周元強(qiáng)，湯 昊，王 磊，姚 剛

(1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102；2.江蘇省電力公司揚(yáng)州供電公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

江蘇的沿海地區(qū)屬于濱海相海積沖積平原地貌單元，土層中含有較厚的軟土，具有高壓縮性、低強(qiáng)度、低透水性、觸變性等特性，工程性狀較差。建造于軟土地基上的變電站，往往對(duì)一些主要構(gòu)建筑物采用人工地基，而對(duì)次要構(gòu)筑物使用天然地基淺基礎(chǔ)。構(gòu)筑物基礎(chǔ)在覆土和設(shè)備自重的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的沉降差。

蘇州某變電站于2003年建成投運(yùn)，運(yùn)行后出現(xiàn)大面積地面沉降和甚為嚴(yán)重的基礎(chǔ)不均勻沉降，造成設(shè)備支架傾斜、導(dǎo)線繃直(圖1)，嚴(yán)重影響了設(shè)備的安全運(yùn)行。原設(shè)計(jì)單位在2004年12月1日～2010年4月19日間，對(duì)基礎(chǔ)沉降進(jìn)行了多次測(cè)量，最大沉降達(dá)420mm。

目前變電站沉降雖漸趨緩定，但地面沉降仍會(huì)繼續(xù)，急需采取有效控制、補(bǔ)救措施。

1 工程地質(zhì)條件與工程特點(diǎn)

1.1 工程地質(zhì)條件

站址地基土30m深度范圍內(nèi)自上而下的基本層序?yàn)椋簩?0)填土；層(1)原地表耕土；層(2)粉質(zhì)粘土；層(3)淤泥質(zhì)土；層(4)粉質(zhì)粘土；層(5)粉土或粉砂?？睖y(cè)期間地下水位埋深為0.5m左右。該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s，場(chǎng)地地基土不考慮地震液化。

地質(zhì)柱狀圖、平均層厚及微型鋼管混凝土樁入土深度見表1。

表1 地質(zhì)柱狀圖及鋼管樁入土深度

1.2 工程特點(diǎn)

由于當(dāng)?shù)毓╇娦蝿?shì)嚴(yán)峻，沒有停電施工的可能，需要在運(yùn)行變電站內(nèi)實(shí)施作業(yè)。同時(shí)，變電站內(nèi)的設(shè)備布置密集，給施工帶來困難。本工程特點(diǎn)及施工難點(diǎn)如下：

(1)對(duì)安全的要求極高

變電站內(nèi)設(shè)備密集，所有的加固項(xiàng)目必須在不停電的情況下組織施工。業(yè)主規(guī)定施工操作高度不得超過2.2 m。在“一高(高電壓)一低(低空間)”的環(huán)境下必須做到“雙滿足”，既滿足變電站運(yùn)行安全，又滿足現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

(2)基礎(chǔ)類型多種多樣

加固、頂升、糾偏的施工方案必須隨現(xiàn)場(chǎng)條件的不同而千變?nèi)f化，需要施工單位不但要求具有綜合施工能力，更要求具備設(shè)計(jì)施工一體化能力，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)變化能提出合理可行、因地制宜的變更方案，方便協(xié)調(diào)，利于工程有序開展。

(3)崗前培訓(xùn)必不可少

施工技術(shù)人員需要進(jìn)行特殊培訓(xùn)，在運(yùn)行的高電壓設(shè)備下進(jìn)行打樁施工，安全風(fēng)險(xiǎn)大，因此，必須對(duì)上崗工人進(jìn)行嚴(yán)格的崗前安全及技術(shù)培訓(xùn)。

(4)土建電氣密切配合

施工中部分因素難以預(yù)計(jì)，土建施工必須與電氣運(yùn)行人員密切配合，除確保施工安全外，還應(yīng)確保加固、整修結(jié)果能達(dá)到運(yùn)行的要求。

