1、预应力混凝土管桩锤击法施工工艺工法1 前言1.1 工艺工法概况预应力混凝土管桩是一种打入土中，长细比很大的管状细长构件，管桩的上部和承台（梁）联结组成桩基础。根据材料及结构的不同，该种构件主要包括：预应力混凝土管桩（PC管桩）、预应力混凝土薄壁管桩（PTC管桩）及高强度预应力混凝土管桩（PHC管桩)三种。先张法预应力管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，其结构主要由圆筒形桩身、端头板和钢套箍等组成。国内管桩沉桩施工方法有：锤击法、静压法、震动法、射水法、预钻孔法及中掘法等。1.2 工艺原理由柴油燃烧或液压驱动，使锤体中的活塞向上运动一定高度，然后自由落体，
2、产生的冲击力作用到管桩桩顶，使管桩下沉，管桩下沉到一定深度，通过管桩桩身与周围土体的摩阻力与桩尖的端阻力共同作用，以达到设计承载力的施工方法。2 工艺工法特点2.1 预应力管桩能较好地适应各种软弱地址条件及荷载情况，具有承载力大、强度高、承压性能好、稳定性好、沉降值小等特点。2.2预应力管桩施工灵活，并能采用机械化施工，大大提高了施工速度。2.3 预应力混凝土管桩可较大地减轻自重，从而节省材料，增强其抗拉性能。采用工厂化预制，保证成品质量。3 适用范围3.1 适用于一般黏性土及填土、淤泥和淤泥质土、粉土、非自重湿陷性黄土等土层中使用，大量应用于提高各种建筑的基础承载力。沿海地区，由于软弱土层厚
3、、持力层埋藏较深，不宜作为基础持力层，或地基中有暗沟、深坑、古河道等情况，更适合于采用预应力管桩作为建筑的桩基础。3.2 建筑物荷载过大，地基软弱，地下水位较高而采用明挖基础沉降量过大，建筑物不允许有较大沉降；建筑物内外地面有大面积堆载，使软弱地基产生较大变形；或当基础可能有不均匀沉降而对建筑物造成危害。4 主要技术标准铁路桥涵地基和基础设计规范（TB 10002.5）铁路桥涵工程施工质量验收标准(TB 10415)铁路桥涵施工规范(TB 10203)公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50)铁路桥涵设计基本规范(TB 10002.1)公路工程质量检验评定标准(JTGF80-1)5 施工方法桩
4、机进场后就位，将预应力管桩安装在打桩架上，待桩位及垂直度用架设在下面和侧面的经纬仪校正合格后，即可将锤和桩帽压在管桩上，锤击打入管桩，同时应在管桩的侧面或桩架上设置标尺并做好记录。待一根插打到一定位置后接长管桩，循环以上步骤，直到达到设计深度为止，即完成预应力管桩施工，见右图，打桩机施工图1 。 图1 打桩施工图6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程预应力混凝土管桩施工工艺流程图（见图2）。试 桩施工准备桩位放样动载、静载水平荷载试验机械进场安装桩订购、进场接 桩掌握停打标准沉桩桩机移动就位决定桩的入土深度及桩机选择吊装喂 桩插桩、观测垂直度送桩做好观测记录整理资料桩机移位图2 预应力混凝
5、土管桩施工工艺流程图6.2 操作要点6.2.1 技术准备1 组织技术人员熟悉图纸，确定沉桩数量、沉桩深度、熟悉地质资料，并根据地质状况确定沉桩方法和选择沉桩机械。2 作出桩位编号图，桩位施工顺序图、主要工艺操作过程的要求，对拟用原材料的质量证明文件进行鉴别认可，编制进度计划，指定保证施工质量的措施。6.2.2 现场准备1 沉桩前处理好高空、地下和地上障碍物和地下电缆、坟、沟、坑以及地下旧有建筑，地下管网等。打桩机行走路线要平坦坚实，场地平整范围一般为建筑物基础以外46m以内的整个区域，地基承载力不小于100KPa。2 抄平放线。首先采用光电测距仪和精密水准仪从测网控制点引入，放出建筑物的轴线，
