锚杆静压钢管混凝土桩在建筑沉降加固中的应用

中国五冶集团有限公司 上海 201900

1 背景介绍

1.1 工程概况

海峡大桥二线通道工程是福建平潭综合实验区面向内地的陆路门户节点和桥头堡。项目总占地面积约157 000 m2，由出入区服务楼、连廊及卡口、监管仓库和司机休息室、室外工程组成。工程重点部分为出入区服务楼和连廊，建筑面积约16 000 m2，出区服务楼与入区服务楼分别坐落在金井湾大道两侧，通过横跨金井湾大道的1#连廊连接，象征着台湾与大陆“手牵手、心连心”，其建设进展备受社会各界关注。其出入区服务楼为4层建筑，建筑高度均为20.85 m；1#连廊为2层建筑，长度92 m，1层为进出通道，2层为人行通道（图1）。

图1 海峡大桥二线通道工程鸟瞰

1.2 结构概况

已建入区服务楼主体为地上4层，地下1层，现浇混凝土框架结构，建筑高度为20.85 m，总占地面积约2 733 m2，是多层办公建筑。其±0.00 m相当于绝对高程+10.70 m，室外地坪绝对高程为+10.25 m。建筑物采用筏板基础，筏板顶高程为+6.20 m，筏板厚1 000 mm，筏板底绝对高程为+5.20 m，筏板下设置厚200 mm的C20（内加防腐剂）混凝土垫层，筏板上部为厚300 mm的C20细石混凝土。

1.3 建筑沉降

入区服务楼于2014年9月20日基础验收合格，2013年11月1日主体验收合格，随后进入装饰装修作业，至2014年3月31日入区服务楼施工完毕并交付使用。

入区服务楼自2015年4月1日开始进行基础加固的施工，至2015年6月15日钢管混凝土桩压桩完毕，从监测数据可以发现，经基础加固后的建筑物沉降已得到明显控制。

1.4 地质情况

拟加固处理建筑物为平潭综合实验区海峡大桥二线通道工程的入区服务楼，位于平潭县北厝镇娘宫村。场地北侧为山坡地，南侧邻海（部分为滩涂地），西侧接平潭海峡大桥。原始地貌为海滩冲淤积，现场地土层的表层为新近吹填砂，厚度为6.46～7.45 m，堆填时间小于1 a，故土质较松散，尚未固结完成。吹填砂下卧淤泥质土，厚度为11.10～15.70 m。原建筑物软基处理采用CFG桩，桩距1.60 m、桩径50 mm，呈正三角形布置。场地先排水后铺填厚500 mm碎石垫层作褥垫层，垫层上下各铺设1层双向玻纤格栅。建筑周边场地同样采用CFG桩作软基处理，桩距1.80 m、桩径500 mm，呈正三角形布置[1-2]。

2 方案选择和实施

2.1 方案选择

入区服务楼为筏板基础，梁底净高为3.40 m，同时地下室梁底分布着消防管道、通风管道以及电缆桥架，地下室有效的工作空间仅为3 m。目前该工程已交付使用，为消除不必要的社会影响及不影响国建及海关单位的正常运行使用，必须选择适用于淤泥质土及狭小空间且施工时无振动、噪声小、无污染的加固方式。

锚杆静压桩适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土和人工填土等地基土的基础加固工程。锚杆静压桩利用建筑物自重作为压桩反力，无需使用大型压桩机械，压桩反力架及桩段长度均可以随工作面高度而定。其施工机具轻巧，操作简便，施工时无振动、无污染、噪声小。另外相对其他基础加固方法，如：旋喷桩法、灌注桩法、树根桩法、注浆法等在加固引孔过程中都会将地基的土体进行破坏，减弱地基承载力，且经较长固化时间才能形成强度，引起施工拖带沉降。而锚杆静压桩法属于挤压桩，在压桩过程中，对周围土体产生挤密作用，能增加地基承载力，同时锚杆静压钢管桩封桩钢筋施工完成后即形成作用，迅速制止建筑物沉降。

虽然钢管混凝土桩的钢管直径和壁厚比钢管桩有所减小，但钢管混凝土桩桩芯混凝土增强了钢管的稳定性，同时钢管壁对桩芯混凝土产生约束作用，使桩芯混凝土处于三向受压状态，提高了桩芯混凝土的抗压强度，因此提高了桩的承载力，减少了施工成本。钢筋混凝土预制桩的配筋是根据搬运、吊装和压桩时的应力设计的，远超过正常工作荷载的要求，用钢量大。钢筋混凝土预制桩质量约为钢管的2倍，在地下室运输、接桩极不方便。综上所述，锚杆静压钢管混凝土桩是入区服务楼加固的最佳选择。