2 地基基礎(chǔ)加固方案

既有建構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)加固技術(shù)，根據(jù)加固原理、時(shí)間、性質(zhì)，通常分為注漿托換、樁式托換及基礎(chǔ)托換等。其中樁式托換法，概念清晰、傳力明確，安全可靠，控制沉降效果明顯。主要形式有：錨桿靜壓樁法、坑式靜壓法、預(yù)壓樁法、樹根樁法等[1]。針對(duì)站內(nèi)基礎(chǔ)沉降情況，結(jié)合運(yùn)行變電站內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，通過方案比選，選用打入式微型鋼管樁加固方案?？紤]到運(yùn)行變電站的供電安全，現(xiàn)有的加固方法和機(jī)械設(shè)備往往不能適應(yīng)高壓帶電場(chǎng)區(qū)作業(yè)的技術(shù)要求。為解決運(yùn)行變電站內(nèi)地基基礎(chǔ)加固的施工難題，工程項(xiàng)目組自行研制小型樁機(jī)[2]，在基礎(chǔ)旁打設(shè)微型鋼管混凝土樁，通過化學(xué)植筋及鋼板連接件與鋼管樁連接(圖1)，實(shí)現(xiàn)天然地基地基的加固和頂升、糾偏。

微型鋼管混凝土樁的鋼管直徑為Ф152mm，壁厚4.5mm，用于加固地基的樁長(zhǎng)22m，用于基礎(chǔ)頂升糾偏的樁長(zhǎng)25m，管內(nèi)分別灌注C30混凝土。

圖1 鋼管樁與基礎(chǔ)的連接示意圖

3 沉樁施工流程與方法

本工程的施工內(nèi)容包括地基加固、基礎(chǔ)糾偏與頂升等幾個(gè)方面，它們都依靠微型鋼管混凝土樁來實(shí)現(xiàn)。微型鋼管混凝土樁以層(4)可塑～硬塑的粘性土為持力層，進(jìn)入持力層的深度約2.0m～2.5m。

正如前述，施工的主要難點(diǎn)是要在2.2m限高條件下實(shí)施所有作業(yè)，其關(guān)鍵點(diǎn)就是沉樁設(shè)備。本工程的沉樁設(shè)備沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品，必須自行研制。研制的內(nèi)容不僅僅是機(jī)械制造問題，應(yīng)還包含了以下四個(gè)重點(diǎn)：沉樁工藝參數(shù)、設(shè)備制作、沉樁工藝方法以及質(zhì)量控制。

3.1 沉樁工藝參數(shù)

3.1.1 估算單樁沉樁動(dòng)阻力

按照長(zhǎng)三角工程地質(zhì)條件與工程經(jīng)驗(yàn)公式估算單樁沉樁動(dòng)阻力：

式中：Lfi為動(dòng)側(cè)阻力集中區(qū)域，為樁端以上8倍樁徑(即1.2m)；Pdk為動(dòng)端阻力。層⑷粘性土取3000kPa；qdk為動(dòng)側(cè)摩阻力。取160kPa；K為閉口樁阻力系數(shù)，取1.3。

將樁的動(dòng)阻力與估算而得的靜極限阻力(300kN)進(jìn)行比較可得190/300=0.63，與本地區(qū)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍(0.6～0.75)比較吻合。

3.1.2 錘擊沉樁工藝與參數(shù)

本工程場(chǎng)地地質(zhì)條件屬于軟弱土類型，樁體長(zhǎng)徑比L/d＝22/0.152＝145，屬于超長(zhǎng)型，樁距一般為1.0m， 距徑比S/d大于6， 最大排土率小于2%，屬于疏樁型。所以，本工程的樁屬于在軟弱土體內(nèi)錘擊小直徑、超長(zhǎng)型的疏樁，宜采用低落距、重錘輕擊工藝。

