沿海地區珊瑚巖地層預應力管樁關鍵施工技術研究

郝 鵬

(中鐵十六局北京工程有限公司，北京 100018)

基礎穩定性及承載力是建筑工程中的關鍵科學問題，直接影響結構安全和耐久性，地基承載力不足會導致建筑物不均勻沉降甚至整體塌陷、損毀。沿海地區地質形成較復雜，多數沿海岸線地區遠古時期處于海平面以下，由于珊瑚的不斷生長，地層中存在大量珊瑚巖礁盤及珊瑚巖碎石。珊瑚巖是珊瑚死后留下的石灰質骨骼堆積而成的［1］，巖體強度很高，給基礎施工帶來不便，針對此問題，國內外學者進行了大量的研究。

高強預應力管樁作為一種預制樁，與其它樁型相比，有樁身質量穩定可靠、強度高、穿透能力強、施工快捷方便等優點，在我國沿海一帶得到了大量應用。宋維金［2］研究了靜壓預應力管樁施工過程所產生的擠土效應，提出了減小擠土效應影響的具體措施;周健、陳小亮等［3］利用側面透明模型箱和鋁管半模樁模擬開口管樁在砂土中的沉樁過程，探明開口管樁沉樁過程中砂土的變形機制和土塞的形成機制;梁文成、韋蔓新等［4-5］通過分析蘇丹紅海沿岸的珊瑚巖土層的分布規律及工程特性，研究該地區的珊瑚巖土層地基承載力規律;馮小剛、陳尚勇［6-7］介紹PHC樁施工方法，分析樁身傾斜、樁身斷裂、爆樁頭及接樁處松脫開裂等異常情況。

參考國內外文獻，目前大多數學者的研究主要集中在預應力管樁在內陸地基中的應用，而對沿海地區珊瑚巖地層下施工力學行為及關鍵控制技術研究相對較少［8-9］。沿海地區珊瑚巖特殊地層的地基承載力，如果施工方法選擇不恰當，使結構安全性更差［10-12］。因此，對沿海地區珊瑚巖地層高強預應力管樁關鍵施工技術進行研究具有重要理論意義和實踐指導價值。

1 工程概況

工程場地位于三亞市鹿回頭公園南側，鹿回頭海灣與小東海海灣之間。場地東南約140 m為小東海，西北面約500 m為鹿回頭灣，由于場地臨近海邊，土層內有大量珊瑚巖碎石及礁盤，是典型的沿海珊瑚巖地層。

采用的基礎樁類型為承壓樁和抗拔樁，其中PHCφ500×125(AB)高強預應力管樁樁數為3 030根，其中承壓樁分為ZH1和ZH2兩種，抗拔樁為ZH3型。ZH1型設計單樁豎向抗壓承載力特征值為2 500 kN，共1 442根，設計有效樁長約35 m;ZH2型設計單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN，共1 544根，設計有效樁長約27 m。ZH3型設計單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN，單樁豎向抗拔承載力設計值750 kN，共44根，設計有效樁長約27 m，均為AB型樁。樁身混凝土強度等級為C80，預應力管樁采用62號柴油錘錘擊施工，現場照片如圖1所示。

2 施工工藝及參數

2.1 準備工作

實行“三通一平”，打樁范圍內場地平整，基坑內水位在操作面以下50 cm，基坑周邊已做好坐標控制點以便測定樁位。

預應力管樁采用錘擊法施工，選擇HD62型樁機進場施工，樁機技術參數如表1所示。

圖1 珊瑚巖地層預應力管樁現場施工

2.2 施工全過程工藝及參數

確定樁位和沉樁順序→打樁機就位→吊樁、喂樁→校正→錘擊沉樁→接第n根樁→錘擊第n根樁、沉樁、送樁→收錘→檢查驗收→切割樁頭→移至下一樁位。

1)定位放線。現場控制坐標點制作完畢并保證控制點在現場打樁施工時不受振動，確保控制點坐標的準確性。根據打樁路線，利用控制坐標將施工的樁位坐標點放樣于施工場地，在每個樁位中心點上插入短鋼筋定位，扎上紅色塑料繩，再在鋼筋入地點撒生石灰做標記，樁基施工順序見圖2。

