预制芯柱嵌岩不锈钢无缝钢管桩施工质量控制

   针对预制芯柱嵌岩不锈钢无缝钢管桩施工过程中钢管桩卷边、卡钻、钢筋笼偏心等质量通病，论述产生的原因及影响。采用合理控制钢管桩沉桩贯入度等沉桩标准，桩尖采用外加强式、改良冲锤等方法进行质量控制。对比验证武汉新港三江港区综合码头一期工程中预制芯柱嵌岩钢管桩施工改良前后的成桩质量。结果表明:预制芯柱嵌岩钢管桩沉桩控制标准不应过于严格，同时通过建议设计中采用外加强式不锈钢无缝钢管桩端尖、施工中采用圆筒米字形冲击锤能有效解决桩基施工过程中卡钻问题。改良桩锤或采用液压钻成孔方式能有效提高预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)成桩质量。

  码头建设中复合桩基较为常见，预制芯柱嵌岩桩便是其中的一种。该桩型通过芯柱与基岩锚固形成，其施工工艺为:将钢管柱打入岩层或打到岩层顶面，在桩内钻孔入岩至设计深度，再安装钢筋笼灌注混凝土，使桩与基岩锚固。因此，该复合桩基能取得良好的桩基承载力和水平抗力。随着内河港口建设的发展，岸线资源日趋枯竭，高桩码头建设将面临覆盖层浅、岩面起伏的复杂地质条件，预制芯柱嵌岩钢管桩的优越性日益凸显、运用范围也不断扩大。但在施工中也存在不利的因素:桩基施工环节多，管控要求较高;嵌岩施工技术难度大，尤其是斜桩嵌岩。其质量通病不仅表现为钢管桩、嵌岩桩各自的质量通病，同时由于其为复合桩型，钢管桩卷边、钢管桩卡钻、预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)钢筋笼偏心等质量问题是该复合桩型特有的质量通病。

  本文对比验证武汉新港三江港区综合码头一期工程中预制芯柱嵌岩不锈钢无缝钢管桩施工改良前后对成桩质量的影响，结果表明预制芯柱嵌岩钢管桩沉桩控制标准不应过于严格，可通过设计中钢管桩端尖采用外加强式、施工中采用圆筒米字形冲击锤有效解决桩基施工过程中的卡钻问题，同时通过改良桩锤或采用液压钻成孔方式能有效提高预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)成桩质量。武汉新港三江港区综合码头一期工程位于武汉港三江港区，采用直立式高桩梁板码头，由码头作业平台、变电所平台及引桥组成。码头平台为整体式，平台长500m、宽30m;上部结构由横梁、纵梁、轨道梁、系靠船梁和叠合面板等组成，排架间距为8.0m，每榀排架采用7根1000(壁厚δ16mm)钢管桩(含一对叉桩)，前4根桩采用1000mm预制型芯柱嵌岩钢管桩，后3根桩采用1000 mm钢管桩。

  预制芯柱嵌岩不锈钢无缝钢管桩施工质量控制该项目桩基施工初期发生了数起钢管桩卷边、钢管桩卡钻、预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)钢筋笼偏心等质量事故，本文主要针对这三种质量问题，从其成因及施工过程中采取的相应措施出发，探讨相关措施，以期为后续工程提供相应经验、减少不必要的工程浪费。本工程基岩面上覆盖层较薄，部分桩基淤泥层下直接到达中风化粉砂岩，若设计沉桩要求过高或施工工艺控制不当，不锈钢无缝钢管桩将会发生卷边，而桩基卷边会令断面变形缩小，进而导致芯柱嵌岩段施工时，锤头无法穿出钢管桩或钻进困难。施工现场若遇到类似问题，一般采用更换冲击钻或水下切割的方式进行处理，处理费用较高、工期较长。同时，桩端头部若处理不当将直接影响芯柱嵌岩施工，进而影响整个工程质量。因此，施工过程中应尽量避免钢管桩卷边的发生。

  打入桩施工过程中，一般结合地勘资料采用“双控”标准，即高程控制为主、贯入度控制为辅。而相关规范或文献中未明确给出贯入度控制标准，设计单位会结合地勘资料及相关施工经验在设计中予以明确。若贯入度要求过于严格，钢管桩段易出现卷边;若贯入度要求过低，沉桩质量不易保证，因此合理确定贯入度十分重要。表为施工过程中共20根桩的沉桩记录，其中6根桩发生卷边(施工发生钻机卡钻)，其余的桩基未发生明显卷边。分析表，钢管桩卷边的发生通常伴随着贯入度的突变，一般是由小变大，因此实际沉桩过程中，可通过贯入度变化初步判断钢管桩是否卷边，为下一阶段沉桩积累经验。本工程发生卷边事故后，总结调整沉桩标准，接近或达到设计高程时，贯入度按不宜大于10mm，击锤击能量越大，此标准应适当加大的标准控制，通过调整贯入度控制标准并精细化管理，后续施工中未发生钢管桩卷边事件。事实证明，合理确定桩尖高程及沉桩贯入度控制标准能有效预防钢管桩卷边。