鋼管樁錘擊沉樁，錘重在有效落距為1.0～1.5m時(shí)取樁體自重的1.0～2.0倍(落距大取低值)。本工程φ152×4.5鋼管樁的樁體自重為360kg，落距在1.0～1.5m時(shí)，錘重應(yīng)控制在4～7.2kN之間?？紤]到2.2m限高要求以及重錘、低距、輕擊的原則，落距宜按0.5m考慮。根據(jù)錘的沖擊力應(yīng)大于沉樁阻力的基本要求，使錘的沖擊力Pd應(yīng)滿足下式要求：

式中：λ為沖擊系數(shù)，與樁錘及樁墊材質(zhì)有關(guān)，一般取50；W為錘重；H為落距。

由上式演變?yōu)?/p>

因此必須使錘重W ≥7.5kN。

對(duì)于小直徑(d＜600mm)、壁厚大于0.02d的鋼管，當(dāng)最大錘擊應(yīng)力小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)，可不進(jìn)行局部壓曲驗(yàn)算。Q235φ152×4.5鋼管能承受的最大錘擊應(yīng)力σ =190/(π×0.0762－π×0.07152)=91.1kPa＜210 kPa，能夠滿足要求。

由以上計(jì)算分析，最后確定錘擊沉樁工藝與參數(shù)為：錘重為750kg的自由落錘錘擊方法，0.5m左右的低落距的錘擊工藝。

3.2 設(shè)備制作

新研制的沉樁設(shè)備必須具備下列基本功能。

(1)限高2.2m：包括設(shè)備總高度以及行為的最高觸及高度。

(2)單件輕便、方便裝拆：由于凈空受限，無法采用大型起重設(shè)備或機(jī)械移動(dòng)裝置，沉樁設(shè)備必須能方便地裝拆，分解后的單件重量較輕，適合人力搬遷。

(3)能適應(yīng)小空間：由于變電站內(nèi)的基礎(chǔ)布置十分緊密，施工空間狹小，沉樁設(shè)備必須能適應(yīng)小空間作業(yè)。

(4)能進(jìn)行多項(xiàng)作業(yè)：能夠滿足掛卸錘、自由下落、焊接、調(diào)整垂直度等多項(xiàng)作業(yè)的需要。

3.3 沉樁工藝

3.3.1 準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作包括熟悉設(shè)計(jì)圖紙、測(cè)量放線、基礎(chǔ)與施工場(chǎng)地凈空量測(cè)、沉樁順序安排等。除了測(cè)量放線與施工場(chǎng)地凈空量測(cè)是特殊內(nèi)容外，其他準(zhǔn)備工作與常規(guī)施工相同。

3.3.2 測(cè)量放線與基礎(chǔ)邊沿暴露

微型鋼管混凝土樁的樁位必須緊靠基礎(chǔ)邊緣，以便沉樁后與基礎(chǔ)的連接。為了準(zhǔn)確測(cè)放樁位，需要將基礎(chǔ)邊沿輪廓暴露出來。對(duì)于需要頂升或糾偏的基礎(chǔ)，需根據(jù)基礎(chǔ)頂面埋置深度采取挖除頂面土方或局部挖坑方式。

3.3.3 施工場(chǎng)地凈空量測(cè)

需要把每一個(gè)進(jìn)行加固、頂升與糾偏基礎(chǔ)上面的設(shè)備情況、設(shè)備之間凈空詳細(xì)調(diào)查量測(cè)，為安排沉樁順序和沉樁設(shè)備布置方式提供依據(jù)。

3.3.4 鋼管制作

鋼管材質(zhì)為Q235B，φ152焊接鋼管，壁厚4.5mm，單根采購(gòu)長(zhǎng)度6.0m。進(jìn)場(chǎng)復(fù)檢合格后，采用砂輪切割機(jī)切割成1.5m與1.0m兩種長(zhǎng)度規(guī)格，1.5m用于軟土段內(nèi)，1.0m用于持力層與表層穿越硬殼層。切口要平直，去除毛刺。鋼管的下端磨成坡口。

