浅谈先张法U型预应力混凝土板桩在水利工程中的应用

罗绍武

（广东省中山市阜沙镇水利所中山市528434）

浅谈先张法U型预应力混凝土板桩在水利工程中的应用

罗绍武

（广东省中山市阜沙镇水利所中山市528434）

文章结合中山市阜沙镇鸦雀尾水利枢纽工程对凝土板桩实际应用情况，阐述新型U型预应力混凝土板桩的生产工艺、结构特点、施工工艺、沉桩控制以及在工程应用中的优、缺点及施工中需注意的事项。分析先张法U型预应力混凝土板桩在各类水利工程中适用性，希望对类似的工程勘测设计、施工及工程管理有所参鉴。

水利预应力U型混凝土板桩施工

前言

目前，U型预应力混凝土板桩在水利行业乃至建筑行业都称之为新生事物。它是一种先张法的新型预制混凝土直立式挡土护坡桩型，以其独特的U型结构截面设计，在结构截面的高度和挡土宽度上有较好的实用性，抗弯、抗剪性能优良。相比普通混凝土管桩、搅拌桩、高压旋喷桩、钢板桩等传统的挡土护坡材料，U型预应力混凝土板桩具有自身的优点，在水利、市政、港口、码头、工业和民用建筑、道路桥梁等领域得到逐步利用，有较好的发展前景。同时，采用板桩施工也存在一定的局限性与缺陷性，在使用上需要有选择性。

1 先张法U型预应力混凝土板桩生产工艺与特点

先张法U型预应力混凝土板桩采用C60高强度混凝土材质，其生产采用车间流水性生产作业，同时采用蒸汽养护以达到供需强度和力学强度要求。具体生产工艺流程主要包括箍筋下料与加工、钢筋骨架绑扎、清模、涂刷脱模油、安装隔断、预应力筋铺放、初次张拉、安装钢筋固件及起吊件预埋件、二次张拉、合模、调直模具、整体张拉、混凝土搅拌并浇筑成型、蒸汽养护、起吊贮存等。

U型板桩主要工艺特点包括台座法生产、大吨位高精度预应力张拉、混凝土配合比的自动化控制、大流动度性能混凝土生产以及蒸汽养护。

2 先张法U型预应力混凝土板桩结构特点与参数

根据U形板桩桩身抗弯性能或混凝土有效预压应力的设计要求不同，其配筋也不同，同时桩头处另加设加强筋，桩型主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五种型号，级别越高力学性能也越高。一般标识为U-CS-450-Ⅰ-15，代表：截面高度450 mm,Ⅰ级、长度为15 m的U形板桩。现行市面上常见的U型板桩的产品规格截面高度一般为450 mm，截面厚度为120 mm，单桩宽度为1 000 mm，加上一侧止水橡胶带总宽度约1 020 mm。U形板桩的长度可以根据工程需要与设计要求进行生产，同时桩身设射水孔，单根长度最长可以达（30～50）m。在成品控制方面一般要求横截面相对两边之差不大于5 mm，凸榫和凹榫偏差不大于3 mm，保护层厚度偏差不超过5 mm，桩尖对桩轴线位移不大于10 mm，桩身弯曲矢高小于等于0.1%桩长，且不超过10 mm。

本文所列鸦雀尾水利枢纽工程实例中主要采用的是U-CS-450-Ⅰ-10、U-CS-450-Ⅰ-15和U-CS-450-Ⅲ-15三种类型的混凝土板桩，其具体与参数（附表）与截面型式（图1）如下。

附表具体参数表

图截面型式

3 作业形式与机械设备投入

U型板桩的施工目前主要有振动法与锤击法，振动锤可选择电振动锤和液压振动锤，辅助工艺包括高压水冲射、引孔植桩。施工机械可采用履带吊、桅杆式桩机和自行走式桩机。施工工艺与沉桩控制主要分为岸上作业与水上作业两种形式。水上作业机械设备多，稳定性差，施工难度大，过程较难控制，现场作业必须配备两台以上大型装载船只同时配合作业，必须针对具体施工条件制定详细的专项施工方案并经过专家认证后方可实施。岸上施工作业一般采用履带吊+电动振动锤的机械设备进行现场施工，有条件可另加设1台反铲挖掘机，配合对施工场地进行平整压实。

