360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)在拔樁工程中的應(yīng)用

冷金榮 周濤* 曹東

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092; 2.陜西西咸新區(qū)城建投資集團(tuán)有限公司，陜西咸陽(yáng) 712000)

1 工程概況

上海市軌道交通13號(hào)線在川楊河以南、中環(huán)線以北垂直羅山路方向以盾構(gòu)形式下穿羅山路，羅山路西側(cè)有現(xiàn)狀合流污水干管，該污水管走向與羅山路平行，管頂覆土厚度約為2 m，管道采用φ3 600 mm PCCP管，單節(jié)長(zhǎng)度為6 m，各管節(jié)間采用膠圈密封的自對(duì)中鋼制接頭，基礎(chǔ)采用中砂墊層。

為保護(hù)此污水管的安全，在其上方構(gòu)筑了單跨13 m護(hù)管橋，護(hù)管橋基礎(chǔ)為φ800 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)35 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C30，樁基主筋為直徑22 mm的HRB335鋼筋，上部20 m范圍內(nèi)為16根，下部15 m范圍內(nèi)為8根，該護(hù)管橋共有21根樁基位于盾構(gòu)限界范圍以內(nèi)，為保證盾構(gòu)的順利推進(jìn)，需要對(duì)該21根樁基進(jìn)行拔除處理。盾構(gòu)、樁基及污水管平面關(guān)系圖見圖1。

2 施工難點(diǎn)分析

2.1 工程范圍內(nèi)存在沉降敏感風(fēng)險(xiǎn)源

工程范圍內(nèi)的合流污水管是上海市非常重要的污水干管，總服務(wù)面積達(dá)271.7 km2，服務(wù)人口335.76萬(wàn)人，由于管道全天候滿管運(yùn)行，因此拔樁施工過程中必須保證該管道的安全運(yùn)營(yíng)，這是衡量拔樁施工成敗的關(guān)鍵。按照GB/T 19685-2005預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的要求，對(duì)采用雙膠圈接頭的PCCP管道，其接頭允許相對(duì)轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過 0.5°。

圖1 盾構(gòu)、樁基及污水管平面關(guān)系圖（單位：mm）

2.2 樁基與合流污水管間的凈距很小

需要拔除的樁基與合流污水管間的凈距普遍較小，最小凈距僅為1 800 mm，在如此小的凈距內(nèi)構(gòu)筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)(如水泥攪拌樁等)對(duì)合流污水管進(jìn)行隔離是非常困難的，因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中必然造成管道周圍土體松動(dòng)，從而引起污水管的沉降變形，故必須選擇合適的拔樁工藝盡量減小施工過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。

2.3 工程場(chǎng)地地質(zhì)條件很差

地質(zhì)勘查報(bào)告顯示，工程范圍內(nèi)的地質(zhì)條件很差，地面以下18 m均為淤泥質(zhì)土，含水量達(dá)41%以上，呈流塑狀態(tài)，地基承載力基本容許值僅為55 kPa，而合流污水管和盾構(gòu)均處于該淤泥質(zhì)土層內(nèi)。

2.4 后期沉降控制難度大

本工程每根樁基需要拔除長(zhǎng)度為20 m，21根樁基需要拔除的總長(zhǎng)度達(dá)420 m，即使只考慮樁基本身的體積，需要置換的土方量也已達(dá)210 m3以上，大規(guī)模土體置換后控制土體后期沉降的難度較大。

3 拔樁工藝選擇

針對(duì)本工程的特點(diǎn)，在對(duì)目前工程界采用的各種拔樁工藝進(jìn)行了綜合比選后，認(rèn)為采用干作業(yè)的360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)進(jìn)行拔樁施工是最為合適的，該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面。