表1 筒式柴油打樁錘參數

圖2 樁基施工順序由中部向邊沿打設

在沉樁施工期間，對控制網點及水準點應定期復核和修正(7 d 1次)，以消除打樁振動及擠土效應對控制點位的影響。樁機移位后應盡快第二次復核，保證工程樁位偏差值＜10 mm。

2)吊樁及樁尖焊接。樁機移到指定樁位后，打樁前必須將樁臺調平，確保機身穩固垂直。按樁身吊點位置固定吊索，穩當地起吊管樁，待樁吊離地面至垂直后，提升到足夠高度，將樁頭放入樁機樁帽內確保錘、帽、樁三心對正在一條垂線，帽與樁頂間確保有良好的接觸。在吊樁就位對中后，用二個吊線錘檢測樁身就位垂直度。樁的外邊線應與經緯儀十字絲縱線或吊錘線重合，否則應調整到重合。

嚴格做到打樁錘(夾具中心)、樁帽、樁身中心線在同一鉛垂線，防止偏打使樁傾斜與損壞。在沉樁至樁身被土嵌固前必須跟蹤監測保持樁身垂直，嚴禁在樁節下端已入土嵌固狀態下再度移動樁機或硬搬上樁端來校正樁的垂直，如發現已嵌固樁身不垂直，應拔起該樁后調整樁機并在樁側面填木塊(條)等糾偏。

樁靴分為三種類型:A開口平底式、B封底十字刀刃式、C閉口鈍圓錐式，本工程選用C型樁靴施工，如圖3所示。

圖3 樁靴類型

3)沉樁及接樁。沉樁時要時刻校正樁身垂直度，邊沉樁邊校正，以保證樁身垂直度，樁垂直度偏差不得超過0.5%，避免由于樁身傾斜產生管樁損壞。設計有效樁長樓座下為35 m，車庫區域有效樁長為27 m，故在施工時需要進行合理的配樁，并接樁。在第一節樁入土一定深度且樁身穩定后按正常錘擊速度進行錘擊沉樁，第一節樁身錘擊至外露長度為50～1 200 mm時停止錘擊。吊裝第二節樁，在接樁前將上下兩節樁端板上的泥土、油污、鐵銹用鋼絲刷清理干凈，坡口處露出金屬光澤。對接后若上、下樁接觸面不密實，可用不超過5 mm的鋼片嵌填，達到無縫為止并點焊牢固。固定定位鋼板，焊接前隨時校正樁身垂直度，上、下樁中心線偏差不大于5 mm，節點彎曲矢高不得大于樁身的0.1%。

焊條宜使用E43系列，焊接時應先在坡口周圈對稱電焊4～6個焊點，待上下樁固定后再拆除固定板進行焊接，確保焊縫可靠，其結構如圖4所示。焊接完畢后應自然冷卻5～10 min后方可再錘擊，嚴禁澆水冷卻焊縫。

圖4 坡口焊接結構

4)送樁。在樁基施工時施工作業面距設計基礎底高程還有2 m的土層未開挖，故樁基施工時需要送樁。送樁使用鋼管送樁器，長度一般比施工面至樁頂設計高程距離長500 mm左右。送樁時，管樁樁頂露出地面高度控制在300～500 mm，在管樁頂部放置保護樁頂的樁墊，一般為硬木制作。送樁必須連續施打至樁頂設計高程，中途不得中斷。

5)截樁。在管樁施工完畢后，由于地質原因或配樁原因部分管樁樁身高于設計高程，對于高出設計高程的部分應進行切除。切除樁頭前要在樁身上抄測出設計樁頂高程，切除樁頭要用專用切割機切割，嚴禁在管樁未切斷時使用大錘橫向敲斷或強行拉斷。

所有樁頭在施工完畢后要用沙袋蓋住，防止土或雜物掉入管樁內。

3 施工關鍵控制技術

3.1 樁身垂直度控制及補樁方案

在施工過程中樁身垂直度控制十分重要，樁身不垂直容易導致施工中的斷樁，接樁時無法將兩節樁身有效緊密結合或成樁承載力下降。應在施工前、施工中、施工后跟蹤檢查樁位及樁身的垂直度，確保樁身的垂直。在第一節樁身剛入土時及時校正垂直度，在樁身進入硬土層后嚴禁移動樁架強行將樁身掰正。

