田福文

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 工程概述

湘江又稱湘水，是長江第五大支流，也是湖南省境內(nèi)最大的一條河流。湘江長沙航電樞紐工程（簡稱湘航）是湘江干流9級(jí)開發(fā)規(guī)劃當(dāng)中的最下游一個(gè)梯級(jí)，工程位于湖南省會(huì)長沙市下游，距市中心僅（20～30）km。樞紐從左至右依次為左岸改移防洪大堤、左岸副壩及三線船閘、二線船閘、一線船閘、26孔凈寬22 m的低堰泄水閘、1孔凈寬7 m泄洪排污閘、電站廠房、蔡家洲副壩、20孔凈寬14 m的高堰泄水閘及右岸副壩。

湘航碎石樁布置在除37#～40#孔以外的閘壩基礎(chǔ)、兩岸翼墻底板基礎(chǔ)。樁長（8～12）m或到巖石層，樁徑0.5 m，總共3 000根。

壩址地層主要為第四系全新統(tǒng)桔子洲組（Qj）地層，覆蓋層厚度為（4.0～22.2）m，局部為 35.1 m，從上向下依次為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、卵石層。

2 碎石樁的加固原理

振沖碎石樁主要是通過擠密、排水、置換三種工作機(jī)理完成對(duì)地基的加固，使軟弱松散的砂礫石地基形成復(fù)合地基，提高承載力、增強(qiáng)穩(wěn)定性、減少沉降量。

湘航工程主要通過碎石樁擠密作用完成對(duì)壩基砂礫石基礎(chǔ)的加固。碎石樁在沉管過程中，樁管對(duì)樁間砂礫石產(chǎn)生較大的橫向壓力，同時(shí)砂礫石在水平激振力作用下產(chǎn)生徑向位移，砂礫石顆粒重新排列趨向密實(shí)，從而提高砂礫石的密度，降低砂礫石的孔隙比。碎石樁施工過程中沉管反插也會(huì)使周圍砂礫石密實(shí)度增大，達(dá)到提高地基抗剪強(qiáng)度和抗液化能力。

3 壩基碎石樁設(shè)計(jì)

湘航右汊閘壩基礎(chǔ)碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）樁間距：樁距1.80 m，行距1.80 m，按正方形布置。

（2）樁長：要求樁體穿透砂礫石層或在密實(shí)電流狀況下不再下沉，平均長（8.0～12.0）m。

（3） 樁徑：樁徑 Φ500。

（4） 樁體材料：碎石材料采用未風(fēng)化（Φ20～Φ50）cm碎石，含泥量不大于5%。

（5）平面位置允許偏差不大于5 cm，個(gè)別位置可適當(dāng)調(diào)整，但不得大于30 cm。

（6）垂直允許偏差不超過碎石樁長度的1.5%。

（7）必須做試樁實(shí)驗(yàn)，根據(jù)試樁情況確定施工工藝參數(shù)。

（8）施工過程通過填料量、密實(shí)電流和留振時(shí)間3個(gè)參數(shù)來控制，振沖碎石樁的質(zhì)量以振沖器振動(dòng)時(shí)的工作電流達(dá)到規(guī)定值為控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 振沖碎石樁施工工藝

4.1 碎石樁施工方法選擇

碎石樁施工常用的方法有：振沖置換法、射水成孔法、沉管法、強(qiáng)夯置換法。項(xiàng)目部2010年1月在右側(cè)翼墻全風(fēng)化花崗巖土層區(qū)域、2010年3月在左側(cè)蔡家洲岸坡處（左岸翼墻）砂礫石基礎(chǔ)做了兩次試樁試驗(yàn)，同年7月又在35#閘室（砂礫石基礎(chǔ)）上做了生產(chǎn)性成樁試驗(yàn)，根據(jù)3次試樁成果，并結(jié)合湘江流域其它項(xiàng)目上碎石樁施工經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮成本、工期和處理效果后，確定湘航工程碎石樁采用沉管法成樁。

