沿海地区珊瑚岩地层预应力管桩关键施工技术研究

郝 鹏

(中铁十六局北京工程有限公司，北京 100018)

基础稳定性及承载力是建筑工程中的关键科学问题，直接影响结构安全和耐久性，地基承载力不足会导致建筑物不均匀沉降甚至整体塌陷、损毁。沿海地区地质形成较复杂，多数沿海岸线地区远古时期处于海平面以下，由于珊瑚的不断生长，地层中存在大量珊瑚岩礁盘及珊瑚岩碎石。珊瑚岩是珊瑚死后留下的石灰质骨骼堆积而成的［1］，岩体强度很高，给基础施工带来不便，针对此问题，国内外学者进行了大量的研究。

高强预应力管桩作为一种预制桩，与其它桩型相比，有桩身质量稳定可靠、强度高、穿透能力强、施工快捷方便等优点，在我国沿海一带得到了大量应用。宋维金［2］研究了静压预应力管桩施工过程所产生的挤土效应，提出了减小挤土效应影响的具体措施;周健、陈小亮等［3］利用侧面透明模型箱和铝管半模桩模拟开口管桩在砂土中的沉桩过程，探明开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞的形成机制;梁文成、韦蔓新等［4-5］通过分析苏丹红海沿岸的珊瑚岩土层的分布规律及工程特性，研究该地区的珊瑚岩土层地基承载力规律;冯小刚、陈尚勇［6-7］介绍PHC桩施工方法，分析桩身倾斜、桩身断裂、爆桩头及接桩处松脱开裂等异常情况。

参考国内外文献，目前大多数学者的研究主要集中在预应力管桩在内陆地基中的应用，而对沿海地区珊瑚岩地层下施工力学行为及关键控制技术研究相对较少［8-9］。沿海地区珊瑚岩特殊地层的地基承载力，如果施工方法选择不恰当，使结构安全性更差［10-12］。因此，对沿海地区珊瑚岩地层高强预应力管桩关键施工技术进行研究具有重要理论意义和实践指导价值。

1 工程概况

工程场地位于三亚市鹿回头公园南侧，鹿回头海湾与小东海海湾之间。场地东南约140 m为小东海，西北面约500 m为鹿回头湾，由于场地临近海边，土层内有大量珊瑚岩碎石及礁盘，是典型的沿海珊瑚岩地层。

采用的基础桩类型为承压桩和抗拔桩，其中PHCφ500×125(AB)高强预应力管桩桩数为3 030根，其中承压桩分为ZH1和ZH2两种，抗拔桩为ZH3型。ZH1型设计单桩竖向抗压承载力特征值为2 500 kN，共1 442根，设计有效桩长约35 m;ZH2型设计单桩竖向抗压承载力特征值为2 000 kN，共1 544根，设计有效桩长约27 m。ZH3型设计单桩竖向抗压承载力特征值为2 000 kN，单桩竖向抗拔承载力设计值750 kN，共44根，设计有效桩长约27 m，均为AB型桩。桩身混凝土强度等级为C80，预应力管桩采用62号柴油锤锤击施工，现场照片如图1所示。

2 施工工艺及参数

2.1 准备工作

实行“三通一平”，打桩范围内场地平整，基坑内水位在操作面以下50 cm，基坑周边已做好坐标控制点以便测定桩位。

预应力管桩采用锤击法施工，选择HD62型桩机进场施工，桩机技术参数如表1所示。

图1 珊瑚岩地层预应力管桩现场施工

2.2 施工全过程工艺及参数

确定桩位和沉桩顺序→打桩机就位→吊桩、喂桩→校正→锤击沉桩→接第n根桩→锤击第n根桩、沉桩、送桩→收锤→检查验收→切割桩头→移至下一桩位。

1)定位放线。现场控制坐标点制作完毕并保证控制点在现场打桩施工时不受振动，确保控制点坐标的准确性。根据打桩路线，利用控制坐标将施工的桩位坐标点放样于施工场地，在每个桩位中心点上插入短钢筋定位，扎上红色塑料绳，再在钢筋入地点撒生石灰做标记，桩基施工顺序见图2。

