改進板樁沉樁技術在鐵板砂地層中的應用

胡志勇

中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399

鋼筋混凝土板樁是一種預制直立式擋土護坡樁型，因其質量可靠、工藝簡單、取材方便和施工過程無污染等優點而被廣泛應用于各種形式的碼頭和航道護岸工程中[1]。鋼筋混凝土板樁通常適用于軟弱地基的地質條件，一般采用錘擊樁、振動沉樁、靜力壓樁等施工工藝[2]。

其中，振動沉樁工藝以振動的方式降低樁周土體對樁的阻力，具有噪聲小、施工速度快的特點。但是，對于不易擾動和清淤破壞的鐵板砂地層，振動沉樁時存在土體不易振動液化、樁體端阻摩阻大、進尺速度慢，沉樁質量不易控制等現象[3]。因此，預制板樁的振動沉樁施工工藝也存在一定的局限性和缺陷性，需在應用時根據實際工況進行改進[4]。

鐵板砂地層在我國分布較為廣泛，尤其是上海地區[5]。這是一種由粉土或砂土在地質營力作用下膠結而成的特殊泥沙沉積物，其表層土質為高密實度的粉砂質細砂和砂質粉砂，顆粒堆積致密，強度較高，是具有一定厚度的硬殼層[6]。上海市蘇州河堤防達標改造工程發現施工區段的鐵板砂地層沉樁阻力較大，插打困難。采用傳統板樁振動沉樁工藝易對樁身混凝土造成破壞，并且進尺速度緩慢、成孔質量較差，樁頭粉碎損壞和脫榫現象嚴重，已無法滿足該鐵板砂地層的特殊地質要求。因此，本文結合高壓水刀輔助沉樁技術，提出了分別通過水刀擴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的地層，在原有樁位上形成預鉆孔，完成沉樁前擴孔。然后，采用高壓水槍引孔，同時將其并入板樁一起插打，使高壓水流和沉樁工作同步進行，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，沖散鐵板砂地質層，以減小沉樁擠土量和防止地層重新固結。實踐表明，這種利用高壓水刀的沉樁施工工藝既能加快進尺速度，提高生產效率，又能保證成樁質量，同時還降低了對振動錘的要求和施工成本，是一種簡單、高效的輔助沉樁方法。

1 工藝原理及結構組成

不同地區的鐵板砂地層特性不盡相同。根據已收集的資料，上海地區蘇州河（真北路—蕰藻浜）流域的鐵板砂成分主要為石英砂和黏土質。地層平均比貫入阻力3.14～7.02 MPa。該地層表層堅硬，不易進尺，采用傳統振動沉樁工藝進行板樁施工時常出現插打施工困難、成孔質量較差等問題。

1.1 水刀輔助沉樁機理

針對鐵板砂地層，先對既定樁位進行水刀擴孔預處理，即由高壓水泵通過水管向水刀供水，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，沖散地質層，并在原有樁位上形成預鉆孔，減小后續沉樁施工時樁與土體間的摩擦力以及樁周土體的側向阻力，并降低沉樁擠土量。

沉樁施工時，為防止鐵板砂地層的重新固結，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沉樁同時進行（圖1）。利用水刀噴射的高壓水流減少沉樁阻力，實現水刀引孔，同時邊引孔邊沉樁。

圖1 高壓水刀系統

1.2 工藝特點

1）結構組成簡單。高壓水刀輔助沉樁系統由鋼板樁固定樁和高壓水槍組成。該結構只需數個普通無縫鋼管和螺紋套筒即可制作成高壓水槍頭，通過水管將其與高壓水泵相連，再使用1個鋼板樁作為水刀固定樁，構成高壓水刀輔助沉樁系統。

2）工況要求低。使用高壓水刀可進行任意形狀的擴孔和引孔，其余工序只有吊車起吊預制樁、振動打樁機沉樁，無需增加或者更換機械設備。

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

1.3 工藝流程

施工準備→測量放樣→清障→施工排架搭設→導向架定位加固→樁身檢查→樁機設備檢查→制作水刀→水刀測試→機械就位→起吊水刀→水刀引孔→吊樁→樁身垂直度校正→振動沉樁至設計高程→異形樁糾位