4.2 碎石材料的選擇

根據(jù)湘航工程附近石料分布和碎石需求總量情況，本工程碎石樁所需碎石采取外購方式。在設(shè)計(jì)、監(jiān)理和發(fā)包人共同見證下，通過對(duì)多個(gè)石料場料源進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、壓碎值以及含泥量的試驗(yàn)和監(jiān)測，最終選定丁字灣麻石場生產(chǎn)的花崗巖石料作為湘航沉管碎石，要求粒徑在（20～50）mm之間，且含泥量不得大于5%。

4.3 碎石樁施工設(shè)備選擇

根據(jù)壩基開挖進(jìn)度，壩基碎石樁2010年7月16日才能正式開始施工，施工時(shí)段正處于主汛期。振沖碎石樁傳統(tǒng)施工設(shè)備為履帶式，該設(shè)備對(duì)施工地面要求相對(duì)較高，特別是施工區(qū)域地面在主汛期經(jīng)常有積水，無論是施工還是文明生產(chǎn)需要，施工區(qū)域地面都需要鋪筑40 cm厚的級(jí)配碎石，而湘航使用的碎石是外購。如采用履帶式設(shè)備不但進(jìn)度難以有保證，而且增加工程成本，因而碎石樁施工設(shè)備的選擇至關(guān)重要。

根據(jù)業(yè)主對(duì)碎石樁施工進(jìn)度的要求 （2010年8月25日完成45#壩段以左碎石樁），湘航碎石樁采用DZ75KSA型液壓步履式振動(dòng)沉管樁機(jī)。該設(shè)備設(shè)有4條液壓支腿和1條行走油缸以輔助行走及回轉(zhuǎn)，可自行行走及360°回轉(zhuǎn)，也可整機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，自動(dòng)化程度高，施工效率高。

結(jié)合湘航右汊碎石樁工程量和業(yè)主要求的完工日期，湘航共投入4臺(tái)DZ75KSA型振動(dòng)沉管樁機(jī)。DZ75KSA型振動(dòng)錘具體參數(shù)見表1。

表1 DZ75KSA型振動(dòng)錘具體參數(shù)表

4.4 試樁施工

試樁主要是對(duì)振沖加固參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，以優(yōu)選合適的施工參數(shù)。如制樁順序、沉管提升速度、每次提升高度、留振時(shí)間、反插深度、填料量等。

根據(jù)本工程的地層情況，2010年1月在右側(cè)翼墻（全風(fēng)化花崗巖土層）區(qū)域、2010年3月在左側(cè)蔡家洲岸坡處（左岸翼墻，砂礫石地層）進(jìn)行振動(dòng)沉管樁試驗(yàn)，單個(gè)試驗(yàn)區(qū)平整面積為15m×15m，每區(qū)布置9根。通過試樁，確定本項(xiàng)目碎石樁施工參數(shù)如下：