6、再以轴线控制桩定出基础的每个桩位（样桩），其偏差不得超过20mm。周围至少设4个桩控制点，控制点离建筑物最少15m以上，以减轻受打桩振动和挤土效应对桩位准确性的影响。3 进桩应尽量堆放在桩机前进方向的右侧，一次就位，上下桩配套供应，堆放在坚实地上。运到现场的桩应该按要求进行质量复查，不符合标准的桩严禁使用。6.2.3试 桩为了选择合理的施工方法和施工机具；决定桩的入土深度，使桩有足够的承载能力，为一系列沉桩施工提供准确的现场数据，使管桩施工满足设计要求，进行试桩。试桩过程中使用的各种测量仪器，在使用前应进行校验。用坠锤、单打锤沉桩，记录每下沉1m的锤击数和全桩的总锤击数；最后加打5锤，记录桩的
7、下沉量。算出每锤平均值 ，作为停到贯入度，单位以mm计。用柴油锤、双动汽锤沉桩。记录每下沉1m的锤击时间和全桩的总锤击时间；在剩余1m左右时，记录每10cm的锤击时间，取最后10cm的每分钟平均值作为停到贯入值，单位以mm计。6.2.4沉桩顺序沉桩顺序应根据现场地形条件、土层情况、桩距大小、斜桩方向、桩架移动的方便等综合因素来确定，同时应考虑使桩入土深度相差不多，土壤均匀挤密。一般基坑不大时，打桩应从中间分向两边或周边进行；当基坑较大时，应将基坑分为几段，而后在各段内分别进行，沉桩应避免从周边向中间进行，以免中间土壤被挤密，造成桩的贯入困难，在亚黏土和黏土地区应避免按一个方向前进，使土向一边挤
8、压，而使桩基产生不均匀沉降，当桩距大于4倍桩径时，可不受此顺序限制。如果在沉桩施工附近有建筑物或地下管线时，则沉桩顺序应背着被保护的建筑物方向进行或采取跳打的方法，以免沉桩时的挤土对其造成危害。 6.2.5沉桩施工沉桩前应对桩架、桩锤、动力机械、压缩空气管路等主要设备进行检查，如有不妥立即改正处理或更换。开始沉桩应起锤轻压，或轻击数锤，观察桩身、桩架、桩锤的垂直情况，待其一致后即可按要求进入正常沉桩，但在打桩过程中要解决好以下几个方面的问题。1 锤击沉锤应用适合桩头尺寸的桩帽和桩头衬垫。桩帽的作用是保持桩头正位，避免锤击应力集中和锤击偏心，使打桩时的打击应力得到缓冲和均匀分布，以延长撞击的持续
9、时间和桩的贯入，桩帽在桩头上要套得松些，以使桩头能够转动，但也不要套的太松，以免影响桩帽、桩身和桩锤的轴线重合。2 适宜的打桩衬垫既可以延长桩锤打在桩头的接触时间还可以增加打桩贯入力，也不会降低贯入度。当桩身较短，桩靴下阻力一般时，可用810 cm厚的木垫，当向很软的土层施打长桩时则应用1520 cm厚的木垫，当木垫被打硬、烧坏或打破砸裂产生不平等情况，都应及时更换。对于每一根桩原则上都应该是各使用一个新垫。对极难打人的管桩，在同一根桩的沉桩过程中，也可适时地更换新垫。3 打桩开始时，通过观测校进桩的竖直线或斜桩的规定倾斜度，打桩一开始就应保持好正确的垂直轴线，以避免桩头受偏打。建议采用固定式
10、导杆，横轴线与导杆轴线脱离平行时，要立即纠正。除在打桩开始时，可在导杆支座处，垫进楔块以校正桩轴线之外，管桩一经打入地下后，就不能再从桩头上或从接近桩头处来校正桩的位置和方向，以免使桩受到损害。要保证桩顶平面确实垂直桩身轴线，桩顶不得露出有钢绞线头或钢筋头，对于桩头的棱边和隅边，则要做出小斜角。打桩中要经常观察桩锤有无偏打和有无错位、衬垫有无不平、桩帽有无晃动，因为这些易引起桩头的破裂。4 如果打桩开始时的土层阻力很小，则要降低桩锤的锤击速度。在预估的软土层中打桩时或在打出现容易进的情况之下，都应降低锤击速度，以免产生致裂拉应力。在施打长桩通过软土层时，降低锤速尤为有效；射水沉桩时，要避免在桩