表1 筒式柴油打桩锤参数

图2 桩基施工顺序由中部向边沿打设

在沉桩施工期间，对控制网点及水准点应定期复核和修正(7 d 1次)，以消除打桩振动及挤土效应对控制点位的影响。桩机移位后应尽快第二次复核，保证工程桩位偏差值＜10 mm。

2)吊桩及桩尖焊接。桩机移到指定桩位后，打桩前必须将桩台调平，确保机身稳固垂直。按桩身吊点位置固定吊索，稳当地起吊管桩，待桩吊离地面至垂直后，提升到足够高度，将桩头放入桩机桩帽内确保锤、帽、桩三心对正在一条垂线，帽与桩顶间确保有良好的接触。在吊桩就位对中后，用二个吊线锤检测桩身就位垂直度。桩的外边线应与经纬仪十字丝纵线或吊锤线重合，否则应调整到重合。

严格做到打桩锤(夹具中心)、桩帽、桩身中心线在同一铅垂线，防止偏打使桩倾斜与损坏。在沉桩至桩身被土嵌固前必须跟踪监测保持桩身垂直，严禁在桩节下端已入土嵌固状态下再度移动桩机或硬搬上桩端来校正桩的垂直，如发现已嵌固桩身不垂直，应拔起该桩后调整桩机并在桩侧面填木块(条)等纠偏。

桩靴分为三种类型:A开口平底式、B封底十字刀刃式、C闭口钝圆锥式，本工程选用C型桩靴施工，如图3所示。

图3 桩靴类型

3)沉桩及接桩。沉桩时要时刻校正桩身垂直度，边沉桩边校正，以保证桩身垂直度，桩垂直度偏差不得超过0.5%，避免由于桩身倾斜产生管桩损坏。设计有效桩长楼座下为35 m，车库区域有效桩长为27 m，故在施工时需要进行合理的配桩，并接桩。在第一节桩入土一定深度且桩身稳定后按正常锤击速度进行锤击沉桩，第一节桩身锤击至外露长度为50～1 200 mm时停止锤击。吊装第二节桩，在接桩前将上下两节桩端板上的泥土、油污、铁锈用钢丝刷清理干净，坡口处露出金属光泽。对接后若上、下桩接触面不密实，可用不超过5 mm的钢片嵌填，达到无缝为止并点焊牢固。固定定位钢板，焊接前随时校正桩身垂直度，上、下桩中心线偏差不大于5 mm，节点弯曲矢高不得大于桩身的0.1%。

焊条宜使用E43系列，焊接时应先在坡口周圈对称电焊4～6个焊点，待上下桩固定后再拆除固定板进行焊接，确保焊缝可靠，其结构如图4所示。焊接完毕后应自然冷却5～10 min后方可再锤击，严禁浇水冷却焊缝。

图4 坡口焊接结构

4)送桩。在桩基施工时施工作业面距设计基础底高程还有2 m的土层未开挖，故桩基施工时需要送桩。送桩使用钢管送桩器，长度一般比施工面至桩顶设计高程距离长500 mm左右。送桩时，管桩桩顶露出地面高度控制在300～500 mm，在管桩顶部放置保护桩顶的桩垫，一般为硬木制作。送桩必须连续施打至桩顶设计高程，中途不得中断。

5)截桩。在管桩施工完毕后，由于地质原因或配桩原因部分管桩桩身高于设计高程，对于高出设计高程的部分应进行切除。切除桩头前要在桩身上抄测出设计桩顶高程，切除桩头要用专用切割机切割，严禁在管桩未切断时使用大锤横向敲断或强行拉断。

所有桩头在施工完毕后要用沙袋盖住，防止土或杂物掉入管桩内。

3 施工关键控制技术

3.1 桩身垂直度控制及补桩方案

在施工过程中桩身垂直度控制十分重要，桩身不垂直容易导致施工中的断桩，接桩时无法将两节桩身有效紧密结合或成桩承载力下降。应在施工前、施工中、施工后跟踪检查桩位及桩身的垂直度，确保桩身的垂直。在第一节桩身刚入土时及时校正垂直度，在桩身进入硬土层后严禁移动桩架强行将桩身掰正。