（1）碎石樁采用振動(dòng)沉管法施工，按照從下游向上游逐行施打。

（2） 碎石連續(xù)級(jí)配，粒徑(20～31.5)mm，灌注量按照1.25的充盈系數(shù)計(jì)算。

（3）沉管提升速度1.0 m／min，每次提升高度為1.0 m，反插深度0.5 m。

（4） 留振時(shí)間（45～50）s，留振電流（90～100）A。

（5）樁身最終骨料高出地面（0.3～0.5）m

4.5 振沖碎石樁施工

4.5.1 施工工藝流程（附圖）

附圖 振動(dòng)沉管碎石樁工藝流程圖

4.5.2 施工順序

根據(jù)湘航右汊整體項(xiàng)目進(jìn)度安排、閘壩壩基開挖進(jìn)度和地層出露實(shí)際情況，并結(jié)合前期試樁結(jié)果，湘航右汊閘壩壩基碎石樁正式施工時(shí)，先在35#閘段進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，進(jìn)一步確定和優(yōu)化施工參數(shù)。在生產(chǎn)性試驗(yàn)完成后，業(yè)主委派湖南鑫湘物探工程有限公司，按照《港口工程碎石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JTJ 246-2004）要求，對(duì) 35#閘段試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行檢測。通過檢測數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)區(qū)域復(fù)合地基能滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)業(yè)主對(duì)碎石樁施工進(jìn)度要求，湘航碎石樁分為兩個(gè)區(qū)域同時(shí)施工，其中左岸9個(gè)壩段為一個(gè)施工區(qū)域，按照35#閘壩→36#閘壩→34#閘壩→33#閘壩→32#閘壩→31#閘壩→30#閘壩→29#閘壩→28#閘壩順序從下游向上游施工。左岸5個(gè)壩段為一個(gè)施工區(qū)域，按照43#閘壩→44#閘壩→45#閘壩→46#閘壩→47#閘壩順序從下游向上游施工。每一施工區(qū)域采用兩臺(tái)DZ75KSA型振動(dòng)沉管樁機(jī)進(jìn)行施工。

4.5.3 施工方法

（1）清理整平施工場地，進(jìn)行樁位放樣。

施工場地高程：成樁場地高程平整到20.0 m高程。

軸線放樣：根據(jù)控制點(diǎn)及設(shè)計(jì)圖紙，由專業(yè)測量人員測放出中樁，并加以妥善保護(hù)。

測放樁位：定位與打樁間隔不超過24 h，施工過程中，隨時(shí)復(fù)核，對(duì)因擠土作用引起的樁位偏差，及時(shí)調(diào)整。

（2）樁機(jī)就位，合攏合瓣樁尖，將管樁向下垂直，使樁尖對(duì)準(zhǔn)樁位標(biāo)記，利用錘重及沉管自重徐徐靜壓 (1～2)m后開動(dòng)振動(dòng)錘振動(dòng)下沉。調(diào)整樁機(jī)塔架，使沉管與地面基本垂直，校正樁管垂直度應(yīng)≤1.5%，校正樁管長度及投料口位置，使之符合設(shè)計(jì)樁長，設(shè)置二次投料口，

（3）啟動(dòng)振動(dòng)錘，將樁管下到設(shè)計(jì)深度，每下沉0.5 m 留振30 s。

（4）稍提升樁管使樁尖打開。

（5）停止振動(dòng)，立即將碎石由加料口注入樁管內(nèi)，灌入量按樁身理論方案量值與充盈系數(shù)計(jì)算，充盈系數(shù)不小于1.25，碎石灌注量不小于0.245 m3/m，同時(shí)做好現(xiàn)場施工記錄。

（6）振動(dòng)提升沉管：管內(nèi)灌入碎石高度大于1/3管長，開始提升沉管，派專人負(fù)責(zé)碎石灌入量，以防超灌或少灌。提升沉管前先振動(dòng)1 min，再邊振動(dòng)邊提升沉管，沉管提升速度為1 m/min(平均速度)，每提升高度1.0 m，留振時(shí)間（達(dá)到留振電流后持續(xù)時(shí)間）45～50s，留振電流對(duì) 74 kW 沉管機(jī)為（90～100）A，導(dǎo)管反插（0.4～0.5）m。

（7）提升沉管開啟第二投料口并停止振動(dòng)，進(jìn)行第二次投料直至灌滿。

（8）繼續(xù)邊拔管邊振動(dòng)，直至拔出地面。

（9）提升樁管高于地面，停止振動(dòng)進(jìn)行孔口投料（第三次投料）直至地表。

（10）啟動(dòng)反插，并及時(shí)進(jìn)行孔口補(bǔ)料，直至該樁設(shè)計(jì)碎石量全部投完為止。

（11）孔口加壓至前機(jī)架抬起，完成一根樁施工。（12）移動(dòng)樁架至另一孔位，重復(fù)以上操作。

（13）振動(dòng)沉管碎石樁處理完成后，在樁頂上鋪填40 cm厚碎石墊層，采用18 t振動(dòng)壓路機(jī)重疊輪跡碾壓4遍。

4.5.4 特殊情況處理

湘航碎石樁施工過程中，45#閘壩以右區(qū)域出現(xiàn)最大深度達(dá)12 m的淤泥層。原有碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù)難以達(dá)到固結(jié)效果，為保證復(fù)合地基滿足上部結(jié)構(gòu)承載力要求，設(shè)計(jì)對(duì)該部位進(jìn)行深挖換填和碎石樁加密加長處理，其中45#和46#閘壩按照原設(shè)計(jì)1.8 m間距施工后，再按照梅花形中間增加1根，間排距實(shí)際為90 cm×90 cm，增加樁數(shù)237根。另右岸下游翼墻主要為淤泥質(zhì)地層，間排距調(diào)整為60 cm×60 cm。

