微型钢管灌注桩在桥基抢险加固中的应用
摘 要: 由于地铁隧道开挖引起广州北环高速公路元岗特大桥桥基沉降，采用非嵌岩微型钢管灌注桩对桥基进行了紧急加固。预钻孔静压的施工方法使钢管灌注桩顺利地通过受隧道施工扰动的土层，并确保了钢管灌注桩在计算摩阻力土层中的长度。该工程包括两方面内容: 一是对原桥基进行加高，其中采用了植筋和新旧混凝土界面处理技术使新旧结构结合在一起共同承受荷载; 二是预钻孔静压微型钢管灌注桩的施工。加固后桥基沉降满足规范要求，说明微型钢管灌注桩托换是一种较好的加固方案。
关键词: 微型灌注桩 桥基 加固
钢管灌注桩属于组合材料桩，桩身由钢管和注浆混凝土组成，是一种直径 140 ～ 250 mm 的微型桩，又称微型钢管灌注桩［1］，分为嵌岩和不嵌岩两种。微型灌注桩外部的钢管具有较大的刚度和抗剪强度，内部的混凝土为约束混凝土，虽然桩径小，但具有单桩承载力较高，可穿越原基础等特点。微型钢管灌注桩可在施工场地狭小、地质条件较差的情况下施工，并且施工设备简单，所采用的钢管易于加工，桩长易通过焊接调节，质量可靠［2］，所以近年来常用作地基加固桩。本文介绍的工程所使用的微型钢管灌注桩采用预钻孔和静压相结合的施工方法，其设计和施工具有特殊性。
1 工程概况
广州北环高速公路元岗特大桥位于广汕公路上方，天河客运站旁，为双向六车道，交通十分繁忙。其桥面、桥基为分离式( 中间间距为 0. 6 m) ，左右幅桥各3 车道，每幅桥宽 13. 9 m。桥基为天然地基条形基础，宽3. 5 m，高 1. 5 m，长 16. 8 m，条基顶面离路面约为 1. 8 m，桥下距路面净空 5. 3 m，荷载按汽挂 － 20考虑。
地铁隧道与元岗特大桥相交，见图 1，穿过桥基的隧道断面毛洞宽 12. 9 m，为暗挖双线单洞隧道。隧道开挖前已对其上 51#桥基进行了托换施工［3］，但在隧道施工过程中，监测到其两侧的大桥 50#，52#桥基受隧道施工扰动而连续下沉，严重威胁到大桥的安全。采用袖阀管注浆工法对 50#，52#桥基进行了紧急加固处理，但效果不理想，在注浆处理后短时间内监测到桥基仍产生了 10 cm 左右的沉降。
2 工程地质条件
地质资料显示，该场地范围属于花岗岩风化残积层区，见图 2，其主要地层为花岗岩风化残积土和花岗岩风化带，遇水易软化崩解。场地地下水按赋存方式分为第四系孔隙水和基岩裂隙水两种，水量十分丰富。
3 加固设计
50#桥基距隧道边线最近处约 3. 8 m，52#桥基距隧道边线最近处 12. 5 m，靠近隧道的沉降漏斗范围。为保证桥梁的安全运营，对 50#，52#桥基进行紧急抢险加固，在综合对比预制静压桩、树根桩和钻孔灌注桩托换等几种加固方案后，最终采用微型钢管灌注桩完全托换的方法进行加固，如图 3 所示。
考虑到地基土质情况良好，且微风化岩层较深，将微型钢管灌注桩设计成非嵌岩桩，静压施工，因此土层对灌注桩的摩阻力对于桩基承载力非常关键。考虑隧道开挖造成的土层扰动对微型钢管灌注桩所形成的负摩阻力，利用钻机钻孔破坏隧道沉降漏斗附近土层的摩阻力; 而且有了预先的钻孔，在静压力有限的情况下，有利于灌注桩能够顺利地压入预定的摩阻力持力层( 即不受隧道施工扰动的土层) 。
最终的加固内容包括: ①原桥基加高的施工，采用植筋和新旧混凝土界面处理技术使新旧结构结合在一起共同承受荷载; ②预钻孔静压微型钢管灌注桩的施工。
3. 1 荷载取值
为了保证高速公路正常和安全运营，控制标准为加固后桥基沉降量≤10 mm。因此托换荷载取桥基的全部荷载，即车辆荷载、桥梁和基础荷载、覆土自重，不考虑基底浮力。原桥基承受的荷载非常大，最大的达到16 000 kN。
3. 2 单桩承载力
微型钢管灌注桩设计成非嵌岩桩，即单桩承载力仅由桩身与土层的黏结摩阻力提供。压桩前，预先钻孔，钻孔范围为从桥基加高面到隧道底水平线高度，约15 m，在此范围内的土层摩阻力事先被破坏，所以虽然灌注桩设计桩长为 30. 5 m，另考虑新桩基高度 1. 9 m，有效的摩阻力计算长度仅为 17. 4 m。单桩承载力特征值 Rsa为
