预应力高强混凝土管桩施工偏位距离控制策略研究与应用

预应力高强混凝土管桩施工偏位距离控制

策略研究与应用

陈腊生 1 曾令诚 2 柯自刚 1 孟晨旭 2

1. 
   

2. 广东律诚工程咨询有限公司，广东 中山 528400；

3. 广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400

摘要：针对预应力高强混凝土管桩施工偏位距离偏大的问题，通过分析偏位距离偏大的危害及原因，根据施工实践经验提出了改良测量控制桩并用经纬仪配合激光水平尺实时校准垂直度的控制策略，该策略可有效降低预应力高强混凝土管桩偏位距离，解决偏位距离偏大导致的工程延期及造价升高的问题，该策略已成功应用于220kV君兰变电站中，并取得了良好的控制效果，有效论证了该控制策略的有效性及实用性。

关键词：预应力高强混凝土管桩，管桩施工，管桩偏位，距离控制

0 引言

预应力高强混凝土管桩具有施工工期短、施工桩身质量可靠、强度高耐冲击性能好、布桩灵活、施工后质量检测技术成熟、以及相对造价低等优点，已广泛应用于各类房屋建筑、厂房、桥梁等工程中。但管桩在施工过程中，因材料、施工工艺、管理不善等原因，不可避免造成桩身偏斜或位置偏移，使其产生偏位距离。因预应力高强混凝土管桩壁较薄,抵御水平剪切力及弯矩能力较差,若因桩身偏斜导致偏位距离过大,则将影响管桩的竖向受力，可能引发管桩桩身断裂等质量事故。若因位置偏移导致偏位距离过大，将无法满足设计承载力要求，需要加大承台或补桩。因此，预应力高强混凝土管桩在施工过程中的偏位距离控制至关重要。本文通过分析偏位距离偏大的危害及原因，根据施工实践经验提出了改良测量控制桩并结合激光水平尺实时校准垂直度的控制策略，该策略可有效降低预应力高强混凝土管桩偏位距离，解决偏位距离偏大导致的工程延期及造价升高的问题。

1 预应力高强混凝土管桩偏位距离偏大危害及原因分析

1.1 偏位距离偏大危害分析

预应力高强混凝土管桩偏位距离若超过规范，桩身竖向承载力将会受到影响,桩位偏移或桩身偏斜的管桩,其桩身承受竖向荷载的计算模式可以简化为承受竖向荷载又加上一个偏位矩和水平剪切力,这个偏位矩的大小为竖向荷载与偏位距离的乘积。由于预应力高强混凝土管桩（PHC）是空心结构，桩的壁较薄,抵御水平剪力及弯矩的能力较差。若因桩身偏斜导致偏位距离过大,则将影响管桩的竖向受力，可能引发管桩桩身断裂等质量事故。若因位置偏移导致偏位距离过大，将无法满足设计承载力要求，需设计单位进行受力复核，根据受力复核结果实施加大承台或补桩措施，因此，增加工程造价，延误工期。

根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》要求，当预应力高强混凝土管桩桩数为1～3根桩基时，其偏位距离允许偏差为10cm，当预应力高强混凝土管桩桩数为4～16根桩基时，其偏位距离允许偏差为1/3桩径或边长，但在实际的施工过程中，往往存在部分预应力高强混凝土管桩偏位距离不满足要求，如表1所示为近年来某供电局新建变电站工程桩位偏位距离统计表，由表中数据可知，在施工过程中偏位距离不满足要求的预应力高强混凝土管桩占比高达17%，因此需对该部分不满足要求的预应力高强混凝土管桩实施加大承台或补桩措施，增加了投资成本，给业主带来经济损失，因此，将预应力高强混凝土管桩偏位距离控制在规范要求范围内至关重要。

表1 近年来某供电局新建变电站工程桩位偏位距离统计表

1.2 偏位距离偏大产生的原因分析

针对上述供电局三座变电站管桩偏位距离偏大的问题，对其原因进行了统计分析，如表2所示为某供电局三座变电站管桩偏位距离偏大原因统计。

表2 某供电局三座变电站管桩偏位距离偏大原因统计

由表2数据可知，预应力高强混凝土管桩桩身不垂直与装位放点不准确是造成偏位距离过大的主要原因，其占比约占80%。其中造成桩身不垂直的原因有：管桩自身存在弯曲，材料进场把关不严；作业前未进行施工方案交底；未按打桩顺序进行打桩；地质勘察结果不准，打桩时遇孤石，桩身偏斜；地基沉降发生偏移；管桩上下节焊接时发生倾斜。而造成装位放点不准确的原因主要有：测量仪器误差，桩位放样偏差超过规范；桩位未保护好，发生偏移等。

为进一步确认其最主要的直接原因，通过现场检查及报告查询方法并制定确认标准及过程，对上述原因逐一排查，得出未采用水平尺实时校准垂直度与未采用牢固的测量控制桩是其最主要的直接原因，如表3所示。

