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某地铁二号线拔桩施工中套管钻进拔桩法的应用

作者：来源：日期：2019/10/12 8:11:32人气：1633

引言

随着我国国民经济的持续快速发展,我国人民的物质生活水平得到了极大的改善与提高，人们出行的代步工具也随之发生了深刻的变化。由于城市道路建设的相对滞后,交通拥堵, 出行困难等矛盾日益突出，发展城市轨道交通就成了解决这一矛盾的必然选择。地铁在城区地下穿越施工中, 难免会遇到地面废弃建(构)筑物遗留的桩基工程。这些桩基工程成了地铁盾构穿越施工的重大障碍,特别是其内部的钢筋结构，对盾构而言是灾难性的, 它们可能导致盾构机刀盘的损毁和螺旋输送机的工作故障;因此,必须在盾构穿越施工前,将它们拔除，从而确保盾构机的安全穿越和地铁施工的顺利进行。王昆"阐述了工程因后期施工需要,拔除原有短桩桩基的施工要点及施工工艺;洪连明[21介绍了江苏国际图书中心地下存在原老楼预制方桩基础采用高压环喷拔桩进行清障处理的施工难点及施工工艺流程;童智能等[3结合拔除侵入广州地铁:三号线盾构隧道范围内69根深层静压高强预应力混凝土管桩工程,从方案设计方案可行性理论计算分析施工现场实施等方面,介绍了一种深层PHC管桩群拔除施工技术;辜思达等[4)通过具体工程实例对拔桩法的设计和施工处理进行归纳总结和分析;耀保等[5]结合上海陆家嘴上粮八库地块重建工程实例，分析了粉喷桩的承载力和拔除时的拔桩力,介绍了一种新的拔桩施工工法和四分圆组合钢套管粉喷桩拔桩装置;周正炳等[61介绍了对DB500- 5t型( I型)打拔桩车的两次改进,并通过改进使这一设备适宜在诸如新疆油田等地区的干硬土层打桩作业使用;武纲["结合桩的拔除工艺，分析了影响桩抗拔承载力的2个因素,介绍了在桩拔除工程中回填的重要性。在某地地铁二号线施工中,在D2 - TA03标雨润路桥D2 - TA07标的秦淮河两岸汉中门大街的华苑居民小区水西门大街的金基花园原江苏省皮革检验站遺址以及等地段,都遇到了地面废弃建(构)筑物遗留的桩基工程，其中需要拔除的弃桩总数在160根以上。桩型有沉管桩预制桩、钻孔灌注桩等,桩径Q 6~1 0m;桩长18~30m。采用套管钻进拔桩法施工,取得了较好的施工效果。

  1拔桩方法评价

  1.1拔桩施工机理

拔桩施工实质上是一个克服(桩周土层作用于桩侧表面的)桩侧摩阻与桩身自质量,将弃桩拔出地表的过程。由于桩侧摩阻与桩身自质量非常大,特别是桩侧摩阻;因此,使用目前常用的起吊设备是无法直接将弃桩拔出地表的。可在弃桩启拔之前,用水力切割的方法或机械切割的方法使桩土分离,以消弭桩侧摩.阻，从而使用常用的起吊设备实现将弃桩拔出地表,清除盾构穿越施工障碍。基于水力切割的拔桩方法有高压旋喷振拔法和振动沉管高压水切割拔桩法等,基于机械切割的拔桩方法有套管钻进拔桩法等。

  1.2高压旋喷振拔法

先在弃桩四周，距弃桩外缘20~30am,均匀施工4~6根高压旋喷桩,旋切桩周土体,以实施桩土分离，同时喷入膨润土浆以置换旋切土体产生的钻渣,并保护孔壁的稳定与完整。高压旋喷桩施工完成后,使用专用的桩头夹具夹住桩头,用振动锤将弃桩拔出地表。在旋喷桩的摆喷过程中,水压应控制在25~ 30MPa;风压控制在6MPa左右;喷浆压力控制在Q 5MPa;喷射管提升速度控制在10~15 an /min;浆泵泵量调整为80~100L /min;膨润土浆以1 4 t/m'为宜。该方法总体施工效率不高,施工工艺相对较为复杂,费用较高,对周边环境影响较大,而且桩土分离的彻底程度受地层密实性或可塑性制约较大,一旦桩土分离不彻底,则施工效果明显受影响。

