鉆孔灌注樁拔除工藝研究

鉆孔灌注樁拔除工藝研究摘要：隨著我國(guó)都市化建設(shè)的快速發(fā)展，都市軌道工程施工中碰到現(xiàn)有建筑物樁基時(shí)，需要將侵入的樁體整體拔出。本文根據(jù)擬拔除樁基直徑大、淺入巖的特點(diǎn)，對(duì)抗拔樁體受力特性和拔樁工藝進(jìn)行了分析研究。

核心詞：鉆孔灌注樁；拔樁；工藝

1工程概況

現(xiàn)狀竹山橋?yàn)橐蛔蹇绾?jiǎn)支梁橋，跨徑組合為（8.2+10.06*3+8.2）=46.6m，橋?qū)?5m，其中兩側(cè)人行道寬3.5m，車行道寬18m，橋面標(biāo)高11.54m。竹山路規(guī)劃紅線寬45m。因地鐵5號(hào)線需從竹山路下通過(guò)，現(xiàn)狀的老橋樁基與5號(hào)線的區(qū)間隧道干擾，需要拆除老橋的樁基，以確保盾構(gòu)隧道的施工。同時(shí)由于老橋的橋面標(biāo)高較低，橋位處的百年一遇洪水標(biāo)高為11.53m，幾乎與橋面齊平，該橋已經(jīng)成為了外港河上嚴(yán)重阻水的橋梁，結(jié)合地鐵5號(hào)線盾構(gòu)隧道規(guī)定，對(duì)現(xiàn)狀的竹山橋進(jìn)行拆除新建，按照規(guī)劃紅線45m一次實(shí)施到位。

新建橋梁為一座三跨13m梁橋，最高洪水位按11.53m控制，地鐵部門同旨在上下行區(qū)間隧道中間設(shè)一排樁，規(guī)定樁基必須先于盾構(gòu)施工。

根據(jù)老橋竣工圖顯示樁基直徑100cm，最深22.3m，最短17.7m，共36根。

2拔樁荷載傳遞和承載機(jī)制

當(dāng)樁身材料強(qiáng)度足夠大，在樁頂部施加上拔力，此時(shí)樁本身作為抗拔樁，荷載傳遞過(guò)程與承載機(jī)制是：樁頂承受上拔荷載，樁體受到土體向下的摩阻力，土體也受到樁體提供的向上拉拔力，樁-土之間出現(xiàn)相對(duì)位移，近地面部分樁側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮。隨著上拔荷載增大，距地面較深處樁側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮，拉拔力與摩阻力逐步增大，直至樁周一定范疇內(nèi)的土體產(chǎn)生拉剪破壞，樁與土體共同被拔出，此時(shí)的摩阻力即為抗拔樁的極限凈抗拔承載力。側(cè)摩阻力的發(fā)揮與諸多因素有關(guān)系，例如土的性質(zhì)、樁的剛度、土體中的應(yīng)力狀態(tài)、樁土之間接觸面性質(zhì)等。

3拔樁的破壞形態(tài)

普通來(lái)說(shuō)，樁在受力上拔過(guò)程中的破壞形態(tài)大致可分為三大基本類型（見(jiàn)圖1）：沿樁土接觸界面的圓柱形剪切破壞；與樁長(zhǎng)等高的倒圓錐臺(tái)形剪切破壞；復(fù)合剪切面破壞。國(guó)內(nèi)外對(duì)樁的上拔問(wèn)題研究表明，比較常見(jiàn)的破壞形態(tài)是第一種。

4抗拔樁極限承載力

4.1極限承載力計(jì)算模型和辦法

有關(guān)抗拔樁極限承載力的計(jì)算專家學(xué)者提出諸多計(jì)算模型和經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合本工程實(shí)際，我們需要一種簡(jiǎn)樸而有效的辦法，來(lái)預(yù)測(cè)估算抗拔樁極限抗拔承載力，為拔樁施工提供安全有效的指導(dǎo)。下面介紹基于規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式法。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（GJ94-），抗拔樁極限承載力經(jīng)驗(yàn)公式可體現(xiàn)以下：