Rsa= uΣ liqsia= 622 kN
式中，u 为桩身截面周长，qsia为第 i 土层桩侧的摩阻力特征值，li为第 i 土层的厚度［4］。
3. 3 群桩承载力
考虑桥基荷载较大，微型钢管灌注桩以群桩的形式布置。50#桥基 1#，2#，3#桥墩各布置 8 根加固桩，4#，5#，6#桥墩各布置 10 根加固桩; 52#桥基 7#，8#，9#，17#，18#，19#桥墩各布置 10 根加固桩。群桩均匀布置，合力点与相应桥墩中心重合。
对于微型桩而言，由于桩距≥3. 5d( d 为桩径) ，根据经验，不考虑群桩效应。
Rn= nRsa= 10 × 622 = 6 230 kN
式中，Rn为群桩承载力特征值; n 为桩数。
3. 4 原桥基加高
由于微型钢管灌注桩需要穿越原桥基承台实现对桥基的托换，在一定程度上必将破坏原承台的钢筋和混凝土，影响其抗弯、抗剪和抗冲切承载力。经计算，在原桥基 3. 5 m ×4. 0 m 或 3. 5 m ×3. 6 m 的范围内，每个桥墩加高桥基承台 400 mm 厚，加高部分混凝土强度等级为 C40，并在原基面上植入Ф14@250 的作为连接钢网的竖向钢筋，如图 4 和图 5 所示，设计单根抗拔力为 41 kN，植筋检测最大试验荷载为 45. 1 kN( 提高 10%)。
3. 5 微型钢管灌注桩与桥基混凝土界面之间抗剪计算
桥梁荷载通过桥基旧混凝土与桩身新混凝土之间的交界面传递到钢管灌注桩上，是整个托换加固工作的关键点，新旧混凝土界面之间的抗剪承载力［5］R = ξαfcA = 1 220 kN，大于单桩承载力 622 kN。其中，ξ 为考虑到微型钢管桩与原基础之间界面较光滑、机械咬合力减少而取的折减系数，取 0. 7; α 为界面黏结摩阻力计算系数，取 0. 15; fc为新旧混凝土结构中轴心抗压强度设计值的较小值; A 为微型钢管桩与桥基的接触面积，此处桥基需考虑原桥基和桥基加高部分。
另外，在每根微型桩周围预埋了 6 根Ф28 的钢筋用于封桩，见图 6，进一步加大了桥基对微型桩的抗冲切力。
3. 6 微型钢管灌注桩沉降量计算
桥基托换后的沉降变形控制在 0. 5‰L 以内，其中L 为相邻桥基的中心距离。由于为非嵌岩桩，沉降计算需考虑桩身的压缩变形量和桩底岩土的沉降量。
4 预钻孔微型钢管灌注桩施工
4. 1 桥基加高
其中的关键在于原桥基与新浇混凝土之间必须作新旧混凝土界面处理。在交接面处，用风镐凿毛原混凝土表面，使全表面露出新鲜混凝土，凿毛深度为 10～ 20 mm，并用清水和钢丝刷把混凝土凿毛面粉尘清洗干净。在浇筑新混凝土前，新旧混凝土界面淋水养护凿毛面不少于 12 h，并涂水灰比为 0. 5 的纯水泥浆［5］。
4. 2 预钻孔
静压钢管桩施工必须穿过原桥基础及基底的注浆和土层，单纯依靠静压难以达到，因此需预钻孔。在钢管静压桩施工前，按设计要求首先采用钻机( 重探 XY-ZPC200 型钻机) 钻穿原承台( 1. 9 m 高) ，成孔直径为200 mm，钻进过程中的关键在于当遇桥基钢筋时钻机主动杆不能加压，应放慢钻机速度，加放钢砂，使其顺利切断钢筋。钻穿基础后，改用 150 钻头在土层内钻孔，土层内预钻孔直径为 180 mm，用泥浆护壁，钻透砂质黏土层，大部分的钻孔深度接近了隧道底部水平面高度。
4. 3 安装压桩设备
在反力座内安装压桩设备，采用电动液压千斤顶( 型号 100T) 和压桩反力架( ［28a型槽钢加工成 3 m高) 通过锚杆反压钢管桩。
4. 4 压桩
静压钢管桩第一段包括桩尖长度为 3 m，其次每段钢管长度采用 2 m，如图 7 所示，钢管之间采用 6mm 内衬管连接。沿钢管桩身按间距 750 mm 布置直径为 10 mm 的花孔，压力灌注水泥浆时使浆液通过花孔流至钢管桩的外侧并渗到钢管桩周围的土层中，从而达到对钢管桩的防锈保护及提高钢管桩承载力的效果。