  1.3 振动沉管高压水切割拔桩法

使用普通的沉管桩机,用φ 600~ 800厚壁无缝管作沉管, 管底安装6~8个高压水喷咀,通过振击与高压水的切割作用，将沉管沉至弃桩桩底之下,将桩周土:剥离,以消弭桩侧摩阻, 然后使用夹具将桩头夹住,用振动锤将弃桩拔出地表。沉管下沉过程中,水压不宜:小于25MPa。该方法施工工艺简单,费用也较低,但多适用于小于φ700的弃桩,而且对周围环境的影响较大;因此使用不普遍。

  1.4 套管钻进拔桩法

该方法最早于1996年在某地下关电厂输煤廊道拔木桩施工中应用过。其施工流程如图1.

该法使用的拔桩机是利用黄海机械厂生产的GM.20型工程钻机改装而成的,其传递动力的“钻杆是大口径钢质套管,钢质套管直径比弃桩桩径大20an;钻头是在套管底部焊8~12枚合金钎头而成。实施桩土分离时,将套管中心对准弃桩中心,在拔桩机动力的驱动下慢慢地向下钻进,直至弃桩底部。桩土分离完成后,将套管提起, 卸掉最顶上1~2节,然后将拔桩用钢丝绳有套的一端，用细铁丝固定在套管下钻头上,将钢丝绳的另一端挂在钻机的提引器上(如图2);同时,将套管的提缆钢丝绳挂在吊车的大钩上,在吊车的协助下,将套管与拔桩钢丝绳同步下放,直至套管下达孔底为止。此时启动钻机的卷扬机,将拔桩钢丝绳上提收紧,使其与套管脱离而套住弃桩,待确认弃桩已被套住,即可开始起拔。由于弃桩一般都较长，无法一次将其拔出,需要截断分节拔出。弃桩截断前,在截断位置的下方,用另一根拔桩钢丝绳将弃桩套住,钢丝绳的另一端固定在钻机机架上,然后用卷扬机将弃桩缓缓放下,直至下方套桩钢丝绳受力为止。

弃桩截断的方法是：用风镐先将弃桩钢筋的保护层剥去,使钢筋暴露,用氧焊割枪将它们割断;然后再用卷扬机将弃桩提断;最后用吊车将弃桩移到指定地点弃置。如此重复“套、拔、断、移”作业,直至弃桩全部拔出。弃桩拔出后,将孔内的套管提出孔外,进行砂浆回灌封孔。砂浆强度以Q 5~1 0MPa为宜。

在具体拔桩施工中选用何种拔桩方法取决于弃桩类型弃桩的桩径桩长桩身结构弃桩穿越地层的岩性特征以及施工单位的设备状况等因素。综上各种因素,在某地地铁二号线拔桩施工中,采用套管钻进拔桩法,该方法工艺较为成熟,操作简单,施工效率较高，费用相对较低，对周边环境影响也较小，实际施工证明,施工效果也是好的。

  2拔桩施工设备选型与机具配套

采用套管钻进拔桩法施工,所需主要设备有拔桩机汽车吊柴油发电机、空压机拔桩专用套管、钻头和变径等。

  2.1拔桩机

目前国内尚无定型的专用拔桩机,根据某地地质的特殊性，地铁二号线TA03标的粉细砂底层中拔桩施工中所使用的拔桩机,利用黄海机械厂生产的GM - 20型工程钻机改装而成的,其选型的依据是:

1)拔桩机的最大扭矩和最大提升能力与实际拔桩施工中最大回转阻力矩和最大启拔重量相匹配。GM-20型钻机设计最大扭矩为36kN.m,卷扬机的最大提升能力为27t。实际施工中,回转阻力矩按式(1)计算。

Mr。= (πD2 /4)fTh2 tan? (45。- φ/2) -

hC(πD' /2) tan (45°- φ/2)一Qf (rD/4)， (1)式中:Mrp为回转阻力矩;D为套管外径,弃桩桩径加Q2m,取102m;左,方为套管与地层土的摩擦因数，查表得f=0 075,方=Q 25; 7为地层土的平均重度，取18 6kN/m2; φ为地层土的平均内摩擦角,取27.4 ,h为套管沉入地层土的深度,取27. 5m; C为地层土的平均黏结力,取10 9Pa; Q为轴向荷载(套管298 31kg/m;法兰56 45kg/个)，取11 60 kN.

计算得回转阻力矩为32 4kN .m。弃桩启拔质量按式(2)计算

G = (rD2 /4) (71一r2)h, (2)式中:G为弃桩启拔质量;71为弃桩桩身混凝土体积.质量,取25t/m'; r2为泥浆体积质量,取1 4t/m'; D为弃桩直径,取1 0m; h为弃桩桩长,取25. 0m。

计算得弃桩启拔质量为21 6t。

由上述计算结果可知,选用GM-20型工程钻机进行改装是合理的，是可以承担拔桩施工任务的。

2)选用GM- 20钻机进行改装简单易行,只需要对钻机前部的井字架与操作台板进行简单改装即可。原井字架中央孔通过能力为φ450,改装后的最大通过能力为φ 1500,可以满足施工要求;原操作台板为前后水平移动, 改装后改为翻板式,翻板打开时,允许套管通过,闭合时卡住套管卡箍,使套管不能落下。某地地铁二号线的拔桩施工实践表明,桩机的改装是成功的,操作简单,性能安全可靠。

  2.2 套管

套管的用途与普通工程钻机的钻杆一样,在钻进过程中传递动力,在拔桩施工中还可以作为送绳器,将拔桩钢丝绳送到孔内预定的位置。本工程所用套管是用壁厚12mm的高频螺纹焊管制作而成,套管直径比弃桩直径大Q 2m,套管长3. 0m,辅助套管长1 5m,套管采用法兰驳接。在套管上法兰下方Q 5m处,沿套管外壁用φ 25圆钢焊一圈卡箍,当钻机操作台板闭合时,卡箍将套管卡住, 以便套管装拆操作(见图3)。

  2.3 钻头

钻头与套管一样(见图4),用壁厚12mm的高频螺纹焊管制成,其直径与套管同,钻头底部焊有8~12 枚合金钎头，开有2~3个三角形水口,水口底宽10~15 an,高15~20an。钻头外壁焊有4组合金刀排，其作用是,在钻进过程中保护法兰免受磨损,并在套管与周围土体之间形成一个环形空间,以便泥浆的循环与流动。

  2.4 变径

变径的用途是连接套管与钻机主钻杆。变径法兰同套管和主钻杆法兰,变径的心管直径为φ 180 (见图5)。

  2.5 喇叭筒

喇叭筒(见图6)的用途主要是扶正断桩。采用套管钻进法拔桩时,其成孔直径一般要比弃桩直径大Q 5m左右,当孔内出现断桩时,多数情况下断桩总是斜倚孔壁，此时如果使用的是普通套管钻头,由于断桩的阻碍，套管就无法下达孔底，从而就无法进行加套管操作。采用喇叭筒则比较容易通过断桩部位，可以使套管下达孔底,进行加管操作或对断桩底端进行套拔。采用的喇叭筒是用12mm厚的钢板卷制而成,其上口直径与套管相同，采用法兰与套管连接;喇叭筒下口直径与钻孔成孔直径一般大小。喇叭筒的底端也焊有8~12枚合金钎头,其水口的尺寸和套管钻头一样。