為保證鋼管內(nèi)可灌入混凝土，本工程采用閉口鋼樁尖。

3.3.5 分段沉樁與焊接

(1)分段原則：每樁開始的4.0m范圍是穿過填土與硬殼層的一段，采用單節(jié)1.0m鋼管，用大落距重?fù)?。在淤泥質(zhì)土中采用單節(jié)1.5m鋼管，小落距輕擊，最后4.0m范圍內(nèi)采用單節(jié)1.0m鋼管，大落距重?fù)?，使樁端進(jìn)入持力層的深度滿足設(shè)計(jì)需要。

(2)樁節(jié)限位：將首段鋼管沿基礎(chǔ)邊緣樁位處插入土層。沉樁機(jī)機(jī)架底板處設(shè)置護(hù)管裝置，可有效地限制鋼管下端位置，不因遇到地下障礙物而偏移。鋼管頂端卡在樁墊的凹槽內(nèi)，樁墊沿錘架立柱上下垂直移動(dòng)，樁墊的凹槽與底盤護(hù)管位于同一條垂直中心線上，保證了鋼管樁的垂直度。

(3)錘擊沉樁：首節(jié)樁與每節(jié)樁焊接后的起始若干錘都應(yīng)采用小落距輕擊，待沉入0.3m以后，再增大落距。根據(jù)沉樁貫入度隨時(shí)調(diào)整落距和錘擊節(jié)奏，保證均勻有節(jié)奏地沉樁。

(4)焊接：沉入土中的樁頂高出底盤護(hù)管0.2m～0.3m時(shí)，應(yīng)采用小落距輕擊，以控制鋼管的頂面在護(hù)盤面以上50mm～100mm，便于焊接作業(yè)。鋼管焊接采用對(duì)稱連續(xù)焊接，要求焊縫飽滿，符合焊接抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)及焊縫的密閉性，能阻擋地下水滲入鋼管內(nèi)。焊接在坑內(nèi)實(shí)施。

3.3.6 管內(nèi)灌注混凝土

管內(nèi)灌注C30混凝土的作業(yè)分段完成。因每次灌注的混凝土量很小，只能采用人工拌制。通常在沉入土中的樁段長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)2m～4m時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)。澆筑后的混凝土振搗依靠后續(xù)錘擊沉樁時(shí)的振動(dòng)力予以振密。最后一段的混凝土則用微型振動(dòng)棒插入管內(nèi)振搗密實(shí)。

3.3.7 管樁與基礎(chǔ)連接錨固

管樁與基礎(chǔ)錨固連接的施工工藝流程如下：

植筋分為劃線定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋、固化與質(zhì)量檢測(cè)等過程。

劃線定位：應(yīng)根據(jù)構(gòu)件植筋部位放線定位，用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)鉆孔處有無鋼筋，若有鋼筋應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置。

鉆孔：在鉆孔過程中，當(dāng)遇到鋼筋或預(yù)埋件時(shí)應(yīng)立即停鉆，并適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置。鉆孔直徑＝錨栓直徑d＋4mm(錨栓直徑小于20mm)、植筋錨固長(zhǎng)度15d。

清孔：將硬毛刷插入孔中，往返旋轉(zhuǎn)清刷3次，用工業(yè)酒精棉棒將孔壁及孔底的剩余粉末清除干凈。同時(shí)將鋼筋上的銹跡刷除，鋼筋(植入孔內(nèi)部分)上的油污擦拭干凈。