表3 最主要的直接原因统计分析

2 降低预应力高强混凝土管桩偏位距离关键控制策略

通过上述所得出的最主要的直接原因，本文采用改良测量控制桩并结合激光水平尺实时校准垂直度的方法来降低预应力高强混凝土管桩偏位距离，其关键控制策略如下：

2.1 预应力高强混凝土管桩质量控制及要求

预应力高强混凝土管桩要选用经省、市建设主管部门认证的有生产资质，产品质量稳定，信誉度高的专业生产厂家的优质产品。每批管桩进场时，施工项目部派专人全数检查验收。检查其产品检验报告、出厂合格证、桩体外观质量、桩体弯曲、桩顶面平整度等是否符合规范要求。施工项目部材料员、质检员、技术员严格按照规定对管桩的原材料如强桩体弯曲、桩顶面平整度进行重点控制、验收。利用激光水平仪的红外线沿预应力高强混凝土管桩中心打直线，在二头及中间做标记。然后把红外线拉到管桩的边缘，做好标记，用尺子量管桩二头及中间距离，距离都一样管桩是直的。如果距离超过桩身弯曲度，大于1/1000L，做好标记。用水平尺量桩顶面平整度，发现桩帽桩表面不平，超过规范5mm的，做好标记。检查不合格的管桩，应登记在不合格材料检测台帐上，按不合格产品清退施工现场，从原材料上保证桩的垂直度及桩表面平整度。

2.2 基于改良测量控制桩的测量放坐标定位点控制方法及要求

根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002验收规定：桩位的放样允许偏差如下：群桩20mm；单排桩10mm。

施工管理人员要熟悉设计图纸，根据对甲方提供的规划坐标控制点在图纸上标注。在施工现场或附近需引测控制点，数量不少于4个，控制点的设置点应在受打桩振动、挤土效应和基础开挖对桩位准确性的影响范围之外，并妥善加以保护。根据施工桩位平面图标注的坐标点，采用全站仪运用极坐标的方法放出桩位及坐标点，在桩位插入40～50cmΦ8钢筋或竹签作为桩位标记，并在其上面涂上醒目的红油漆或红色胶带，平面控制桩的精度应符合二级导线的精度要求。然后由另一组测量员从相反方向进行复测，桩位坐标点允许偏差应满足规范要求。

2.3 桩机水平、桩架垂直度控制及要求

桩机进场前，对施工现场桩位坐标点进行复查，避免地表沉降发生坐标点偏移引起误差。高强预应力混凝土管桩沉桩施工过程中，桩机本身垂直度控制非常重要。施工场地内表层土质密实度，要确保承载力满足桩机械施工及移动过程中不至于出现沉陷，对局部软土层可采用事先换填处理或填石渣，保证桩的坐标控制点不偏移。桩机就位后，检查各部件及仪表是否灵敏有效，底盘平整度利用桩机的液压系统调节机身水平。利用激光水平仪打直线，检查桩机底盘的平整度，桩机的水平偏差不得超过3mm,超过要求及时纠偏。桩机塔架的垂直度调整是通过桩身支撑的油缸来调节的,在桩机正方和侧面各设一个垂球架，检查桩架垂直度,偏差不大于0.3％或5mm，应及时调整。当场地不平整，桩架发生较大倾斜，采取措施调整桩机，使保持平衡，桩机的垂直度达到要求后，再进行下道工序。

2.4 预应力高强混凝土管桩第一节桩对中及调直控制及要求

先将桩锤提至超过管桩长度1m左右范围内，预应力高强混凝土管桩起吊和搬运时必须做到平衡，水平起吊运可采用二点起吊，吊点离桩段0.20L（L为桩长）。一点起吊，吊点距桩端0.30L（L为桩长）,预防管桩弯曲。管桩的桩尖大小与管桩型号要一致，桩尖用红色油漆标涂中心。将预应力高强混凝土桩管桩吊入夹持器中夹紧，利用桩机的沿十字轴线运行的特点快速对准桩位，偏位不能大于5mm。桩机对中时可同时进行纵横移动或回转，以桩位上的坐标点（钢筋头）为中心，用圆木板心对中桩位，画圆圈于地上。桩尖焊接时，调整位置将管桩下端的桩尖中心准确对准坐标点（钢筋头）。桩入土时，桩周边刚好与圈边重合。二个施工员利用二台经纬仪，在相互垂直的两个方向，用经纬仪的十字丝的竖式丝，从桩顶慢慢往桩底检査桩的垂直度。第一节桩起吊就位插入地面时的垂直度偏差不得大于0.5%，发现桩的偏差超过规范,立即与桩机手联系，利用桩机的桩身支撑的油缸来调节管桩身的垂直度。

