微型钢管桩在运行变电站地基基础加固中的应用

周元强，汤 昊，王 磊，姚 刚

(1.江苏省电力设计院，江苏 南京 211102；2.江苏省电力公司扬州供电公司，江苏 扬州 225009)

江苏的沿海地区属于滨海相海积冲积平原地貌单元，土层中含有较厚的软土，具有高压缩性、低强度、低透水性、触变性等特性，工程性状较差。建造于软土地基上的变电站，往往对一些主要构建筑物采用人工地基，而对次要构筑物使用天然地基浅基础。构筑物基础在覆土和设备自重的作用下，会产生较大的沉降差。

苏州某变电站于2003年建成投运，运行后出现大面积地面沉降和甚为严重的基础不均匀沉降，造成设备支架倾斜、导线绷直(图1)，严重影响了设备的安全运行。原设计单位在2004年12月1日～2010年4月19日间，对基础沉降进行了多次测量，最大沉降达420mm。

目前变电站沉降虽渐趋缓定，但地面沉降仍会继续，急需采取有效控制、补救措施。

1 工程地质条件与工程特点

1.1 工程地质条件

站址地基土30m深度范围内自上而下的基本层序为：层(0)填土；层(1)原地表耕土；层(2)粉质粘土；层(3)淤泥质土；层(4)粉质粘土；层(5)粉土或粉砂。勘测期间地下水位埋深为0.5m左右。该区地震动峰值加速度为0.05g，反应谱特征周期为0.35s，场地地基土不考虑地震液化。

地质柱状图、平均层厚及微型钢管混凝土桩入土深度见表1。

表1 地质柱状图及钢管桩入土深度

1.2 工程特点

由于当地供电形势严峻，没有停电施工的可能，需要在运行变电站内实施作业。同时，变电站内的设备布置密集，给施工带来困难。本工程特点及施工难点如下：

(1)对安全的要求极高

变电站内设备密集，所有的加固项目必须在不停电的情况下组织施工。业主规定施工操作高度不得超过2.2 m。在“一高(高电压)一低(低空间)”的环境下必须做到“双满足”，既满足变电站运行安全，又满足现场施工安全。

(2)基础类型多种多样

加固、顶升、纠偏的施工方案必须随现场条件的不同而千变万化，需要施工单位不但要求具有综合施工能力，更要求具备设计施工一体化能力，对于现场变化能提出合理可行、因地制宜的变更方案，方便协调，利于工程有序开展。

(3)岗前培训必不可少

施工技术人员需要进行特殊培训，在运行的高电压设备下进行打桩施工，安全风险大，因此，必须对上岗工人进行严格的岗前安全及技术培训。

(4)土建电气密切配合

施工中部分因素难以预计，土建施工必须与电气运行人员密切配合，除确保施工安全外，还应确保加固、整修结果能达到运行的要求。

2 地基基础加固方案

既有建构筑物地基基础加固技术，根据加固原理、时间、性质，通常分为注浆托换、桩式托换及基础托换等。其中桩式托换法，概念清晰、传力明确，安全可靠，控制沉降效果明显。主要形式有：锚杆静压桩法、坑式静压法、预压桩法、树根桩法等[1]。针对站内基础沉降情况，结合运行变电站内的现场作业条件，通过方案比选，选用打入式微型钢管桩加固方案。考虑到运行变电站的供电安全，现有的加固方法和机械设备往往不能适应高压带电场区作业的技术要求。为解决运行变电站内地基基础加固的施工难题，工程项目组自行研制小型桩机[2]，在基础旁打设微型钢管混凝土桩，通过化学植筋及钢板连接件与钢管桩连接(图1)，实现天然地基地基的加固和顶升、纠偏。

微型钢管混凝土桩的钢管直径为Ф152mm，壁厚4.5mm，用于加固地基的桩长22m，用于基础顶升纠偏的桩长25m，管内分别灌注C30混凝土。

图1 钢管桩与基础的连接示意图

3 沉桩施工流程与方法

本工程的施工内容包括地基加固、基础纠偏与顶升等几个方面，它们都依靠微型钢管混凝土桩来实现。微型钢管混凝土桩以层(4)可塑～硬塑的粘性土为持力层，进入持力层的深度约2.0m～2.5m。

