淺談灌注樁替代PHC管樁在高樁碼頭斷樁修復中的應用

許懷彪 楊仕強

中交一航局第二工程有限公司 山東青島 266071

PHC管樁作為高樁碼頭樁基已在設計、施工中得到非常普遍的應用，具有強度高，承載力好，抗拔力大，經濟實用等優點。但是PHC管樁也具有抗彎強度低的特點，成樁后保護不當極易受外界因素影響造成斷樁現象。本文以濰坊港某液化品碼頭工程PHC管樁在越冬期遭遇不明船舶撞擊，導致成樁區出現5根PHC管樁斷樁的情況，結合現場實際情況經與設計溝通，提出采用灌注樁替代PHC管樁修復技術及施工工藝進行了探討。

1 PHC管樁斷樁現狀分析及補樁方案的確定

1.1 PHC管樁斷樁現狀分析

濰坊港某液化品碼頭工程為高樁裝配式梁板結構，碼頭主體共分七個結構段，PHC管樁打設分6軸43個排架，共288根。PHC管樁于2015年5月份全部完成，年底時樁帽與預制梁安裝自南向北已完成到第五結構段。臨近春節放假時，第34軸PHC管樁夜間受不明船舶撞擊造成損壞。經潛水員探查PHC管樁損壞第A-E軸共5根，斷樁部位均在泥面以下約3m位置。

結合PHC管樁斷樁探摸報告分析，PHC管樁受機動艇外力撞擊造成硬土層以上部分受較大彎矩作用而折斷。樁體基本全部向后沿傾斜，與垂直方向夾角約50度。斷樁除E軸管樁外均為斜樁，斷樁位置及狀態如圖1示。

1.2 斷樁修復方案的確定

斷樁位置圖確認，PHC管樁自前沿線向左后方依次倒伏，兩側及后面均有成樁，排架中心距10m，兩個根據排架的凈空不足20m，打樁船已無法進入補樁，斷樁位置在泥面以下，且深度約-15m，無法對斷樁處進行清理，采用原PHC樁接樁或補樁方案已不可行。如采用鋼管樁等其它打入樁，同樣需要較大的船機設備進入樁區補樁，現場條件已無法滿足。綜合考慮擬采用搭設鋼平臺，水上打設灌注樁替代PHC管樁工藝進行補樁。

⑴樁基承載力校核．根據原設計技術規格書文件，試樁PHC管樁單樁極限承載力為7000KN。故所補灌注樁極限承載力不小于7000KN。根據設計圖紙及地質資料及《港口工程樁基規范》，擬選用與引橋灌注樁一致的Ф1500mm灌注樁進行單樁軸向抗壓承載力設計值核算，鉆孔資料參照表一M9。

灌注樁單樁軸向承載力設計值按下式計算。

式中Qd為單樁軸向承載力設計值（KN）；

γr承載力分項系數，本工程取大值1.55；

U為樁周長工（m）；

Ψsi樁側阻力效應系數，粉土取（0.8/d）1/5；

Qfi單樁第i層土側摩阻力值(KPa)；

Li樁身穿過第i層土的長度(m)；

Ψp樁端土阻力效應系數,粉土取(0.8/d ) 1/4；

qR單樁單位面積樁端極限阻力標準值（KPa）；

A是樁端截面面積；

表1 M9鉆孔地質資料

其中qfi第i層土樁側極限側阻力值及qR樁端單位面積極限阻力值見地質資料表2

表2 各土層樁基設計參數表

灌注樁入水標高按-45m計算。

灌注樁單樁極限承載力Qk=QdγR=10067.92KN大于7000KN。考慮灌注樁承載力折減系數0.8，能夠滿足設計單樁承載力要求。

⑵不同剛度樁承載力均衡考慮。鑒于PHC管樁與灌注樁的成樁原理不同，樁身剛度不同，故在結構段受力分析時，出現了承載力不均衡的現象，如圖2所示。

圖2 不同結構樁基承載力分析圖

考慮不同樁基間的剛度不同，對灌注樁樁位進行了適當調整，將D軸樁位置調整，與E軸樁并用，以平衡各樁受力。經設計復核，方案可行，可以采用直徑1500mm灌注樁替代PHC管樁進行補樁施工。灌注樁樁位布置插在原PHC樁之間。

