改進(jìn)板樁沉樁技術(shù)在鐵板砂地層中的應(yīng)用

胡志勇

中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 上海 201399

鋼筋混凝土板樁是一種預(yù)制直立式擋土護(hù)坡樁型，因其質(zhì)量可靠、工藝簡(jiǎn)單、取材方便和施工過(guò)程無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種形式的碼頭和航道護(hù)岸工程中[1]。鋼筋混凝土板樁通常適用于軟弱地基的地質(zhì)條件，一般采用錘擊樁、振動(dòng)沉樁、靜力壓樁等施工工藝[2]。

其中，振動(dòng)沉樁工藝以振動(dòng)的方式降低樁周土體對(duì)樁的阻力，具有噪聲小、施工速度快的特點(diǎn)。但是，對(duì)于不易擾動(dòng)和清淤破壞的鐵板砂地層，振動(dòng)沉樁時(shí)存在土體不易振動(dòng)液化、樁體端阻摩阻大、進(jìn)尺速度慢，沉樁質(zhì)量不易控制等現(xiàn)象[3]。因此，預(yù)制板樁的振動(dòng)沉樁施工工藝也存在一定的局限性和缺陷性，需在應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行改進(jìn)[4]。

鐵板砂地層在我國(guó)分布較為廣泛，尤其是上海地區(qū)[5]。這是一種由粉土或砂土在地質(zhì)營(yíng)力作用下膠結(jié)而成的特殊泥沙沉積物，其表層土質(zhì)為高密實(shí)度的粉砂質(zhì)細(xì)砂和砂質(zhì)粉砂，顆粒堆積致密，強(qiáng)度較高，是具有一定厚度的硬殼層[6]。上海市蘇州河堤防達(dá)標(biāo)改造工程發(fā)現(xiàn)施工區(qū)段的鐵板砂地層沉樁阻力較大，插打困難。采用傳統(tǒng)板樁振動(dòng)沉樁工藝易對(duì)樁身混凝土造成破壞，并且進(jìn)尺速度緩慢、成孔質(zhì)量較差，樁頭粉碎損壞和脫榫現(xiàn)象嚴(yán)重，已無(wú)法滿(mǎn)足該鐵板砂地層的特殊地質(zhì)要求。因此，本文結(jié)合高壓水刀輔助沉樁技術(shù)，提出了分別通過(guò)水刀擴(kuò)孔和引孔降低沉樁難度的方法。即利用高壓水泵噴射的高壓水流形成水刀，先使其沖擊板樁行進(jìn)的地層，在原有樁位上形成預(yù)鉆孔，完成沉樁前擴(kuò)孔。然后，采用高壓水槍引孔，同時(shí)將其并入板樁一起插打，使高壓水流和沉樁工作同步進(jìn)行，直至將鋼筋混凝土樁打入地下。

該方法充分利用高壓射流水切割土體，沖散鐵板砂地質(zhì)層，以減小沉樁擠土量和防止地層重新固結(jié)。實(shí)踐表明，這種利用高壓水刀的沉樁施工工藝既能加快進(jìn)尺速度，提高生產(chǎn)效率，又能保證成樁質(zhì)量，同時(shí)還降低了對(duì)振動(dòng)錘的要求和施工成本，是一種簡(jiǎn)單、高效的輔助沉樁方法。

1 工藝原理及結(jié)構(gòu)組成

不同地區(qū)的鐵板砂地層特性不盡相同。根據(jù)已收集的資料，上海地區(qū)蘇州河（真北路—蕰藻浜）流域的鐵板砂成分主要為石英砂和黏土質(zhì)。地層平均比貫入阻力3.14～7.02 MPa。該地層表層堅(jiān)硬，不易進(jìn)尺，采用傳統(tǒng)振動(dòng)沉樁工藝進(jìn)行板樁施工時(shí)常出現(xiàn)插打施工困難、成孔質(zhì)量較差等問(wèn)題。

1.1 水刀輔助沉樁機(jī)理

針對(duì)鐵板砂地層，先對(duì)既定樁位進(jìn)行水刀擴(kuò)孔預(yù)處理，即由高壓水泵通過(guò)水管向水刀供水，利用高壓水泵急速射出的高壓水形成水刀，切割鐵板砂土體，沖散地質(zhì)層，并在原有樁位上形成預(yù)鉆孔，減小后續(xù)沉樁施工時(shí)樁與土體間的摩擦力以及樁周土體的側(cè)向阻力，并降低沉樁擠土量。

