無臨設(shè)工程施工的沉樁方法及工法設(shè)計(jì)

張寶森 胡全義 李宇鵬 李春江 鄧 宇

（1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003；3.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

傳統(tǒng)的打樁（振動(dòng)、沖擊）技術(shù)不僅需要打樁機(jī)，還需要相關(guān)施工車輛、大型附帶設(shè)備及暫設(shè)工程。在現(xiàn)代城市快速發(fā)展進(jìn)程中，一些區(qū)域因?yàn)榈缆藩M窄導(dǎo)致施工機(jī)器無法進(jìn)入，從而被排除于開發(fā)計(jì)劃之外；在水上（河川、港灣）施工時(shí)，設(shè)置臨時(shí)棧橋或搭建施工平臺(tái)等大型暫設(shè)工程占地面積大、影響河流流態(tài)，并對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成較大影響。為解決上述施工問題，本文提出了一種無臨設(shè)工程的沉樁施工方法，并就工法設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

1 黃河堤岸剛性加固方案

1.1 加固措施

黃河下游堤防通過標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，漫決、潰決問題基本得到解決，但仍存在沖決的風(fēng)險(xiǎn)。堤防安全主要涉及堤身安全和堤腳安全。對(duì)于堤防險(xiǎn)工段，通過對(duì)堤坡進(jìn)行防護(hù)可解決大洪水時(shí)對(duì)堤身的沖刷危險(xiǎn)，但無法解決中小洪水對(duì)堤腳的淘刷問題，堤防工程仍存在因水流淘刷、失穩(wěn)而決堤的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)堤腳進(jìn)行有效加固，保證堤防安全。目前，河流堤防加固、搶險(xiǎn)，河道整治中剛性加固技術(shù)主要有地下連續(xù)墻、沉井、鋼管樁、預(yù)制樁、鉆孔灌注樁等。

選取黃河鄭州段堤防險(xiǎn)工為施工場(chǎng)景，使用鋼管樁沉樁方法和無臨設(shè)工程施工沉管施工工法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

1.2 排樁結(jié)構(gòu)型式選擇

依據(jù)黃河鄭州段堤防險(xiǎn)工的工程結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土灌注排樁護(hù)根型式。排樁護(hù)根型式是指采取不同排列型式形成排樁擋土結(jié)構(gòu)，來支擋不同地質(zhì)和施工條件下的側(cè)向水土壓力。常見型式有分離式排樁、交錯(cuò)式排樁、咬合式排樁、雙排式排樁、格柵式排樁。根據(jù)黃河鄭州段堤防險(xiǎn)工護(hù)坡和根石的實(shí)際情況，對(duì)排樁結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行比選。

方案一：分離式護(hù)根單排樁加固方案。分離式排樁是最常用的支擋結(jié)構(gòu)，適用范圍廣。樁體距堤防險(xiǎn)工坡腳一定距離，采用鋼筋混凝土透水排樁，布置樁徑1.2～1.8 m、樁間距0.3～0.4 m（圖1）。

圖1 方案一（分離式單排樁）布置圖

方案二：雙排樁加固方案。當(dāng)需要進(jìn)一步增大排樁的整體抗彎剛度和抗側(cè)移能力時(shí)，可將樁設(shè)置成前后雙排，將前后排樁樁頂?shù)拿绷河脵M向連梁連接，形成了雙排門架式擋土結(jié)構(gòu)，即雙排式排樁。布置樁徑1.0～1.5 m、樁間距0.3～0.4 m、前后排樁距3.0 m（圖2）。

圖2 方案二（雙排樁）布置圖

方案的選定：對(duì)護(hù)根排樁加固結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行比選（表1），分離式護(hù)根排樁和雙排樁均能有效保護(hù)堤防險(xiǎn)工根石走失，起到對(duì)現(xiàn)有防護(hù)體系剛性加固作用。但通過兩個(gè)方案比選可知，方案一施工難度低、工程投資相對(duì)較低，因此，推薦采用分離式排樁作為黃河鄭州段堤岸剛性護(hù)根加固結(jié)構(gòu)型式。