当钢管桩达到一定的压力时，每段钢管长度采用1 m，钢管静压每次进尺为 300 mm，当压桩荷载达到设计要求荷载后( 50#桥基为 622 kN，52#桥基为 573 kN) ，稳压30 min、桩顶沉降不超过3 mm 时，确定终桩。
4. 5 清底
注浆前先将注浆管伸至孔底，采用三缸泵注入清水作一次清孔，注浆采用快硬水泥等材料，安装水泥浆返浆控制阀，见图 8。
4. 6 注浆
首先将注浆管伸至钢管桩底，使用三缸泵注入水灰比为 0. 48 的水泥浆，水泥浆配制可以根据实际操作情况掺合适量的减水剂，掺合量为 0. 3% ～0. 5%。当水泥浆从返浆控制阀返出时，立即封闭阀门继续灌注，当灌注压力达到 1. 0 MPa 时，稳压 5 min 后终止灌注。拆出控制阀后，立即往钢管内投放碎石，并利用注浆管反插，一边投放碎石，一边拆出注浆管，使碎石填满桩身，从而保证注浆混凝土密实度，投放碎石粒径为 10～ 30 mm。
4. 7 封桩
注浆完成后，用气割将钢管的长度切割至设计要求，采用 C40 混凝土封桩。
5 加固效果
50#，52#桥基位于隧道开挖影响线范围，为保证元岗特大桥的安全，在基础加固和暗挖隧道施工时对其采取了全方位的监测，监测项目包括桥基的沉降和基坑支护结构，1 次/3 d。
每个桥基设置 6 个沉降观测点，在加固施工期间50#桥基的沉降量分别为 12. 2 mm，11. 4 mm，9. 8 mm，8. 4 mm，9. 2 mm，8. 2 mm，52#桥基的沉降量分别为8. 1 mm，9. 1 mm，8. 9 mm，13. 9 mm，10. 2 mm，7. 2mm; 托换后隧道施工期间，50#桥基的沉降量分别为0. 4 mm，0. 8 mm，0. 6 mm，0. 2 mm，0. 6 mm，0. 2 mm，52#桥基的沉降量分别为 1. 9 mm，2. 6 mm，2. 0 mm，2. 7 mm，3. 3 mm，1. 4 mm。托换后的沉降量均为 ＜ 10mm，满足规范要求。
在后期检测元岗特大桥各构件均未出现裂缝，运营正常，说明整个预钻孔静压微型钢管灌注桩加固改造工程设计及施工获得了成功。
6 结论
1) 由于地铁隧道施工，一些已有建筑物基础受到影响，特别是像元岗特大桥这类大轴力建筑物，由于地处闹市区，现场环境复杂，同时工程地质条件差，对旧桥基的保护要求高，给加固工程施工带来一定的困难。实践证明，微型钢管灌注桩托换是一种较好的加固方案，能有效地控制托换结构的变形。
2) 非嵌岩微型钢管灌注桩的桩侧摩阻力对于桩基承载力非常关键，预钻孔静压的施工方法使其顺利通过受隧道施工扰动的土层，确保了钢管灌注桩在摩阻力土层中的长度。
3) 预钻孔静压微型钢管灌注桩托换的核心是桩基承载力的计算和沉降变形的控制。
4) 预钻孔静压微型钢管灌注桩托换施工期间，必须严格控制桥基与灌注桩之间新旧混凝土界面的施工质量以及压桩质量。
参 考 文 献
［1］黄小许． 微型钢管灌注桩的研究与应用［J］． 地基基础工程，1995( 4) : 19-22．
［2］黄穗欢，赖凤葵，黄小许． 钢管灌注桩在桥基托换工程中的应用［J］． 广东土木与建筑，2003( 7) : 9-11．
［3］张立明． 广州市轨道交通三号线元岗特大桥基础托换施工［J］． 铁道建筑，2004( 7) : 22-23．
［4］中华人民共和国建设部． GB 50007—2002 建筑地基基础设计规范［S］． 北京: 中国计划出版社，2002．
［5］张正先，黄小许． 新旧混凝土界面连接试验研究［J］． 华南理工大学学报，2000( 10) : 181-186．
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