沉樁施工時(shí)，為防止鐵板砂地層的重新固結(jié)，降低沉樁施工難度，將高壓水刀放置于鋼筋混凝土板樁的下端，水刀噴射高壓水流與振動(dòng)沉樁同時(shí)進(jìn)行（圖1）。利用水刀噴射的高壓水流減少沉樁阻力，實(shí)現(xiàn)水刀引孔，同時(shí)邊引孔邊沉樁。

圖1 高壓水刀系統(tǒng)

1.2 工藝特點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單。高壓水刀輔助沉樁系統(tǒng)由鋼板樁固定樁和高壓水槍組成。該結(jié)構(gòu)只需數(shù)個(gè)普通無(wú)縫鋼管和螺紋套筒即可制作成高壓水槍頭，通過(guò)水管將其與高壓水泵相連，再使用1個(gè)鋼板樁作為水刀固定樁，構(gòu)成高壓水刀輔助沉樁系統(tǒng)。

2）工況要求低。使用高壓水刀可進(jìn)行任意形狀的擴(kuò)孔和引孔，其余工序只有吊車(chē)起吊預(yù)制樁、振動(dòng)打樁機(jī)沉樁，無(wú)需增加或者更換機(jī)械設(shè)備。

3）質(zhì)量和工效提升明顯。有效解決了板樁沉樁速度緩慢、樁頭破損、不能沉樁等情況，并對(duì)沉樁的整體線形及沉樁質(zhì)量有明顯的改善。同時(shí)降低了板樁脫榫率，減少了板樁處理費(fèi)用和施工周期。

1.3 工藝流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→清障→施工排架搭設(shè)→導(dǎo)向架定位加固→樁身檢查→樁機(jī)設(shè)備檢查→制作水刀→水刀測(cè)試→機(jī)械就位→起吊水刀→水刀引孔→吊樁→樁身垂直度校正→振動(dòng)沉樁至設(shè)計(jì)高程→異形樁糾位

2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 施工排架搭設(shè)

水上排架采用鋼管立柱與槽鋼橫梁的結(jié)構(gòu)。其中，立柱采用φ630 mm×8 mm鋼管，采用EX400型液壓振動(dòng)錘施工，鋼管柱長(zhǎng)9 m，沿河岸方向間隔2 m布置，鋼管柱距離老防汛墻不得大于3 m，管樁頂部通長(zhǎng)設(shè)置20#槽鋼作為打樁機(jī)械的行走軌道。樁頂標(biāo)高略高于老擋墻，以30 cm控制。為確保施工安全，排架外側(cè)2 m處，沿河岸方向每間隔50 m設(shè)置1根φ630 mm×8 mm鋼管柱，安裝安全爆閃燈，方便來(lái)往船只辨識(shí)，同時(shí)在樁機(jī)上設(shè)置防護(hù)欄桿等，加強(qiáng)安全防護(hù)，具體布置如圖2所示。

圖2 施工排架設(shè)計(jì)斷面

2.2 導(dǎo)向架施工

導(dǎo)向架對(duì)板樁正確定位、樁體垂直度及整體順直度有著直接影響，其質(zhì)量直接關(guān)系到板樁的施工質(zhì)量。因此綜合考慮導(dǎo)向架的強(qiáng)度、剛度、使用頻率及本工程地質(zhì)條件，導(dǎo)向架主梁采用厚10 mm鋼板焊接而成（圖3）。導(dǎo)向架長(zhǎng)6 m，寬20 cm，厚20 cm，2根主梁之間間距31 cm（比板樁寬1 cm）。主梁兩端設(shè)定位卡板，定位卡板采用厚10 mm鋼板，長(zhǎng)71 cm，寬10 cm，與導(dǎo)向架主梁焊接為一體。主梁上部每隔50 cm設(shè)定位角鐵，定位角鐵采用10#角鋼，厚10 mm，與主梁焊接為一體。

圖3 導(dǎo)向架設(shè)計(jì)斷面

2.3 水刀引孔

高壓水槍頭采用內(nèi)徑16 mm、壁厚0.5 mm的普通無(wú)縫鋼管制作（圖4）。每根鋼管的長(zhǎng)度確定為0.5 m。為確保射水的效果，上部進(jìn)水口部分為1.0 m，再分為2根射水管。材料準(zhǔn)備好后，將鋼管的出水端加工成扁橢圓形，橢圓寬度控制在2 mm，進(jìn)水端加工成螺紋套筒。高壓水槍頭制作完后，將其與固定鋼板樁牢固焊接。