灌注膠粘劑：使用專門灌注器進(jìn)行灌注植筋膠，邊灌注邊排空氣。灌注量為孔深的2/3，保證在植入鋼筋后有少許膠粘劑溢出。

植筋：注入膠粘劑后，應(yīng)立即將錨栓邊單向旋轉(zhuǎn)邊插入孔內(nèi)，并盡量使錨栓與孔壁間的間隙均勻，直至達(dá)到規(guī)定的深度。

靜置固化：膠黏劑完全固化前，不得觸動(dòng)或振動(dòng)已植入的錨栓，以免影響其粘結(jié)效果。

用于加固地基的錨固板用4M16高強(qiáng)螺栓固定(圖9)，用于基礎(chǔ)頂升糾偏的錨固板用6M16高強(qiáng)螺栓固定。

與微型鋼管混凝土樁連接的牛腿鋼板厚度也各不相同。用于加固地基的錨固板用12mm厚，用于基礎(chǔ)頂升糾偏的錨固板用20mm厚。

3.4 質(zhì)量控制

3.4.1 材料控制

鋼管、電焊條、砂、石、水泥應(yīng)有出場(chǎng)合格證與質(zhì)保書。鋼管應(yīng)進(jìn)行焊接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，砂、石、水泥等均應(yīng)抽樣檢驗(yàn)。自拌的混凝土每根樁制作三組混凝土試塊。

3.4.2 停錘標(biāo)準(zhǔn)

微型鋼管樁沉樁的停錘標(biāo)準(zhǔn)以樁端設(shè)計(jì)標(biāo)高控制為主，最后貫入度作為參考。當(dāng)沉樁過程中出現(xiàn)下列異常情況時(shí)，應(yīng)立即會(huì)同有關(guān)方研究處理：①進(jìn)入持力層后，與設(shè)計(jì)深度相差較遠(yuǎn)，連續(xù)三陣每陣十錘的貫入度小于3～4cm/擊；②總錘擊數(shù)達(dá)到200錘以上，最后1m的錘擊數(shù)大于20錘以上。

3.4.3 焊接檢查

每個(gè)接頭焊接完畢，及時(shí)進(jìn)行檢查驗(yàn)收。如有疑問，可以在現(xiàn)場(chǎng)截取焊接試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，如對(duì)整個(gè)樁的焊接質(zhì)量有懷疑，可以進(jìn)行整根樁的抗拔試驗(yàn)。

3.4.4 承載力與樁身質(zhì)量檢查

采用靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)單樁極限承載能力，對(duì)所有完成的微型鋼管混凝土樁，按樁數(shù)的30%進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試，以檢驗(yàn)樁身質(zhì)量。

植筋進(jìn)行錨固承載力的現(xiàn)場(chǎng)抽樣分批檢驗(yàn)，每批隨機(jī)抽檢3件。

3.4.5 合理安排沉樁順序和控制沉樁速率

閉口的微型鋼管混凝土樁屬于擠土樁，雖因距徑比大于6，沉樁擠土率僅在2%以內(nèi)，擠土效應(yīng)不很明顯。但對(duì)深厚的淤泥質(zhì)土地基來說，容易受到沉樁的擾動(dòng)，孔隙水壓力消散較慢，所以還應(yīng)注意沉樁擠土效應(yīng)。

緩減擠土效應(yīng)的主要途徑是要減小孔隙水壓力。主要措施是控制沉樁速率、合理安排沉樁順序、設(shè)置消散壓力的應(yīng)力釋放孔或排水孔等。由于本工程加固樁屬于疏樁基礎(chǔ)，受施工凈空影響，每根樁的接頭很多，施工效率很低，因此每天的沉樁速率慢。每套22m的微型鋼管混凝土樁的沉樁歷時(shí)約為4h，每臺(tái)班(工作8h)沉樁僅2套。所以沉樁引起的孔隙水壓力不會(huì)很大，擠土效應(yīng)也就不是很明顯。

對(duì)于基礎(chǔ)密集區(qū)域，盡量安排好沉樁流程，先密集區(qū)域然后稀疏區(qū)域，對(duì)于密集區(qū)域從內(nèi)向外擴(kuò)展。流程安排還要結(jié)合機(jī)械設(shè)備搬遷的實(shí)際狀況，做到統(tǒng)籌兼顧。

3.4.6 施工監(jiān)測(cè)