正如前述，施工的主要难点是要在2.2m限高条件下实施所有作业，其关键点就是沉桩设备。本工程的沉桩设备没有现成的产品，必须自行研制。研制的内容不仅仅是机械制造问题，应还包含了以下四个重点：沉桩工艺参数、设备制作、沉桩工艺方法以及质量控制。

3.1 沉桩工艺参数

3.1.1 估算单桩沉桩动阻力

按照长三角工程地质条件与工程经验公式估算单桩沉桩动阻力：

式中：Lfi为动侧阻力集中区域，为桩端以上8倍桩径(即1.2m)；Pdk为动端阻力。层⑷粘性土取3000kPa；qdk为动侧摩阻力。取160kPa；K为闭口桩阻力系数，取1.3。

将桩的动阻力与估算而得的静极限阻力(300kN)进行比较可得190/300=0.63，与本地区工程实测数据范围(0.6～0.75)比较吻合。

3.1.2 锤击沉桩工艺与参数

本工程场地地质条件属于软弱土类型，桩体长径比L/d＝22/0.152＝145，属于超长型，桩距一般为1.0m， 距径比S/d大于6， 最大排土率小于2%，属于疏桩型。所以，本工程的桩属于在软弱土体内锤击小直径、超长型的疏桩，宜采用低落距、重锤轻击工艺。

钢管桩锤击沉桩，锤重在有效落距为1.0～1.5m时取桩体自重的1.0～2.0倍(落距大取低值)。本工程φ152×4.5钢管桩的桩体自重为360kg，落距在1.0～1.5m时，锤重应控制在4～7.2kN之间。考虑到2.2m限高要求以及重锤、低距、轻击的原则，落距宜按0.5m考虑。根据锤的冲击力应大于沉桩阻力的基本要求，使锤的冲击力Pd应满足下式要求：

式中：λ为冲击系数，与桩锤及桩垫材质有关，一般取50；W为锤重；H为落距。

由上式演变为

因此必须使锤重W ≥7.5kN。

对于小直径(d＜600mm)、壁厚大于0.02d的钢管，当最大锤击应力小于钢材强度设计值时，可不进行局部压曲验算。Q235φ152×4.5钢管能承受的最大锤击应力σ =190/(π×0.0762－π×0.07152)=91.1kPa＜210 kPa，能够满足要求。

由以上计算分析，最后确定锤击沉桩工艺与参数为：锤重为750kg的自由落锤锤击方法，0.5m左右的低落距的锤击工艺。

3.2 设备制作

新研制的沉桩设备必须具备下列基本功能。

(1)限高2.2m：包括设备总高度以及行为的最高触及高度。

(2)单件轻便、方便装拆：由于净空受限，无法采用大型起重设备或机械移动装置，沉桩设备必须能方便地装拆，分解后的单件重量较轻，适合人力搬迁。

(3)能适应小空间：由于变电站内的基础布置十分紧密，施工空间狭小，沉桩设备必须能适应小空间作业。

(4)能进行多项作业：能够满足挂卸锤、自由下落、焊接、调整垂直度等多项作业的需要。

3.3 沉桩工艺

3.3.1 准备工作

准备工作包括熟悉设计图纸、测量放线、基础与施工场地净空量测、沉桩顺序安排等。除了测量放线与施工场地净空量测是特殊内容外，其他准备工作与常规施工相同。

3.3.2 测量放线与基础边沿暴露

微型钢管混凝土桩的桩位必须紧靠基础边缘，以便沉桩后与基础的连接。为了准确测放桩位，需要将基础边沿轮廓暴露出来。对于需要顶升或纠偏的基础，需根据基础顶面埋置深度采取挖除顶面土方或局部挖坑方式。

3.3.3 施工场地净空量测

需要把每一个进行加固、顶升与纠偏基础上面的设备情况、设备之间净空详细调查量测，为安排沉桩顺序和沉桩设备布置方式提供依据。

3.3.4 钢管制作

钢管材质为Q235B，φ152焊接钢管，壁厚4.5mm，单根采购长度6.0m。进场复检合格后，采用砂轮切割机切割成1.5m与1.0m两种长度规格，1.5m用于软土段内，1.0m用于持力层与表层穿越硬壳层。切口要平直，去除毛刺。钢管的下端磨成坡口。