11、靴附近或桩靴下边射水，因为这将冲空桩靴底部或减弱阻力。对于许多砂层沉桩来说，最好使用大型桩锤打下，而不宜采用射水与锤击并用的施工法。5 每根桩一经开打原则上就不能中断，应连续直至打完。确定“停打”是一项重要的控制项目，应由施工技术负责人控制。因为打桩中断一定时间或桩的深度不够，桩周土质将趋于密实，摩阻增大不利桩的贯入，同时可能导致桩被打坏。打桩的停打深度，原则上是要使桩靴贯入持力层(非岩石层)内23倍的桩径程度。6 为了降低打桩应力，对于所需的打击能量，要使用重锤低打，而不是采用轻锤高打。应严格控制各种桩锤的动能：用坠锤和单动汽锤，控制单动汽锤的落锤高度调整装置；用双动汽锤时，可少开汽阀降低汽
12、压和进气量，以减少每分钟的锤击数；用柴油机桩锤时，可控制供油量以减少锤击能量。以后视桩的人土情况，逐渐加大冲击能量，至桩的入土深度和贯人度都符合设计要求时为止。坠锤落距原则上限在2 m以下，单动汽锤的落距原则上不大于0.6m。6.2.6 斜桩作业1 斜桩施工时，桩机下必须铺垫厚钢板。桩机履带应完全处在承垫钢板上，以补充地基承载力不足及保持桩机稳定；履带桩机前后液压支撑应支于承垫钢板上，防止桩机前后俯仰，减少沉桩时斜率变化。放桩位前，先按斜桩桩顶到地面的距离及斜桩方向，计算样桩提前量，然后再放桩位。2 斜桩的斜率控制，桩架上设置导向架，并确保桩身与导向架始终处于平行的状态。斜桩施工中，下节桩最为
13、关键，在桩尖入土34 m之内，应加强斜率监控，若发生垂直度和斜率变化，应及时修正；斜桩接桩时，上、下节桩应在同一轴心线上。桩起吊和插桩时，桩机导杆恢复垂直状态，方能施工。6.2.7 接桩作业沉桩过程中一般都需要接桩。接桩应要求迅速，尽量缩短停打时间，如停打时间过长，则周围土壤恢复使桩不易打入。桩头构造有多种形式，目前主要为法兰式桩头和焊接式桩头构造。法兰式桩头接桩时，将上下两节桩的法兰螺孔对好，并将上下两节桩的纵轴线对准，然后穿入螺栓，并对称地将螺帽逐步拧紧。待全部螺栓帽均拧紧并检查上下两节桩的纵轴线符合要求后，便可将螺帽点焊固接，然后在法兰盘上涂以防锈油漆或防锈沥青胶泥。法兰式桩头的优点是接
14、桩迅速，操作方便；但法兰式桩头构造复杂，用钢量较多，制造麻烦。焊接式桩头构造简单，用钢量较少，制造较方便；缺点是用手工电弧焊时，操作较麻烦，费时稍长，但如果采用管状焊丝半自动电弧焊则接桩施工也很方便。6.2.7桩身破损探查方法1 灌水探查向桩内灌水，如水面迅速下降，说明桩壁或接头必有破损，当尚难查明位置和破损情况。2 圆桶探查可用木料或铁皮做成圆桶，吊入桩内探查管桩内壁的混凝土块被打坏处的钢筋向内屈曲的情况及破损处的标高；并可探测桩内水位及泥面的标高。3 照明探测仅用于管桩内水面以上部位，自桩顶放入低压作业灯，并在等下安设45斜面反射镜，从上面直接观察。6.2.8 送桩桩头仍须继续沉入时，则需