3.1 施工過程對(duì)周邊土體擾動(dòng)小

360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)拔樁施工工法(以下簡(jiǎn)稱全回轉(zhuǎn)工法)是在鋼套管內(nèi)進(jìn)行清障拔樁及回填施工，由于鋼套管對(duì)孔壁的支撐，在鋼套管周邊的土體應(yīng)力尚未釋放時(shí)，就已經(jīng)將障礙物清除并及時(shí)回填，且全過程為干作業(yè)施工(FCEC等工法需通過噴射高壓水進(jìn)行減摩處理)，不會(huì)引起地下水位的變動(dòng)，故整個(gè)施工過程對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小。

3.2 理論上可以拔除任意長(zhǎng)度的樁基

本工程樁基總長(zhǎng)為35 m，根據(jù)盾構(gòu)限界要求，每根樁需要拔除的長(zhǎng)度為20 m，全回轉(zhuǎn)工法可對(duì)樁基進(jìn)行分段拔除，在鋼套管達(dá)到要求的深度后即可進(jìn)行截樁處理，而不需要進(jìn)行整樁拔除作業(yè)，這樣既減少了施工風(fēng)險(xiǎn)，又節(jié)約了施工費(fèi)用。

4 拔樁施工過程

4.1 機(jī)具選擇

全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)選用SDR-2000型全回轉(zhuǎn)套管機(jī)，考慮到樁基可能存在擴(kuò)孔現(xiàn)象，選用外徑1 500 mm(壁厚為48 mm)的鋼套管5根，總長(zhǎng)28.5 m，其中4根單節(jié)長(zhǎng)度為6 m(首節(jié)鋼套管尚需焊接1.5 m長(zhǎng)的刀頭，故總長(zhǎng)為7.5 m)，1根單節(jié)長(zhǎng)度為3 m，各節(jié)鋼套管間以高強(qiáng)螺栓連接。

另外，為將截?cái)嗟臉痘皶r(shí)清除，配套80 t履帶吊一臺(tái)。

4.2 施工準(zhǔn)備

施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)前鑿除護(hù)管橋臺(tái)帽，對(duì)露出的鉆孔樁進(jìn)行測(cè)量定位，記錄其中心坐標(biāo)，回填后在地面上標(biāo)記各樁中心點(diǎn)位并進(jìn)行編號(hào)。

因?yàn)楣こ虉?chǎng)地的地質(zhì)條件很差，施工中用到的全回轉(zhuǎn)套管機(jī)及履帶吊等機(jī)具均屬于大型設(shè)備，為保證拔樁工作的安全、順利推進(jìn)，在場(chǎng)地整平后，現(xiàn)場(chǎng)澆筑厚度為40 cm C30鋼筋混凝土板并且上覆4 000 mm×3 000 mm×30 mm鋼板作為施工平臺(tái)，其上再布置平面尺寸為7 500 mm×3 000 mm的路基箱兩塊用以擴(kuò)散基底應(yīng)力。

4.3 鉆機(jī)就位、鋼套管鉆進(jìn)

全回轉(zhuǎn)套管機(jī)就位，調(diào)整機(jī)身垂直度，并使機(jī)身抱箍系統(tǒng)中心與樁基中心保持垂線方向一致，啟動(dòng)主機(jī)沉入鋼套管，沉入速度控制在6 m/h。

4.4 截樁

考慮到鋼筋籠單節(jié)長(zhǎng)度為9 m，兩節(jié)鋼筋籠之間為搭接焊，鋼筋連接處為樁基抗扭剛度相對(duì)薄弱的區(qū)域，應(yīng)鋼套管沉入2節(jié)后(套管入土深度約11 m)，暫停鉆進(jìn)，實(shí)施截樁。將鋼釬楔入鋼套管與樁基間的空隙，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼套管使樁基與鋼套管同步轉(zhuǎn)動(dòng)，直至樁基被完全扭斷完成第一次截樁。反向旋轉(zhuǎn)鋼套管，取出鋼釬，用吊機(jī)將截?cái)嗟臉扼w吊出，用抓斗清除鋼套管內(nèi)的土直至露出樁頭。循環(huán)上述鋼套管鉆進(jìn)→截樁→取土過程，直至達(dá)到既定深度。