为保证钢管内可灌入混凝土，本工程采用闭口钢桩尖。

3.3.5 分段沉桩与焊接

(1)分段原则：每桩开始的4.0m范围是穿过填土与硬壳层的一段，采用单节1.0m钢管，用大落距重击。在淤泥质土中采用单节1.5m钢管，小落距轻击，最后4.0m范围内采用单节1.0m钢管，大落距重击，使桩端进入持力层的深度满足设计需要。

(2)桩节限位：将首段钢管沿基础边缘桩位处插入土层。沉桩机机架底板处设置护管装置，可有效地限制钢管下端位置，不因遇到地下障碍物而偏移。钢管顶端卡在桩垫的凹槽内，桩垫沿锤架立柱上下垂直移动，桩垫的凹槽与底盘护管位于同一条垂直中心线上，保证了钢管桩的垂直度。

(3)锤击沉桩：首节桩与每节桩焊接后的起始若干锤都应采用小落距轻击，待沉入0.3m以后，再增大落距。根据沉桩贯入度随时调整落距和锤击节奏，保证均匀有节奏地沉桩。

(4)焊接：沉入土中的桩顶高出底盘护管0.2m～0.3m时，应采用小落距轻击，以控制钢管的顶面在护盘面以上50mm～100mm，便于焊接作业。钢管焊接采用对称连续焊接，要求焊缝饱满，符合焊接抗拉强度标准及焊缝的密闭性，能阻挡地下水渗入钢管内。焊接在坑内实施。

3.3.6 管内灌注混凝土

管内灌注C30混凝土的作业分段完成。因每次灌注的混凝土量很小，只能采用人工拌制。通常在沉入土中的桩段长度累计达2m～4m时进行混凝土浇筑作业。浇筑后的混凝土振捣依靠后续锤击沉桩时的振动力予以振密。最后一段的混凝土则用微型振动棒插入管内振捣密实。

3.3.7 管桩与基础连接锚固

管桩与基础锚固连接的施工工艺流程如下：

植筋分为划线定位、钻孔、清孔、注胶、植筋、固化与质量检测等过程。

划线定位：应根据构件植筋部位放线定位，用钢筋探测仪探测钻孔处有无钢筋，若有钢筋应适当调整钻孔位置。

钻孔：在钻孔过程中，当遇到钢筋或预埋件时应立即停钻，并适当调整钻孔位置。钻孔直径＝锚栓直径d＋4mm(锚栓直径小于20mm)、植筋锚固长度15d。

清孔：将硬毛刷插入孔中，往返旋转清刷3次，用工业酒精棉棒将孔壁及孔底的剩余粉末清除干净。同时将钢筋上的锈迹刷除，钢筋(植入孔内部分)上的油污擦拭干净。

灌注胶粘剂：使用专门灌注器进行灌注植筋胶，边灌注边排空气。灌注量为孔深的2/3，保证在植入钢筋后有少许胶粘剂溢出。

植筋：注入胶粘剂后，应立即将锚栓边单向旋转边插入孔内，并尽量使锚栓与孔壁间的间隙均匀，直至达到规定的深度。

静置固化：胶黏剂完全固化前，不得触动或振动已植入的锚栓，以免影响其粘结效果。

用于加固地基的锚固板用4M16高强螺栓固定(图9)，用于基础顶升纠偏的锚固板用6M16高强螺栓固定。

与微型钢管混凝土桩连接的牛腿钢板厚度也各不相同。用于加固地基的锚固板用12mm厚，用于基础顶升纠偏的锚固板用20mm厚。

3.4 质量控制

3.4.1 材料控制

钢管、电焊条、砂、石、水泥应有出场合格证与质保书。钢管应进行焊接抗拉强度试验，砂、石、水泥等均应抽样检验。自拌的混凝土每根桩制作三组混凝土试块。

3.4.2 停锤标准

微型钢管桩沉桩的停锤标准以桩端设计标高控制为主，最后贯入度作为参考。当沉桩过程中出现下列异常情况时，应立即会同有关方研究处理：①进入持力层后，与设计深度相差较远，连续三阵每阵十锤的贯入度小于3～4cm/击；②总锤击数达到200锤以上，最后1m的锤击数大于20锤以上。