15、送桩。送桩器应具有足够的强度和刚度，其长度为桩锤可能达到的最低标高与预计桩顶沉入的标高之差，再加上适当的余量。送桩器刚度宜尽量接近桩身刚度，且应考虑能尽量减小上拔时的阻力；送桩器应与管桩直径相适应，桩帽宜套人桩顶3040cm。送桩时，送桩过程中，应确保桩锤、送桩器和桩身在同一中心轴线上。送桩后，很容易使桩平面位置产生偏差，尤其是送桩深度超深，桩的偏斜越大。故施工中必须保证“送桩杆，与桩身的纵向轴线保持一致。送桩达到深度后，“送桩杆”不要急于拔出，可先将“送桩杆”拔松动后，待相邻桩入土深度超过拟送桩深度，再将送桩杆拔出。6.2.9 管桩填充方法1 填充透水性土当设计要求在桩内上面填充一段混凝土时
16、，其下段垫层应先填充透水性土，可直接倒人填充。为避免在管内相互卡住，倒入速度不宜过快，填充料最大粒径不能大于桩内径的1/3。结合实填材料的数量来掌握填充高度，并用吊锤探查核对填充高度，防止超填，如超填可用吸泥机吸出。2 填充混凝土当桩内无水，或桩内经过封底处理将桩内水清除干净以后，可用一般灌筑方法填筑混凝土，灌注不宜过快，逐层插捣密实，要掌握预计数量和实际填筑数量基本相符。每根桩应一次灌完。仅在桩头部分填充混凝土时，可在桩内悬吊底模，要求底模强度能承受灌筑混凝土时的荷载。3 用水下混凝土填充可参照灌注水下混凝土方法进行。6.2.10 管桩插打次数控制预应力混凝土管桩下沉打击次数宜按照下表控制。
17、表1 预应力混凝土管桩插打次数项目建议限制总的打击次数2000次最后10m范围的打击次数800次7 劳动力组织根据工程特点、现场施工需要，预应力混凝土管桩所需劳动力如下表2：表2 预应力混凝土管桩所需劳动力编号工种人员数量1技术员22质检13机长24装吊工15指挥16焊工27普工58后勤19司机28 主要机具设备8.1 桩锤8.1.1 桩锤的选择1 冲击能。 E250P式中 E锤的一次冲击动能(Nm) P单桩的设计荷载(KN)2 按桩重复核适用系数。 K=(M+C)W式中 K锤的适用系数 M锤重(锤的总重量)(kg) C桩重(包括送桩及桩帽、桩垫)(kg) w锤的一次冲击动能(kgm)算出的K
18、值不宜大于下列数值：对于单动汽锤及柴油打桩锤5.0对于复动汽锤3.5对于坠锤2.0当下沉钢板桩、工字钢及配合射水下沉管桩时，上列系数可提高50来选择桩锤。凡使用锤击法沉桩，原则上采用重锤低打。为了充分发挥锤的效率，在选用单动汽锤或坠锤时其重量最好为桩重的1.52倍，如超过2倍时可调整落锤高度。如无不合适的锤，在有条件情况下可辅以射水法沉桩。8.1.2 桩锤可分为坠锤、机动锤两大类。坠锤有穿心锤及龙门锤两种，机动锤有各型单动汽锤、复动汽锤、柴油打桩锤及振动打桩锤。对于预应力混凝土管桩，常使用筒式柴油打桩锤（见表3）。表3 筒式柴油打桩锤主要技术规格单位型号D2-12D2-18D2-25东风713
19、5上活塞重量kg1200180025003500上活塞行程mm2500256025002500冲击次数 次/min4260406040604060冲击能量kg.m3000460062508750下活塞行程mm270270370350 耗油量 L/h/918.51216极限贯人度 mm0.50.50.50.5重量kg27004200575080008.2 射水设备射水设备必须配合锤击沉桩使用。配合方法应根据地质情况选择：以射水为主或射水与锤击同时进行；或射水和锤击交替使用。采用任何一种方法，当桩尖接近设计标高时，均应停止射水。单纯用锤击下沉，使桩尖进入未冲动的土中，停止射水的标高，可根据沉桩试验