4 沉桩施工

4.1 沉桩施工前的准备工作

沉桩施工前应做好场地的“三通一平”工作，清除地下、空间障碍物，如地下块石、场地内原有地下管线，确保施工场地周围应排水畅通。边桩与周围建筑物（包括临时设施）的距离应大于4.5 m，打桩区域内的场地边桩轴线外扩6 m范围内用压机压实。现场接入120 kW电动振动锤动力电源，采用专线布置并做好线路架空。另外，在沉桩前必须做好技术交底。

4.2 定位放样与试桩

做好机械设备的进场前准备后，施工单位应再次对施工桩位与桩顶高程进行复核，并确定装机行进路线，同时根据设计水文地质资料，制定试桩方案。打桩施工前先开挖基槽，开挖宽度约1 m，深度为设计桩顶标高以下60 cm。然后打设定位型钢和架设导向架。定位型钢打设过程中要严格控制垂直度，垂直度偏差不宜超过1/200，定位型钢插入土内深度应适当加长，上端宜高出U形板桩设计桩顶标高（0.5～1）m。一切就绪后，在相关单位人员的见证下可开始进行试桩。定位型钢和架设导向架如图2所示。

图2 定位型钢和架设导向架

4.3 沉桩

4.3.1 沉桩工艺

沉桩时，各工序应连续进行，工艺流程如图3所示。

4.3.2 沉桩施工方法

为了使桩连接紧密，打桩是最关键的工序。为此，拟采用振动锤单方向顺序施工，以达到使桩紧密的效果。在沉桩时，桩锤和桩宜保持在同一轴线上。加强对沉桩施工过程的观测，对施工中出现的异常现象，作好记录，并查明异常现象的原因，采取相应的有效措施。沉桩完成时应及时进行夹桩，以便桩基形成一个整体，并进行沉桩偏位的测量。沉桩过程中严格按规范要求进行，控制好沉桩的施工质量。

4.3.3 板桩沉桩质量控制

因为混凝土板桩是刚性体，轴线方向阴隼阳隼锚固相连形成一堵地下墙体，所以定位桩的垂直度和稳定性很关键，在施工过程中应采用两台经纬仪严格控制板桩的垂直度和平面位置，并按要求将定位桩沉到设计标高，以确保定位桩的稳定性。完成定位桩的施打后，逐根依次将下一根板桩套隼插入，然后一次性沉桩到设计标高位置。在施打过程中，质量控制措施包括施打前确保预制桩的强度和龄期满足设计和规范要求；试桩时及时分析调整工艺，并留下记录；打桩前进行系统的轴线复合，板桩轴线偏差应控制在20 mm以内；检查和调整夹桩装置，以保证桩轴线符合要求，并防止板桩脱榫。打桩开始至入土2 m期间，发现偏斜应及时停机调整，如有可能，应把桩拔出，清障回填后重新沉桩；桩尖位于软土时，以桩尖达到设计标高为符合要求，桩顶允许偏差应控制在-50,+100 mm范围。板桩施打至接近规定标高时，应调节振动锤的参数来控制震动的频率及力度，以保证桩顶高程符合设计要求。