表1 護(hù)根排樁結(jié)構(gòu)型式比選表

2 沉樁方法及無臨設(shè)工程施工工法設(shè)計(jì)

黃河鄭州河段堤防險(xiǎn)工長(zhǎng)度達(dá)到堤防長(zhǎng)度的72%，由于歷次搶險(xiǎn)，堤防險(xiǎn)工臨河側(cè)較大范圍內(nèi)均存在較厚拋石層，分布并無規(guī)律，厚度3～6 m。因黃河河床為砂質(zhì)，大洪水時(shí)沖刷深度較大，現(xiàn)狀堤防險(xiǎn)工根石不穩(wěn)，剛性加固方式的選擇應(yīng)既能滿足對(duì)堤腳根石的有效加固，又能在現(xiàn)狀地質(zhì)情況下順利施工。

2.1 旋轉(zhuǎn)壓入工法

旋轉(zhuǎn)壓入工法是一種基于反作用力的壓入工法（圖3），采用樁端安裝有切削鉆齒的鋼管樁，貫穿既有結(jié)構(gòu)物或地中障礙物。對(duì)于傳統(tǒng)工法難以施工的堅(jiān)硬地質(zhì)、混凝土結(jié)構(gòu)物等地下障礙物，可以利用旋轉(zhuǎn)壓入工法施工。該工法無需拆除既有結(jié)構(gòu)物，結(jié)合無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)后，無需搭設(shè)棧橋，因此可以降低施工成本、縮短施工工期。

圖3 旋轉(zhuǎn)壓入工法施工原理

旋轉(zhuǎn)壓入工法通過樁端特殊鉆齒，僅需切削障礙物部分來控制排土量，在小范圍內(nèi)擾動(dòng)地基，即可構(gòu)筑高精度的完成樁。通過旋轉(zhuǎn)壓入工法切削鋼筋混凝土試驗(yàn)結(jié)果可見，旋轉(zhuǎn)壓入工法能適應(yīng)3～6 m 厚薄不均塊石層的鋼管樁沉樁要求（圖4）。旋轉(zhuǎn)壓入工法分初期壓入施工工序（圖5）和標(biāo)準(zhǔn)壓入施工工序（圖6）。初期壓入時(shí)，由于沒有完成樁可獲取反力，通常利用“反作用力基座”來完成初期壓入作業(yè)。

圖4 不同地質(zhì)條件下管樁貫入模式

圖5 初期壓入過程

圖6 標(biāo)準(zhǔn)過程壓入過程

2.2 無臨設(shè)工程施工工法

無臨設(shè)工程施工工法的全部作業(yè)過程（如樁材搬運(yùn)、吊樁、壓入作業(yè)）可以在樁頂完成。在完成樁樁頂施工時(shí)，靜壓植樁機(jī)可利用完成樁獲得反作用力，進(jìn)行施工作業(yè)。無臨設(shè)工程施工非常適合水中、傾斜地段、不平坦地段、狹隘地段及超低空間地段等復(fù)雜的施工環(huán)境。

2.2.1 無臨設(shè)工程施工的標(biāo)準(zhǔn)配置

無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)包括前部的靜壓植樁機(jī)、作為動(dòng)力源的動(dòng)力單元、樁用起吊裝置及用于從堆放場(chǎng)搬運(yùn)樁材的樁材自走裝置，無臨設(shè)工程施工平面布置如圖7所示。

圖7 無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)平面布置

2.2.2 施工工序

無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)的施工工序：①靜壓植樁機(jī)就位，開始工作；②當(dāng)一定數(shù)量的樁被壓入后，動(dòng)力單元和樁用自走式吊車進(jìn)入作業(yè)單元并安裝在已完成的樁的端部；③鋪設(shè)樁道，將樁運(yùn)到下一個(gè)安裝點(diǎn)；④樁安裝成后，施工系統(tǒng)各組件反向行走回到工作基地。

