高壓射流拔樁器沉樁及拔樁施工技術(shù)

劉云生，劉培勛，蘇茂榮

(1.河南黃河河務(wù)局，450003，鄭州；2.鄭州黃河水電工程有限公司，451450，鄭州）

一、概 述

黃河下游移動式不搶險潛壩應(yīng)用研究的任務(wù)是：根據(jù)黃河不同洪水運用工況條件下所設(shè)計的移動式不搶險潛壩試驗性工程的結(jié)構(gòu)形式，運用黃河機械修造廠研制的高壓射流成孔專用設(shè)備，在鄭州花園口黃河灘地進(jìn)行可移動不搶險潛壩沉樁和拔樁施工試驗，研究總結(jié)移動式不搶險潛壩合理的施工工藝和施工方法，達(dá)到混凝土預(yù)制管樁的重復(fù)利用和降低搶險成本的目的。

目前國內(nèi)外常見的沉樁施工技術(shù)主要有靜壓沉樁、錘擊沉樁、振動沉樁、鉆機成孔下沉鋼筋籠和射水沉樁五種方法，靜壓樁機沉樁、錘擊沉樁、震動沉樁方法在施工中都會對管樁造成不同程度的損傷，有的甚至對管樁造成破壞，不利于對管樁的重復(fù)利用，不符合移動式不搶險潛壩的設(shè)計初衷；而且這幾種動力沉樁機械自重過大，移動緩慢，對場地的耐力要求較大，不適于在黃河灘區(qū)軟基上施工。射水法沉樁是在管柱樁內(nèi)部或外部設(shè)噴射沖水設(shè)施，用高壓水流沖擊樁尖處的土體，并用水體回流將土顆粒浮起隨水流帶走形成沉樁孔，依靠樁的自重沉入孔中的沉樁方法。射流樁一般都采用預(yù)制混凝土空心方樁、管樁或鋼管樁，可以利用樁的空腔形成高壓射流通道。射水沉樁施工具有高效、快速的特點，適用于填土層、淤泥層、粉土和砂土層，對于較薄的黏土層成孔進(jìn)度減緩，較厚的黏土層則不易沖刷成孔。

本次試驗沉樁選擇了成熟的鉆機成孔技術(shù)沉樁和應(yīng)用本次研制的專用設(shè)備高壓射流拔樁器進(jìn)行沉樁施工兩種方法。本文主要介紹利用高壓射流拔樁器進(jìn)行沉樁施工的探索和研究。

二、高壓射流拔樁器專用設(shè)備介紹

高壓射流拔樁器工作由三大系統(tǒng)組成：供水系統(tǒng)、高壓射流拔樁器、起吊系統(tǒng)。

供水系統(tǒng)是由兩臺6sh-6A-Y225H-2電機通過兩根膠管為射流拔樁器供水，高壓射流拔樁器和供水管道連接，完成射水造孔任務(wù)。連接構(gòu)件為長度為6 m的18-22鋼絲繩 2根，U形卡環(huán)2個，壓盤1個。

三、高壓射流拔樁器沉樁工程施工

1.可移動不搶險潛壩工程布置

移動式不搶險潛壩試驗性工程位于鄭州市惠金區(qū)黃河河務(wù)局黃河灘區(qū)南裹頭大壩下游300 m處，管樁按照單排直線布置，管樁凈間距0.3m，工程軸線長50.4 m，樁頂高程平建設(shè)地800 m3/s水位，有63根預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁和上部連系蓋梁組成，成品管樁外徑0.5 m，壁厚0.125 m，樁長15 m，混凝土強度等級為C80，抗凍等級為F150。管樁施工結(jié)束后進(jìn)行相鄰管樁的連接，連系蓋梁的斷面尺寸：寬0.7 m×高1.0 m。每5根管樁為一個連接單位（見圖1）。

