一種水下斜樁拔除防斷樁裝置

張 良

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200438

拔樁施工常用的方法有：靜拔法、高壓旋噴泥漿拔樁法、振動(dòng)沉管高壓水切割拔樁法、FCEC全回轉(zhuǎn)拔樁法。對(duì)混凝土空心方樁樁身強(qiáng)度較低，若直接采用靜拔法，拔樁過(guò)程中很有可能會(huì)拔斷。高壓旋噴泥漿拔樁法容易造成預(yù)制樁破碎、樁基接頭焊口斷裂等，樁土分離程度受周?chē)貙用軐?shí)度的制約較大，尤其是斜樁拔樁的施工質(zhì)量更不易保證。對(duì)于斜樁，在錘擊沉管過(guò)程中，管壁與樁身容易發(fā)生相互摩擦，且高頻振動(dòng)易引起周?chē)馏w液化，施工擾動(dòng)較大[1-2]。

本工程中采用了帶改造裝置的振動(dòng)沉管拔樁方法，該方法在打設(shè)鋼套管的同時(shí)，開(kāi)啟空壓機(jī)和高壓離心式水泵，通過(guò)對(duì)樁側(cè)泥土的沖刷和稀釋來(lái)減少拔樁阻力，通過(guò)改造裝置讓拔樁套管適應(yīng)待拔樁體自身的角度，防止斷樁。

本文通過(guò)對(duì)樁基拔除裝置的介紹，簡(jiǎn)析裝置的制作、使用方法，淺談水下斜樁拔除防斷樁裝置的應(yīng)用。

1 工程概況

上海港機(jī)廠碼頭位于上海黃浦江中游，楊浦區(qū)楊樹(shù)浦路南側(cè)，因江浦路越江隧道的建設(shè)，需把該區(qū)域內(nèi)的69根500 mm×500 mm預(yù)應(yīng)力方樁拔除，其中垂直樁55根，斜樁14根，樁長(zhǎng)均超過(guò)31 m。拔樁順序由西向東進(jìn)行（圖1）。

圖1 樁體平面布置

本工程水上拔樁數(shù)量較多，樁型較多，而且樁長(zhǎng)、水深，還有部分斜樁，且其中多數(shù)樁基位于水下，樁位不明，水下可能還存在不明障礙物，影響拔樁施工，拔樁施工難度非常大。

2 樁基拔除防止斷樁的必要性

在盾構(gòu)穿越過(guò)程中，特別是泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，其本身設(shè)計(jì)構(gòu)造就沒(méi)有切割樁基的能力，在碰到障礙物后就不可避免地對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成很大的麻煩。輕則造成壓力波動(dòng)、管路擁堵，重則造成堵管、停機(jī)，甚至須開(kāi)倉(cāng)進(jìn)行清理。這樣一來(lái)，不僅對(duì)出倉(cāng)處理人員的人身安全產(chǎn)生危害，而且盾構(gòu)機(jī)前方土體容易失穩(wěn)，甚至坍塌，風(fēng)險(xiǎn)巨大。另外，拔樁區(qū)域周邊建（構(gòu)）筑物眾多，土體沉降、坍塌后，不可避免地會(huì)對(duì)防汛墻、輪渡碼頭等產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其不均勻沉降、開(kāi)裂甚至坍塌的嚴(yán)重后果。

在本文所述工程拔樁過(guò)程中，因?yàn)榘螛秴^(qū)域位于黃浦江駁岸，待拔樁基的樁頂周?chē)嬖诖罅繏伿?，拋石本身成為了套管下沉的障礙物，而且水下清理拋石的難度大，不能確保清理干凈，這樣對(duì)拔樁套管下沉角度、下沉速度、質(zhì)量等都產(chǎn)生了不同程度的影響。有時(shí)拔樁套管與待拔樁基之間的間隙會(huì)被拋石卡住，造成套管不能下沉。嚴(yán)重時(shí)，套管碰到拋石后會(huì)產(chǎn)生變形，甚至破壞，導(dǎo)致拔樁施工不能順利進(jìn)行。另外，在最初直樁的拔除過(guò)程中，部分樁基受套管下沉擠壓影響造成不同程度的損壞，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損、碎裂的現(xiàn)象。樁基拔出后發(fā)現(xiàn)只有鋼筋連接，有部分混凝土碎塊遺落在地下。這些碎塊在土層中淤積，待盾構(gòu)掘進(jìn)至此位置時(shí)，會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)的泥水環(huán)路吸口堵塞或者堵管，不利于盾構(gòu)推進(jìn)。

