东广州 510000)

1 工程概况

新建昌景黄铁路工程金溪湖特大桥位于江西省进贤县境内，起讫里程DK277＋505.10～DK281＋524.70，全桥长4 019.6 m，于 DK286＋315.295处采用(83＋152＋83)m连续梁跨越金溪湖抚河干流，主墩82＃、83＃墩为水中墩。其设计桩基为16根桩径2.5 m钻孔灌注桩，承台尺寸为22.75 m×22.75 m×5.5 m，墩身为22.5 m双肢薄壁高墩。承台基础底标高2.564 m，实测湖床标高14.46 m，施工期湖水常水位17.0 m。

水文及工程地质自上而下依次为湖水17.0～14.46 m、粉砂14.46～13.76 m(σ0＝80 kPa)、淤泥质粉质黏土 13.76～8.46 m(σ0＝60 kPa)、粉砂8.46～7.46 m(σ0＝80 kPa)、粗砂 7.46～2.46 m(σ0＝220 kPa)、粉质黏土 2.46～-2.04 m(σ0＝220 kPa)、细砂 -2.04～-4.04 m(σ0＝220 kPa)、砾砂-4.04～-8.436 m(σ0＝220 kPa)、泥质砂岩-8.436～-14.036 m(σ0＝300 kPa)，地质柱状示意图，如图1所示。

图1 地质柱状示意(单位:mm)

2 工程特点和施工重难点

(1)承台基础开挖尺寸大且开挖深度深，开挖施工安全风险极高，对基础围护结构的强度、刚度等要求高。

(2)承台基础开挖范围内以透水性极强、自稳性极差的淤泥质粉质黏土、粉砂和粗砂地层为主，对围护结构和封底结构的安全性和可靠性要求高。

(3)丰水期水流流速达到1.5 m/s、最大水深可达7 m，且桥址区地下水位高，对基础围护结构止水隔水效果要求高。

3 围堰设计

3.1 围堰设计选型

针对桥梁深基础施工常见的几种钢围堰支护形式，分别从适用地层、优缺点、材料用量等方面进行比选[1]分析，见表1。

表1 各类钢围堰的适用条件

结合金溪湖特大桥水中主墩承台基础开挖范围内工程及水文地质条件、施组安排以及投入本工程施工机具设备等施工作业条件，承台基础开挖支护围堰选择钢管桩＋钢板桩组合形成的PC工法桩[2]作为支护结构，充分利用钢管桩强度高、挡土效果好，钢板桩止水效果好的优点，通过锁扣连接在一起形成良好的挡土止水受力结构体系[3]。

3.2 PC工法桩围堰结构设计

金溪湖特大桥主墩承台基础PC工法桩围堰围护桩采用拉森IV型钢板桩(Q295bz)与φ820×14 mm钢管桩(Q345B)，平面设计图如图2所示。钢管桩桩长30 m，承台基础底面以上15.1 m，以下14.9 m，钢板桩桩长24.5 m，承台基础底面以上15.1 m，以下9.4 m。内支撑结构第一层(桩顶下1 m处)、第三层(桩顶下8 m处)采用HN700×300 mm型钢(Q345B)、撑杆釆用φ480×10 mm螺旋钢管(Q235B)；第二层(桩顶下4.5 m处)釆用三拼HN700×300 mm型钢(Q345B)、撑杆釆用φ800×16 mm螺旋钢管(Q235B)。

图2 PC工法桩围堰结构平面图(单位:mm)

3.3 PC工法桩围堰结构检算

根据《建筑基坑支护技术规程》[4](JGJ 120—2012)对围堰结构，即PC工法桩、圈梁和内支撑等结构的稳定性、结构受力、结构变形等进行检算验证。

(1)PC工法桩稳定性

整体稳定性采用瑞典条分法进行计算，安全系数Ks计算值为1.705，大于1.35，满足要求。

(2)基底隆起稳定性

本工程按安全等级一级进行控制，抗隆起稳定安全系数Kb:

满足要求。上式中，γm1、γm2为围堰内外钢板桩底以上土的厚度加权平均重度(kN/m3)；c为钢板桩底土层粘聚力(kPa)；ld为钢板桩入土深度(m)；Nq、Nc为承载力系数，分别为 10.66、20.72；h为基础深度(m)；q为地面均布荷载(kPa)。