圖3 第六結構段34軸補樁樁位圖

補樁位置與數量確定原則；在滿足承載力要求的前提下，盡量不增加樁的數量，補樁樁位在避開原來結構樁的同時還要滿足結構穩定要求，具體布置如圖3示。

2 斷樁修復工藝的實施情況

2.1 損壞PHC管樁的拆移

損壞的PHC樁采用200噸起重船吊除，潛水水下配合割除，起重船在碼頭前沿駐位完成后，先由潛水員在傾倒樁的樁頭位置綁扎鋼絲繩，鋼絲繩掛至起重船大勾上，起重工指揮大勾慢慢帶勁，吊扶樁頭露出水面，恢復原有狀態。潛水員水下對斷樁進行割除處理，從而吊除斷樁。

2.2 灌注樁施工平臺設計

依據本工程樁布置特點和場地條件，本次采用鋼管樁施工平臺，平臺面積約261m2，平臺頂面高程+4.80m，其由Φ1520mm、δ=8mm、L=28m的鋼護筒,單根重約8.4t，Φ630mm、δ=8mm L=28m的鋼管樁,單根重約4.3t和I40a主梁、I25a分配梁、剪刀撐以及防滑鋼板組成，見施工平臺設計圖4。

圖4 灌注樁施工平臺立面圖

平臺穩定性檢算

⑴荷載取值

施工中考慮所需設備機械設備自重及震動荷載，最不利荷載綜合按8噸考慮。

⑵結構驗算

①面板檢算：鋼面板（t=6mm），取下部受力最大處1m寬為計算單元，豎楞楞間距1000mm。

計算荷載：荷載折算為78.4kN/m

鋼面板（t=6mm），取下部受力最大處1m寬為計算單元，豎楞楞間距300mm。

計算荷載：F=232.2kN/m2

強度驗算：

最大彎矩根據公式計算：

強度符合要求。

剛度驗算：

跨度l0=300mm

則撓度

剛度符合要求.

②小次梁驗算

小次梁采取[10的槽鋼，間距300mm。

計算承載力荷載：q=78.4kN/m

驗算剛度荷載：q` =78.4kN/m

強度驗算：

最大彎矩根據公式計算：

強度符合要求。

剛度驗算：

計算跨度l0=300mm

則撓度

剛度符合要求。

剪力計算：

最大剪力：Qmax=0.6ql=0.6×78.4×0.3=14.11kN

最大剪應力：

符合要求。

③主梁驗算：

主梁采取I40a（Q345）工字鋼，間距4800mm。

計算承載力集中力：

驗算剛度集中力：

強度驗算：

最大彎矩根據公式計算：

σ＜[σ]=345MPa ，強度符合要求。

剛度驗算：

計算跨度l0=4800mm

剛度符合要求。

④樁基承載力驗算

取φ630×8mm螺旋焊鋼管材料進行驗算，壁厚按δ=7mm進行計算，其鋼管截面特性如下：

單根φ630mm，δ=7mm鋼管截面承受的允許壓力[N]：

由于鋼管墩為壓桿，要考慮壓彎失穩，故進行穩定性校核。按兩端鉸支計算鋼管穩定容許應力，該處鋼管最大自由長度為L＝10m。按照路橋施工計算手冊表12-2公式，則鋼管穩定容許應力：

式中：φ——壓桿穩定系數；

λ＝νL/i＝1×10/0.22027=45.40＜80；

ν——壓桿的長度系數，該處取ν＝1；

L——壓桿的自由長度，該處L=10m；

i——壓桿對軸的慣性半徑，該處i＝0.22027；

[σ]——壓桿材料的容許應力，鋼管＝140MPa。

查《鋼結構設計規范》得，φ＝0.810。

單根鋼管的穩定容許壓力：

式中：[σ]ω——鋼管的穩定容許應力（由上式求得）；

A——鋼管壁的橫截面面積（直徑0.630m，壁厚0.007m）

故單根鋼管穩定允許承載力[P]= 1553.64kN，所以后續檢算鋼管的豎向荷載必須小于[P]＝1553.64kN。

鋼管樁的豎向荷載計算：

有以上計算可知，單排鋼管樁中間的鋼管樁受力最大：RL=107.77KN

鋼管樁等自重計算：鋼管樁長度按28m計算，鋼管樁為直徑630mm的標準螺旋焊接管，則鋼管樁自重為：W=28×1.07=29.26KN,鋼管樁受力P=107.7+29.26=136.96N。