高壓水刀如圖5所示。先采用高壓射水鋼板樁擴(kuò)孔是考慮高壓水刀可以沖散鐵板砂地層的灰色砂質(zhì)粉土層，為后續(xù)鋼筋混凝土板樁入土提供更大的空間。

高壓射水鋼板樁引孔：插打時(shí)，啟動(dòng)90 kW振動(dòng)錘向下振動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)高壓水槍射水，進(jìn)行正反引孔，引孔深度10 m（超過(guò)鐵板砂層不少于1 m）。

圖4 高壓水槍頭

圖5 高壓水刀

水刀引孔主要控制參數(shù)為：錘重2.5～4.0 t；錘擊力60～100 kN；每錘沉樁深度10～20 mm。2個(gè)水刀刀頭的噴射水壓力30 MPa。

停錘標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)高控制為主，貫入度作為校核，即最后3陣錘擊（每陣連續(xù)10擊）貫入度控制在5 cm以?xún)?nèi)。

2.4 吊樁、沉樁、送樁

鋼筋混凝土板樁吊起就位后，要緩緩放下，插入土中，同時(shí)進(jìn)行樁位和垂直度校正（樁身的垂直度由2臺(tái)經(jīng)緯儀控制，保證其精度差值小于樁長(zhǎng)的1%，并在沉樁過(guò)程中跟蹤監(jiān)測(cè)，保持垂直度）。待樁身垂直度滿(mǎn)足要求后，才能開(kāi)始施打。沉樁時(shí)架設(shè)1臺(tái)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的水準(zhǔn)儀，以便在施打過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行標(biāo)高觀測(cè)。

沉樁要平穩(wěn)，以保證樁頭完好。沉樁初始，應(yīng)控制沉樁速度，并由經(jīng)緯儀跟蹤監(jiān)測(cè)，保持垂直度。采用重錘輕打的措施，嚴(yán)禁盲目加油沉樁。

板樁沉入時(shí)必須隨時(shí)注意板樁與限位裝置（定位角鐵與限位板）的密貼程度，限位位置與先前沉入板樁之間的距離正好是沉入板樁的尺寸，使沉入板樁緊貼著先前沉入板樁打入，確保板樁之間不脫榫，即板樁的陰陽(yáng)榫口緊密對(duì)接。

3 質(zhì)量控制措施

1）鋼筋混凝土板樁運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后應(yīng)對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行檢查，進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的樁必須具備出廠合格證和型式檢驗(yàn)報(bào)告，符合設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求方可使用。

2）吊樁時(shí)要嚴(yán)格遵守安全技術(shù)操作規(guī)程，插樁后，應(yīng)該盡快調(diào)整樁機(jī)，并保持樁的垂直度，使其與壓入方向成直線。

3）在確定樁位中心位置無(wú)誤后，再正式打樁。在打入初期，應(yīng)將樁緩慢下沉，發(fā)生樁偏斜時(shí)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后再將樁送入設(shè)計(jì)樁位標(biāo)高。

4）沉樁應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，避免長(zhǎng)時(shí)間中斷。

5）停打標(biāo)準(zhǔn)為樁頂標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6）打樁時(shí)所用的測(cè)量?jī)x器應(yīng)注意經(jīng)常保養(yǎng)、檢修和計(jì)量標(biāo)定，以減少檢測(cè)誤差，施工中應(yīng)隨著樁的下沉認(rèn)真做好檢測(cè)記錄。

7）沉樁時(shí)若遇阻力突然增大，甚至超過(guò)樁機(jī)的最大打擊力，應(yīng)立即停壓并采取相應(yīng)措施，以免造成斷樁或其他事故。

8）建立質(zhì)量保證體系，健全各項(xiàng)檢查檢驗(yàn)制度。每個(gè)關(guān)鍵工序由專(zhuān)人控制，從制度和人員控制上保證施工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鋼筋混凝土板樁的振動(dòng)沉樁工藝進(jìn)行改進(jìn)，制成了專(zhuān)門(mén)的水刀擴(kuò)孔、引孔工具，順利實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土板樁在鐵板砂地層中的振動(dòng)沉樁施工。本文所提出的高壓水刀輔助沉樁方法操作簡(jiǎn)單，效果明顯，不但降低了板樁脫榫率，提高了板樁沉樁質(zhì)量，還加快了整體施工進(jìn)度。該工藝已應(yīng)用于上海市蘇州河堤防改造工程中的鐵板砂地層，取得了較好的實(shí)際效果，為水利工程中穿越鐵板砂地層的板樁振動(dòng)沉樁提供了一種可靠的施工方法。