锤击法施工预应力管桩对周边建筑物的影响及处理.doc

锤击法施工预应力管桩对周边建筑物的影响及处理摘 要：锤击法施工预应力管桩，其振动、挤土作用对周边建筑物的安全影响大，存在较大的安全隐患。该文通过工程施工实例，介绍了减轻管桩振动、挤土对周边建筑物影响的措施，从而保证了周边建筑物的安全。这些措施为类似工程提供借鉴。 关键词：管桩施工；振动挤土；周边建筑安全；技术措施；瓯海大道快速路；温州 0 前言 由于通常能够很好地满足工程结构对承载力和变形的要求，桩基在各类建设工程中得到了广泛的应用。目前工程中应用最多的是钢筋混凝土桩(分预制桩、灌注桩两大类)，少数工程因特殊原因而采用了钢桩(属预制桩)。桩的施工技术主要有：锤击法、振动法、静压法、成孔灌注法等。由于钻孔灌注桩等施工周期较长，施工现场泥浆多，桩身、桩端混凝土浇筑质量不易控制，单方混凝土提供的承载力较低，预制桩(实心方桩、高强预应力管桩等)一般会被设计人员当成首选方案加以论证。 预应力管桩具有以下优点： (1) 质量稳定可靠。预应力管桩是由专业厂家生产，采用先进工艺，将混凝土经离心脱水密实成型，经过常压、高压两次蒸汽养护而制成的一种细长空心等截面预制混凝土构件。在专业工厂的流水线上预制生产，施工质量能够得到严格控制，产品质量稳定可靠。 (2) 应用范围广，工程适应性强。预应力管桩有不同的规格、长度可供选择，适用范围广泛，对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强。同时，桩身抗裂性能好，耐锤击，土层穿透力强，可采用不同的沉桩工艺(锤击法、静压法等)进行施工。 (3) 抗弯、抗拉性能好。由于预应力管桩桩身混凝土强度高，加上使用了高强度、低松驰率的预应力专用钢筋，使桩身具有较高的有效预压力(58MPa)，因此预应力管桩具有相当大的抗弯和抗拉能力。 (4) 耐久性好。预应力管桩采用了高速离心成型工艺(离心加速度高达3035ga1)和高温高压(压力106Pa；温度180)蒸汽养护，因此桩身混凝土密实性好，其抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性、耐碳化性等均优于普通混凝土。 (5) 单桩承载力高，单位承载力价格便宜。预应力管桩桩身混凝土强度等级为C80，具有高强性能，其单位承载力的造价比预制混凝土方桩和钻孔灌注桩低。 (6) 施工速度快，功效高，工期短。预应力管桩在专业工厂预制生产，施工前期准备时间短，一般能缩短工期12个月。 (7) 对施工场地要求不高，施工现场不需预制场地，无砂石、水泥，无泥浆污染，对施工场地狭窄的工程特别适用。 一般情况下，软土、粘性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用管桩，因此预应力管桩在工程中得到了广泛的应用。 1 工程概况 温州市瓯海大道西段快速路工程全长10.975km，西起站西路西，东至南塘大道，主线宽78m，主线按城市快速路标准建设，辅道以城市主干道标准建设，将与已经通车的瓯海大道东段构成东西向城市快速路，连接温州新火车站和永强机场，是城市主城区南侧的交通景观轴线。公跨铁工程项目是瓯海大道西段工程中的一段，从站西路至金丽温高速公路，长1.536km，从温州新火车站和新客运站中间穿过，与甬台温铁路交叉，主车道上跨铁路，辅车道下穿铁路，从下向上形成辅道、铁路、匝道、主线四个交叉层面，互不影响地面交通的流畅。项目投资约4.98亿元，工程包括道路、桥涵、给排水、照明、电力、交通设施、绿化等。公跨铁工程是温州目前唯一既上跨又下穿的公跨铁项目，是瓯海大道西段工程建设的节点性、控制性工程，工程由无锡市政建设集团承揽并于2008年11月开工建设。 南辅道五孔箱涵，为站西河泄洪涵，桩号K0+676.736K0+719.061(长42.325m)，宽19.1m，场地内的地层情况自上而下分为： 素填土，灰黄土，灰黄杂色，松散，道路回填土较密实，以碎石土为主，两侧下部为耕土，含植物根，全场分布。 粘土，灰褐色，呈软塑，高压缩性，含少量铁锰质氧化物、根茎等，高韧性，刀切面光滑，干强度高。fk=80kPa。 1粘土(淤泥)：灰色，含少量腐植物碎屑、贝壳残片，含水量大，呈流塑，高压缩性，高灵敏度，易触变，有异嗅，全场分布。fk=45kPa。 2粘土(淤泥)：含水量比1层稍小，性质基本相同，全场分布。fk=55kPa。 