2 質量控制要點

2.1 施工排架搭設

水上排架采用鋼管立柱與槽鋼橫梁的結構。其中，立柱采用φ630 mm×8 mm鋼管，采用EX400型液壓振動錘施工，鋼管柱長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，管樁頂部通長設置20#槽鋼作為打樁機械的行走軌道。樁頂標高略高于老擋墻，以30 cm控制。為確保施工安全，排架外側2 m處，沿河岸方向每間隔50 m設置1根φ630 mm×8 mm鋼管柱，安裝安全爆閃燈，方便來往船只辨識，同時在樁機上設置防護欄桿等，加強安全防護，具體布置如圖2所示。

圖2 施工排架設計斷面

2.2 導向架施工

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

圖3 導向架設計斷面

2.3 水刀引孔

高壓水槍頭采用內徑16 mm、壁厚0.5 mm的普通無縫鋼管制作（圖4）。每根鋼管的長度確定為0.5 m。為確保射水的效果，上部進水口部分為1.0 m，再分為2根射水管。材料準備好后，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孔是考慮高壓水刀可以沖散鐵板砂地層的灰色砂質粉土層，為后續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，啟動90 kW振動錘向下振動，同時啟動高壓水槍射水，進行正反引孔，引孔深度10 m（超過鐵板砂層不少于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個水刀刀頭的噴射水壓力30 MPa。

停錘標準以標高控制為主，貫入度作為校核，即最后3陣錘擊（每陣連續10擊）貫入度控制在5 cm以內。

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，同時進行樁位和垂直度校正（樁身的垂直度由2臺經緯儀控制，保證其精度差值小于樁長的1%，并在沉樁過程中跟蹤監測，保持垂直度）。待樁身垂直度滿足要求后，才能開始施打。沉樁時架設1臺經過校準的水準儀，以便在施打過程中實時進行標高觀測。

沉樁要平穩，以保證樁頭完好。沉樁初始，應控制沉樁速度，并由經緯儀跟蹤監測，保持垂直度。采用重錘輕打的措施，嚴禁盲目加油沉樁。

板樁沉入時必須隨時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，即板樁的陰陽榫口緊密對接。

3 質量控制措施

1）鋼筋混凝土板樁運至施工現場后應對樁身質量進行檢查，進入施工現場的樁必須具備出廠合格證和型式檢驗報告，符合設計及施工規范要求方可使用。

2）吊樁時要嚴格遵守安全技術操作規程，插樁后，應該盡快調整樁機，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誤后，再正式打樁。在打入初期，應將樁緩慢下沉，發生樁偏斜時及時進行調整，調整后再將樁送入設計樁位標高。

4）沉樁應連續進行，避免長時間中斷。

5）停打標準為樁頂標高達到設計要求。

6）打樁時所用的測量儀器應注意經常保養、檢修和計量標定，以減少檢測誤差，施工中應隨著樁的下沉認真做好檢測記錄。

7）沉樁時若遇阻力突然增大，甚至超過樁機的最大打擊力，應立即停壓并采取相應措施，以免造成斷樁或其他事故。

8）建立質量保證體系，健全各項檢查檢驗制度。每個關鍵工序由專人控制，從制度和人員控制上保證施工質量。

4 結語

本文通過對傳統鋼筋混凝土板樁的振動沉樁工藝進行改進，制成了專門的水刀擴孔、引孔工具，順利實現了鋼筋混凝土板樁在鐵板砂地層中的振動沉樁施工。本文所提出的高壓水刀輔助沉樁方法操作簡單，效果明顯，不但降低了板樁脫榫率，提高了板樁沉樁質量，還加快了整體施工進度。該工藝已應用于上海市蘇州河堤防改造工程中的鐵板砂地層，取得了較好的實際效果，為水利工程中穿越鐵板砂地層的板樁振動沉樁提供了一種可靠的施工方法。