图3 沉桩流程图

5 板桩的特点与施工优点

（1）挡土截面大。U型混凝土板桩单桩宽度约1 m，挡土有效面积利用率高，可用于规模型挡土工程项目。

（2）材料性能较高。U型混凝土板桩采用“U”形结构截面形式，增大了截面惯性矩，抗弯、抗剪性能显著提升。

（3）节省工期。由于U型板桩采用工厂化生产，在设计完成后可根据设计需求定制和生产，在地质条件较好的施工场地，施工速度快，节省工期。

（4）施工范围广。因板桩的施工不需要大面积土方开挖，因此在施工场地窄、附近建筑物多的复杂或水上施工作业均可采用板桩施工，施工场地要求不高。

（5）耐久性好。U型混凝土板桩采用C60高强度混凝土材料，有较好的耐久性与耐侵蚀性，能满足工程使用年限要求。

（6）视觉效果好。板桩沿直线或一定弧度排列，各块板桩相连形成整体墙面，错落有致而不单调，有较好的视觉效果。

（7）工程设计配桩灵活。板桩可按照特定的工程要求进行工程预制预定，因此配桩较为灵活，提高材料利用率。

6 板桩的使用与施工缺陷

（1）生产厂家选用少。因板桩近些年才在工程中渐渐推广，目前该生产厂家数量不多，甚至一些省份无一家该板桩生产企业，因此在工程的使用上受限制。

（2）运输费用高。板桩采用工厂预制预定，成型达到强度后通过大型车辆和船舶方可运抵施工现场，因此桩长也受到一定限制，运输费用高。

（3）只限单桩高度，无法接桩。目前U型板桩还无法进行接桩，对于需求桩长较长的工程，U型板桩无法满足其要求。

（4）施工控制难度高。因板桩施工工艺相比管桩和其他桩型还不成熟，还缺少成套专业的机械设备进行沉桩施工。

（5）U型板桩为预应力板桩，桩身一旦破坏后将无法修复。因此对于U型板桩的施工工艺要求较高，必须严格控制好施工参数。

（6）止水效果不佳。虽板桩一侧设有20 mm止水橡胶带，但在运输、吊桩和沉桩过程中，破坏较明显，同时施工时相邻两板桩密实性较差，因此止水效果不明显。

（7）一次性施打，较难调整。当板桩入土一定深度后，遇到不明地质条件或偏差较大时，无法同钢板桩一样拔出来进行重新沉桩，超出桩顶高程部分只能破除，返工难度大。

（8）施工有方向性。因板桩入土侧桩头为单边锥形，限定了板桩施工只能从一侧向另一侧施工，不可分段施工或两头施工中间合拢的施工。

（9）无检验检测相关规范。对板桩的成桩质量，我国暂未制定统一的检测规范，只能参照管桩检测标准进行低应变检测。

7 板桩施工注意事项

板桩在水利工程中应用，首先要做好原材料的质量控制；考虑板桩的止水效果不佳，水利工程中尽量不采用板桩作防渗墙材料；在转弯半径小，变化幅度大的连接带，板桩施工难度大，衔接差，质量难以得到保障，不宜选用板桩施工；当挡土高程超过一定高度时，应在桩顶加设冠梁和拉梁加固，同时也可以在板桩侧基础部位施打搅拌桩进行固基。在施工安全管理方面，在桩基开工前，应测试检查履带吊机的提升装置、行走装置、回转装置、安全装置、电器设备、操作系统、静负荷试验、动负荷试验，以及震动锤的变频装置、安全装置、操作系统等，正式施打前应再次确认各种设备的安全，并留下记录；在安装钢围檩、吊桩、吊振动锤、移动履带吊时，吊车吊臂下方严禁站人；高处作业人员应绑好安全带，水上作业应穿好救生衣；沉桩过程中，指挥联络信号必须清楚而且统一；当风力达到6级以上时，必须停止打桩作业，并将振动锤放至平整坚实的地面上。

8 U形预应力混凝土板桩在水利工程中的适用范围

水利工程项目中采用U形预应力混凝土板桩时，应充分了解和分析当地地质条件。板桩在淤泥质土体中施工较为方便，当遇到较厚粉砂、中粗砂等砂性土体时，沉桩很难继续。另外，当地质条件复杂，变化较大时，板桩配桩难度大，施工较为困难。因此，目前U形预应力混凝土板桩在水利工程中一般用于河涌整治工程、河、湖护岸护坡工程，河堤岸墙加固支护工程，航道码头护岸工程，海洋围垦工程。在一些技术要求高、工程安全要求高、失事损失大的水利工程的关键部位，要谨慎使用。

9 结语

先张法U型预应力混凝土板桩因其结构与施工特点，配套投入的人员、工序相对较少。现场无需任何装膜、布筋与凝固时间要求，因此，在不具备开挖施工条件的高悬臂挡土结构的情况下，U型预应力钢筋混凝土板桩具有较大的优势。本结构在鸦雀尾水利枢纽工程中应用取得了良好的工程效果，可供其他相似工程参考。

[1]史佩栋.桩基工程手册[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]孙蓓.U型预应力混凝土板桩在直立式护岸工程中的应用[J].中国水运，2013，（07）.

[3]徐骏，尹云飞，王国栋，朱晓红.U形预应力混凝土板桩在河道护岸工程中的应用[J].科技创新与应用，2013，（20）.

2016-11-16）

罗绍武（1982-），男，大学本科，工程师，现从事水利工程管理工作。