  在不锈钢无缝钢管桩钻孔施工初期即发生了4起卡钻事故，卡钻的原因可能是桩尖卷边、偏孔卡钻、沉渣埋锤。本项目施工过程中C-39、D-41发生卡钻事故，逐个分析钻渣及钻头提起后钻头磨损情况，发现其卡钻是桩尖卷边引起的，实际施工过程中应合理控制沉桩贯入度。本工程发生了一起偏孔卡钻事故，该桩位位于岩基坡面处。主要原因：基冲锤类型选择不合理。基岩冲击沉孔通常采用十字形锥形锤、圆筒米字形。本工程嵌岩桩是在钢管桩内冲孔，锥形锤由于重力集中在锤底部而使得击打应力集中，因此，锥形锤对桩锤垂直方向的要求更高，但在沉桩过程中，若管桩的垂直度有偏差，加上基岩面存在倾角，桩底成孔方向与管桩轴线向就形成偏角，进而导致冲锤在桩尖处易产生偏孔导致卡锤。桩锤顶的转向环不灵活。本工程基岩层较坚硬，因使用的桩锤锤高过大、且桩锤顶的转向环不灵活，会使桩锤沿着锤齿部位形成轨道冲进，进而导致桩孔壁出现凸出，形成梅花孔。梅花孔处理不及时即发生卡锤现象。

 排除偏孔卡钻的主要措施，本工程在斜桩嵌岩施工中，结合锥形锤和圆筒锤的优缺点对冲锤进行了改良，自制了圆筒锥形锤，保留圆筒锤的长圆筒(在成孔过程中可以起导向的作用，减少严重偏孔的出现)，结合锥形锤头，加工制成圆筒锥形锤型。当发现梅花孔时及时调整桩锤锤高修孔，并向桩孔内回填块石至梅花孔顶面以上，检修好桩锤的转向环，然后低锤密冲，反复修孔。针对偏孔卡钻的原因，采用合理措施有效改善偏孔卡钻出现的可能性，后续施工中未发现卡钻事故。桩机就位应稳定牢固且施工过程中不得发生倾斜、位移和沉陷;冲孔时，应放置套筒，并在其上设置导向扶正器，已保证冲锤中心线与孔的轴线一致。冲击成孔时，遇有坚硬漂卵石，应采用中、大冲程，最大冲程不得超过3m，并应防止空锤和大松绳，冲击岩面遇倾斜、不平或圆面状孤石时，应先投入坚硬碎石或灌注混凝土，将表面垫平后再冲击转进。

  钻孔时，钻头在垂直向下的重力作用下，孔轴线会成为抛物线，若不控制将影响成桩质量或导致转头无法钻进。为保证成桩质量，确保桩基钻进至设计高程时偏角及倾斜度满足设计及规范要求，结合现场实际情况，将钻头予以改进，在冲击钻头尾部增加不锈钢无缝钢管，且始终保持导向钢管在原钢管桩内2m以上，为了减少导向钢管与原钢管桩直接接触导致的磨损，在导向钢管外侧纵向等间距焊接6根螺旋钢筋。通过这一改进措施，预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)未发生一例质量事故，桩基质量均满足设计及规范要求。为解决预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)钢筋笼偏心问题，若条件允许，管桩内采用冲击钻，嵌岩部分采用液压钻成孔方式，能较好地规避预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)钢筋笼偏心问题。

  根据本工程实施经验，预制芯柱嵌岩钢管桩沉桩标准不应过于严格，应结合地勘资料，合理确定高程及沉桩标准，接近或达到设计高程时，贯入度不宜大于10mm，击锤击能量增大，此标准应适当加大。

建议设计中不锈钢无缝钢管桩端头采用外加强式，施工过程中基岩冲击成孔时采用圆筒米字形冲击锤，能有效解决桩基施工过程中卡钻问题。通过改良桩锤或采用液压钻成孔方式，能有效提高预制芯柱嵌岩钢管桩(斜桩)成桩质量。