由于场区内存在大量珊瑚岩礁盘，在锤击过程中桩身很容易碰到地下的岩石。岩石质地较坚硬与旁边的土质密度不同，桩身容易出现倾斜、跑位的现象。提出具体补桩原则如下:两桩承台沿短边平移超过150 mm或沿长边平移200 mm以上的桩;三桩承台沿短边平移超过150 mm;四桩承台的桩，由于每根桩均为角桩，偏移超过250 mm时;整体桩筏中的桩，偏移250 mm以上的边桩和偏移超过350 mm的中桩均需补桩。桩倾斜超过0.5%的须补桩，断桩须补桩。

在施工中具体操作如下:

对于刚刚施打，桩身入土深度未超过桩长1/3的斜桩，使用吊车将桩身拔出，检查桩身的完整性。如桩身完好无损(桩身未出现裂纹或断裂现象)，则将桩再次置于原位，在桩身与土体的空隙放置木桩固定桩身的垂直度，轻捶慢打，边锤击边校核垂直度，将桩身一点一点锤入土中，待桩头穿过地下的岩石或礁盘再进行正常的锤击施工。

入土超过桩身长度1/3或无法拔出的桩位，无法在原桩位继续进行施打，需要设计对桩承台受力重新进行计算后，在承台的其他位置进行补桩处理。

3.2 桩承载力控制

桩身承载力直接影响到主体结构质量及安全，对于桩身的承载力使用桩身设计有效长度和锤击贯入度进行双控，主要操作如下:

当桩端位于一般土层时，应以控制桩端设计高程为主，贯入度为辅，在达到设计有效桩长后停止锤击，需经静载试验检测合格。以A26地块第251#桩位为例，桩身达到设计要求的有效桩长，但是贯入度仍然很大，最后3阵贯入度达到4 cm左右，经静载试验检测，桩身达到4 000 kN承载力，桩位合格。

当桩端达到坚硬、硬塑的黏性土、中密以上粉土、砂土、碎石类土及风化岩、珊瑚岩礁盘时，桩身长度还未达到设计有效桩长，但桩身已经明显无法再向下锤击，此时应以贯入度控制为主，桩端高程为辅。沿海珊瑚岩地层预应力管桩现场实际操作时，多数桩位遇到此种情况。在锤击中密切注意锤击深度，以1000 mm高度为标准，每10击为1阵，检测时连续3阵贯入度≤2.5～3.0 cm时，认为达到承载力标准，可以停锤。施工完毕后通过静载试验(500 t强压)和低应变检测桩身承载力，如图5所示。经检验桩身完整度全部达到Ⅱ类桩以上，经抽检全部合格。

图5 静载试验

3.3 珊瑚礁盘部位引孔技术

根据现场沿海地区实际情况及《三亚鹿回头小东海A26，A26-1，A27，A27-1地块项目岩土工程勘察报告》，现场土质为含珊瑚岩碎石深厚软弱土层，土层中50%以上地区都存在珊瑚岩礁盘，在桩基施工过程中极易发生斜桩、断桩、无法沉桩的现象。使用φ500长螺旋钻机进行引孔作业，将桩位放样于基础操作面上，根据地质情况及地勘报告，在有珊瑚岩的地区先使用钻机在桩位上钻孔5～6 m，将表层珊瑚岩进行破碎、钻孔，然后再进行吊桩、沉桩施工。此方法有效地预防了桩在入土初期的偏位及断桩的情况，大大节省了施工时间。