由于場區內存在大量珊瑚巖礁盤，在錘擊過程中樁身很容易碰到地下的巖石。巖石質地較堅硬與旁邊的土質密度不同，樁身容易出現傾斜、跑位的現象。提出具體補樁原則如下:兩樁承臺沿短邊平移超過150 mm或沿長邊平移200 mm以上的樁;三樁承臺沿短邊平移超過150 mm;四樁承臺的樁，由于每根樁均為角樁，偏移超過250 mm時;整體樁筏中的樁，偏移250 mm以上的邊樁和偏移超過350 mm的中樁均需補樁。樁傾斜超過0.5%的須補樁，斷樁須補樁。

在施工中具體操作如下:

對于剛剛施打，樁身入土深度未超過樁長1/3的斜樁，使用吊車將樁身拔出，檢查樁身的完整性。如樁身完好無損(樁身未出現裂紋或斷裂現象)，則將樁再次置于原位，在樁身與土體的空隙放置木樁固定樁身的垂直度，輕捶慢打，邊錘擊邊校核垂直度，將樁身一點一點錘入土中，待樁頭穿過地下的巖石或礁盤再進行正常的錘擊施工。

入土超過樁身長度1/3或無法拔出的樁位，無法在原樁位繼續進行施打，需要設計對樁承臺受力重新進行計算后，在承臺的其他位置進行補樁處理。

3.2 樁承載力控制

樁身承載力直接影響到主體結構質量及安全，對于樁身的承載力使用樁身設計有效長度和錘擊貫入度進行雙控，主要操作如下:

當樁端位于一般土層時，應以控制樁端設計高程為主，貫入度為輔，在達到設計有效樁長后停止錘擊，需經靜載試驗檢測合格。以A26地塊第251#樁位為例，樁身達到設計要求的有效樁長，但是貫入度仍然很大，最后3陣貫入度達到4 cm左右，經靜載試驗檢測，樁身達到4 000 kN承載力，樁位合格。

當樁端達到堅硬、硬塑的黏性土、中密以上粉土、砂土、碎石類土及風化巖、珊瑚巖礁盤時，樁身長度還未達到設計有效樁長，但樁身已經明顯無法再向下錘擊，此時應以貫入度控制為主，樁端高程為輔。沿海珊瑚巖地層預應力管樁現場實際操作時，多數樁位遇到此種情況。在錘擊中密切注意錘擊深度，以1000 mm高度為標準，每10擊為1陣，檢測時連續3陣貫入度≤2.5～3.0 cm時，認為達到承載力標準，可以停錘。施工完畢后通過靜載試驗(500 t強壓)和低應變檢測樁身承載力，如圖5所示。經檢驗樁身完整度全部達到Ⅱ類樁以上，經抽檢全部合格。

圖5 靜載試驗

3.3 珊瑚礁盤部位引孔技術

根據現場沿海地區實際情況及《三亞鹿回頭小東海A26，A26-1，A27，A27-1地塊項目巖土工程勘察報告》，現場土質為含珊瑚巖碎石深厚軟弱土層，土層中50%以上地區都存在珊瑚巖礁盤，在樁基施工過程中極易發生斜樁、斷樁、無法沉樁的現象。使用φ500長螺旋鉆機進行引孔作業，將樁位放樣于基礎操作面上，根據地質情況及地勘報告，在有珊瑚巖的地區先使用鉆機在樁位上鉆孔5～6 m，將表層珊瑚巖進行破碎、鉆孔，然后再進行吊樁、沉樁施工。此方法有效地預防了樁在入土初期的偏位及斷樁的情況，大大節省了施工時間。