2.2 方案实施

主要施工工序为：测量、放线→钻机钻穿筏板成孔→引孔至淤泥层→锚杆植筋施工→利用锚杆静压法压入钢管桩→钢管桩内侧浇筑C40混凝土→锚杆孔清理，焊接封桩钢筋→封桩→养护。

2.2.1 钻机成孔

采用φ325 mm钻头取芯成孔，孔垂直度偏差≤0.20%，孔径不得小于400 mm。取芯引孔至褥垫层下500 mm处，可探明桩孔是否与CFG桩相碰，若有相碰应进行移孔、重钻；若与CFG桩不相碰，则采用φ273 mm泥浆护壁引孔至进入淤泥质土层2 m。

2.2.2 引孔施工

为防止穿越褥垫层和回填中砂层时坍孔，在引孔前先进行注浆，注浆24 h后开始引孔。采用φ273 mm钻头引孔至进入淤泥质土层2 m。

2.2.3 锚杆植筋施工

1） 弹线定位。根据变更设计图纸的钢筋数量及位置，标注出植筋位置。经质检部门验收，位置符合设计要求后才可以钻孔。

2） 钻孔。用冲击钻钻孔，钢筋φ28 mm，钻头选用φ40 mm的合金钻头。钻孔深度取800 mm，钻头始终与筏板保持垂直。

3） 洗孔。洗孔是植筋中最重要的一个环节，因为孔钻完后内部会有很多灰粉、灰渣，直接影响植筋的质量，所以一定要把孔内杂物清理干净。方法是：用不掉毛的毛刷，套上加长棒，伸至孔底，来回反复抽动，把灰尘和碎渣带出，再用空压机吹出浮尘。吹完后再用脱脂棉蘸酒精或丙酮擦洗孔壁，但不能用水擦洗，因为用酒精或丙酮容易挥发，水不易挥发，再者用水后孔内不会很快干燥。洗孔完成后需要经质检部门验收，再进行自检，合格后报监理验收，验收合格后方可注胶。

4）钢筋处理。钢筋锚固部分要清除表面锈迹及其他污物，采用角向磨光机配钢丝刷除锈，打磨至露出金属光泽为止，若钢筋锈蚀严重，则要用稀盐酸浸泡除锈10～15 min后，用石灰水中和，再用清水冲洗擦干后方可使用。

5）注胶。注胶要从孔底开始，这样可以排出孔内的空气，为了使钢筋植入后孔内胶液饱满，又不能使胶液外流，孔内注胶应达到孔深的1/3。

6）植筋。先将配制好的结构胶注入孔内，并将结构胶涂于钢筋锚固端（宜2～3 mm），然后缓慢将钢筋插入孔内，同时要求钢筋旋转，使结构胶从孔口溢出，排出孔内空气，钢筋外露300 mm。

7）养护。植筋施工完毕后注意保护，24 h之内严禁有任何扰动，以保证结构胶的正常固化。

8）检测试验。在植筋前，要对所用钢筋及植筋胶进行现场拉拔试验，以确定钢筋及植筋胶是否符合设计要求。

2.2.4 桩段制作、连接

桩段采用焊接连接。焊接前应再次检查接头部位处理情况及上下节桩是否在同一轴线上、是否垂直，符合要求方可施焊；焊接时2名焊工在桩两侧同时施焊，以保证对称受力，减小变形；焊接后应检查焊接质量，若有漏焊或焊缝高度不够，应及时补焊[3-5]。

2.2.5 钢管混凝土桩桩尖制作

为了避免桩头在压桩过程中发生变形或开裂，导致管内进水进泥，桩头处需进行加强处理（图2）。

图2 钢管混凝土桩桩尖构造

2.2.6 压桩施工

2014年11月，习近平在全军政治工作会议上发表重要讲话，提出“要提高政治工作信息化、法治化、科学化水平”［8］，也为思想政治工作的改革指明了前进的方向。

压桩反力架安装要保持垂直，应均衡拧紧锚固螺栓、螺帽，在压桩过程中应随时拧紧松动的螺帽；在锚杆受力较大时应使用多个螺帽叠加使用。桩段在压入时的垂直度极为重要，因此除了在初始就位时校核垂直度以外，还应在压桩时进行全程连续控制，每节桩的垂直度应控制在1/1 000以内；同时应保持千斤顶与桩段轴线在同一垂直线上，千斤顶施加的压力中心与截面形心重合，千斤顶安放偏差不大于2 mm。

