360°全回轉套管機在拔樁工程中的應用

冷金榮 周濤* 曹東

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092; 2.陜西西咸新區城建投資集團有限公司，陜西咸陽 712000)

1 工程概況

上海市軌道交通13號線在川楊河以南、中環線以北垂直羅山路方向以盾構形式下穿羅山路，羅山路西側有現狀合流污水干管，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，單節長度為6 m，各管節間采用膠圈密封的自對中鋼制接頭，基礎采用中砂墊層。

為保護此污水管的安全，在其上方構筑了單跨13 m護管橋，護管橋基礎為φ800 mm鉆孔灌注樁，樁長35 m，樁身混凝土強度為C30，樁基主筋為直徑22 mm的HRB335鋼筋，上部20 m范圍內為16根，下部15 m范圍內為8根，該護管橋共有21根樁基位于盾構限界范圍以內，為保證盾構的順利推進，需要對該21根樁基進行拔除處理。盾構、樁基及污水管平面關系圖見圖1。

2 施工難點分析

2.1 工程范圍內存在沉降敏感風險源

工程范圍內的合流污水管是上海市非常重要的污水干管，總服務面積達271.7 km2，服務人口335.76萬人，由于管道全天候滿管運行，因此拔樁施工過程中必須保證該管道的安全運營，這是衡量拔樁施工成敗的關鍵。按照GB/T 19685-2005預應力鋼筒混凝土管的要求，對采用雙膠圈接頭的PCCP管道，其接頭允許相對轉角不應超過 0.5°。

圖1 盾構、樁基及污水管平面關系圖（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，在如此小的凈距內構筑圍護結構(如水泥攪拌樁等)對合流污水管進行隔離是非常困難的，因為圍護結構施工過程中必然造成管道周圍土體松動，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周圍土體的擾動。

2.3 工程場地地質條件很差

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

2.4 后期沉降控制難度大

本工程每根樁基需要拔除長度為20 m，21根樁基需要拔除的總長度達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210 m3以上，大規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

針對本工程的特點，在對目前工程界采用的各種拔樁工藝進行了綜合比選后，認為采用干作業的360°全回轉套管機進行拔樁施工是最為合適的，該工藝的主要優點有以下幾方面。

3.1 施工過程對周邊土體擾動小

360°全回轉套管機拔樁施工工法(以下簡稱全回轉工法)是在鋼套管內進行清障拔樁及回填施工，由于鋼套管對孔壁的支撐，在鋼套管周邊的土體應力尚未釋放時，就已經將障礙物清除并及時回填，且全過程為干作業施工(FCEC等工法需通過噴射高壓水進行減摩處理)，不會引起地下水位的變動，故整個施工過程對周圍土體擾動較小。

3.2 理論上可以拔除任意長度的樁基

本工程樁基總長為35 m，根據盾構限界要求，每根樁需要拔除的長度為20 m，全回轉工法可對樁基進行分段拔除，在鋼套管達到要求的深度后即可進行截樁處理，而不需要進行整樁拔除作業，這樣既減少了施工風險，又節約了施工費用。

4 拔樁施工過程

4.1 機具選擇

全回轉鉆機選用SDR-2000型全回轉套管機，考慮到樁基可能存在擴孔現象，選用外徑1 500 mm(壁厚為48 mm)的鋼套管5根，總長28.5 m，其中4根單節長度為6 m(首節鋼套管尚需焊接1.5 m長的刀頭，故總長為7.5 m)，1根單節長度為3 m，各節鋼套管間以高強螺栓連接。

另外，為將截斷的樁基及時清除，配套80 t履帶吊一臺。

4.2 施工準備

施工機械進場前鑿除護管橋臺帽，對露出的鉆孔樁進行測量定位，記錄其中心坐標，回填后在地面上標記各樁中心點位并進行編號。

因為工程場地的地質條件很差，施工中用到的全回轉套管機及履帶吊等機具均屬于大型設備，為保證拔樁工作的安全、順利推進，在場地整平后，現場澆筑厚度為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，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散基底應力。

