在硬质地层中应用水刀辅助下沉钢板桩工艺

1在硬质地层中应用水刀辅助下沉钢板桩工艺摘要：本文针对xx市G351项目xx河中主墩桥位处硬质土层，采用水刀法辅助下沉24m钢板桩，讲述了水刀法辅助施工的设备选型、作业原理及工艺步骤，为今后类似地质条件围堰钢板桩施工提供参考经验。关键词：水刀钢板桩挖掘机振动锤动力泵1工程概况（1）工程简介xx，全桥长1644m，共十二联，其中第四联跨河主桥上部结构为（57+3×100+57）变截面预应力混凝土连续箱梁，河中14#、15#、16#主墩承台拟采用24m拉森IV钢板桩围堰施工。主墩承台尺寸为13.5×8.5×4m，台顶埋深约4~5m，枯水期水深约4~6m。（2）工程地质条件根据勘察设计单位提供的现场工程地质调查及钻探揭露，桥位区30m深范围内地层自上而下依次为：①层素填土(Qml)、①-1层冲填土(Qal)、②层粉土夹粉砂(Q4al+pl)、②-1层粉砂(Q4al+pl)、③层淤泥质粉质黏土(Q4al+pl)、④层黏土(Q4al+pl)、⑤层粉质黏土夹粉土、粉砂(Q4al+pl)、⑥层粉砂(Q4al+pl)。15#主墩勘探zk10孔位地质剖面图及地基承载力综合成果表见图1-1、表1-1。图1-1：15#主墩勘探10#孔位地质剖面图2表1-1地基承载力基本容许值、压缩模量综合成果表层号层名土工试验标准贯入综合取值[fa0](KPa)Es(mpa)N(击)[fa0](KPa)[fa0](KPa)Es(MPa)②-1粉砂——8.113013012.0③淤泥质粉质黏土653.11.060603.0④黏土23510.510.823023010.0⑤粉质黏土夹粉土、粉砂954.64.190904.5⑥粉砂——15.211011010.02工艺选择及原理1）作业布置（1）围堰钢板桩布设根据围堰钢板桩设计与计算书，围堰平面净空长、短边分别为16m、11.2m；钢板桩长24m（采用9m+15m接长），长、短边桩数量分别为39根、27根，角桩4根，合计136根；顶、底设计标高分别为37.5m、13.5m，入土深度约9~10m。围堰钢板桩平面布置图（2）施工平台设置围堰前、后两侧分别设置宽10m、12m施工平台，左侧为钢便桥，施工平台边之间净空为15m，钢便桥距围堰边净空约6m。2）工艺确定（1）根据桥位处硬质粘土地层条件，施打钢板桩须穿过冲填土层、淤泥质粉质粘土层、粘土层至粉质粘土夹粉土、粉砂层内，分布土层的承载力较大，其中粘土层综合承载力指标3达到230KPa。（2）鉴于土层较大的承载力，施工准备阶段采用大功率DZJ-150振动锤进行了试桩，板桩入土约2~3m后进尺缓慢，此时激振力及电流已到上限。（3）由于以上不利地质因素及施工难度，综合考虑工期与成本，在钢板桩下沉工艺中拟引入了“高压水射流切割技术”。（4）考虑钢板桩的型号和长度，以及施工作业平台布置情况，确定采用75t履带吊进行喂桩，然后利用改装的“日立ZX470H-3挖掘机+BYH450振动液压打桩机锤头”及水刀辅助插打就位。3）设备参数（1）日立ZX470H-3挖掘机（改装）+BYH450振动液压打桩机锤头规格：挖掘机+打桩机整机工作重量（t）:47.1+3.5=50.6。作业范围：停机面最大回转半径（m）:17；最大插打高度及半径(m):15、7。锤头性能参数：偏心力矩（MN）:85；振频（RPM）:2800；激振力（t）:75。钢板桩插打机械（改装）（2）水刀动力泵规格：北京东研水刀设备，JQ145-3B型（活塞式）。