2.2.3 工法特點(diǎn)

（1）低振動(dòng)和低噪聲：與利用振動(dòng)或錘擊將樁打入地層的施工方法相比，靜壓法壓樁施工具有良好的靜音效果。

（2）硬質(zhì)場(chǎng)地的適應(yīng)性：靜壓樁機(jī)可以在不借助輔助手段的情況下進(jìn)行松散砂土場(chǎng)地及黏土地層的施工，當(dāng)樁體需要貫入壓實(shí)的砂層、碎石層或地下混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用水刀、螺旋鉆或旋轉(zhuǎn)切削工法進(jìn)行壓樁施工。

（3）施工占地面積少：靜壓樁機(jī)不需要臨時(shí)支擋結(jié)構(gòu)和臨時(shí)施工平臺(tái)，有效減少施工場(chǎng)地面積、所需人工及施工工程量，因此，靜壓樁機(jī)的施工成本及施工周期較少。

（4）環(huán)境影響?。洪_挖量小，廢棄物排放量小；同時(shí)，施工機(jī)械油耗較少，廢氣排放量少，對(duì)河流流態(tài)影響小，且對(duì)生態(tài)環(huán)境影響也較小。

3 工法對(duì)比

3.1 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)灌注樁施工

全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工（圖8）的工藝流程如下：場(chǎng)地準(zhǔn)備（機(jī)械進(jìn)場(chǎng)）→測(cè)量放線→鉆機(jī)就位→套管靜壓回轉(zhuǎn)→接管，套管內(nèi)挖掘，拋石清除→挖掘至樁底→鋼筋籠制作、吊放安裝→導(dǎo)管安裝→清孔→澆筑水下混凝土→分節(jié)拔出套管→移至下一根樁。

圖8 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)施工布置圖

3.2 旋挖鉆機(jī)灌注樁施工

旋挖鉆機(jī)是一種綜合性的鉆機(jī)，可以用多種地層，具有成孔速度快，污染少，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。短螺旋鉆頭進(jìn)行干挖作業(yè)，也可以用回轉(zhuǎn)鉆頭在泥漿護(hù)壁的情況下進(jìn)行濕挖作業(yè)。旋挖機(jī)可以配合沖錘鉆碎堅(jiān)硬地層后進(jìn)行挖孔作業(yè)。如果配合擴(kuò)大頭鉆具，可在孔底進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。旋挖機(jī)采用多層伸縮式鉆桿，鉆進(jìn)輔助時(shí)間少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，不需要泥漿循環(huán)排渣，節(jié)約成本，適用于城市建設(shè)的基礎(chǔ)施工。

3.3 工法對(duì)比分析

基于無臨設(shè)工程施工的旋轉(zhuǎn)壓入鋼管樁施工與全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)灌注樁施工過程對(duì)比分析如表3 所示。

表3 不同工法施工過程對(duì)比分析表

4 結(jié) 論

本文基于靜壓植樁旋轉(zhuǎn)壓入工法及其配套裝備，設(shè)計(jì)一種無臨設(shè)沉樁施工方法，并詳細(xì)闡明該工法的施工過程及其特點(diǎn)。另外，通過與全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)和旋挖鉆機(jī)兩種鋼筋混凝土灌注樁施工工法進(jìn)行對(duì)比，說明無臨設(shè)工程沉樁施工方法在施工周期、成本、適應(yīng)性、占地面積及成樁質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。無臨設(shè)工程沉樁施工方法在堤壩決口封堵、堤防加固、植入式斜樁護(hù)岸、擋土墻、止水墻、基礎(chǔ)和地基工程加固等方面有廣泛的應(yīng)用前景。