4.3 鉆機就位、鋼套管鉆進

全回轉套管機就位，調整機身垂直度，并使機身抱箍系統中心與樁基中心保持垂線方向一致，啟動主機沉入鋼套管，沉入速度控制在6 m/h。

4.4 截樁

考慮到鋼筋籠單節長度為9 m，兩節鋼筋籠之間為搭接焊，鋼筋連接處為樁基抗扭剛度相對薄弱的區域，應鋼套管沉入2節后(套管入土深度約11 m)，暫停鉆進，實施截樁。將鋼釬楔入鋼套管與樁基間的空隙，繼續轉動鋼套管使樁基與鋼套管同步轉動，直至樁基被完全扭斷完成第一次截樁。反向旋轉鋼套管，取出鋼釬，用吊機將截斷的樁體吊出，用抓斗清除鋼套管內的土直至露出樁頭。循環上述鋼套管鉆進→截樁→取土過程，直至達到既定深度。

4.5 樁孔回填

鋼套管鉆進及截樁等施工過程對附近土體產生的是擠壓作用，使土體內的應力增加，該過程將引起土體內的構筑物出現微量上浮，當然這種上浮的影響非常小(實際觀測到的污水管上浮位移約為3 mm)，幾乎可以忽略不計。

樁孔回填與上拔鋼套管是同步進行的，由于失去了鋼套管的支護，孔壁處的土體有向套管中心流動的趨勢，土體應力得到一定程度的釋放，該施工過程極易引起土體內構筑物的沉降;另外，樁孔回填材料的密實度也是一個值得重視的問題，回填材料不密實將導致過大的后期沉降，這種后期沉降對土體內的構筑物無疑也會產生安全威脅。由此可見，樁孔回填過程是拔樁工程非常重要的一個環節，也是拔樁工程成敗的關鍵所在。

為盡量減少拔樁工程對工程范圍內合流污水管的影響，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，一邊對回填土以沖錘夯擊一邊上拔鋼套管，鋼套管應邊上拔邊旋轉，避免管內土體隨鋼套管一同上升造成空管現象，鋼套管拔起6 m后，采用壓密注漿的方法對回填土進行加固;循環前述施工步驟，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，該工藝的缺點主要有:1)鋼套管壁厚為48 mm，先行回填的土全部在套管內，夯擊后的土柱具有了一定的強度(非流塑狀態)，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充填，這必然造成外圍土體的應力損失，從而引起污水管的沉降。2)為保證回填土的密實性，回填過程需要對回填土進行夯擊，夯擊過程中震動較大，不可避免地對周圍土體造成一定程度的擾動;在前期施工的8根樁中，前7根位于最西側第一排，由于西側第二排樁的存在，對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(東側北數第1根)時，該工藝的缺陷才暴露出來。

方案二:引孔跟蹤注漿。彌補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充填套管拔除后的空隙，同時避免重錘夯擊，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)樁基拔除深度達到要求后(此時接入的鋼套管總長為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，土體密實度通過后續的跟蹤注漿保證;2)在套管內距離管壁150 mm處引孔2個(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)在孔內插入直徑60 mm，長度為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，注漿采用兩臺泵同時對兩根注漿管壓注水泥漿，每臺泵的注漿流量為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。跟蹤注漿工藝共實施了4根樁(第9根～12根)，總結該4根樁的施工經驗，認為跟蹤注漿工藝的優點有:1)能夠用水泥漿及時充填套管壁拔除后留下的空隙，減小了外圍土體的應力損失，對控制污水管的沉降是有效的;2)同時壓入的水泥漿能夠保證回填土的密實性，避免回填土后期自然密實過程中體積減小而引起周圍土體的應力損失。但是其缺點也是明顯的:1)施工工藝非常復雜，風險源很多，任何一個環節的失誤都可能導致該工藝的失敗;2)由于樁基拔除后孔深達24 m以上，用挖掘機直接回填到孔內的土即使不夯擊，其自由落體形成的沖擊力也足以使土體在套管內達到較高的密實度，同時回填土與鋼套管間的摩阻力也相應增大，因此在鋼套管上拔過程中，管內土體有時會隨著套管一起上升，出現局部空管現象，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沉降。