3施工中应注意的事项及若干问题的探讨

3.1钻机就位对中与调平

采用套管钻进拔桩法施工,在开孔前,必须对钻机进行细仔认真的对中与调平，这是保证拔桩施工顺利进行的基础。由于弃桩总是存在一定的垂直度偏差;因此,几乎所有拔出的弃桩都有被“啃蚀的痕迹，只是程度不同而已。当弃桩的垂直度偏差与钻机的对中调平误差都比较小时，弃桩与套管间整合度较高,这时弃桩被“啃蚀的程度比较轻微;即便弃桩与套管之间有不大的交角,通过钻机的自适应机制的调整,也能保证钻进施工的正常顺利进行。但当弃桩的垂直度偏差较大时(如沉管桩预制桩等),如果仍拘泥于对中、调平,则对拔桩施工非但无益,甚至有害,可能导致严重的啃桩”，甚而将弃桩啃断;因此,应适时地调整钻机的位置与姿态,使套管与弃桩间达成整合。实际施工中,因为无法正确判断弃桩的垂直度偏差情况;所以在开孔前要强调钻机的对中与调平。在钻进过程中,根据“啃桩情况判断弃桩的垂直度偏差情况,此时强调对钻机的位置和姿态进行适时必要的调整,以免出现“桩断机毁的情况。

在地铁二号线TA03标弃桩的拔桩施工中,针对弃桩南侧紧挨着一路φ1 2m的钢质水管(见图7),设计采用了一套新的施工方案:先紧挨水管的北侧,用φQ 4m的筒式钻头施工3个岩心钻,将弃桩靠近水管半边的混凝土钻除掉;然后将钻机沿垂直水管走向方向北移75 an就位，并将钻机的天顶角调整为88 *34 ;用φ1 2m套管开孔钻进，实施桩土分离;桩土分离完成后,按常规方法进行弃桩的套拔与砂浆回灌作业。按此方案施工，取得了预期效果,并为业主与总包方节约了大量的资金,贏得了宝贵的施工时间。

3. 2拔桩施工中泥浆的制备

采用套管钻进法拔桩施工,与通常的桩基施工一样,特别是在砂性地层中施工, 需要用优质陶土制备足够数量的泥浆泥浆数量相当于弃桩体积的1 5~2 0倍。制备泥浆时,按体积质量100 2的比例投放陶土与烧碱。泥浆在拔桩施工中能保护孔壁稳定,防止孔壁坍塌,将钻进过程中产生的钻渣携排出孔外;冷却钻具,延长钻具使用寿命;大大减轻弃桩的启拔质量,使拔桩变得比较容易。在整个拔桩施工中,必须保持泥浆的优良性能,根据经验,泥浆应控制在1 4 t/m左右,黏度30~32 s,含砂率<8%,胶体率> (85% ~90%)。在进行弃桩套拔作业时,随着弃桩不断被拔起,孔内的泥浆面将随之不断地下降，从而使泥浆面以上的孔壁处于严重失稳状态,为防止孔壁坍塌,必须及时地进行补浆。

3. 3 砂浆回灌封孔

砂浆回灌封孔的目的是防止在盾构穿越施工中,，实施同步注浆时，水泥浆液沿桩孔上串, 导致地表出现冒浆冒泡现象,造成地表环境污染。据某地地铁二号线D2 - TAO7标,盾构施工经验,在拔桩施工1个月以后进行穿越仍然可能出现冒浆冒泡现象;因此,在拌制砂浆时,掺入适量的早强剂,并在盾构穿越拔桩区时，地表设置明显的警示标志，并派专员进行24h不间断监控,以便出现异常能及时处理。回灌封孔用砂浆的强度不宜过高,否则将会给盾构穿越施工增加困难。3. 4 断桩的处理