防止擠土效應(yīng)影響的另一個(gè)途徑就是加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，做到動(dòng)態(tài)信息化施工。

由于本工程的理論擠土率不高，且沉樁速率也不快，所以沉樁施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要以沉樁部位周邊的設(shè)備基礎(chǔ)的豎向沉降與水平位移為主，同時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)沉下去的相鄰樁的位移情況。

根據(jù)位移與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果初步判定沉樁擠土效應(yīng)的嚴(yán)重程度不很大。

4 頂升糾偏施工方法

頂升與糾偏都是用已沉入土中的微型鋼管混凝土樁來提供反力。原定僅作地基加固的微型鋼管混凝土樁是22m，它的反力只有220kN，而場(chǎng)地中多數(shù)基礎(chǔ)的墊層厚度達(dá)700mm，需要頂升反力達(dá)250kN以上，因此必須加長(zhǎng)微型鋼管混凝土樁的長(zhǎng)度，來獲得足夠的反力。

頂升糾偏的施工工藝流程為：

頂升糾偏的施工方法如下：

(1)在微型鋼管混凝土樁頂上放一塊鋼墊板，將起重量為500kN的千斤頂平穩(wěn)地置于其上。

(2)將自制的專用頂升糾偏裝置安裝到牛腿和千斤頂上，收緊螺桿使千斤頂?shù)肿№斏m偏裝置的受力鋼板，螺桿下部構(gòu)件勾住兩塊牛腿鋼板(圖2)。

(3)開始頂升時(shí)應(yīng)緩慢加力，此時(shí)主要是克服基底與地基土的吸附粘結(jié)力，直到基底完全脫離地基。此過程中應(yīng)監(jiān)控千斤頂?shù)膲毫χ?，力求千斤頂壓力均勻，防止超過微型鋼管混凝土樁的承載力。

(4)當(dāng)所頂升的基礎(chǔ)同時(shí)需要糾偏調(diào)平。在基礎(chǔ)與地基完全脫離后即將進(jìn)入頂升狀態(tài)時(shí)，先進(jìn)行基礎(chǔ)的糾偏調(diào)平，要求各支撐點(diǎn)根據(jù)計(jì)算的頂升量采用定向微量差動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)糾偏調(diào)平，即按照每步發(fā)力頂升3～5mm的微量，先短邊，后長(zhǎng)邊的原則逐一調(diào)整，直至達(dá)到糾偏調(diào)平的目標(biāo)。

(5)過程監(jiān)控

頂升糾偏的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是過程監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容包括微型鋼管混凝土樁沉降、基礎(chǔ)平面頂升量與水平位移、千斤頂壓力值等。

(6)基礎(chǔ)落實(shí)處理

當(dāng)基礎(chǔ)頂升糾偏到位后，將微型鋼管混凝土樁焊接到基礎(chǔ)側(cè)面的鋼牛腿上。至此，基礎(chǔ)已牢固地連接到微型鋼管混凝土樁上。拆除頂升糾偏裝置和千斤頂，澆筑混凝土保護(hù)墩進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后覆土回填。

5 結(jié)語

(1)微型鋼管樁在運(yùn)行變電站中進(jìn)行地基加固與基礎(chǔ)頂升、糾偏獲得成功。這是繼連云港云臺(tái)變電站地基加固處理的又一個(gè)成功實(shí)例，為后續(xù)類似工程積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

(2)沉樁設(shè)備輕巧可拆、便于搬遷，滿足運(yùn)行變電站中限高空間的作業(yè)要求。

(3)建構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)的加固、糾偏施工應(yīng)嚴(yán)格控制每一道工序，加強(qiáng)質(zhì)量控制和施工監(jiān)測(cè)，確保工程順利完成。

[1]林宗元.簡(jiǎn)明巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]楊敏.微型鋼管樁施加預(yù)應(yīng)力加固沉降基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)，2008，39(6).

[3]張雁，劉金波.樁基手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].