式中，

為樁體自重；為樁側(cè)表面第層土的抗壓極限側(cè)阻力原則值；

為抗拔系數(shù)；為第層土的厚度。按規(guī)范原則，各參數(shù)取值見(jiàn)表1。

4.2樁頂軸向上拔力以擬拔除的0#臺(tái)樁基為例，設(shè)計(jì)樁徑1.2m樁長(zhǎng)17.5m，所

處地質(zhì)狀況及計(jì)算參數(shù)如表1。

5拔樁工藝

5.1拔樁辦法選擇

工程實(shí)踐中有直接拔樁和減阻法拔樁兩種辦法。根據(jù)前面所述可知，當(dāng)抗拔樁極限抗拔承載力，能夠考慮直接拔樁法；當(dāng)時(shí)，為了避免拔樁過(guò)程中出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象，造成二次拔樁的問(wèn)題，采用減阻法拔樁，方便能夠?qū)扼w整體拔除。本工程須采用減阻法拔樁。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，本工程棄樁拔除擬采用旋挖鉆接鋼套管的施工工藝，旋挖鉆機(jī)以履帶自行走機(jī)械為基架，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)，形成360度快速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，再由變徑連接器連接鋼套管，轉(zhuǎn)速6-30轉(zhuǎn)/分，動(dòng)力回轉(zhuǎn)扭矩360KN/m，將鋼套管旋轉(zhuǎn)沉入樁底，使樁與四周土體分離減摩后再將棄樁一次性拔除。

本工程待拔樁樁頭距離地面較淺，埋深約1m，拔樁施工工藝采用單重鋼套管加埋設(shè)鋼護(hù)筒的配備，鋼護(hù)筒直徑約為1300mm-1500mm，用挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)挖土埋設(shè)，鋼套管長(zhǎng)度普通超出原樁長(zhǎng)1-3m，鋼套管內(nèi)徑比樁徑略大，本工程采用Φ1300mm鋼套管。鋼套管埋設(shè)樁位擬定后，旋挖鉆強(qiáng)大快速的回轉(zhuǎn)力推動(dòng)底部鑲嵌鋸齒形鈦合金的鋼套管對(duì)樁周進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)切割，邊旋轉(zhuǎn)切割邊鉆進(jìn)沉入，沉入深度超出原樁長(zhǎng)，實(shí)施樁與周邊土體分離，使樁周邊的摩阻力減小。然后使用特殊裝置將鋼絲繩送入樁身底下部，將鋼絲繩與樁身鎖扣牢固后，即可用吊機(jī)吊拔舊樁。

5.2拔樁機(jī)選擇

有鑒于本工程地處都市河邊，場(chǎng)地狹小，地勢(shì)不平，四周聚集居民區(qū)、商業(yè)區(qū)，對(duì)環(huán)保、文明施工規(guī)定較高，需要嚴(yán)格控制施工噪聲、震動(dòng)，無(wú)法使用振動(dòng)錘，而高壓射流將產(chǎn)生大量泥漿，存儲(chǔ)困難，外溢泥漿對(duì)都市河道產(chǎn)生污染，綜合多個(gè)因素選擇RT260H型360°全回轉(zhuǎn)套管拔樁機(jī)。

我公司擬采用Φ1300mm規(guī)格的套管鉆進(jìn)，極力防止套管鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭切割樁體混凝土，人為碰斷樁體，增加施工難度。同時(shí)提前準(zhǔn)備幾套不同直徑的筒式鉆具，打撈和解決各類障礙物，確保拔樁施工正常有序進(jìn)行。

1）拔樁機(jī)的技術(shù)參數(shù)

拔樁機(jī)的最大扭矩和最大提高能力與實(shí)際拔樁施工中最大回轉(zhuǎn)阻力矩和最大啟拔重量相匹配。SD-36型旋挖鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大扭矩為360KN?M，最大提高能力為250KN，加壓力250KN。實(shí)際施工中，回轉(zhuǎn)阻力矩按式計(jì)算：

Ｍτρ＝（πD2/4）f1γ.h2.tan（45。-φ/2）-（π.D2/2）c.h.tan2（45。-φ/2）-Qf2（πD/4）

式中：Ｍτρ——回轉(zhuǎn)阻力矩；

D——套管外徑，棄樁樁徑加0.15m，取1.3m；

f1

f2---套管與地層土的摩擦系數(shù)，查表得f1=0.075，f2=0.25；

γ——地層土的平均重度，取18.6KN/m3；

C——地層土的平均內(nèi)聚力，取10.9Pa；

φ——地層土的平均內(nèi)摩擦角，取27.4。；

h——套管沉入地層土的深度，取23m；

Q——軸向荷載（套管320.44kg/m；法蘭56.45kg/個(gè)）取11.6KN

計(jì)算得回轉(zhuǎn)阻力矩為123.95KN?m

棄樁啟拔重量按式計(jì)算

G=（πD2/4）?（γ1-γ2）?h

γ1——棄樁樁身砼比重，取2.5t/m3；

γ2——泥漿比重，取1.4t/m3；

D——棄樁直徑，取1m；

h——棄樁最大樁長(zhǎng)，取22.3m

得棄樁啟拔重量為19.25噸，棄樁最大重量按式計(jì)算

G=0.785?πD2?h?γ1=43.76噸

由上述計(jì)算成果可知，最大棄樁起重量為63.01噸，選用130噸吊車配合SD-36型旋挖鉆機(jī)是合理的能夠承當(dāng)本工程拔樁施工任務(wù)。

