改进板桩沉桩技术在铁板砂地层中的应用

胡志勇

中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司 上海 201399

钢筋混凝土板桩是一种预制直立式挡土护坡桩型，因其质量可靠、工艺简单、取材方便和施工过程无污染等优点而被广泛应用于各种形式的码头和航道护岸工程中[1]。钢筋混凝土板桩通常适用于软弱地基的地质条件，一般采用锤击桩、振动沉桩、静力压桩等施工工艺[2]。

其中，振动沉桩工艺以振动的方式降低桩周土体对桩的阻力，具有噪声小、施工速度快的特点。但是，对于不易扰动和清淤破坏的铁板砂地层，振动沉桩时存在土体不易振动液化、桩体端阻摩阻大、进尺速度慢，沉桩质量不易控制等现象[3]。因此，预制板桩的振动沉桩施工工艺也存在一定的局限性和缺陷性，需在应用时根据实际工况进行改进[4]。

铁板砂地层在我国分布较为广泛，尤其是上海地区[5]。这是一种由粉土或砂土在地质营力作用下胶结而成的特殊泥沙沉积物，其表层土质为高密实度的粉砂质细砂和砂质粉砂，颗粒堆积致密，强度较高，是具有一定厚度的硬壳层[6]。上海市苏州河堤防达标改造工程发现施工区段的铁板砂地层沉桩阻力较大，插打困难。采用传统板桩振动沉桩工艺易对桩身混凝土造成破坏，并且进尺速度缓慢、成孔质量较差，桩头粉碎损坏和脱榫现象严重，已无法满足该铁板砂地层的特殊地质要求。因此，本文结合高压水刀辅助沉桩技术，提出了分别通过水刀扩孔和引孔降低沉桩难度的方法。即利用高压水泵喷射的高压水流形成水刀，先使其冲击板桩行进的地层，在原有桩位上形成预钻孔，完成沉桩前扩孔。然后，采用高压水枪引孔，同时将其并入板桩一起插打，使高压水流和沉桩工作同步进行，直至将钢筋混凝土桩打入地下。

该方法充分利用高压射流水切割土体，冲散铁板砂地质层，以减小沉桩挤土量和防止地层重新固结。实践表明，这种利用高压水刀的沉桩施工工艺既能加快进尺速度，提高生产效率，又能保证成桩质量，同时还降低了对振动锤的要求和施工成本，是一种简单、高效的辅助沉桩方法。

1 工艺原理及结构组成

不同地区的铁板砂地层特性不尽相同。根据已收集的资料，上海地区苏州河（真北路—蕰藻浜）流域的铁板砂成分主要为石英砂和黏土质。地层平均比贯入阻力3.14～7.02 MPa。该地层表层坚硬，不易进尺，采用传统振动沉桩工艺进行板桩施工时常出现插打施工困难、成孔质量较差等问题。

1.1 水刀辅助沉桩机理

针对铁板砂地层，先对既定桩位进行水刀扩孔预处理，即由高压水泵通过水管向水刀供水，利用高压水泵急速射出的高压水形成水刀，切割铁板砂土体，冲散地质层，并在原有桩位上形成预钻孔，减小后续沉桩施工时桩与土体间的摩擦力以及桩周土体的侧向阻力，并降低沉桩挤土量。

沉桩施工时，为防止铁板砂地层的重新固结，降低沉桩施工难度，将高压水刀放置于钢筋混凝土板桩的下端，水刀喷射高压水流与振动沉桩同时进行（图1）。利用水刀喷射的高压水流减少沉桩阻力，实现水刀引孔，同时边引孔边沉桩。

图1 高压水刀系统

1.2 工艺特点

1）结构组成简单。高压水刀辅助沉桩系统由钢板桩固定桩和高压水枪组成。该结构只需数个普通无缝钢管和螺纹套筒即可制作成高压水枪头，通过水管将其与高压水泵相连，再使用1个钢板桩作为水刀固定桩，构成高压水刀辅助沉桩系统。

2）工况要求低。使用高压水刀可进行任意形状的扩孔和引孔，其余工序只有吊车起吊预制桩、振动打桩机沉桩，无需增加或者更换机械设备。

3）质量和工效提升明显。有效解决了板桩沉桩速度缓慢、桩头破损、不能沉桩等情况，并对沉桩的整体线形及沉桩质量有明显的改善。同时降低了板桩脱榫率，减少了板桩处理费用和施工周期。

1.3 工艺流程

施工准备→测量放样→清障→施工排架搭设→导向架定位加固→桩身检查→桩机设备检查→制作水刀→水刀测试→机械就位→起吊水刀→水刀引孔→吊桩→桩身垂直度校正→振动沉桩至设计高程→异形桩纠位