1粘土：灰黄色，软塑，高中压缩性，干强度高，高韧性，刀切面光滑，含少量铁锰质氧化物斑点，该层厚度较薄，分布不均，主要分布于场地西北部小桩号段。fk=120kPa。 2粘土：灰色，呈软塑，高压缩性，干强度高，高韧性，含少量腐植物碎片，厚度变化较大，全场分布。fk=80kPa。 圆砾：灰、灰黄色，湿，稍密，砾石含量约占4065%，粒径一般0.54cm，少数大者达6cm以上，呈亚圆形，成分为中风化火山碎屑岩，局部细粒土含量较高。fk=300kPa。 1亚粘土：灰色，软塑，中高压缩性，含少量腐植物碎片，局部夹粉土、粉砂薄层，中等韧性，刀切面较光滑，干强度中等，全场分布。fk=140kPa。 2粘土：青灰、灰黄色，软塑，中等压缩性，干强度高，高韧性，刀切面光滑，含少量腐植物，夹少量薄层亚粘土、粉砂，全场分布。fk=160kPa。 场地勘探深度范围内赋存有潜水、承压水及基岩裂隙水。潜水赋存于粘土及淤泥质软土中，粘性土具弱透水性，弱含水性，水量较小。承压水主要赋存于下部圆砾层中，具较强富水性和透水性，具弱承压性。 五孔箱涵涵底设计采用先张法高强预应力管桩(PHC)进行处理，纵向24排，横向12排，桩纵、横间距均为1750mm。管桩规格为PHC-B500(100)，设计桩长38m，桩底标高-39.7m，桩穿透圆砾层，进入1亚粘土层，约6m。 预应力管桩可选用落锤、气动锤、柴油锤、电动振动锤、液压振动锤、液压静压机械等设备进行沉桩施工。其中柴油锤、电动振动锤、静压机械等在我国使用较为广泛，但实际一般选用静压法和锤击法进行沉桩施工。静压法施工是通过抱紧油缸将桩抱紧，以机械的自重和机身上的配重通过顶压油缸传递到桩身，集中受力后，再将桩压入地层标高中。锤击法则利用桩锤的冲击能量克服土对桩的阻力而使桩沉到预定深度，其主要设备有桩架、桩锤、动力设备等，锤击法通过锤头内的锤芯压缩缸体内，当雾化的柴油和机油进行燃烧爆炸产生向下的作用力，再通过锤头下的桩帽等一系列缓冲将力和振动作用到桩身，逐步击入土层标高。 锤击法沉桩设备简单、穿透力强，由于噪声大、振感强烈，在城市或一些特殊区域的使用受到了越来越严格的限制；静压法沉桩虽然无振动、噪声问题，但由于设备笨重而对施工场地承载力要求高且搬运难度大、适用工程地质条件单一，其应用也具有一定的局限性。经对场地岩土层性状、单桩承载力大小、环境控制要求、造价，以及当地现有施工技术力量等综合比选，箱涵预应力管桩采用锤击法沉桩，施工设备为DD-53型柴油锤击桩机。在箱涵管桩施工场地南侧有1400mm自来水管。1400mm自来水管以422m管桥跨越站西河，管桥桥墩采用2600mm基础，桩以1亚粘土层作为持力层，桩长42m，管桥钻孔桩距离预应力管桩的最近距离为2587mm，最远距离为48309mm。预应力管桩与自来水管桥的位置关系见图1所示。图1 预应力管桩与自来水管桥的位置关系图(单位：mm) 2 预应力管桩沉桩施工对自来水管桥的影响 软土强度低，孔隙中充满了水，具有低透水性。锤击沉管桩过程中，对环境的影响主要为振动、挤土和噪声。挤土和振动在引起桩周土破坏的过程中，桩周土形成三个区域：紧贴桩周表面结构完全破坏的土体为第一区域，基本保持原状而未破坏的土体为第三区域，介于两者之间的第二区域。第一区域大约在桩周50200mm范围内，此范围内土体天然结构完全破坏，土体受到剧烈挤压，土体内空隙水压力迅速增大，有效应力减小。从桩的设计桩径D和桩长L来看，桩对桩周土的有效影响范围应该在0.7L，0.7L以外的土体可以看作是基本保持原状而未破坏的土体，即第三区域。这是从单桩沉桩来分析判断的，如果是群桩，影响范围可能增大。从理论上来说，打入一根桩，其排土量有限，即使其影响范围较大，也不会对周边建筑造成影响。挤土桩对周边建筑的影响可以看作是整个建筑桩基础全部桩沉桩入土的群桩效应，即总的排土量增大，挤土影响范围扩大。 桩入土时将挤开相应体积的土体，多表现为地基土体向上隆起和侧向水平位移，包括地表、浅层和深层土体的变位，并使地基土体中产生很高的超静孔隙水压力。这必将影响桩的工程质量(变位、上浮)，危及邻近建筑物和地下管线的安全，另外，沉桩施工后，受干扰的地基土体会发生回沉，使桩受到负摩擦力的作用而降低承载力和增加沉降量，所以在沉桩施工中必须引起足够重视和预先采取有效的防治措施。 1400mm自来水管是温州自来水两大水源地珊溪水库和泽雅水库中的泽雅水库水源主要输水管路，供水主要为瓯海区，供水人口30多万。箱涵处，预应力管桩稠密(管桩总面积/箱涵底面积=24120.50.519.142.325=0.28)。