2.施工準(zhǔn)備

（1）施工場地布置

①場地平整：場地的地面高程應(yīng)與設(shè)計樁頂高程平，場地的平整度和地耐力應(yīng)滿足吊車的行走和供水系統(tǒng)的移動。②測量放線：按照設(shè)計放出每一個樁位，用鋼筋做標(biāo)記。③沉淀池和蓄水池：應(yīng)布局合理，以不影響吊車行走和供水系統(tǒng)移動為原則；蓄水的容量應(yīng)大于單孔排渣量，沉淀池的容量應(yīng)大于單孔排渣量的1.5～2倍；蓄水池和沉淀池的池面高程應(yīng)低于護(hù)筒頂高程0.5～1 m。④護(hù)筒：用6～8 mm的鋼板制成，直徑1.1 m，高1.5～2 m，頂部開設(shè)溢流口。埋設(shè)護(hù)筒后，在護(hù)筒四周用黏土回填，并分層夯實，使護(hù)筒中心和樁位中心重合。

（2）進(jìn)場施工人員、機械和材料

現(xiàn)場組織施工人員共計10名，另外根據(jù)需要臨時調(diào)用工人若干人。配套設(shè)備有75 kW發(fā)電機2臺，1輛50 t裝載機，1臺802推土機，1臺25 t吊車，1臺pc60挖掘機；1套高壓射水拔樁器。將63根管樁集中運到現(xiàn)場，單層擺放整齊。

3.高壓射流拔樁器沉樁施工

（1）造孔

根據(jù)高壓射流拔樁器的施工特點，將施工分為3期跳樁施工。

起吊高壓射流拔樁器，把拔樁器放入護(hù)筒，并使拔樁器居中。

拔樁器就位后，開啟供水系統(tǒng)開始射流成孔。成孔過程中注意觀察鋼絲繩的垂直度，避免發(fā)生孔斜。拔樁器下沉到預(yù)定位置時，減少供水，并同時吊出拔樁器，成孔結(jié)束。

（2）沉樁

成孔結(jié)束后應(yīng)立即進(jìn)行沉樁，吊索具的安裝應(yīng)提前進(jìn)行。用13顆φ27的螺絲將壓盤和管樁緊緊連接，壓盤和吊車吊鉤之間由2個U形吊環(huán)和2根等長的鋼絲繩連系，保證預(yù)制管樁與吊車吊鉤牢靠、便捷連接。起吊后利用十字交匯的觀測方法使管樁準(zhǔn)確就位，管樁中心和樁位中心重合。管樁就位后立即下沉，當(dāng)樁下到預(yù)定位置時，進(jìn)行高程控制，高程準(zhǔn)確后，利用吊車的擺動使樁到達(dá)設(shè)計樁位。然后填土固樁，吊車卸荷，沉樁結(jié)束。

高壓射流拔樁器沉樁施工工藝流程：開挖集漿沉淀池→吊車起吊射流拔樁器→定位→高壓射流拔樁器噴射水流沖刷下沉成孔→控制射流拔樁器下沉的速度和深度→達(dá)到設(shè)計深度停止供水→將拔樁器吊出→將管樁吊入沉樁→沉樁結(jié)束。

（3）施工中易出現(xiàn)的問題及解決辦法

①出現(xiàn)吊裝拔樁器的兩根鋼絲繩隨拔樁器的偏轉(zhuǎn)而扭到一起，影響拔樁器的下沉。原因：拔樁器射流噴管噴射角度不對稱引起反沖力不均衡。解決辦法：改進(jìn)拔樁器的噴流管，使其反沖力盡量均衡，同時要有防止鋼絲繩扭轉(zhuǎn)的外力措施。

②射流成孔過程中遇到不均勻分布的黏土層時成孔器下降受阻，進(jìn)尺緩慢。遇此情況，應(yīng)多次上提拔樁器并快速下降，靠拔樁器的自重沖擊、粉碎黏土層。

③射流成孔孔徑較大，沉樁樁位控制難度較大。樁位平面控制要用交匯法，即在樁位四周先定4顆控制樁，吊裝管樁時用十字交匯法把樁定位到設(shè)計樁位的垂線上，然后才能沉樁。

④沉樁高程難控制。應(yīng)采用沉（拔）樁器與管樁同步下沉的施工方法，利用管樁的中心空腔采用內(nèi)沖外排的方法進(jìn)行射流沉樁，在樁頂沉到設(shè)計位置后，用填土穩(wěn)樁法將樁穩(wěn)定到設(shè)計高程后再去掉吊具。