最大工作压力（MPa）：28~36。4动力泵控制系统（3）水压连接头、输压管及水刀动力泵与压力管连接采用DN25六角外丝、对丝接头，与动力泵丝扣连接，与输压管焊接；输压管采用Ø48mmδ3mm直缝钢管；水刀采用5mm芯孔的Ø50mm45#钢，与输压管焊接。六角外丝、对丝接头5水刀动力泵与输压管连接头输压管与水刀连接头64）作业原理振动式沉拔桩锤是利用其高频振动，以高加速度振动桩身，将机械产生的垂直振动传给桩体，导致桩周围的土体结构因振动液化；同时，由动力泵产生的高压水通过输压管经水刀头切入硬质粘土层，在桩底与土体之间形成空隙减小桩端下沉阻力，而喷出的高速水流沿土体与桩身之间形成水膜；在振动锤及水刀的合力作用下，使桩侧与土体的摩擦阻力及桩端阻力减少，然后以挖机下压力、振动沉拔锤与桩身自重将桩沉入土中。3工艺步骤1）钢板桩接长24m钢板桩采用15m+9m定型钢板桩现场对接满焊，且内、外面用钢板贴焊牢固；角桩采用整桩与半桩帮焊，接桩断面交错对焊；钢板桩插打时，接头应间隔错开。钢板桩接长角桩加工2）输压管固定钢管每个固定点采用裁剪的2个长方形小钢片加持电焊，固定间距为1.5~2.0m，底部适当加密以确保在沉桩过程中固结点不脱落。7压力管固定3）起吊、喂桩由于打桩机械吊重、吊高的局限性，24m钢板桩由75t履带吊配合起吊、喂桩，钢板桩就位后再由打桩持桩插打至设计高程。起吊、喂桩4）下沉钢板桩吊起后，开启动力泵，水刀切土与钢板桩在振动锤高频振动及压力的共同作用8下沉就位。动力泵压力在振动下沉过程中控制在20MPa以内，当水面不泛水或压力泵压力突然上升时，要立即关停，以防止爆管。振动、水刀切土下沉5）合拢（1）打桩顺序从河流下游角桩相邻第2或3根桩开始插打，至角桩合拢。（2）由于地层较硬，角桩及相邻桩在合拢前需反复插、拔，使桩间土充分液化、松软，直至最后数根合拢桩插打至设计深度。9围堰合拢6）施工注意事项（1）剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩，以保证钢板桩围堰的密水效果。（2）水刀动力泵、输压管管道抗压值必须与穿过地层的地质条件相匹配，使用前进行压力试验，以确保工艺的有效性。（3）由于沉桩工艺使用的设备较多，必须设专人指挥，且各设备专人操作、密切配合指令，并设置现场专职安全员以保证作业安全。（4）为保证插桩顺利合拢，要求桩身垂直，利用护筒设置导向架，在施工中加强测量工作，发现倾斜，及时调整。（5）在进行钢板桩的插打时，当钢板桩的垂直度较好，一次将桩打到要求深度，当垂直度较差时，要分两次进行施打。4优缺点及适用范围1）优点（1）根据地层承载力情况配置相应适压水刀动力泵及配套，可以有效穿透硬质地层。（2）沉桩对振动设备要求不高，与钢板桩相适应的普通振动锤既能满足施工要求。（3）沉桩对穿过土层的影响范围较小，有利于围堰周围土体维持原自稳定状态。2）缺点（1）工序作业专业性较强，对专业队伍的管理能力与操作工人的技能要求较高。（2）工艺涉及的设备较普通振动锤沉桩工艺多，多设备协同作业工作量大。3）使用范围水刀辅助下沉工艺涉及的设备多且工序复杂，本工艺主要适用于硬质土层或风化岩层，不建议在普通淤泥或砂土等地层条件下采用。105结语根据本工程项目特点及施工作业条件，在传统振动沉桩施工中引入“水刀法辅助下沉”工艺，有效克服了传统振动锤沉桩工艺只能穿透中等硬度地层的局限性，解决了硬质粘土层钢板桩的下沉问题，同时提高了工效，为后续作业时间上提供了有力保障。