4 珊瑚岩施工质量通病及工程对策

4.1 桩顶位移或上升涌起

桩入土后，遇到大块孤石或坚硬障碍物，把桩尖挤向一侧。施工前用钎或洛阳铲探明地下障碍物，较浅的挖除，深的用长螺旋钻机钻透或破碎。

桩身不正直，多节桩施工，相接的两节桩不在同一轴线上，造成歪斜。施工时检查桩身垂直度，对于桩身不正直的不能使用。

桩打不下或是桩向一侧挤压造成位移和涌起。研究结果是打桩顺序不对，或是桩位排得太紧密造成的。施工时应采用“插桩法”，减少土的挤密及孔隙水压力的上升。

当桩数过多，土体饱和密实，桩间距较小时，在沉桩时土被挤过密而向上隆起，有时使相邻的桩一起涌起。施工中位移过大，应拔除，移位再打;位移不大，可用木架顶正，再慢锤打入，障碍物不深，可挖去回填后再打;浮起量大的桩应重新打入。

4.2 桩头被击碎

桩身在沉桩过程中碰到坚硬的岩石或珊瑚礁盘，极易造成顶部破裂，应进行引孔施工，钻透或破碎岩石，使桩身通过。

设计桩顶的混凝土强度等级不够，预制桩时混凝土配合比不准确，振捣不密实，养护不良，应加强桩身混凝土质量控制。

施工机具不当，桩锤选用过大或过小，锤击次数过多;桩顶与桩帽接触不密实，应合理选用施工机械，根据现场实际情况施工。

另外，沉桩时未加缓冲桩或桩垫不合，落锤太高等原因造成。

4.3 桩急剧下沉

桩身断裂、遇到地下空洞导致桩身急剧下沉。遇水洞或淤泥层，应试探该地质区域有多大，区域不大时和设计沟通在周围进行补桩。桩身断裂应查明桩是否达到设计强度，桩身是否有缺陷。

5 结语

针对沿海地区珊瑚岩地层典型工程力学特性，分析该地层与高强预应力管桩相互作用机理，在此基础上提出全过程控制技术和补桩方案，确保桩身的垂直度和承载力。对珊瑚岩施工质量通病进行分类，提出实用的工程对策，总结出一套沿海地区珊瑚岩地层高强预应力管桩关键施工技术。施工完毕后通过500 t强压静载试验和低应变检测桩身承载力、桩身完整度全部达到Ⅱ类桩以上，验证了施工技术的合理性。研究成果有效地指导了三亚鹿回头小东海工程顺利进行，也可为今后沿海地区类似珊瑚岩地层预应力管桩施工提供参考。

［1］ 江西地质工程勘察院海南分院．三亚鹿回头小东海A26，A26-1，A27，A27-1地块项目岩土工程勘察报告［R］．海南:江西地质工程勘察院海南分院，2008．

［2］ 宋维金．静压预应力管桩挤土效应试验［J］．铁道建筑，2011(5):96-99．

［3］ 周健，陈小亮，周凯敏，等．静压开口管桩沉桩过程模型试验及数值模拟［J］．岩石力学与工程学报，2010，29(增2):3839-3846．

［4］ 梁文成．苏丹红海沿岸珊瑚岩土层地基承载力探讨［J］．港工技术，2010，47(3):52-53．

［5］ 韦蔓新，赖廷和．涠洲岛水域生物理化环境特征及其相互关系［J］．海洋科学，2003，27(2):67-71．

［6］ 冯小刚．预应力管桩在复合地基工程中的应用［J］．铁道建筑，2010(9):78-80．

［7］ 陈尚勇．管桩桩筏基础在宿州站地基处理中的应用［J］．铁道建筑，2009(7):108-111．

［8］ 张国华，陈礼彪，钱师雄，等．大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析［J］．岩土力学，2010(2):489-496．

［9］ 邓德义．灰土挤密桩在湿陷性黄土地基处理中的应用［J］．铁道建筑，2011(10):78-80．

［10］ 徐至钧，李智宇，张亦农．预应力混凝土管桩设计施工及应用实例［M］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

［11］ 中华人民共和国建设部．JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2008．

［12］ 中华人民共和国建设部．GB 50202—2002 建筑地基基础工程施工质量验收规范［S］．北京:中国计划出版社，2002．