4.5 樁孔回填

鋼套管鉆進(jìn)及截樁等施工過程對(duì)附近土體產(chǎn)生的是擠壓作用，使土體內(nèi)的應(yīng)力增加，該過程將引起土體內(nèi)的構(gòu)筑物出現(xiàn)微量上浮，當(dāng)然這種上浮的影響非常小(實(shí)際觀測(cè)到的污水管上浮位移約為3 mm)，幾乎可以忽略不計(jì)。

樁孔回填與上拔鋼套管是同步進(jìn)行的，由于失去了鋼套管的支護(hù)，孔壁處的土體有向套管中心流動(dòng)的趨勢(shì)，土體應(yīng)力得到一定程度的釋放，該施工過程極易引起土體內(nèi)構(gòu)筑物的沉降;另外，樁孔回填材料的密實(shí)度也是一個(gè)值得重視的問題，回填材料不密實(shí)將導(dǎo)致過大的后期沉降，這種后期沉降對(duì)土體內(nèi)的構(gòu)筑物無(wú)疑也會(huì)產(chǎn)生安全威脅。由此可見，樁孔回填過程是拔樁工程非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是拔樁工程成敗的關(guān)鍵所在。

為盡量減少拔樁工程對(duì)工程范圍內(nèi)合流污水管的影響，施工過程中先后采用了分層回填注漿、引孔跟蹤注漿、M5砂漿回填等工藝。

方案一:分層回填注漿。分層回填注漿工藝的施工步驟為:先回填6 m水泥土，一邊對(duì)回填土以沖錘夯擊一邊上拔鋼套管，鋼套管應(yīng)邊上拔邊旋轉(zhuǎn)，避免管內(nèi)土體隨鋼套管一同上升造成空管現(xiàn)象，鋼套管拔起6 m后，采用壓密注漿的方法對(duì)回填土進(jìn)行加固;循環(huán)前述施工步驟，直至套管完全拔出。先行施工的8根樁均采用的是分段回填注漿工藝，該工藝的缺點(diǎn)主要有:1)鋼套管壁厚為48 mm，先行回填的土全部在套管內(nèi)，夯擊后的土柱具有了一定的強(qiáng)度(非流塑狀態(tài))，因此套管拔除后由于壁厚的影響而形成的空隙需要靠套管外圍流塑性的原狀土涌入來(lái)充填，這必然造成外圍土體的應(yīng)力損失，從而引起污水管的沉降。2)為保證回填土的密實(shí)性，回填過程需要對(duì)回填土進(jìn)行夯擊，夯擊過程中震動(dòng)較大，不可避免地對(duì)周圍土體造成一定程度的擾動(dòng);在前期施工的8根樁中，前7根位于最西側(cè)第一排，由于西側(cè)第二排樁的存在，對(duì)污水管的變形起到了隔離作用，在一定程度上掩蓋了這種工藝的缺陷，直到施工第8根樁(東側(cè)北數(shù)第1根)時(shí)，該工藝的缺陷才暴露出來(lái)。