4 珊瑚巖施工質量通病及工程對策

4.1 樁頂位移或上升涌起

樁入土后，遇到大塊孤石或堅硬障礙物，把樁尖擠向一側。施工前用釬或洛陽鏟探明地下障礙物，較淺的挖除，深的用長螺旋鉆機鉆透或破碎。

樁身不正直，多節樁施工，相接的兩節樁不在同一軸線上，造成歪斜。施工時檢查樁身垂直度，對于樁身不正直的不能使用。

樁打不下或是樁向一側擠壓造成位移和涌起。研究結果是打樁順序不對，或是樁位排得太緊密造成的。施工時應采用“插樁法”，減少土的擠密及孔隙水壓力的上升。

當樁數過多，土體飽和密實，樁間距較小時，在沉樁時土被擠過密而向上隆起，有時使相鄰的樁一起涌起。施工中位移過大，應拔除，移位再打;位移不大，可用木架頂正，再慢錘打入，障礙物不深，可挖去回填后再打;浮起量大的樁應重新打入。

4.2 樁頭被擊碎

樁身在沉樁過程中碰到堅硬的巖石或珊瑚礁盤，極易造成頂部破裂，應進行引孔施工，鉆透或破碎巖石，使樁身通過。

設計樁頂的混凝土強度等級不夠，預制樁時混凝土配合比不準確，振搗不密實，養護不良，應加強樁身混凝土質量控制。

施工機具不當，樁錘選用過大或過小，錘擊次數過多;樁頂與樁帽接觸不密實，應合理選用施工機械，根據現場實際情況施工。

另外，沉樁時未加緩沖樁或樁墊不合，落錘太高等原因造成。

4.3 樁急劇下沉

樁身斷裂、遇到地下空洞導致樁身急劇下沉。遇水洞或淤泥層，應試探該地質區域有多大，區域不大時和設計溝通在周圍進行補樁。樁身斷裂應查明樁是否達到設計強度，樁身是否有缺陷。

5 結語

針對沿海地區珊瑚巖地層典型工程力學特性，分析該地層與高強預應力管樁相互作用機理，在此基礎上提出全過程控制技術和補樁方案，確保樁身的垂直度和承載力。對珊瑚巖施工質量通病進行分類，提出實用的工程對策，總結出一套沿海地區珊瑚巖地層高強預應力管樁關鍵施工技術。施工完畢后通過500 t強壓靜載試驗和低應變檢測樁身承載力、樁身完整度全部達到Ⅱ類樁以上，驗證了施工技術的合理性。研究成果有效地指導了三亞鹿回頭小東海工程順利進行，也可為今后沿海地區類似珊瑚巖地層預應力管樁施工提供參考。

［1］ 江西地質工程勘察院海南分院．三亞鹿回頭小東海A26，A26-1，A27，A27-1地塊項目巖土工程勘察報告［R］．海南:江西地質工程勘察院海南分院，2008．

［2］ 宋維金．靜壓預應力管樁擠土效應試驗［J］．鐵道建筑，2011(5):96-99．

［3］ 周健，陳小亮，周凱敏，等．靜壓開口管樁沉樁過程模型試驗及數值模擬［J］．巖石力學與工程學報，2010，29(增2):3839-3846．

［4］ 梁文成．蘇丹紅海沿岸珊瑚巖土層地基承載力探討［J］．港工技術，2010，47(3):52-53．

［5］ 韋蔓新，賴廷和．潿洲島水域生物理化環境特征及其相互關系［J］．海洋科學，2003，27(2):67-71．

［6］ 馮小剛．預應力管樁在復合地基工程中的應用［J］．鐵道建筑，2010(9):78-80．

［7］ 陳尚勇．管樁樁筏基礎在宿州站地基處理中的應用［J］．鐵道建筑，2009(7):108-111．

［8］ 張國華，陳禮彪，錢師雄，等．大斷面小凈距大帽山隧道現場監控量測及分析［J］．巖土力學，2010(2):489-496．

［9］ 鄧德義．灰土擠密樁在濕陷性黃土地基處理中的應用［J］．鐵道建筑，2011(10):78-80．

［10］ 徐至鈞，李智宇，張亦農．預應力混凝土管樁設計施工及應用實例［M］．北京:中國建筑工業出版社，2009．

［11］ 中華人民共和國建設部．JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2008．

［12］ 中華人民共和國建設部．GB 50202—2002 建筑地基基礎工程施工質量驗收規范［S］．北京:中國計劃出版社，2002．