20、确定的数据及施工情况决定，当没有资料时，不得小于2 m。8.2.1 水压和水量计算实际施工中需要的水量与水压，因地质条件和所用桩锤配合的不同，应在施工前经过试桩后妥慎选定。锤击沉桩配合射水施工时要求的水压、水量可参考表4。表4 水压和水量桩穿过的土层沉桩深度（m）射水嘴处的水压（MPa）每根桩的用水量（L/min）细砂、黏砂土、泥砂、淤泥、松软黏土15250.71.0100012001200150025351.01.51200200015002500351.52.02000300025003500原始地层的砂及黏砂土，含有卵石及砾石的砂、中等紧密的砂黏土及黏土15251.01.51500200
21、02000250025351.52.02000300025003500352.02.53000400035005000密实的砾石层/2.54.5/30003500要求水泵的工作压力为： H=H1+H2+H3式中 H1射水嘴处需要的水压 H2水在管路中上升所需的水压 H3管路中压力损失8.2.2 高压水泵按上式算出射水沉桩所需的水压并查表得出每桩的耗水量就可选择高压多级离心水泵的型号和电机的功率。如单台水泵的工作性能不能满足水压的要求时，可将几台同样的水泵串联使用。这样其最终出水管的水压为各泵之和，而水量为单台水泵的水量。如已有的单台水泵的水量不能满足要求时，可将多台水泵并联使用，即将各台水泵都
22、连接在一条干管上，再连接到射水管使用。干管的水量略小于各台水泵水量之和，而水压等于并联各水泵中水压最小的一台。并联时的管路连接应尽可能地减小交角以减小水压损失。若单台水泵的水压和水量都不能满足要求，可将各台水泵先串联后并联来满足要求。8.2.3 水管输水管及其配件的尺寸尽量与水泵出口管径相同，固定的节段用钢管，必需活动的节段采用胶管，与射水管联接的一段胶管可使用比固定管路细一些的胶管，但其内径不应比射水管更小。钢管和胶管如无出厂证明，应补作水压试验。射水管一般要比输水管细，要坚固，以便起吊和拼接。一般射水管内径多用76 mm以内。射水嘴的大小根据工作水压及水量选择。9 质量控制9.1 易出现的
23、质量问题预应力混凝土管桩施工过程中常出现桩贯入度突然减少；基础桩身突然急剧下沉；发生倾斜或桩位移动；桩不下沉，桩身颤动，桩锤回跳；桩身转动、涌起。9.2 保证措施9.2.1 桩贯入度突然减少。一般是桩由软土层进入硬土层，或桩尖遇到石块等障碍物。此时不可硬打以免桩身被打坏。查明原因后，可加用射水配合沉桩将障碍物冲开，或改用能量较大的桩锤。9.2.2 基础桩身突然急剧下沉，有随时发生倾斜或移位的可能，一般是由桩身破裂、接头断裂或桩尖劈裂所致。应查明情况再决定处理措施。9.2.3 桩发生倾斜或桩位移动。产生原因，一般是桩尖不对称，或遇障碍物，或桩的接头在土中被打坏而错动；如倾斜移位原因是桩尖或接头在
24、土中被打坏，且倾斜移位值已超过容许限值时，可拔出换桩重打或在一旁加桩。如偏斜原因在桩顶或未入土部分或人土不深时，可用钢丝绳、链滑车等机具施加水平力纠正，桩头不平时可凿平或垫平再打。9.2.4 桩不下沉，桩身颤动，桩锤回跳。为桩尖遇到障碍物，或桩身弯曲，或接桩后自由长度过大。可分析障碍物的位置和类别，采取偏移桩位、加装铁靴，射水配合等方法穿过或避开障碍物。桩身过长可加夹杆。桩身弯曲过大，须换新桩。 9.2.5 桩身转动。多产生于桩尖制造不对称或桩身有弯曲时，除加强检查外，一般可不做处理。9.2.6 桩身涌起。在软黏士中沉桩，先沉下的桩能随土的涌起而上涌。涌起的桩的承载力将降低。应选择涌起量较大的