3.4.3 焊接检查

每个接头焊接完毕，及时进行检查验收。如有疑问，可以在现场截取焊接试样进行抗拉强度试验，如对整个桩的焊接质量有怀疑，可以进行整根桩的抗拔试验。

3.4.4 承载力与桩身质量检查

采用静载荷试验检测单桩极限承载能力，对所有完成的微型钢管混凝土桩，按桩数的30%进行低应变动力测试，以检验桩身质量。

植筋进行锚固承载力的现场抽样分批检验，每批随机抽检3件。

3.4.5 合理安排沉桩顺序和控制沉桩速率

闭口的微型钢管混凝土桩属于挤土桩，虽因距径比大于6，沉桩挤土率仅在2%以内，挤土效应不很明显。但对深厚的淤泥质土地基来说，容易受到沉桩的扰动，孔隙水压力消散较慢，所以还应注意沉桩挤土效应。

缓减挤土效应的主要途径是要减小孔隙水压力。主要措施是控制沉桩速率、合理安排沉桩顺序、设置消散压力的应力释放孔或排水孔等。由于本工程加固桩属于疏桩基础，受施工净空影响，每根桩的接头很多，施工效率很低，因此每天的沉桩速率慢。每套22m的微型钢管混凝土桩的沉桩历时约为4h，每台班(工作8h)沉桩仅2套。所以沉桩引起的孔隙水压力不会很大，挤土效应也就不是很明显。

对于基础密集区域，尽量安排好沉桩流程，先密集区域然后稀疏区域，对于密集区域从内向外扩展。流程安排还要结合机械设备搬迁的实际状况，做到统筹兼顾。

3.4.6 施工监测

防止挤土效应影响的另一个途径就是加强施工监测，做到动态信息化施工。

由于本工程的理论挤土率不高，且沉桩速率也不快，所以沉桩施工监测项目主要以沉桩部位周边的设备基础的竖向沉降与水平位移为主，同时监测已经沉下去的相邻桩的位移情况。

根据位移与沉降监测结果初步判定沉桩挤土效应的严重程度不很大。

4 顶升纠偏施工方法

顶升与纠偏都是用已沉入土中的微型钢管混凝土桩来提供反力。原定仅作地基加固的微型钢管混凝土桩是22m，它的反力只有220kN，而场地中多数基础的垫层厚度达700mm，需要顶升反力达250kN以上，因此必须加长微型钢管混凝土桩的长度，来获得足够的反力。

顶升纠偏的施工工艺流程为：

顶升纠偏的施工方法如下：

(1)在微型钢管混凝土桩顶上放一块钢垫板，将起重量为500kN的千斤顶平稳地置于其上。

(2)将自制的专用顶升纠偏装置安装到牛腿和千斤顶上，收紧螺杆使千斤顶抵住顶升纠偏装置的受力钢板，螺杆下部构件勾住两块牛腿钢板(图2)。

(3)开始顶升时应缓慢加力，此时主要是克服基底与地基土的吸附粘结力，直到基底完全脱离地基。此过程中应监控千斤顶的压力值，力求千斤顶压力均匀，防止超过微型钢管混凝土桩的承载力。

(4)当所顶升的基础同时需要纠偏调平。在基础与地基完全脱离后即将进入顶升状态时，先进行基础的纠偏调平，要求各支撑点根据计算的顶升量采用定向微量差动方法实现纠偏调平，即按照每步发力顶升3～5mm的微量，先短边，后长边的原则逐一调整，直至达到纠偏调平的目标。

(5)过程监控

顶升纠偏的另一个重要环节就是过程监控。监控内容包括微型钢管混凝土桩沉降、基础平面顶升量与水平位移、千斤顶压力值等。

(6)基础落实处理

当基础顶升纠偏到位后，将微型钢管混凝土桩焊接到基础侧面的钢牛腿上。至此，基础已牢固地连接到微型钢管混凝土桩上。拆除顶升纠偏装置和千斤顶，浇筑混凝土保护墩进行养护，最后覆土回填。

5 结语

(1)微型钢管桩在运行变电站中进行地基加固与基础顶升、纠偏获得成功。这是继连云港云台变电站地基加固处理的又一个成功实例，为后续类似工程积累了成功经验。

(2)沉桩设备轻巧可拆、便于搬迁，满足运行变电站中限高空间的作业要求。

(3)建构筑物地基基础的加固、纠偏施工应严格控制每一道工序，加强质量控制和施工监测，确保工程顺利完成。

[1]林宗元.简明岩土工程勘察设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]杨敏.微型钢管桩施加预应力加固沉降基础的试验研究[J].建筑技术，2008，39(6).

[3]张雁，刘金波.桩基手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].