方案三:低標號砂漿回填。為彌補引孔跟蹤注漿的缺陷，在后續樁孔回填中采用了低標號砂漿回填工藝，具體做法為:1)砂漿采用強度等級為RM5.0的商品砂漿，砂漿配置時應確保其具備良好的流動性與和易性，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預拌砂漿的要求;2)樁基拔除深度達到要求后，立即用上述商品砂漿進行一次性回填，回填后的砂漿面應高出原地面約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，因此砂漿液面會不斷下降);3)上拔鋼套管時應邊旋轉邊慢速上拔，一節6 m鋼套管的起拔時間一般不得少于10 min，最后一節7.5 m套管也應慢速上拔，不得用吊車直接起吊。從后續樁孔回填的效果來看，砂漿回填的優點是非常明顯的:1)工藝簡單，風險源少，質量容易控制;2)商品砂漿具有良好的流動性與和易性，能夠及時充填套管拔出時的空隙，每節套管拔除后砂漿液面的下降高度與理論計算值基本一致，減少了對外圍土體的擾動;3)回填過程無需重錘夯擊，基本無震動。

5 污水管監測

為保證合流污水管的運營安全，根據污水管管養單位的要求，對污水管的變形進行了全過程監測。

5.1 測點布設

拔樁機械進場前，在每個管節接縫兩側各布設一個位移監測點，具體做法為:開挖暴露出管節接縫，在接縫處坐漿砌筑觀測井，在井內設置25 mm粗鋼筋作為位移監測點，觀測井內以黃砂填充，鋼筋頭露出黃砂頂面10 cm，工程范圍內共有5個管道接頭，因此共布置10個監測點。

5.2 監測頻度

第1根樁拔除時的觀測頻度要求:拔樁機械就位前→主機就位后→啟動鋼護筒后每小時觀測1次→截樁前、后各觀測一次→重新啟動鋼護筒后每小時觀測1次→樁孔回填前觀測1次→回填過程每上拔一次觀測1次→樁孔回填完畢觀測1次→間歇期后觀測1次。第1根樁拔除完畢后，安排3 d的間歇期，為后續施工提供參考。后續施工過程中的監測頻度為3次/d，施工結束后15 d內1次/d，此后為1次/3 d(延后觀測15 d)。

5.3 監測成果

至樁基拔除完畢時，各監測點的累計沉降值如圖2所示。

圖2 各監測點的累計沉降值

從圖2可以看出，污水管在靠近拔樁場地中心處的接縫沉降最大，其最大值為57.2 mm，縱向呈現盆式沉降的趨勢，曲線較為圓滑，理論計算得到的接縫處最大相對轉角為0.18°，遠小于該管道的容許轉角，現場亦未發現污水管有冒溢現象，說明污水管是安全的。

6 結語

1)全回轉鉆機拔樁適用于地質條件差且周圍存在敏感構筑物的情況;

2)鋼筋籠為搭接焊連接時，截樁時樁基被扭斷的位置一般位于兩節鋼筋籠交界處;

3)鋼套管鉆進過程中對土體的擾動很小，幾乎可以忽略不計，但樁孔回填過程應引起足夠重視;

4)樁孔回填采用M5商品砂漿是適宜的，但是必須確保及時供應，否則可能會因為鋼套管空管時間較長，管底的土塞在外圍巨大的土體壓力(超過20 m土柱)作用下，容易出現上升的現象，會在一定程度上引起外圍土體的應力損失，從而導致敏感構筑物的沉降。

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

［2］宋 輝，常 瑩.套管法拔樁對既有大直徑地下污水管的影響［J］.上海大學學報(自然科學版)，2011(21):39.

［3］曹玉忠，劉建國，徐 東，等.套管法拔樁施工對鄰近箱涵的影響分析［J］.城市軌道交通，2007(30):115-117.