鋼管樁的豎向承載力計算：

本棧橋所有樁基均支撐在粉質粘土層上，按摩擦樁計算其容許承載力。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）中的沉樁的承載力容許值公式，則樁的容許承載力為：

式中：[Ra]——單樁軸向受壓承載力容許值（kN），樁身自重與置換土重（當自重記入浮力時，置換土重也計入浮力）的差值作為荷載考慮；

u ——樁身周長（m）；

n ——土的層數；

li——承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

端承載力的影響系數對于錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。

按15m計算：

按13m計算：

即打樁時須根據地質情況入土深度必須大于13m才能滿足設計要求。

2.3 主要工藝流程

測量定位→打設鋼管樁→安裝I40a主梁→安裝I25a分配梁施→焊接剪刀撐→鋪裝防滑鋼板→測量定位、安裝定位框→打設鋼護筒→鉆機就位→成孔→安放鋼筋籠→清孔→灌注→鋼平臺拆除。

2.4 主要施工方法

（1）鋼平臺搭設。吊機上自航平板駁就位于第34軸PHC管樁前沿，利用吊機吊振動錘夾鋼管樁進行沉設，沉設過程中控制好鋼管樁的樁位，振沉深度滿足設計要求，依次完成所有鋼管樁的沉設，如因吊機跨距不足無法振沉內部鋼管樁時，先將外部已振沉鋼管樁按設計要求連接成整體，焊接下部連系梁及剪刀撐，焊接上部縱橫主梁，鋪裝分配梁及面板等。然后將吊機移到平臺上繼續施工內部的鋼管樁平臺，直到所有平臺全部完成。

（2）護筒施工。鋼護筒為定制的螺旋管，規格為Φ1520mm，δ=8mm；護筒頂標高+5.00m，長度28.00m，并以護筒底部不漏漿為護筒長度確定的原則；護筒安裝平面偏差不得＞200mm，垂直度不得＞1%；

在施工平臺上精確定位，安裝導向架，在導向架的引導下，采用ZD-60振動樁機沉管，打設過程使用經緯儀隨時監控及修正鋼護筒的垂直度。

（3）鉆進成孔。鋼護筒安裝完畢后，回旋鉆機就位，采用正循環、泥漿護壁工藝鉆進至設計樁底標高，回旋鉆機施工技術標準為：孔位偏差＜20cm，垂直度偏差＜1%。

回旋鉆進參數：轉速48-90（轉/分），泥漿比重1.2-1.3。

樁孔鉆至設計深度后需采用探孔器對孔徑、孔深、傾斜度進行檢測。根據規范要求，探孔器外徑應為鉆孔樁鋼筋籠直徑加100mm(不得大于鉆頭直徑)，長度為4-6倍外徑的鋼筋籠。本工程樁徑為1.5m，凈保護層為75mm，故探孔器外徑為1.45m，長度為5m，兩端做成錐形。探孔器主筋采用15根φ25螺紋鋼筋，加強筋采用φ25螺紋鋼筋，間距為2m，每道加強筋的位置焊接2根φ25的十字內撐，探孔器兩端做成錐形。探孔器應使用吊機垂直、平穩放入孔內，避免破壞孔壁。在進行探孔器檢孔過程中，需監理和現場技術人員到場監督。

終孔檢查合格后，應迅速清孔，使孔底沉渣、泥漿相對密度、泥漿中含渣量和孔壁厚度等指標符合規范要求，為混凝土灌注創造良好條件。本工程清孔采用換漿法，清孔將鉆頭提離孔底10-20cm，以中速壓入比重1.2-1.4的純泥漿，把孔底沉渣和濃度較大的泥漿換出。在清孔排渣時，必須注意保持孔內水頭，防止塌孔，不得用加深鉆孔深度的方式代替清孔。

（4）鋼筋籠制安。鋼筋籠必須在加工現場經驗收合格后方可運送到安裝現場。鋼筋籠在運輸和吊裝時，需做好保護措施避免鋼筋籠變形。吊裝采用履帶吊，吊點設兩個，在吊裝過程中要輕吊輕放。運輸采用平板車運輸至工點，用吊機將鋼筋籠吊入孔中。