在斜樁角度復(fù)核的過(guò)程中，原來(lái)施工的斜樁沉樁角度與設(shè)計(jì)圖紙不盡相同，原設(shè)計(jì)圖紙中設(shè)計(jì)要求斜樁中心線(xiàn)與垂線(xiàn)夾角為25°，根據(jù)樁基上部分的測(cè)量復(fù)核，發(fā)現(xiàn)其角度在15°～35°之間，導(dǎo)致拔樁套管的初始角度很難確定。只有研究出一種讓拔樁套管可以自由地根據(jù)待拔樁基的傾斜角度進(jìn)行下沉的方法，才能有效保證套管不會(huì)對(duì)待拔樁基造成破壞甚至切斷的情況。

樁基拔除本身就是為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)疏清障礙，如發(fā)生待拔樁基損壞、斷樁，障礙物不能完全清理干凈，那么拔樁的整個(gè)施工將會(huì)毫無(wú)意義。所以，拔樁過(guò)程中防止斷樁顯得尤為重要。

3 拔樁裝置型式介紹

本工程中涉及的套管改造裝置包括以下幾部分：無(wú)縫螺旋鋼管（分為2節(jié)），坡口鋼板（若干塊），圓柱形滾輪，如圖2所示。

圖2 拔樁裝置

1）選用大于樁體對(duì)角線(xiàn)6～8 cm內(nèi)徑的無(wú)縫螺旋鋼管，管壁厚2 cm。套管長(zhǎng)度宜比待拔樁體長(zhǎng)1 m左右。壁厚2 cm主要是防止套管長(zhǎng)期使用后產(chǎn)生損耗，造成管壁變薄，從而縮短使用壽命。套管長(zhǎng)度比待拔樁體長(zhǎng)1 m，是為了使套管可以下沉至樁體下部，能夠充分切削樁體外側(cè)的土體，減小樁體與土體之間的摩阻力，使拔樁更為順利。

2）選用厚2 cm鋼板根據(jù)套管及樁體尺寸進(jìn)行切割。

3）盡可能多地設(shè)置坡口（最少為樁體邊數(shù)的2倍）。坡口可以更好地防止套管將樁體切斷，設(shè)置2倍及以上的坡口可有效降低套管將樁體切斷的風(fēng)險(xiǎn)，使套管下沉更為順利，拔樁更為成功。

4）在坡口后方設(shè)置圓柱形滾輪，滾輪采用鋼板、軸承固定在套管內(nèi)。滾輪寬度約為樁體邊長(zhǎng)的1/2，滾輪數(shù)量宜為樁體邊數(shù)的3/4。本文所述工程中待拔樁基截面為正方形，故本次改造的套管內(nèi)滾輪共3個(gè)。設(shè)置圓柱形滾輪，使套管下沉更為順利，并且使套管沿著樁體的方向、角度下沉，這樣無(wú)需刻意定位套管方向，便可使套管順利下沉。

5）最后將剩余套管全部采用滿(mǎn)焊連接，并增加腹板進(jìn)行加強(qiáng)。

4 裝置的使用方式

本工藝采用振動(dòng)錘將套管套住方樁插入水面及江底以下，用水力機(jī)械沖削方樁與套筒間土體，使整根樁與土體摩阻力消失，然后用吊機(jī)整根拔出。主要機(jī)械設(shè)備及器具為吊車(chē)、振動(dòng)錘、空壓機(jī)、高壓水泵、拔樁套管等。

通過(guò)浮吊船起吊套管，用液壓振動(dòng)錘將套管套在方樁外壁振動(dòng)下沉到位。下沉過(guò)程中及時(shí)與方樁的一側(cè)緊貼摩擦下沉到位，保證全套管上下同心度。

全套管在下沉過(guò)程中，開(kāi)啟高壓噴氣和高壓射水進(jìn)行套管內(nèi)樁外側(cè)泥土沖刷清洗至樁身被獨(dú)立剝離出來(lái)，邊沉管邊通過(guò)高壓氣流將管內(nèi)泥漿水全部帶出套管。