方案二:引孔跟蹤注漿。彌補(bǔ)分層回填注漿工藝的缺陷，需要在套管上拔的過程中采取措施及時(shí)充填套管拔除后的空隙，同時(shí)避免重錘夯擊，為此，從第9根樁開始，樁孔回填改用引孔跟蹤注漿工藝。具體做法為:1)樁基拔除深度達(dá)到要求后(此時(shí)接入的鋼套管總長(zhǎng)為28.5 m)，立即用水泥土回填至套管頂，回填土頂面超出原地面約3 m，期間不夯擊，土體密實(shí)度通過后續(xù)的跟蹤注漿保證;2)在套管內(nèi)距離管壁150 mm處引孔2個(gè)(呈180°布置)，孔徑110 mm，孔深以保證劈裂注漿管能夠插入29 m以上(自套管頂起算)為原則;3)在孔內(nèi)插入直徑60 mm，長(zhǎng)度為29 m的塑料劈裂注漿管，劈裂注漿管與孔壁間以黃沙填充;4)在劈裂注漿管內(nèi)插入直徑25 mm注漿管，要求注漿管出漿口伸出套管底約0.5 m;5)注漿用漿液水灰比為 1∶1，注漿壓力 0.3 MPa～0.5 MPa，注漿采用兩臺(tái)泵同時(shí)對(duì)兩根注漿管壓注水泥漿，每臺(tái)泵的注漿流量為15 L/min，注入率按照10%控制并考慮套管壁厚影響，每提升1 m鋼套管至少應(yīng)注入450 L漿液;6)鋼套管上拔前，先注漿5 min，并將注漿管卡在固定于鋼套管管口的十字架上，以達(dá)到注漿管與套管同步上升的目的，保證出漿口與套管間的高差始終保持在0.5 m左右。跟蹤注漿工藝共實(shí)施了4根樁(第9根～12根)，總結(jié)該4根樁的施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為跟蹤注漿工藝的優(yōu)點(diǎn)有:1)能夠用水泥漿及時(shí)充填套管壁拔除后留下的空隙，減小了外圍土體的應(yīng)力損失，對(duì)控制污水管的沉降是有效的;2)同時(shí)壓入的水泥漿能夠保證回填土的密實(shí)性，避免回填土后期自然密實(shí)過程中體積減小而引起周圍土體的應(yīng)力損失。但是其缺點(diǎn)也是明顯的:1)施工工藝非常復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)源很多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都可能導(dǎo)致該工藝的失敗;2)由于樁基拔除后孔深達(dá)24 m以上，用挖掘機(jī)直接回填到孔內(nèi)的土即使不夯擊，其自由落體形成的沖擊力也足以使土體在套管內(nèi)達(dá)到較高的密實(shí)度，同時(shí)回填土與鋼套管間的摩阻力也相應(yīng)增大，因此在鋼套管上拔過程中，管內(nèi)土體有時(shí)會(huì)隨著套管一起上升，出現(xiàn)局部空管現(xiàn)象，在套管拔除后，該空洞由外圍土體涌入充填，從而造成污水管的瞬時(shí)沉降。

方案三:低標(biāo)號(hào)砂漿回填。為彌補(bǔ)引孔跟蹤注漿的缺陷，在后續(xù)樁孔回填中采用了低標(biāo)號(hào)砂漿回填工藝，具體做法為:1)砂漿采用強(qiáng)度等級(jí)為RM5.0的商品砂漿，砂漿配置時(shí)應(yīng)確保其具備良好的流動(dòng)性與和易性，其每立方米材料用量為:水290 kg，水泥170 kg，砂 1 480 kg，粉煤灰(Ⅱ級(jí)灰)110 kg，稠化粉 30 kg，外加劑(M910)4.03 kg，稠度(100 ±10)mm，性能滿足 GB/T 25181-2010預(yù)拌砂漿的要求;2)樁基拔除深度達(dá)到要求后，立即用上述商品砂漿進(jìn)行一次性回填，回填后的砂漿面應(yīng)高出原地面約3 m，以保證鋼套管拔出后砂漿液面能夠與原地面平齊(鋼套管拔除過程中因砂漿具有良好的流動(dòng)性，鋼套管拔出形成的空隙由砂漿流入填充，因此砂漿液面會(huì)不斷下降);3)上拔鋼套管時(shí)應(yīng)邊旋轉(zhuǎn)邊慢速上拔，一節(jié)6 m鋼套管的起拔時(shí)間一般不得少于10 min，最后一節(jié)7.5 m套管也應(yīng)慢速上拔，不得用吊車直接起吊。從后續(xù)樁孔回填的效果來(lái)看，砂漿回填的優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的:1)工藝簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)源少，質(zhì)量容易控制;2)商品砂漿具有良好的流動(dòng)性與和易性，能夠及時(shí)充填套管拔出時(shí)的空隙，每節(jié)套管拔除后砂漿液面的下降高度與理論計(jì)算值基本一致，減少了對(duì)外圍土體的擾動(dòng);3)回填過程無(wú)需重錘夯擊，基本無(wú)震動(dòng)。