鋼筋籠分節安放過程中要嚴格控制鋼筋籠接頭的連接質量。在護筒頂端插入橫撐（鋼管或型鋼），可將底節鋼筋籠吊掛于護筒頂端便于接長，上下兩節鋼筋籠對中使其成為一條直線后，找正主筋位置并利用吊墜在前后左右控制垂直度，調整完成后進行鋼筋籠和聲測管連接。根據設計圖紙要求，鋼筋籠各節主筋采用單面焊接，單面焊的長度為10d。兩節鋼筋籠連接時，50%的鋼筋接頭需錯開，錯開長度不小于1.3L（焊縫搭接長度），并不小于50cm。焊接完成后，按要求補焊螺旋箍筋使其形成整體。上下兩節對接完成后，拔掉承托用的鋼管或型鋼，繼續沉放鋼筋籠，為避免鋼筋籠撞孔壁，要緩慢沉放，并將吊索置于鋼筋籠軸線上，不使其搖晃。下放過程中，要觀察孔內水位變化，如下插困難，必須查明原因，不得強行插下。

（5）水下混凝土灌注。本工程水下混凝土灌注采用外徑Ф300mm，壁厚8mm鋼導管進行施工。按樁孔深度準備足夠長度的剛性導管，其底管長度為4m，中間節長度一般為2.5m。第二次清孔采用泵吸反循環法清孔。泵吸反循環是通過泥漿泵的抽吸作用，在導管內腔形成負壓，在孔內液柱和大氣壓的作用下，孔壁與環狀空間的泥漿流向孔底，將沉渣帶進導管內腔，再經過泥漿泵排至地面沉淀池內；沉淀鉆渣后，泥漿流向孔內，形成反循環。經監理工程師檢驗，清孔達到規范要求后，即可進行混凝土灌注施工。清孔后泥漿指標：相對密度1.10-1.20，粘度20-22s，含砂率4%-6%，沉渣厚度≤50mm。

灌注水下混凝土是樁基工程施工的重要工序，應特別注意。本工程灌注樁樁頂以下3m范圍內混凝土標號為C40F300，其余部分標號為C40。由強制式攪拌機拌合，陸上裝載機運輸，吊車吊罐入管。灌注樁采用剪球法灌注首批水下混凝土，首批灌注混凝土的數量應能滿足導管首次埋置深度1.0m以上的需要，所需混凝土數量可按下式計算：

式中：V ——灌注首批混凝土所需數量(m3)；

D ——樁孔直徑(m)；d ——導管內徑(m)；

H1——樁孔底至導管底端間距，一般為0.4m；

H2——導管初次埋置深度(m)；

Hw——井孔內水或泥漿的深度(m)；

h1——樁孔內混凝土達到埋置深度 時，導管內混凝土柱平衡導管外(或泥漿)壓力所需的高度(m)，即；

γc——混凝土拌和物的重度(kN/m3)；γw——井孔內水或泥漿的重度(kN/m3)，取1.2。

本工程首次混凝土灌注量為3.99m3。

（6）鋼平臺拆除。鋼平臺拆除在混凝土灌注樁達到強度要求并檢驗合格后進行，拆除順序與搭設順序相反進行，可將上部縱橫梁等分片整體吊移，最后用振動錘振拔所有鋼管樁完成拆除。

3 工藝的實施效果及創新點

（1）通過采用灌注樁替代原PHC管樁，有效解決了斷樁位置空間狹小，打樁船無法進入補打原樁的難題。

（2）克服不同剛度樁基在同一結構段內承載力不均衡的現象，在滿足設計承載力的前提下，通過調整樁位來均衡樁間受力，保證了樁基受力均衡。利用垂直灌注樁替代PHC斜樁，避免了補樁與即有PHC管樁的碰樁現象，解決了打樁船無法補樁的難題。

（3）核算水上灌注樁平臺受力，平臺搭設采用釣魚法施工，逐步打設鋼管樁，減少船機配置，有效完成群樁內的補樁施工。

4 結語

本工程通過采用搭設平臺施工灌注樁替代損壞的PHC管樁，成功解決了打樁設備無法進入樁區補樁的施工難題，能過適當調整樁位協調不同剛度樁基間的受力均衡，利用大直徑灌注樁替代PHC管樁，成功解決了PHC管樁斷樁修復問題，為今后類似工程施工提供了經驗借鑒。