鐵路橋梁大直徑管樁的適用性對比分析

劉建紅，陳良江，史良洪，張 雁

(1.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070；2.中國鐵路總公司，北京 100844；3.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200070；4.建華建材(中國)有限公司，江蘇 鎮江 212000)

為響應十九大提出的建設生態文明，形成綠色發展方式，貫徹新發展理念，提高橋梁整體裝配制造比例，提升標準化、自動化、產業化水平，中國鐵路總公司圍繞“鐵路線橋隧工程建造技術深化研究”技術路線開展了系列研究，其中中鐵上海設計院承擔并主持了“鐵路橋梁大直徑管樁應用關鍵技術研究”[1]。

鐵路橋梁與民建、港口等工程不同，線路呈帶狀分布，沿線地層起伏大、設備轉場頻繁，受荷載、剛度、沉降等控制因素影響，需采用樁徑800 mm及以上大直徑PHC(Pre-stressed High-strength Concrete)管樁。傳統打入法振動噪音大，適用土層局限性大；靜壓法施工大直徑管樁時，存在配重大、沉樁困難、轉場不便等諸多問題。故管樁在鐵路橋梁中應用受到嚴重制約。

為推進鐵路樁基的預制化和橋梁現代化發展，需要推廣預制管樁在鐵路橋梁中的應用。在調研了國內外管樁的設計、施工[2-6]及應用情況的基礎上，開展了鐵路橋梁管樁新型沉樁工法(跟鉆法、勁性復合樁)的設計方法、合理設計參數等理論研究。結合連鎮鐵路工點開展試驗研究，驗證大直徑管樁的理論方法、管樁關鍵參數的選取、經濟性分析等。本文主要對鐵路橋梁大直徑管樁應用及經濟性進行介紹。

1 跟鉆法施工工藝

跟鉆法將鉆桿插入PHC管樁中空部，并在鉆機長螺桿的前端設置能打開的特殊鉆頭，邊鉆孔取土邊將樁沉入土中。臨近持力層時，通過油壓系統打開鉆頭擴大翼，并固定擴大鉆翼鉆進，形成樁端擴孔。在持力層中鉆進一定深度后在底部注入水泥砂漿，并用鉆頭擴大翼反復攪拌形成擴大球根，再將管樁沉入球根內形成擴大頭。擴大頭包含樁周擴大頭及樁底擴大頭兩部分。跟鉆法工藝流程如圖1所示。跟鉆法可有效避免振動噪音大，解決了沉樁難的問題，土層適用性較好。

圖1 跟鉆法工藝流程

圖2 勁性復合管樁構造示意

2 勁性復合樁施工工藝

勁性復合樁由水泥土樁、芯樁2部分組成，芯樁可由管樁、鋼管混凝土樁等材料制成，見圖2。該樁型利用水泥土樁較大的接觸面積來提供側摩阻力，同時利用高強度的芯樁承擔豎向荷載，使2種材料的優勢同時得到充分發揮。通過調整水泥土水灰比和攪拌半徑，使得承載力破壞界面發生在水泥土與天然土體接觸面，樁基具有了更高的單樁容許承載力。

3 大直徑管樁的應用

管樁施工工藝受設備、工法的限制，對土層和場地條件等有一定的要求。通過現場調查、文獻查閱[7-11]、試驗驗證以及工程經驗，從適用土層、場地要求、施工設備等方面給出了鉆孔樁、打入樁、跟鉆法、勁性復合管樁的適用范圍，詳見表1和表2。

表1 鉆孔樁、打入樁、跟鉆法與勁性復合樁適用土層比較

注：○表示比較適合；△表示有可能采用；×表示不宜采用。

表2 打入樁、跟鉆法、勁性復合樁、鉆孔樁其他適用性比較

4 管樁預算定額

跟鉆法、勁性復合樁為新型沉樁工藝，現有《鐵路工程預算定額》[12]缺少跟鉆法、勁性復合樁相關規定，且僅有振動下沉鋼筋混凝土管樁定額，管樁最大直徑為0.55 m。本次通過調研、現場測定等方式，根據鐵路定額組成，分析得出0.8，1.0 m打入樁、跟鉆法和勁性復合樁相關定額。樁徑0.8，1.0 m單項預算見表3。

表3 樁徑0.8,1.0 m管樁單項預算 (元/m)

5 經濟性

課題選取連鎮鐵路砂性土、黏性土2個代表性土層進行了跟鉆法、勁性復合樁承載力試驗。連鎮鐵路為新建時速250 km/h雙線客運專線鐵路，ZK活載。其中砂性土工點位于五峰山長江特大橋北岸引橋，黏性土工點位于跨寧啟鐵路特大橋，場地土層分布分別見表4和表5。

在滿足承載力、最小縱向線剛度及位移要求，對墩高H=6～16 m范圍進行樁基布置分析，打入樁、跟鉆法、勁性復合樁樁徑采用0.8，1.0 m，鉆孔樁樁徑采用1.0，1.25 m。因樁基布置形式不同，承臺也會有所不同，故應統一考慮[13]。

5.1 五峰山試驗工點

根據連鎮鐵路五峰山試驗工點地質情況，鉆孔樁、打入樁、跟鉆法、勁性復合樁4種工法費用比較見圖3。

表4 五峰山試驗場地土層分布

表5 跨寧啟鐵路試驗場地土層分布

圖3 五峰山試驗工點費用比較

由圖3可知：①墩高6～16 m范圍內，打入樁經濟性最好，比值為0.53～0.75；勁性復合樁次之，比值為0.66～0.88。②墩高6～10 m,15～16 m范圍內，跟鉆法與鉆孔樁相近，比值為0.92～1.15。③墩高12～14 m 范圍內鉆孔樁較跟鉆法有經濟性，比值為1.28。

5.2 跨寧啟試驗工點

根據連鎮鐵路跨寧啟試驗工點地質情況，鉆孔樁、勁性復合樁2種工法費用比較見圖4。

圖4 跨寧啟試驗工點費用比較

由圖4可知：墩高6～16 m范圍內，勁性復合樁較鉆孔樁有較好經濟性，比值為0.55～0.59。

6 結論

1)鉆孔樁適用于所有地質，但施工工藝復雜，易造成施工環境污染。管樁預制化程度高，施工速度快，不同工藝適用地層范圍不同，需根據場地條件選擇合適的施工工藝。

2)3種沉樁工藝中：打入樁單價最低；勁性復合管樁次之，基本與同樁徑鉆孔樁持平；跟鉆法略高于同樁徑鉆孔樁單價。

3)砂性土工點：打入樁經濟性最好，勁性復合樁次之，跟鉆法與鉆孔樁相近。

4)黏性土工點：勁性復合樁較鉆孔樁有較好經濟性。