四、高壓射流拔樁器拔樁施工

已建混凝土樁安裝后經(jīng)過一段時間的沉積，樁體周圍的沙土漸趨穩(wěn)定密實，樁周圍土的粘結(jié)力很大。如果不采取輔助工程措施松動樁體四周的沙土，用起重機械直接吊拔是極為困難的。即便能用大型吊車、振動設(shè)備強行拔出，也極易造成樁頭或樁身薄弱部位的破壞，損傷較大，使混凝土樁無法重復(fù)利用。利用高壓射流拔樁器進(jìn)行拔樁是本次試驗工程研究和探索的重點。

1.高壓射流拔樁器拔樁準(zhǔn)備

①在潛壩的上游側(cè)布置清水池和沉淀池，供水系統(tǒng)也布置在上游側(cè)靠近清水池的位置，下游側(cè)布置供電設(shè)備和起重設(shè)備。

蓋梁斷面圖

圖1 樁壩結(jié)構(gòu)圖

②清除樁頂土和雜物，對鋼板上的絲扣進(jìn)行徹底清理，清理辦法為利用和絲扣相匹配的絲錐進(jìn)行攻絲。

③攻絲結(jié)束后，把壓盤盡快固定在樁頂鋼板上。

④護(hù)筒埋設(shè)：護(hù)筒為鋼制，高1.7 m，直徑1.1 m。護(hù)筒中心位置應(yīng)該和管樁中心重合，護(hù)筒筒身豎直。然后周圍填黏土，分層夯實。

⑤護(hù)筒埋設(shè)好以后，把起吊的鋼絲繩和連接鋼絲繩的U形吊環(huán)安裝在壓盤上。

2.高壓射流拔樁器清孔

在其他配套設(shè)備都調(diào)試好以后，起重機吊起高壓射流拔樁器，移動至管樁和護(hù)筒上方，由人工配合將射流拔樁器送入護(hù)筒，套在管樁的周圍，送入時應(yīng)注意鋼絲繩應(yīng)該從射流拔樁器的缺口處提出，防止壓在拔樁器下方。開啟供水系統(tǒng)，在樁周圍的土體被破壞后，靠自重作用下沉，直至沉到距樁底0～1 m時停止供水，完成清孔作業(yè)。

3.吊出管樁

射流拔樁器清孔結(jié)束后，立即將已經(jīng)安裝好的鋼絲繩掛到吊鉤上，把樁和射流拔樁器一起吊出，在吊出過程中應(yīng)注意及時向孔內(nèi)補充水，防止出現(xiàn)塌孔。吊出后應(yīng)注意把樁安全放倒在空地上。

拔樁結(jié)束后應(yīng)該對孔洞馬上進(jìn)行回填處理。

高壓射流拔樁施工工藝流程：拔樁施工準(zhǔn)備，清理管樁頂部鋼板上的絲扣，并連接上吊裝的壓盤和鋼絲繩→以管樁為中心埋設(shè)護(hù)筒→將拔樁器吊裝就位，開啟水泵形成高壓水流沖刷土體→拔樁器下沉至預(yù)定深度→將樁頂鋼絲繩掛上起重機吊鉤，將管樁與拔樁器同時上提→將拔樁器與樁同時吊出管樁孔，放下拔樁器與管樁，卸下鋼絲繩和壓盤→拔樁結(jié)束。

4.施工中易發(fā)生的問題及解決辦法

①拔樁過程中可能多次出現(xiàn)水泵壓力不足的現(xiàn)象，使拔樁器無法正常工作。原因，一是拔樁過程中水泵抽的水中混有一定量雜草，淤堵水泵進(jìn)水口，降低水泵抽水效率，影響拔樁器正常工作；二是水泵抽的是清水，泥漿少，當(dāng)水泵壓力降低，水流不能帶動樁周圍的泥沙上浮，而使其淤積下沉過快，無法繼續(xù)沖動管樁四周的沙土。試驗證明，改善水泵的進(jìn)水口條件、減少雜草淤堵是十分有效的。

