微型鋼管樁在碼頭基槽開挖岸坡加固中的應(yīng)用

◎趙國(guó)軍 深圳海勤工程管理有限公司

重力式碼頭基槽開挖一般采用放坡大開挖的方式施工，但當(dāng)基床持力層埋深較大、土質(zhì)較差時(shí)，采用基槽大開挖施工勢(shì)必導(dǎo)致開挖范圍過(guò)大，對(duì)周邊環(huán)境造成不利影響。

隨著水運(yùn)行業(yè)基礎(chǔ)實(shí)施的快速發(fā)展，優(yōu)質(zhì)岸線不斷開發(fā)利用，某些碼頭工程需要在周邊環(huán)境復(fù)雜的條件下實(shí)施，如順岸相鄰碼頭已先行實(shí)施、碼頭結(jié)構(gòu)與護(hù)岸或陸域距離過(guò)小，難以采用放坡方式開挖基槽等。

為此，為解決復(fù)雜環(huán)境下碼頭基槽開挖的工程問(wèn)題，減少對(duì)周邊環(huán)境影響，確保岸坡穩(wěn)定。微型鋼管樁作為一種新型軟土地基加固形式被引入港口工程岸坡加固中使用。

微型鋼管樁是19 世紀(jì)50 年代由意大利的Lizz 提出，并被Fondedile公司首先開發(fā)利用。目前，微型鋼管樁已被大量應(yīng)用在邊坡抗滑、基坑圍護(hù)、軟土地基加固、建筑基礎(chǔ)加固等領(lǐng)域，取得了較多的研究成果。微型鋼管樁是利用地質(zhì)鉆機(jī)，鉆出直徑10～30cm的鉆孔，然后在鉆孔中設(shè)置預(yù)先在管壁加工微孔的鋼管，利用一定壓力將水泥漿或水泥砂漿注入固結(jié)成樁的一種新型微型樁。微型鋼管樁具有施工設(shè)備小、施工速度快、施工質(zhì)量可靠、對(duì)環(huán)境影響小，樁長(zhǎng)和樁截面尺寸容易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)（地質(zhì)）典型斷面圖

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)碼頭基槽開挖采用微型鋼管樁進(jìn)行岸坡加固的設(shè)計(jì)方案、加固機(jī)理、施工控制要點(diǎn)和實(shí)施情況進(jìn)行論述。

1.項(xiàng)目概況

廣東陽(yáng)江某碼頭工程，擬建兩個(gè)三千噸級(jí)多用途泊位（兼顧五千噸級(jí)），岸線長(zhǎng)度254m，碼頭結(jié)構(gòu)采用重力式結(jié)構(gòu)型式。北側(cè)為已建某基地碼頭（高樁梁板碼頭）及護(hù)岸（斜坡式），距離本工程碼頭結(jié)構(gòu)約15m。已建護(hù)岸原泥面高程約-1.2m，頂標(biāo)高5.0m，擬建碼頭基槽開挖最深處至-14.0m?；坶_挖深度大，對(duì)北側(cè)已建護(hù)岸將造成不利影響。

本工程設(shè)計(jì)高水位3.39 m，設(shè)計(jì)低水位0.51 m 。原泥面標(biāo)高-1.3～0.5m左右，表層連續(xù)分布厚度10～14m的淤泥-淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，呈流塑狀。下部為厚度2～4m不等的砂層，下伏燕山期全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等。

圖2 微型鋼管樁加固局部平面布置

圖3 微型鋼管樁岸坡加固典型斷面（開挖底標(biāo)高-14m）

2.岸坡加固設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

微型鋼管樁Φ 150mm，內(nèi)置Φ 89mm，壁厚6mm 焊接鋼管（Q235B），間距0.8m，正三角形布置。鋼管樁樁頂標(biāo)高均為2.0m。前部樁樁底標(biāo)高-17m，樁長(zhǎng)19m，樁底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖2m。后部樁樁底標(biāo)高-19m，樁長(zhǎng)21m，樁底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖4m。首排鋼管樁之間采用Φ600mm高壓旋噴樁封堵，樁底進(jìn)入基槽開挖底標(biāo)高以下0.5m以上。