2.5 预应力高强混凝土管桩打桩垂直度控制及要求

经过观测校进预应力高强混凝土管桩的竖直线，打桩一开始就应保持好正确的垂直轴线，以避免桩头受偏打而偏位。沉桩时桩帽要与桩头的尺寸相匹配，桩帽的尺寸要使帽与桩周边的间隙控制在5-10mm之内，桩帽过大会造成管桩偏位，开始打桩时应用短落距轻打数锤，重锤低击，桩帽内要做缓冲垫，上下垫厚度压实后不得小于150mm。高强预应力混凝土管桩桩管下端 0.3～0.5m 桩身进入土中。用经纬仪和激光水平仪在桩机两个方向相互垂直的地方，观测桩机、桩的中心线是否在同一垂直线上。打桩过程中，当桩身倾斜超过0.6%或10mm，应立刻采取措施纠正，利用桩机撑杆电动机和左右移架调整桩管至符合施工要求，也可以拔起管桩并在孔洞内填砂后重打。在第一节桩沉管 2m 范围内，应采用空档或低档锤击桩管，以便于边施工边调整垂直度。施打时桩帽、桩锤、桩应在同一直线上。打桩过程中要由质量员、技术员观察桩锤有无偏打、有无错位、桩帽有无晃动、稳定性、桩架移动和固定是否安全等，这些是引起桩头偏位距离的主要因素，应重点控制。

2.6 预应力高强混凝土管桩接头焊接及打桩质量控制及要求

当一节预应力高强混凝土管桩打入土中剩余60～80cm时，可根据配桩长度要求，吊放第二节桩驳接，尽可能达到或接近设计桩长的要求。管桩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，上下节桩对齐。采用二氧化碳保护电焊接桩法，要求两桩中心线必须在同一直线上，偏差不能超过5mm，节点弯曲矢高不得大于0.1%桩长且不大于10mm，并应保证上节桩的垂直。焊接时要把两桩驳面和坡口面上的杂物泥土清除干净，如桩节间隙较大，可用铁片填实焊牢，结合面间隙不得大于2mm。利用激光水平仪在两个相互垂直的方向，检査桩的垂直度，符合要求后。在直径方向上的四点点焊固定，由两焊工同时分别由该点同向焊接。打桩时用经纬仪在桩机两个方向相互垂直的地方，观测桩机、桩的中心线是否在同一垂直线上。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，避免外力造成管桩上下节错位或弯曲，增加管桩偏位。打桩施工过程监控等责任落实到人，设立质量检查员制度，对打桩施工中桩身突然倾斜、跑位等要及时发现，分析造成偏位距离原因，制定应对措施。打桩、接桩，重复以上工序。

2.7预应力高强管桩产生挤压效应造成桩的偏移控制及要求

预应力高强混凝土管桩在编制施工方案时，要确定打桩机进出路线及打桩顺序。对于密集桩群，自中间向两个方向或四周对称施打。根据基础的设计标高，宜先深后浅。根据桩的规格，宜先大后小，先长后短。施工场地土质类别不同的，应先打低类质土，打好的管桩每天监测及位移情况，做好统计分析。挤土效应一般表现为施工现场土体表面的隆起和深层土体的横向挤出，挤土效应对已经施打的桩的影响表现为桩身倾斜，桩焊接处出现裂缝。控制不好，桩的累计偏位率超过规范。直径大的管桩体积大，对周围的挤压效应就强，更容易导致已施工的桩偏移和倾斜。如果打管桩施工顺序不当，当天成桩数量太多挤土效应，使四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态。

3 应用实例

3.1 工程概况

220kV君兰变电站工程占地26.2725亩采用高强度预应力管桩，桩径Φ500，单桩设计长度40m，为摩擦端承桩形式，共857条，本工程地基淤泥层较深，在桩机行走及打桩过程中，容易出现偏位现象。

3.2 控制策略

业主、施工、监理项目部根据施工现场地基复杂的实际情况，结合管桩施工实践经验及公司有关质量体系文件，明确管桩偏位距离质量控制关键环节和影响主要因素。由业主、监理、设计、施工质量及技术等部门共同商讨，编制质量控制点明细表，纳入施工项目部质量管理文件中，作为重点控制。在工序交接验收中，监理项目部用全站仪对高强预应力混凝土管桩桩位坐标点进复核，发现十个桩位坐标点偏位较大，最大的偏位为140mm，超过规范要求，监理单位要求施工单位采用文中提出的改良测量控制桩并结合激光水平尺实时校准垂直度的方法进行整改，有效地降低了预应力高强混凝土管桩偏位距离。

3.3 实施效果

采用文中提出的改良测量控制桩并结合激光水平尺实时校准垂直度的控制措施后，该站预应力高强混凝土管桩偏位距离有效控制在了100mm范围内。按期完成了本工程任务，有效降低了业主的建设成本，节约投资约24.5万元，且该工程被被评为广东电网公司有限责任公司2020年度“安全、优质、文明”样板工程。

4 结束语

预应力高强混凝土管桩沉桩施工是工程地基与基础重要环节，也是一个薄弱环节。通过预应力混凝土管桩工程实例，分析了预应力高强混凝土管桩偏位的原因，提出了降低偏位距离控制措施，采用改良测量控制桩并结合激光水平尺实时校准垂直度施工方法。该方法具有检查快速、方便、容易掌握等优点。将该方法运用在了220kV君兰变电站工程，取得良好的经济效果，论证了该方法有效性及实用性，为解决管桩偏位难题积累了经验。

参考文献

1. 
   

2. 《建筑工程施工质量验收同一标准》GB50300-2013

3. 《建筑桩基技术规范》JGJ94-2019

4. 《预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-98

5. 《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2002

6. 广东省标准《锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-2008