拔桩施工中,弃桩经常出现断裂,特别是在沉管与预制桩拔桩施工中。出现断桩的原因有: 1)弃桩桩身混凝土的质量较差,由于钻进施工中扰动造成断桩,甚至桩身完全破碎; 2)预制桩接桩部位出现断桩; 3)当弃桩桩身为二元结构时,在钢筋混凝土结构与素混凝土结构的界面附近为应力集中区,容易出现断桩; 4)少数弃桩垂直度偏差较大,在钻进过程中被“啃断”。断桩的处理方法有多次套拔法沉桩法消灭法、锤击粹法等。

1)多次套拔法。多次重复弃桩的套拔作业,直至所有断桩全部拔出。当断桩长度较长(大于2 0m),且桩身完整时,该方法能取得较好的效果。

2)沉桩法。当断桩长度小于2 0m,采用多次套拔法不能凑效时,可以采用沉桩法处理。即用套管超深钻进,将弃桩底部的土层掏空使断桩下沉,直至断桩桩头标高低于盾构外轮廓底标高为止。该方法对于桩径≤Q80m的弃桩,处理效果也比较好;弃桩桩径>Q 80m时,由于桩底土层不易掏空,处理的效率低,效:果也较差。

3)消灭法。当断桩长度<15m,且桩身混凝土质量较差,桩身又不完整时,可在套管内,用φQ 4m的筒式钻头将断桩彻底钻碎予以消灭。

4)锤击法。用冲锤将断桩砸碎，将桩身混凝土碎块挤入周围的土层中去。当断桩桩身为钢筋混凝土结构时,应经常用磁铁将孔内的钢筋吸出。

在上述各种断桩处理方法中,应首选多次套拔法,该方法处理较彻底,其他方法只有在多次套拔法失效后才考虑选用;锤击法要慎用,因为该法往往处理的不彻底,易留后患。

3. 5回转阻力矩与弃桩启拔质量

根据式(1)计算可知,当弃桩桩径为1. 0m,桩长为27.0m时,回转阻力矩为35.9kN.m,已经达到GM-20型工程钻的最大设计扭矩。根据某地地铁二号线有关设计参数,盾构施工外轮廓底面的埋深都在25.0m以内;因此，如果弃桩在25m深处的桩身为素混凝土结构，采用孔内爆破的方法是完全可以做到的,至于钢筋混凝土结构是否可用孔内爆破法将弃桩截断,尚无经验,还有待进一步实践探索。

弃桩的启拔质量是一个变数,当弃桩完全处于钻孔泥浆面以下时, 可以用式(2)计算。一旦弃桩露出泥浆面后，每提升1. 0m,起拔质量将增加1 1 t,依此计算得:当弃桩桩头露出泥浆面高达5. 0m时,起拔质量达到GM-20型钻机的最大提升能力27.0t,此时只有借助于吊机的帮助才能继续起拔。

4结论

根据在某地地铁二号线拔桩施工实践,套管钻进拔桩法,施工工艺较为简单,操作方便安全,效率高,费用低,施工效果好,且对周边环境影响小;因此,可以在小桩径(≤1 0m) ,短桩长(≤27 0m)的拔桩施工中推广应用。如果能够解决弃桩孔内截断的话,那么它的适用范围将更广。随着现在各类交通枢纽的不段扩展和建筑物的改建,对地下障碍物清理工作边界条件要求越来越高施工难度越来越大;因此,还有很多东西需要继续学习探索和实践;对于已经取得的一些经验与教训,也还有待于进行认真的总结与整理,如:对于桩径>10m,桩长>27.0m的弃桩，套管钻进拔桩法是否适用,目前还缺少经验储备;当弃桩垂直度偏差较大时，采用该法施工可能会导致弃桩“啃断”,对于这类断桩的处理，还有待更完善的解决办法。

上一个：多功能喷雾套管拔桩工艺在工程中的应用

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