各區(qū)段加固設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)碼頭基槽開挖深度調(diào)整：（1）基槽開挖底標(biāo)高為-14m，采用8排鋼管樁加固，首排樁采用高壓旋噴樁封堵，原護(hù)岸增加4排間距1.5m高壓旋噴樁加固；（2）基槽開挖底標(biāo)高為-12m，采用8排鋼管樁加固，首排樁采用高壓旋噴樁封堵；（3）基槽開挖底標(biāo)高為-10m，采用6排鋼管樁加固，首排樁采用高壓旋噴樁封堵；（4）基槽開挖底標(biāo)高為-7m，采用5排鋼管樁加固，首排樁采用高壓旋噴樁封堵。

2.2 細(xì)部設(shè)計(jì)

（1）鋼管制作。①本工程鋼管樁的清孔和注漿均利用鋼管，管口配置定制螺絲密封接頭。②管底焊接短鋼筋與孔底距離15cm，有利于孔底泥渣清除及返漿。③鋼管底部3m為出漿部位，每隔20cm打Φ6mm花孔，各孔位錯(cuò)開，平面上呈放射狀。④沿管壁每隔3m焊接3根Φ6mm定位筋。⑤后3排樁鋼管入巖段設(shè)置環(huán)箍，增加摩擦力，提高后排鋼管樁的抗拔能力。⑥鋼管分段長(zhǎng)度5～6m，采用套焊接長(zhǎng)。

（2）注漿材料。注漿材料采用42.5普通硅酸鹽水泥，加入早強(qiáng)劑，水泥漿水灰比0.6，水泥用量不小于50kg/m3。

（3）施工方法。施工平臺(tái)采用土石填筑且樁底要求入巖2～4m，三翼鉆頭難以鉆進(jìn)，應(yīng)采用合金鉆頭鉆進(jìn)施工。樁間距較密，且上部回填土石層滲透性較大，采用跳打施工，避免注漿時(shí)相鄰樁竄漿影響樁身質(zhì)量。先施工海側(cè)樁基，施工避開退潮時(shí)段，減少漿液流失。

3.微型鋼管樁加固機(jī)理

微型鋼管樁是在預(yù)成孔中插入鋼管，投入碎石，利用高壓把漿液注入鉆孔和周圍地層中，漿液以充填、滲透和擠密等方式，驅(qū)走碎石和土顆粒中的水分和空氣，充填于地基土體空隙和裂隙之中，從而使地基形成一個(gè)結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、防水性能高和化學(xué)穩(wěn)定性好的“結(jié)合體”。

微型鋼管樁復(fù)合地基由剛性樁體、漿液擴(kuò)散區(qū)和天然土體三部分組成，共同作用提高復(fù)合地基的承載力和地基穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)漿液在樁土交界面和碎石樁內(nèi)碎石的膠結(jié)，微型鋼管樁能全長(zhǎng)發(fā)揮樁的側(cè)摩阻力，將荷載傳遞給較深的土層，樁間土荷載相應(yīng)減?。涣硪环矫鏉{液改善了部分樁周天然土體的性質(zhì)，提高了原地基土強(qiáng)度和模量，最終降低地基沉降，提高地基穩(wěn)定性。

因此，微型鋼管樁復(fù)合地基加固機(jī)理除了自身鋼管具有良好的抗壓和抗剪能力外，漿液在孔內(nèi)與碎石骨料膠結(jié)成樁，提高樁側(cè)阻力，同時(shí)漿液向周圍土體滲透，改善樁周土性質(zhì)，使樁和樁周土形成一個(gè)整體性較好的復(fù)合地基結(jié)構(gòu)。

4.施工工藝及控制要點(diǎn)

本工程微型鋼管樁施工采用鉆機(jī)正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、自然造漿護(hù)壁成孔，投放瓜米石，注漿成樁的施工工藝。

4.1 施工工藝流程

測(cè)量定位、鋼管制作→鉆進(jìn)成孔→一次清孔→吊放鋼管→投放瓜米石→二次清孔→漿液制作→一次注漿→二次注漿→樁頭處理。

4.2 施工過(guò)程控制要點(diǎn)