桩底超过自来水管桥钻孔桩桩底且离管桥最近距离为2587mm。最近距离为0.068L0.7L(亦远小于计算的沉桩安全距离)，处在最大的土体位移区内，土体的侧向位移将会对管桥和自来水管产生较大挤压作用。为此，必须预先采取相应有效、可靠、可行的防治措施，确保自来水管桥安全，以保障其正常供水。 3 减弱振动、挤土作用的措施 为了减小沉桩引起的地基土体变位的影响，必须有效地减少沉桩施工中的挤土量和超静孔隙水压力，或加快超静孔隙水压力的消散，或减小地基变位和超静孔隙水的危害影响范围。为了减少沉桩引起的振动危害，必须减小振动波传递。 (1) 测量管桩内进土量，初步估计管桩的挤密效应。预应力管桩是空心桩，场地铺筑塘渣平整后即进行管桩施工。2009年3月16日开始施工，先施工35根管桩，测量预应力管桩空心部分的土体填筑长度，经实测，因场地需要塘渣厚达1.5m、中含片石、块石，桩端孔口容易堵塞，管桩内一般进土长度在0.6m，仅占桩长的1.58，挤土效应相当明显。 (2) 锤击沉管桩在施工过程中，对地表层最主要的影响为振动，打桩引起的振动波是在重锤击桩的瞬时，由锤桩接触点传出的不均匀加速度场引起的，它不同于从远端传来的近似均匀的地震波振动场，评价打桩振动效应的方法和安全标准可以参照评价爆破地震效应的方法和安全标准。自来水输水钢管与管桥盖梁采用钢抱箍通过预埋管桥预埋螺栓连接，其下的橡皮垫块有一定的振冲缓解作用，但锤击施工预应力管桩振动作用强烈，在施工区域和自来水管桥交界处开挖减振沟(宽0.5m，深1m)，以减小振动波传递造成的地表振动。在靠近管桥处，采取退打的方式，即先施工距管桥最近的桩，以其作为屏障，阻挡土挤向保护目标。然后逐步向后，此时先施工的桩具有一定的减振作用。 (3) 对预应力管桩设计进行优化并设置应力释放孔，见图2所示。 a.将靠近自来水管桥的第一排预应力管桩取消，增大了预应力管桩与自来水管桥间的距离。 b.将靠近自来水管桥的第二排预应力管桩改为钻孔桩，采用螺旋钻取土成孔(尽量不采用正循环钻孔灌注桩的成孔方式，因这种方式的泥浆护壁环层不但不能减少土体的孔隙水压力，反而使孔洞周围土体的孔隙水压力有所加大，造成不良的局面)。之后，先作为预应力管桩施工时的应力释放孔，孔径为500mm，孔底标高同预应力管桩，并用钢筋笼护住孔壁，因孔中应力很低，锤击施工预应力管桩造成流变的软泥优先挤入孔内，排入孔内的软泥减轻了土对桩的挤压，又减弱了土向场外的扩张。待预应力管桩施工结束后，再重新钻孔灌注成钢筋混凝土桩。 c.在离自来水管桥最远的预应力管桩外侧设1排应力释放孔、在自来水管桥与预应力管桩间设置一定数量的应力释放孔(亦采用螺旋钻取土成孔)。在场地外围每个保护目标管桥桥墩一侧各先钻500mm钻孔，钻孔孔底标高比预应力管桩低2m，并用钢筋笼护住孔壁，当沉桩向场地外围挤土扩张到达孔附近时，因孔中应力很低，流变的软泥优先挤入孔内，从而阻止软土向场外扩张，保护了邻近建筑物和管道。预应力管桩施工完毕后，应力释放孔采用素土回填。 (4) 控制沉桩速度(控制在1m/rain左右)和每天打入量为5根。 (5) 加强施工过程中挤土对自来水管及管桥影响的监测，边监测边施工。在管桥每个桥墩盖梁、墩身、自来水管上设点进行。观测内容见表1所列。图2 管桩修改及应力释放孔布置图(单位：mm)表1 自来水管监测内容表 4 效果 自2009年3月16日开始沉桩，6月12日沉桩结束。施工过程中，沉桩严格按制定的措施执行，由监控小组负责自来水管桥的监测。通过监测，管桥的位移情况如图3所示。 观测数据显示管桥的水平位移为19mm，竖向位移为7mm，低于报警值。倾斜监测数据也满足要求，说明管桩施工对管桥和自来水管的影响均在控制范围内。图3 管桩修改及应力释放孔布置图 5 结语 总之，在需要保护的构(建)筑物附近采用锤击法施工预应力管桩时，要考虑沉桩的振动、挤土作用产生的影响。采取合理的施工顺序，控制每天的沉桩数量、速度，采取施工应力释放孔、减振沟，优化设计等均可以减少管桩的挤土、振动效应，减少其土体侧向位移、振动对被保护构(建)筑物的影响，此外还须在施工过程中要加强对构(建)筑物的监测，从而保证构(建)筑物的安全。 参考文献 1桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册M.北京：中国建筑工业出版社。1995. 2 席永惹，徐伟.地基与基础工程施工计算M.北京：中国建筑工 业出版社，2008.