室内钢管混凝土桩不应同时集中在一处施工，多台设备同时施工时，同一轴线上不应超过2根桩。

压桩应连续进行，尽量减少接桩时间，中途不得长时间停顿，以免土体固结、超静水压力消散，引起摩阻力剧增。如必须中途停顿时，桩尖应停留在软土层中，且停留时间不宜超过24 h。如遇到压力急剧地增加，则可能遇碎石障碍物或压入较硬土层，这时液压系统可采用“稍压入→持荷→再压入→再持荷”的方式，直至达到设计深度或承载力。

压桩过程应做好记录，以终压力控制为主，桩长进入持力层深度作为参考。

2.2.7 桩芯混凝土施工

桩芯混凝土的水胶比应控制在0.45及以下。钢管内混凝土的浇筑工作宜连续进行，若间歇时，时间不应超过混凝土的终凝时间。

2.2.8 封桩工艺

封桩施工是压桩过程中的关键环节。桩和混凝土底板能否连接牢固，承载力是否达到要求，连接节点形式是否合理，都是封桩后桩能否发挥作用的关键。

封桩前，桩顶应按设计和规范要求截断至设计标高：钢管桩段采用氧割进行切断；钢管桩内用C40混凝土填充；为加强桩和混凝土底板的连接，应将地下室筏板钢筋相互连接，以便形成封桩桩帽；清理桩孔内的渣滓及水。

封桩采用C40微膨胀混凝土，注意振捣密实，加强养护。待全部桩压完，桩头密封结束，做最后验收。

2.3 存在的问题及改进方式

2.3.1 筏板取孔施工困难

筏板引孔要求φ325 mm，筏板厚度1 000 mm，下设厚200 mm的C20垫层，上设厚300 mm的C20细石混凝土，筏板总厚度达到1 500 mm，φ325 mm钻头钻机取芯困难，钻头磨损严重。而采用风镐破除，需要较大工作面，取孔直径达到500 mm，且进度缓慢。

改进方式：采用φ180 mm钻头，沿钻孔周长方向分6次取芯成孔。

2.3.2 地下室净空不足

地下室梁下净空仅3.40 m，梁下分布着消防管道、通风管道以及电缆桥架，实际利用空间仅3 m，施工操作困难。

改进方式：根据地下室实际工作面加工高度3 m的压桩反力架，每段钢管桩均加工为2 m。

2.3.3 回填区域钢管桩压入困难

压桩过程中所有钢管桩需穿透褥垫层及回填中砂层，局部区域含回填块石，钢管桩遇阻力无法压入。

改进方式：在压桩前采用φ89 mm钻头引孔至淤泥层2 m，并注入水泥浆，注浆24 h后用φ273 mm钻头引孔至淤泥层面。

2.3.4 桩长过大，难以保证成桩质量

钢管桩长度约为35 m，上部9 m处需放设钢筋笼，混凝土一次性连续浇筑，混凝土自由倾落高度太高会造成混凝土离析，无法保证成桩质量。

改进方式：每压入1～2段（2～4 m）钢管桩即开始浇筑桩芯混凝土，并振捣密实，下段钢管桩浇筑时，振动棒需插入上段浇筑的钢管桩500 mm，相邻2段钢管桩桩芯混凝土浇筑的间隔时间不得大于混凝土初凝时间。待上部9 m处的钢管桩全部压入后，再放入钢筋笼，沿钢管桩内壁侧浇筑混凝土，振动棒随着混凝土的浇筑慢慢提升，保证桩芯混凝土振捣密实[6-7]。

3 结语

目前入区服务楼的沉降已得到有效控制。从开始加固施工至钢管混凝土桩形成作用仅仅花了75 d。锚杆静压钢管混凝土桩能适用入区服务楼狭小的施工空间及特殊地质条件的建筑物沉降的基础加固工程。另钢管混凝土桩与承载力相当的钢管桩相比，钢管用量明显减少。因此使用锚杆静压钢管混凝土桩，不但能迅速制止建筑物沉降，不产生拖带沉降，施工工期短，而且加固费用低廉，施工操作简单，加固安全可靠，值得大范围推广应用。