②壓盤連接裝置在10 t的拔樁過程中沒有發(fā)現(xiàn)變形及破壞，說明壓盤裝置能夠承擔(dān)拔樁工作。但是上壓盤用時較長，影響施工效率。應(yīng)改進(jìn)起吊方式和起吊工具，提高裝卸吊索具的效率。

③連接拔樁器的上水膠管過于笨重，施工過程中隨拔樁器的升降移動水管十分費力，且占用較多人工。因此需要改進(jìn)上水膠管移動的方式，可以用移動方便的托架支撐水管移動，減輕勞動強度。

5.拔樁施工的控制措施

①水泵的控制。水泵的工作電壓應(yīng)控制在342～418 V范圍內(nèi)，接好電源后，先試運轉(zhuǎn)，檢查旋轉(zhuǎn)方向是否正確，水泵在水外運轉(zhuǎn)的時間不得超過5 s,以防過熱。水泵應(yīng)先放在堅固的網(wǎng)籃內(nèi)再放入水中，以防亂草雜物纏繞葉輪，其沉入水中最淺深度為0.5 m，最深不超過3 m；水泵不得陷入泥中，以防因散熱不良而燒壞。停轉(zhuǎn)后需間隔1秒以上才能再啟動。新水泵或新?lián)Q過橡膠密封圈的水泵使用50 h后，應(yīng)旋開放水封口塞檢查泄漏量，如不超過5 ml說明密封正常，若超過 5 ml，應(yīng)進(jìn)行 196 kPa（2 kgf/cm2）的氣壓試驗。

②供水壓力控制。拔樁開始后，觀察壓力水表，當(dāng)供水壓力維持在0.30 MPa以上時，拔樁器下沉14.5 m用時約10～15 min，吊車的提升力約為10 t，能成功將樁拔出。當(dāng)拔樁器的底部距離管樁底部接近0.5～1.0 m時水泵停止供水。

③拔樁過程中的控制。拔樁時應(yīng)平穩(wěn)勻速上提，同時及時向孔內(nèi)充漿注水，以保證在拔樁過程中不發(fā)生塌孔現(xiàn)象。指揮人員要注意觀察泥漿出流情況，施工中供水不能停止，只能逐漸減小，避免泥沙堵塞噴射水嘴和產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象。

④安全控制。管樁起吊要防止在起吊的過程中鋼絲繩滑脫；在拔樁施工中，一定要搭建施工安全平臺或設(shè)置安全防護(hù)網(wǎng)，保證現(xiàn)場施工人員的安全；在將樁和拔樁器拔出的過程中，要及時對孔內(nèi)補水或泥漿，防止塌孔事故發(fā)生；在拔樁施工結(jié)束后，應(yīng)及時對留下的孔洞進(jìn)行處理，不能給現(xiàn)場留下安全隱患。

五、結(jié) 語

本次試驗工程首次利用高壓射流拔樁器專用設(shè)備，探索驗證了毫無損傷拔出深埋沖積土層中混凝土預(yù)制管樁的可行性、可靠性，總結(jié)提出了高壓射流拔樁器在黃河灘地沉樁和拔樁的專項技術(shù)與工藝；研發(fā)加工了連接壓盤，保證了鋼筋混凝土預(yù)制管樁與吊車吊鉤牢靠、便捷連接。本次試驗工程由于時間較短，一些施工技術(shù)還有待更深入的研究探討。建議今后根據(jù)實際情況，繼續(xù)進(jìn)行研究試驗，以便進(jìn)一步積累經(jīng)驗，不斷完善施工工藝和施工技術(shù)，為這種新壩型推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。

[1]河南黃河勘測設(shè)計研究院.黃河下游移動式不搶險潛樁壩試驗工程設(shè)計[R].2009，5.

[2]鄭州黃河水電工程有限公司.黃河下游移動式不搶險潛壩施工技術(shù)研究[R].2009，7.

[3]建筑樁基技術(shù)規(guī)范.JGJ94-2008[S].

[4]徐維鈞.樁基施工手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.