4.6 質(zhì)量控制

（1）嚴(yán)格按照試樁技術(shù)參數(shù)進(jìn)行施工，操作人員應(yīng)記錄施工開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、沉管深度、樁尖高程、提管高度、反插深度、留振時(shí)間及留振電流和投料量，同時(shí)注意各種參數(shù)的變化。

（2）碎石最大粒徑、最佳級(jí)配、充盈系數(shù)均通過試驗(yàn)確定，確保碎石樁填沖連續(xù)和均勻密實(shí)。

（3）沉管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，碎石按分批加料，控制數(shù)量，“少吃多餐”原則進(jìn)行灌注，且灌入量不少于設(shè)計(jì)值的95%。每段樁體要做到滿足密實(shí)電流、填料量和留振時(shí)間三方面的規(guī)定。當(dāng)達(dá)不到規(guī)定的密實(shí)電流時(shí)，向孔內(nèi)繼續(xù)加碎石并振密，直至電流值超過規(guī)定的密實(shí)電流值。

（4）振動(dòng)沉管碎石樁處理完成后，在樁頂上鋪填40 cm厚碎石墊層，并采用18 t振動(dòng)壓路機(jī)重疊輪跡碾壓至少6遍，保證復(fù)合地基密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）加料時(shí)應(yīng)停機(jī)加料，并注意提升速度，防止因提升過高而出現(xiàn)斷樁或縮頸現(xiàn)象。

（6）沉管提升和反插速度必須均勻，每次提升高度控制在1.0 m左右，反插深度控制在50 cm以內(nèi)。

（7）施工過程中及時(shí)清除提升沉管帶出的泥土，孔口泥土不得掉入孔中。

4.7 振沖碎石樁加固效果檢驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，在成樁1天后采用重型動(dòng)力觸探檢測樁體密實(shí)度，成樁7天后采用標(biāo)準(zhǔn)貫入方法檢測樁間土密實(shí)度，成樁7天后采用淺層平板重物載荷試驗(yàn)檢測單樁復(fù)合地基承載力。

湘航振動(dòng)碎石樁的檢測，業(yè)主委托湖南鑫湘物探工程有限公司進(jìn)行了檢測，具體檢測結(jié)果如表2。

表2 閘壩壩基碎石樁檢測數(shù)據(jù)

從表2數(shù)據(jù)可以看出，閘室復(fù)合地基承載力可取值300 kPa，壓縮模量Es均大于23 MPa（設(shè)計(jì)要求Es≥23 MPa），均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

（1）通過振沖碎石樁的加固作用，改善了閘壩地基的力學(xué)性能，使閘壩地基承載力、沉降量、壓縮模量以及穩(wěn)定性等均達(dá)到預(yù)想效果。

（2）液壓步履式振動(dòng)沉管樁機(jī)對(duì)施工區(qū)域地面要求低，可在砂卵石和粉質(zhì)土層上作業(yè)，施工區(qū)域不需要鋪筑碎石墊層。該設(shè)備機(jī)械化程度高、施工效率高、可自行行走及360°回轉(zhuǎn)。

（3）碎石樁具有良好的透水性，可加速地基固結(jié)，加固后地基承載力顯著提高。

（4）振沖碎石樁施工工期短、既不用水泥，又不用鋼材，可節(jié)省三材、加快施工速度，節(jié)省工程投資，是一種有效、簡便、經(jīng)濟(jì)的地基加固方法。

1 GB 50287-99.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

2 JTJ 246-2004.港口工程碎石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

3 JG J79-2002.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

4黃生根.地基處理與基坑支護(hù)工程[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.