2）套管回旋鉆進(jìn)

套管的直徑擬選定為Φ1300mm，比棄樁樁徑大300mm（重要考慮防備鉆孔樁體大肚子現(xiàn)象），鉆頭是采用同內(nèi)徑加厚套管，在其底部焊合金釬頭而成。

實(shí)施樁土分離時(shí)，首先將套管中心對(duì)準(zhǔn)棄樁中心，同時(shí)泵送事先配制完畢的泥漿從套管內(nèi)至鉆頭底部（泥漿為膠體，起排鉆渣及保護(hù)孔壁不垮塌的作用），在拔樁機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，鉆頭及套管慢慢地向下鉆進(jìn)，始終鉆到樁底后起拔套管，完畢樁土分離。每節(jié)套管間用專業(yè)接頭通過(guò)螺栓進(jìn)行對(duì)接。

3）棄樁拔出

用1-2節(jié)套管及鉆頭，將拔樁用鋼絲繩的一端，用細(xì)鐵絲固定在套管上的法蘭上，鋼絲繩的另一端則掛在鉆機(jī)的提引器上。同時(shí)將套管的提纜鋼絲繩掛在吊機(jī)的大鉤上，在吊機(jī)的協(xié)助下，將套管與拔樁鋼絲繩同時(shí)下放，直至套管下達(dá)成孔底為止。此時(shí)啟動(dòng)拔樁機(jī)將拔樁鋼絲繩提起收緊，使其與套管法蘭脫離而套住棄樁，待確認(rèn)棄樁已被套住后，即用拔術(shù)機(jī)起拔棄樁消除樁底吸引力，再用吊車配合將棄樁分段或整體拔出。

5.3拔樁機(jī)理

整套設(shè)備涉及全回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、鋼套管、沖抓斗、楔形塊和上下抱箍夾緊系統(tǒng)和一套豎向頂升系統(tǒng)等。在作業(yè)時(shí)拔樁機(jī)產(chǎn)生下壓力和扭矩，驅(qū)動(dòng)鋼套管360°回轉(zhuǎn)，并采用專用的液壓回路，在套管回轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)節(jié)其垂直度，運(yùn)用首節(jié)鋼套管管口的高強(qiáng)鈦合金刀頭對(duì)土體、巖層及鋼筋混凝土等障礙物進(jìn)行切削，使周邊土體與樁分離，使樁體的摩阻力破壞掉大部分。為盡量地消除摩阻力和大氣壓力對(duì)樁底產(chǎn)生的“真空吸力”，在實(shí)踐過(guò)程中，采用在套管底部刀片處增設(shè)5cm長(zhǎng)內(nèi)置刀頭和加裝可防堵塞的噴水射氣單向閥，在套管下壓過(guò)程中，內(nèi)置刀頭破碎樁體與管壁間泥土及擴(kuò)孔處混凝土，確保樁體與管壁間有空隙，防堵塞的噴水射氣單向閥使套管與土層間形成氣幕或水幕，避免產(chǎn)生真空吸附，同時(shí)起到潤(rùn)滑套管、冷卻鉆頭的作用，還促使樁周土發(fā)生液化，極大程度上消除拔樁時(shí)的樁側(cè)摩阻力。當(dāng)套管下壓至樁底標(biāo)高時(shí)，運(yùn)用楔形塊楔住樁頭并和套管一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使樁體與巖土層扭拔分離，此時(shí)樁體在高壓空氣作用下已經(jīng)消除了樁底真空吸力，并且樁周與套管間的黏土已經(jīng)處在液化狀態(tài)，樁側(cè)摩阻力幾乎能夠不計(jì)。

5.4拔樁工作流程

（1）基礎(chǔ)解決（2）測(cè)量放樣（3）拔樁機(jī)就位，鋼套管中心與樁基中心重疊（4）鋼套管回轉(zhuǎn)下壓，噴射高壓水汽（5）扭拔樁體，吊拔樁體（6）測(cè)量、確認(rèn)底標(biāo)高（7）水泥土邊回填、扎實(shí)樁孔，邊上拔套管（8）拆除套管（9）移機(jī)7沉降觀察為確保自來(lái)水管道運(yùn)行安全，根據(jù)自來(lái)水公司規(guī)定在自來(lái)水管道5個(gè)支墩上各標(biāo)記1個(gè)觀察點(diǎn)，累計(jì)5個(gè)，選用高精度水準(zhǔn)儀每天進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。成果實(shí)際監(jiān)測(cè)到最大沉降值2.1mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不大于警戒值30mm。表明拔樁過(guò)程及拔樁完畢后，支墩沉降很小，對(duì)自來(lái)水管的影響很小，進(jìn)而表明對(duì)燃?xì)夤艿烙绊懸埠苄　?/p>