2 质量控制要点

2.1 施工排架搭设

水上排架采用钢管立柱与槽钢横梁的结构。其中，立柱采用φ630 mm×8 mm钢管，采用EX400型液压振动锤施工，钢管柱长9 m，沿河岸方向间隔2 m布置，钢管柱距离老防汛墙不得大于3 m，管桩顶部通长设置20#槽钢作为打桩机械的行走轨道。桩顶标高略高于老挡墙，以30 cm控制。为确保施工安全，排架外侧2 m处，沿河岸方向每间隔50 m设置1根φ630 mm×8 mm钢管柱，安装安全爆闪灯，方便来往船只辨识，同时在桩机上设置防护栏杆等，加强安全防护，具体布置如图2所示。

图2 施工排架设计断面

2.2 导向架施工

导向架对板桩正确定位、桩体垂直度及整体顺直度有着直接影响，其质量直接关系到板桩的施工质量。因此综合考虑导向架的强度、刚度、使用频率及本工程地质条件，导向架主梁采用厚10 mm钢板焊接而成（图3）。导向架长6 m，宽20 cm，厚20 cm，2根主梁之间间距31 cm（比板桩宽1 cm）。主梁两端设定位卡板，定位卡板采用厚10 mm钢板，长71 cm，宽10 cm，与导向架主梁焊接为一体。主梁上部每隔50 cm设定位角铁，定位角铁采用10#角钢，厚10 mm，与主梁焊接为一体。

图3 导向架设计断面

2.3 水刀引孔

高压水枪头采用内径16 mm、壁厚0.5 mm的普通无缝钢管制作（图4）。每根钢管的长度确定为0.5 m。为确保射水的效果，上部进水口部分为1.0 m，再分为2根射水管。材料准备好后，将钢管的出水端加工成扁椭圆形，椭圆宽度控制在2 mm，进水端加工成螺纹套筒。高压水枪头制作完后，将其与固定钢板桩牢固焊接。

高压水刀如图5所示。先采用高压射水钢板桩扩孔是考虑高压水刀可以冲散铁板砂地层的灰色砂质粉土层，为后续钢筋混凝土板桩入土提供更大的空间。

高压射水钢板桩引孔：插打时，启动90 kW振动锤向下振动，同时启动高压水枪射水，进行正反引孔，引孔深度10 m（超过铁板砂层不少于1 m）。

图4 高压水枪头

图5 高压水刀

水刀引孔主要控制参数为：锤重2.5～4.0 t；锤击力60～100 kN；每锤沉桩深度10～20 mm。2个水刀刀头的喷射水压力30 MPa。

停锤标准以标高控制为主，贯入度作为校核，即最后3阵锤击（每阵连续10击）贯入度控制在5 cm以内。

2.4 吊桩、沉桩、送桩

钢筋混凝土板桩吊起就位后，要缓缓放下，插入土中，同时进行桩位和垂直度校正（桩身的垂直度由2台经纬仪控制，保证其精度差值小于桩长的1%，并在沉桩过程中跟踪监测，保持垂直度）。待桩身垂直度满足要求后，才能开始施打。沉桩时架设1台经过校准的水准仪，以便在施打过程中实时进行标高观测。

沉桩要平稳，以保证桩头完好。沉桩初始，应控制沉桩速度，并由经纬仪跟踪监测，保持垂直度。采用重锤轻打的措施，严禁盲目加油沉桩。

板桩沉入时必须随时注意板桩与限位装置（定位角铁与限位板）的密贴程度，限位位置与先前沉入板桩之间的距离正好是沉入板桩的尺寸，使沉入板桩紧贴着先前沉入板桩打入，确保板桩之间不脱榫，即板桩的阴阳榫口紧密对接。

3 质量控制措施

1）钢筋混凝土板桩运至施工现场后应对桩身质量进行检查，进入施工现场的桩必须具备出厂合格证和型式检验报告，符合设计及施工规范要求方可使用。

2）吊桩时要严格遵守安全技术操作规程，插桩后，应该尽快调整桩机，并保持桩的垂直度，使其与压入方向成直线。

3）在确定桩位中心位置无误后，再正式打桩。在打入初期，应将桩缓慢下沉，发生桩偏斜时及时进行调整，调整后再将桩送入设计桩位标高。

4）沉桩应连续进行，避免长时间中断。

5）停打标准为桩顶标高达到设计要求。

6）打桩时所用的测量仪器应注意经常保养、检修和计量标定，以减少检测误差，施工中应随着桩的下沉认真做好检测记录。

7）沉桩时若遇阻力突然增大，甚至超过桩机的最大打击力，应立即停压并采取相应措施，以免造成断桩或其他事故。

8）建立质量保证体系，健全各项检查检验制度。每个关键工序由专人控制，从制度和人员控制上保证施工质量。

4 结语

本文通过对传统钢筋混凝土板桩的振动沉桩工艺进行改进，制成了专门的水刀扩孔、引孔工具，顺利实现了钢筋混凝土板桩在铁板砂地层中的振动沉桩施工。本文所提出的高压水刀辅助沉桩方法操作简单，效果明显，不但降低了板桩脱榫率，提高了板桩沉桩质量，还加快了整体施工进度。该工艺已应用于上海市苏州河堤防改造工程中的铁板砂地层，取得了较好的实际效果，为水利工程中穿越铁板砂地层的板桩振动沉桩提供了一种可靠的施工方法。