施工工藝流程為：上部結(jié)構(gòu)承臺(tái)切割拆除→止水護(hù)筒振沉→套管就位→高壓射水、噴氣清孔→振動(dòng)沉管→吊拔樁體→回填樁孔→振管填土→振動(dòng)拔管→沉降觀測(cè)→廢棄樁集中陸上外運(yùn)處理。

本文重點(diǎn)在于套管頭部的改造裝置，樁基拔除過(guò)程中須避免斷樁，一旦樁基斷裂，將成為盾構(gòu)掘進(jìn)的障礙。

4.1 出現(xiàn)斷樁的理論分析

套管未改造前，其結(jié)構(gòu)為單純的鋼管結(jié)構(gòu)。由于本工程需要拔除的樁體均為預(yù)制樁，年代久遠(yuǎn)，而且成樁質(zhì)量不佳，極有可能會(huì)出現(xiàn)樁身斷裂或接頭連接件焊接斷裂的情況。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，斷樁原因可歸為以下幾點(diǎn)：

1）舊樁在施工時(shí)的垂直度偏差較大，造成套管下沉?xí)r由于振錘套管作用將其樁錘斷（最主要原因）。

2）舊樁本身年久破損，舊樁起吊時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)樁都有多處斷裂現(xiàn)象。

3）舊樁的接樁焊接質(zhì)量不規(guī)范，焊接質(zhì)量不到位，造成套管提升時(shí)出現(xiàn)掉樁。

4）個(gè)別舊樁當(dāng)時(shí)施打時(shí)，可能碰到地下障礙物，無(wú)法打入，采取截樁處理，導(dǎo)致拔出的舊樁樁長(zhǎng)偏短。

最重要的就是在下套管過(guò)程中，套管與舊樁很難保證同心度，極易將舊樁損壞或者切斷。

套管在下沉過(guò)程中難免與待拔樁基形成夾角，形成夾角后，套管會(huì)與待拔樁基發(fā)生摩擦或者直接碰撞，這樣就會(huì)導(dǎo)致套管對(duì)待拔樁基產(chǎn)生損壞。

樁基損壞后或者切斷后，受待拔樁基的阻力作用，套管將很難下沉。套管拔除后重新進(jìn)行套管下沉的步驟，亦難將套管下沉到位，且無(wú)法將斷樁取出，待拔樁基就會(huì)成為盾構(gòu)掘進(jìn)的障礙物。斷樁無(wú)法取出的原因如下：

1）套管第一次就位時(shí)，已在待拔樁體周?chē)纬商坠芟鲁镣ǖ?，此通道周邊土層在短時(shí)間內(nèi)很難淤積進(jìn)套管下沉通道。故再次下沉套管時(shí)，套管仍會(huì)按照既有通道的路線(xiàn)進(jìn)行下沉，直至到達(dá)斷樁（樁體損壞）位置。

2）套管到達(dá)斷樁（樁體損壞）位置后，受待拔樁體的阻力作用，套管將不能下沉，套管與待拔樁體的夾角依然存在。在地層中的斷樁（樁體損壞）位置，已無(wú)法改變套管的角度使其與待拔樁體的角度保持同心，亦很難采取其他措施進(jìn)行套管角度轉(zhuǎn)換。

3）拔樁位置位于黃浦江面，造成斷樁后只有采取沉井或超深圍堰進(jìn)行圍護(hù)后用大開(kāi)挖的方法來(lái)處理斷樁，這樣一來(lái)，其施工難度和施工成本均會(huì)大大增加，得不償失。

4）如果發(fā)生斷樁現(xiàn)象，套管重新下沉或采取沉井、圍堰的方式開(kāi)挖進(jìn)行取樁，首先對(duì)碼頭本身會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，另外對(duì)周邊的建（構(gòu)）筑物（如本項(xiàng)目周邊的防汛墻、輪渡站等）也會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物開(kāi)裂甚至坍塌的不利情況。