(3)结构受力情况

围堰桩施工过程中的最大弯矩M＝927.0 kN·m，最大剪力Q＝728.6 kN，均发生在围堰内回填黄砂至河床以及拆除第一层支撑的阶段。

单根围堰桩最大正应力计算值δ＝1.29×132＝170.3 MPa＜240 MPa，满足要求。

单根围堰桩最大剪应力计算值τ＝1.29×41.1＝53.0 MPa＜120 MPa，满足要求。

围堰桩最大变形计算值为37.7 mm，发生在第二层内支撑拆除时。

(4)圈梁及内支撑受力情况

圈梁最大正应力计算值[δ]＝198.5 MPa小于许用应力240 MPa，圈梁最大剪应力计算值[τ]＝68.9 MPa小于许用剪应力120 MPa，圈梁最大变形值9.2 mm小于L/400，满足要求。

第一层和第三层内支撑最大反力计算值一致，均为115.9 kN/m；第二层的内支撑最大反力计算值为634.9 kN/m，内支撑最大应力σ＝129.5 MPa小于170 MPa，满足要求。

通过检算验证，本工程PC工法桩围堰设计方案各结构受力均能满足相关规范要求，可确保结构及施工安全。同时，在施工过程中，应结合围堰结构受力检算情况和受力特点等对其关键部位加强监测[5]。

4 PC工法桩围堰施工技术

4.1 PC工法桩沉桩

本工程中，桩身沉入范围内以砂质地层为主，其挤密性较强，对桩的贯入阻力较大，加之PC工法桩较长。在该地层条件下，若仍采用常规机械振动沉桩方法，PC工法桩沉桩将极为困难且周期长，也会造成PC工法桩发生不可避免的较大变形甚至损伤，从而影响到桩的完整性及其受力性能，故本工程PC工法桩沉桩采用高压水刀引孔[6]辅助振动锤振动沉桩工艺。

(1)高压水刀系统

由高压水泵、φ50 mm无缝钢管和刀头喷嘴等组成水刀喷射系统，4把高压水刀(含输水管)均匀布设在PC工法桩外壁四周，如图3所示。

图3 高压水刀系统

(2)高压水刀通水试验

水刀喷射系统组装、调试，并进行现场通水试验，通过试验:

①判断输水管路连接是否完好，高压水刀压力是否可行，喷嘴喷水方向是否合理等。

②结合桩身地层情况，修正和调整水刀刀头喷嘴数量和开口参数，本工程采用口径2.5 mm的单刀头喷嘴。

③确定供水水质含砂率，施工时须严格控制，过高易造成水刀管路堵塞。

(3)PC工法桩沉桩施工操作要点

①钢板桩、钢管桩接长

现场焊接接长。钢板桩内外两侧均采用10 mm厚钢板帮板满焊焊接，钢管桩外侧采用10 mm厚钢板满焊焊接。

②高压输水管固定

采用“π”型HPB300φ20钢筋将高压输水管固定在钢管桩外壁上，“π”型固定钢筋沿桩壁间距200 cm/道，并与钢管桩牢固焊接，确保沉桩过程高压输水管与钢管桩之间无相对移动。

③定位、起吊

安装导梁、锁扣行进控制架，插打定位桩，以控制后续PC工法桩桩位。根据现场情况，配置75 t履带吊起吊PC工法桩。

④下沉

PC工法桩就位后，启动高压动力泵，利用水刀切土引孔，振动锤振动沉桩，如图4所示。

图4 水刀引孔、振动下沉

4.2 承台基础开挖

承台基础开挖范围内以稳定性差、透水性强的砂质地层为主，故采用不抽水开挖。用高压水循环反复冲刷所要开挖的岩土体，冲刷产生的泥水混合物经过沉淀后，表层清水循环使用，固体沉积物(主要为卵石及砂砾石)采用长臂挖机挖出，并将其集中堆放，作为回填土重新使用。

4.3 装配式钢管支撑安装

本工程PC工法桩内支撑体系采用装配式钢管支撑[7]。

(1)支撑位置定位

基础开挖或抽排水至设计支撑底标高以下50 cm时，根据设计位置测量定位支撑中心线、钢牛腿顶标高线。

(2)钢牛腿安装

清除PC工法桩表面杂物及浮锈，焊接钢牛腿。

(3)钢围檩安装

钢牛腿安装完成后，将钢围檩焊接固定在钢牛腿上，并采用高强螺栓机械连接相邻钢围檩。

(4)钢支撑安装

钢支撑标准节长2 m，调整节长1 m，场外预拼装2～3节为一组，场内吊机吊入围堰内安装。结合围堰宽度以及支撑活络头行程等确定支撑拼装长度。

(5)预应力施工

作业前，对钢围檩、钢支撑以及对抱箍加固装置等的安装质量进行严格验收。

预应力施加按3～5级均匀对称、分级施加，每一级预应力施加到该级设计值时保持稳定10 min后再进行下一级施加，直至额定压力，预压力稳定之后进行锁定，并安装由两个斜铁配对组成的塞铁。