（1）原材料檢測(cè)，微型鋼管樁原材料主要包括鋼管（含套管）、水泥、瓜米石、外加劑等。

（2）現(xiàn)場(chǎng)樁徑不小于設(shè)計(jì)樁徑，孔位偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于1%。

（3）一次清孔泥漿比重1.15～1.25，沉渣厚度不超過(guò)150mm，采用吊錘測(cè)量。

（4）瓜米石應(yīng)均勻沿孔口周邊緩緩?fù)度?，輕搖鋼管促使石子下沉，填入量應(yīng)不小于樁身（鋼管外）計(jì)算體積的0.8～0.9倍；二次清孔和一次注漿初凝過(guò)程中樁頂石子下沉后，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)填。

（5）二次清孔是在灌填瓜米石時(shí)進(jìn)行，利用鋼管一邊注水清孔，一邊投放瓜米石，直至孔口返出清水為止，比重不大于1.05。

（6）控制水泥漿水灰比，采用比重計(jì)測(cè)量。

（7）一次注漿壓力0.3～0.6 MPa，漿液在孔口充分溢出，其比重接近注入漿液比重可終止注漿。

（8）二次注漿一般在一次注漿初凝時(shí)進(jìn)行（暫按2小時(shí)），注漿壓力1.5～3.0MPa，漿液在孔口充分溢出，其比重接近注入漿液比重或當(dāng)注漿壓力大于2.5MPa并持續(xù)3min以上可終止注漿。

（9）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置自動(dòng)計(jì)量設(shè)備，記錄每根樁注漿量和總注漿量，注漿充溢系數(shù)不宜小于1.5。

5.加固效果

注漿成樁28天后，采用低應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性，樁基質(zhì)量判定為I類樁，樁身完整。

采用信息化施工，岸坡前沿設(shè)置深層水平位移測(cè)斜管跟蹤監(jiān)控深部土體變形情況。基槽開挖前兩周開始監(jiān)測(cè)，碼頭后方回填后繼續(xù)監(jiān)測(cè)一周。

通過(guò)分析深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（詳見(jiàn)圖4），基槽開挖期最大位移速率約為4.5mm/d，開挖結(jié)束后，位移速率呈明顯下降趨勢(shì)，至后期最大位移速率約為3mm/d，均小于變形控制值5mm/d。最大累計(jì)位移很小，約3cm。從總體變形趨勢(shì)看，變形曲線呈現(xiàn)類似于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的“掃把型”特征，變形由上至下逐步減小，表明地基經(jīng)過(guò)微型鋼管樁群樁加固后，形成一個(gè)類似于重力式擋土墻的剛度較大的岸壁結(jié)構(gòu)。變形曲線16m深度以下變形很小，底部位移基本為0，表明微型鋼管樁嵌固深度合理，對(duì)減小水平位移，保證踢腳穩(wěn)定至關(guān)重要。

圖4 深處水平位移測(cè)斜管變形曲線

綜上，樁身質(zhì)量檢測(cè)及施工期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用微型鋼管樁作為碼頭基槽開挖岸坡加固結(jié)構(gòu)，是有效可行的。

6.結(jié)語(yǔ)

（1）微型鋼管樁作為碼頭基槽開挖岸坡加固結(jié)構(gòu)，其對(duì)軟土地基加固是有效可行的。

（2）重視微型鋼管樁施工過(guò)程質(zhì)量控制，主要包括：原材料、清孔、骨料投入量、注漿壓力、注漿量、孔口返漿、施工工序等。

（3），對(duì)于主要承受水平力的微型鋼管樁岸壁結(jié)構(gòu)，通過(guò)加長(zhǎng)后排樁入巖深度，鋼管入巖段設(shè)置環(huán)箍，可提高樁體的抗拔能力。

（4）微型鋼管樁群樁加固后，形成一個(gè)類似于重力式擋土墻的剛度較大的岸壁結(jié)構(gòu)，變形曲線呈現(xiàn)類似于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的“掃把型”特征。必要時(shí)可在群樁頂部設(shè)置頂板或聯(lián)系梁，增強(qiáng)加固整體性。

（5）采用微型鋼管樁進(jìn)行岸坡加固，應(yīng)保證樁體下部具有足夠的嵌固深度。