綜上所述，本文中所介紹的改造裝置，從經(jīng)濟(jì)性、合理性、適應(yīng)性等多方面均有良好的使用和推廣價(jià)值。

4.2 套管改造后的使用效果及分析說(shuō)明

本裝置改造后，其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)和防止斷樁的適應(yīng)性如下：

1）本改造裝置在運(yùn)用中，通過(guò)改變拔樁套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)防止斷樁。內(nèi)部結(jié)構(gòu)中坡口、滾輪的設(shè)置，使待拔樁基不會(huì)與拔樁套管直接接觸，避免了待拔樁基承受集中應(yīng)力的工況，使套管在下沉過(guò)程中避開(kāi)待拔樁體，順利下沉。

2）特別是在斜樁拔除過(guò)程中，套管本身角度定位就很困難，極易造成套管切樁導(dǎo)致待拔樁體斷裂的情況。通過(guò)套管的改造，即使套管與樁基不同心，套管也不會(huì)對(duì)待拔樁體產(chǎn)生破壞，有效地避免了切樁這一現(xiàn)象，讓套管角度定向更為簡(jiǎn)單，下沉更為順利，樁體斷裂風(fēng)險(xiǎn)更小。

3）改造裝置的滾輪數(shù)量為樁體邊數(shù)的3/4。在斜樁拔除工況的使用過(guò)程中，其滾輪若干邊應(yīng)置于樁體靠上、靠下、靠左（或靠右）等側(cè)，使套管可以順著待拔樁基的側(cè)面順利下沉，這樣更有利于防止斷樁。

如圖3所示，在原來(lái)容易將待拔樁體切斷的位置增加坡口、滾輪后，無(wú)論套管與待拔樁基是何種夾角，只要其樁頭進(jìn)入套管，通過(guò)待拔樁基與套管的相互束縛作用，套管會(huì)自然與待拔樁基形成趨向同心的角度，并且坡口頭部不會(huì)直接與樁基產(chǎn)生碰撞，亦不會(huì)切削樁基，這樣一來(lái)，自然會(huì)避免套管對(duì)待拔樁基產(chǎn)生損壞或待拔樁基發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

圖3 裝置使用時(shí)示意

另外，水域碼頭拔樁的另一個(gè)難點(diǎn)在于：碼頭平臺(tái)拆除完成后再進(jìn)行拔樁，此時(shí)待拔樁基的樁頭位于水中，尋樁困難，套管定位及套管下沉角度的確定難度更大。在不確定待拔樁體既有沉樁角度的情況下，就無(wú)法將套管的角度提前固定好，若角度選取不準(zhǔn)確，則拔樁套管將與待拔樁基產(chǎn)生較大夾角，亦會(huì)對(duì)待拔樁基產(chǎn)生破壞或?qū)е聵痘鶖嗔选?/p>

在這種情況下，更能凸顯本文中所述套管改造裝置的優(yōu)點(diǎn)：改造后的套管只要能夠套住樁頭，利用鋼結(jié)構(gòu)坡口、滾輪結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，無(wú)論何種角度，均可直接開(kāi)啟振動(dòng)錘下沉套管，而且套管完全可以順著樁基的角度下沉，直至樁底，從而將樁基順利且“完好無(wú)損”地拔出。

本裝置已在上海江浦路越江隧道新建工程碼頭拆復(fù)建工程中成功進(jìn)行應(yīng)用。用原始套筒在最初的直樁拔除施工中，出現(xiàn)樁基損壞、斷樁的情況，后經(jīng)過(guò)對(duì)套管進(jìn)行改造，順利處理斷樁，且在后續(xù)拔樁過(guò)程中，未再次出現(xiàn)斷樁情況，樁體均完整拔除。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中的套管改造裝置不僅適用于水域碼頭樁基的拔除，而且適用于陸地樁基的拔除，無(wú)論樁基為斜樁還是垂直樁，在拔除過(guò)程中均可以沿著待拔樁基自身的傾斜度進(jìn)行下沉，在套管下沉過(guò)程中防止待拔樁體破壞，有效解決了地下樁基障礙物清理困難的問(wèn)題。

此種拔樁套管改造裝置目前在上海地區(qū)已經(jīng)有過(guò)多次運(yùn)用，未來(lái)必會(huì)以其防斷樁效果好、拔樁速度快的優(yōu)點(diǎn)在類(lèi)似工程中得到更多應(yīng)用。