25、桩做冲击试验，如合格可不复打，如不合格除该桩应复打外，并应将其他涌起的桩同样再做冲击试验和必要的复打。10 安全措施10.1 主要安全风险分析预应力混凝土管桩属机械空中作业，受气候条件影响也比较大，而且吊装主要使用大型吊装设备，吊装难度较大；根据工程特点、所在地地理环境、进行安全风险分析并制定安全专项方案。10.2 保证措施建立健全的工程项目有关安全管理制度，对于所有进场施工人员进行上岗前的安全文明教育和安全技术交底，并核对特种作业人员上岗证，具体安全措施如下： 10.2.1 桩机安装完成后，应组织相关人员进行检查验收。主要检查各部件在空载时运转是否自如，有无异常响声，有无振动破坏现象，配重铁
26、块是否锁紧，并检查用电没备是否安装了漏电保护开关，电缆是否有乱搭、乱接及拖地现象等。10.2.2 压桩作业时，非工作人员须离桩机20m以外：施工人员应配齐各就各位,不得随意串岗或进行与作业无关事情；起吊重物时需有专人指挥，且起重臂下严禁站人。 10.2.3 起重机其中范围不得超过起重性能规定的指标。起吊管桩时，索具应吊在管桩0.3L（L为管桩长）以上位置，但离桩端必须大于1m；起重机吊桩进入夹持机构后，在压桩开始之前，起吊钢丝绳必须放松，压桩时则随沉桩速度不断放松，使吊钩始终处于不受力状态，最后通过司索工人工脱钩，这样既可以避免拉断钢丝绳或拉弯起重机吊臂，又可避免因强行摆臂脱钩或过长的管桩倾斜
27、造成管桩折断，从而发生断桩从高处掉下的意外事故。 10.2.4施工完毕的桩头上面要加盖，以防行人或杂物等掉入。11 环保措施11.1 改进施工措施在打桩前，预先打入钢板桩，可以用它来阻止沉桩时土体的部分侧向变形。设置排水和防挤砂井，可以使用超静水压力很快消散，减少土体的体积变形。砂井可采用取土换砂，有条件的可采取袋装砂井。设置管井井点降水，预先排出场地土层的饱和水，对削除沉桩过程中的孔隙水压力和土壤液化，将极为有利。开挖防挤沟和防挤孔，可减少沉桩过程中浅层土体水平位移，可减少沉桩对邻近浅埋管线和基础的影响。根据邻近建筑物、地下管线的布置情况，制定打桩顺序和流向。据经验和规则，沿打桩推进的前方，
28、空隙水压升高，土位移亦大，而其后方恰恰相反。故打桩应沿着背离建筑物而向空旷区推进，或采取间隔打桩，以免孔隙水压力累计上升，减少土体位移。控制打桩进度，避免沉桩速度过快。11.2 改善设计增加桩长，减少桩数； 增加桩距，减少桩群密度；加大桩区与邻近建筑物的距离。12 应用实例12.1 工程简介中铁一局集团京石铁路客运专线清苑制梁场位于保定市清苑县闫庄乡南闫庄村，现场地势平坦，梁场范围内最大高差仅0.4m，地质条件较好，地质构造主要以粉质粘土为主，部分地段有夹砂层，地下水位埋深约10m左右，不影响梁场结构物正常施工。梁场制存梁台基础处理采用预应力混凝土管桩，制梁台上部采取筏板式钢筋混凝土扩大基础，
29、以满足箱梁制梁需要。12.2 施工情况本项目在预应力管桩施工过程中，采用锤击法施工，单根桩插打、接长使插入深度满足设计要求一般在3小时是以内，顺利的完成了存梁台的基础施工，为后续预制梁施工打下了坚实的基础。12.3 工程结果评价预应力管桩桩身混凝土强度高，打入密实的砂层和强风化层，桩尖进入强风化层或密实砂层后，经过强烈的挤压，桩尖附近的强风化层或密实的砂层已不是原始状态。桩端承载力比原状提高80-100%，所以管桩承载力设计值要比同样直径的沉管灌注桩或钻孔桩高。其中管桩桩节长短不一、搭配灵活、节长方便，在施工现场随时根据地质条件的变化随时调整节桩长度，节省用桩量。12.4 建设效果及施工图片 图3 预应力管桩 图4 预应力管桩接长 13