5 污水管監(jiān)測(cè)

為保證合流污水管的運(yùn)營(yíng)安全，根據(jù)污水管管養(yǎng)單位的要求，對(duì)污水管的變形進(jìn)行了全過程監(jiān)測(cè)。

5.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

拔樁機(jī)械進(jìn)場(chǎng)前，在每個(gè)管節(jié)接縫兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體做法為:開挖暴露出管節(jié)接縫，在接縫處坐漿砌筑觀測(cè)井，在井內(nèi)設(shè)置25 mm粗鋼筋作為位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)井內(nèi)以黃砂填充，鋼筋頭露出黃砂頂面10 cm，工程范圍內(nèi)共有5個(gè)管道接頭，因此共布置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

5.2 監(jiān)測(cè)頻度

第1根樁拔除時(shí)的觀測(cè)頻度要求:拔樁機(jī)械就位前→主機(jī)就位后→啟動(dòng)鋼護(hù)筒后每小時(shí)觀測(cè)1次→截樁前、后各觀測(cè)一次→重新啟動(dòng)鋼護(hù)筒后每小時(shí)觀測(cè)1次→樁孔回填前觀測(cè)1次→回填過程每上拔一次觀測(cè)1次→樁孔回填完畢觀測(cè)1次→間歇期后觀測(cè)1次。第1根樁拔除完畢后，安排3 d的間歇期，為后續(xù)施工提供參考。后續(xù)施工過程中的監(jiān)測(cè)頻度為3次/d，施工結(jié)束后15 d內(nèi)1次/d，此后為1次/3 d(延后觀測(cè)15 d)。

5.3 監(jiān)測(cè)成果

至樁基拔除完畢時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值如圖2所示。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值

從圖2可以看出，污水管在靠近拔樁場(chǎng)地中心處的接縫沉降最大，其最大值為57.2 mm，縱向呈現(xiàn)盆式沉降的趨勢(shì)，曲線較為圓滑，理論計(jì)算得到的接縫處最大相對(duì)轉(zhuǎn)角為0.18°，遠(yuǎn)小于該管道的容許轉(zhuǎn)角，現(xiàn)場(chǎng)亦未發(fā)現(xiàn)污水管有冒溢現(xiàn)象，說明污水管是安全的。

6 結(jié)語(yǔ)

1)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)拔樁適用于地質(zhì)條件差且周圍存在敏感構(gòu)筑物的情況;

2)鋼筋籠為搭接焊連接時(shí)，截樁時(shí)樁基被扭斷的位置一般位于兩節(jié)鋼筋籠交界處;

3)鋼套管鉆進(jìn)過程中對(duì)土體的擾動(dòng)很小，幾乎可以忽略不計(jì)，但樁孔回填過程應(yīng)引起足夠重視;

4)樁孔回填采用M5商品砂漿是適宜的，但是必須確保及時(shí)供應(yīng)，否則可能會(huì)因?yàn)殇撎坠芸展軙r(shí)間較長(zhǎng)，管底的土塞在外圍巨大的土體壓力(超過20 m土柱)作用下，容易出現(xiàn)上升的現(xiàn)象，會(huì)在一定程度上引起外圍土體的應(yīng)力損失，從而導(dǎo)致敏感構(gòu)筑物的沉降。

［1］徐敏生，陳偉宏.樁基清除對(duì)周邊環(huán)境影響的數(shù)值模擬分析［J］.都市快軌交通，2009(6):25.

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