5.5施工風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)方法

①套管鉆進(jìn)不到位

②樁體存在大肚子或傾斜過(guò)在

套管鉆進(jìn)過(guò)程中，有可能碰到由于原樁成孔過(guò)程中，孔內(nèi)發(fā)生過(guò)塌孔、鉆頭碰到障礙物而成孔發(fā)生偏斜及樁體形成大肚子，而造成套管鉆頭啃樁體或無(wú)法鉆進(jìn)到位，碰到這種狀況，首先將鉆入部分的鋼筋套管拔出，調(diào)節(jié)鉆機(jī)中心和角度，重新按原樁的傾斜角度下套管鉆進(jìn)。如果碰到原樁上部與下部?jī)A斜度不一致且相差較大原先套管根本無(wú)法鉆進(jìn)下去時(shí)，則改用更大直徑的鋼套管進(jìn)行鉆進(jìn)。

③鋼套管鉆進(jìn)過(guò)程中在棄樁外圍碰到障礙物

當(dāng)套管鉆進(jìn)到一定深度，在棄樁外圍碰到障礙物而造成套管無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，碰到這種狀況，首先將鉆入部分的鋼套管拔出，將拔樁機(jī)中心調(diào)節(jié)到棄樁邊沿，用Φ500mm的桶式鉆具在棄樁邊沿施鉆4個(gè)孔深超出棄樁底標(biāo)高5m以上的小孔，讓障礙物直接或在下次套管鉆進(jìn)時(shí)掉入小孔后再調(diào)節(jié)回拔樁機(jī)中心，繼續(xù)套管鉆進(jìn)至棄樁底部。

④發(fā)生斷樁后的解決

A.在拔出套管時(shí)：在孔內(nèi)盡量預(yù)留一定長(zhǎng)度的套管，確保斷樁頭不脫離套管，方便二次或多次下鋼絲繩拔出斷樁。該辦法是在確認(rèn)泥漿分離時(shí)間、拔樁工程中孔內(nèi)泥漿不會(huì)快速沉淀埋管為前提。

B.正常狀況拔樁：我們普通采用上套法（套樁頭），當(dāng)拔出第一根棄樁后，應(yīng)及時(shí)觀察研究拔出棄樁樁體的形態(tài)、混凝土質(zhì)量及鋼筋籠構(gòu)造等表征現(xiàn)象，若樁體混凝土質(zhì)量較差及鋼筋籠較短、素混凝土樁體易斷時(shí)，拔第二根棄樁時(shí)應(yīng)立刻變化套裝辦法，采用下套法（套樁體下部）

C.若因斷在孔內(nèi)的混凝土樁長(zhǎng)度太短（不大于2米），無(wú)法進(jìn)一步套住及拔出時(shí)，再采用套管加深鉆進(jìn)法，用套管頂蓋板將孔內(nèi)余留素混凝土斷樁頭破碎打撈出孔，確保孔內(nèi)無(wú)鋼筋混凝土殘存，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過(guò)時(shí)無(wú)障礙。

⑤吊裝風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策

一根Φ1000mm、最長(zhǎng)為22.3m的鋼筋混凝土棄樁，考慮1.2倍充盈系數(shù)，整體一次性吊出有近63噸，最少需要130噸吊車起吊。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，如吊車起吊距離無(wú)法滿足6.5m規(guī)定，為了避免安全風(fēng)險(xiǎn)，我們將棄樁分段拔出，盡量截短后用50噸汽車吊吊出。棄樁截?cái)嗲?，在截?cái)辔恢孟路接昧硪桓螛朵摻z繩將棄樁套住，鋼絲繩的另一端固定在鉆機(jī)機(jī)架上，然后用用拔樁機(jī)將棄樁緩緩放下，直至下方套樁鋼絲繩吃勁受力為止.棄樁截?cái)嗟霓k法是：用風(fēng)鎬將混凝土破除氣割切斷鋼筋，分段吊除。如吊點(diǎn)距離能滿足安全距離則一次吊除到位。

結(jié)論：

運(yùn)用360°全回轉(zhuǎn)拔樁機(jī)通過(guò)不停改善工藝成功拔除21根大直徑（1.2m、1.4m）鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。施工過(guò)程中，總結(jié)出以下施工經(jīng)驗(yàn)。

（1）減阻方法得當(dāng)，加裝防堵噴水射氣單向閥，使套管內(nèi)側(cè)壁土層液化，起到潤(rùn)滑減阻、冷卻刀頭作用，大大減小樁體拔除的阻力。