4.4 水下封底混凝土施工

基底封底混凝土强度等级采用C30，最小厚度3.2 m。

(1)配合比设计

配合比设计时，其粘聚性、流动性、工作性等性能按水下浇筑混凝土的要求确定其基准配比[8]。

(2)导管布设

结合本工程封底混凝土设计厚度和现场施工条件，浇筑方式采用全高度方向斜面推进方法，导管布料方式按双导管移动首封推进法[9]。

(3)浇筑顺序

全高度方向斜面推进浇筑方式浇筑顺序:综合地形因素从地形较低一端向另一端推进；由四周向中央推进。

(4)浇筑点布置

结合内支撑、钻孔桩基础钢护筒位置和现场情况等，浇筑导管位置布设按封底混凝土扩散半径5 m考虑，如图5所示。

图5 导管平面布置(单位:mm)

(5)混凝土浇筑

①首盘封底混凝土浇筑

通过试拌、试验获取混凝土工作性能，并结合浇筑点的布设位置，计算首封混凝土数量[10]。

首封混凝土浇筑之后，立即将低压灯放入导管内，查看导管是否存在漏水情况。若导管内无水，则表示首封成功；若有水，则表示首封失败，需要马上采取措施进行二次拔球，再次进行封底。

②混凝土浇筑

混凝土浇筑时，技术员不定时测量混凝土浇筑标高及其扩散情况，以及导管埋深等情况。在即将完成混凝土浇筑作业时，重点监测导管中心处、桩基钢护筒周围以及PC工法桩壁等关键结合部位的高程，确保封底混凝土顶面标高符合要求。

(6)水下封底混凝土高程测控

在封底施工前提前布设好高程监测点。为准确控制封底混凝土高程，每间隔0.5 h测量一次，对导管作用半径相交处、承台四周等部位进行重点监测，及时掌握各个区域的浇筑情况，确保混凝土顶面平整。停止浇筑前，全面复测各控制点高程，若存在高程不符合设计要求，则需要对该测点及其周围增加浇筑量。

5 PC工法桩围堰施工主要风险及对策

5.1 施工主要风险

(1)PC工法桩接口渗漏水

①桩间错动导致锁扣漏水

由于钢管桩＋钢板桩组合形成的PC工法桩的连接方式、内部支撑装配连接方式及其布置等原因，相邻的围护桩可能会产生不同程度的桩身变形[11]。且角桩的受力变形不同于邻桩的受力变形，因此邻桩相接处的锁扣就可能产生错动，从而形成缝隙，导致漏水。

②沉桩偏差导致锁扣间缝隙漏水

沉桩过程不可避免存在偏差，从而导致邻桩锁扣在沉桩过程中就已形成较大的缝隙，加之本工程桩长较长，更易发生此类问题，导致漏水。

(2)封底混凝土渗漏水

PC工法桩围堰支护结构主要通过封底混凝土及其下部土体自重维持PC工法桩底部内外压力之间的平衡，若封底混凝土出现渗漏水势必危及结构和施工安全。

①厚度不满足设计要求。封底混凝土的厚度低于设计要求导致其强度不够，易造成漏水。

②导管布置不合理。根据混凝土工作性能，混凝土流动半径不大于5 m，在导管布置时，若规划不合理，或布设数量不足，均易导致基底出现混凝土真空地带，尤其边缘混凝土厚度不足时，极易引发漏水。

5.2 风险对策

(1)PC工法桩接口渗漏水

①轻微漏水时，在PC工法桩外侧沿锁扣方向倒入黏土、木屑，或其混合物等堵漏材料，依靠桩内外压差使其封堵锁扣缝隙；内侧则在锁扣漏水部位嵌塞棉絮、棉筋等嵌塞物，内外结合进行堵漏。

②漏水严重时，则需潜水员在围护桩外侧锁扣漏水部位涂抹防水材料进行堵漏。

(2)封底混凝土渗漏水

桩基钢护筒、PC工法桩与封底混凝土结合处出现渗漏水[12]，漏水较小时，采用水泵及时抽排即可；漏水较大时，可填塞棉絮、棉筋等嵌塞物；若出现严重渗漏时，则需在围堰外侧填置沙袋进行封堵。

6 结束语

金溪湖特大桥主墩承台基础现已顺利实施完毕，实践表明:

(1)高压水刀引孔辅助振动锤沉桩工艺很好地解决了PC工法桩在复杂地层条件下贯入阻力大和插打困难等技术难题，沉桩速度快，沉桩质量高。

(2)采用PC工法桩围堰施工，进度快、支护强度高、变形小、止水封水效果好，为承台施工提供无水作业条件，既保证了复杂地层桥梁桩基承台深基础的施工安全，又确保其施工质量。