高压射流拔桩器沉桩及拔桩施工技术

刘云生，刘培勋，苏茂荣

(1.河南黄河河务局，450003，郑州；2.郑州黄河水电工程有限公司，451450，郑州）

一、概 述

黄河下游移动式不抢险潜坝应用研究的任务是：根据黄河不同洪水运用工况条件下所设计的移动式不抢险潜坝试验性工程的结构形式，运用黄河机械修造厂研制的高压射流成孔专用设备，在郑州花园口黄河滩地进行可移动不抢险潜坝沉桩和拔桩施工试验，研究总结移动式不抢险潜坝合理的施工工艺和施工方法，达到混凝土预制管桩的重复利用和降低抢险成本的目的。

目前国内外常见的沉桩施工技术主要有静压沉桩、锤击沉桩、振动沉桩、钻机成孔下沉钢筋笼和射水沉桩五种方法，静压桩机沉桩、锤击沉桩、震动沉桩方法在施工中都会对管桩造成不同程度的损伤，有的甚至对管桩造成破坏，不利于对管桩的重复利用，不符合移动式不抢险潜坝的设计初衷；而且这几种动力沉桩机械自重过大，移动缓慢，对场地的耐力要求较大，不适于在黄河滩区软基上施工。射水法沉桩是在管柱桩内部或外部设喷射冲水设施，用高压水流冲击桩尖处的土体，并用水体回流将土颗粒浮起随水流带走形成沉桩孔，依靠桩的自重沉入孔中的沉桩方法。射流桩一般都采用预制混凝土空心方桩、管桩或钢管桩，可以利用桩的空腔形成高压射流通道。射水沉桩施工具有高效、快速的特点，适用于填土层、淤泥层、粉土和砂土层，对于较薄的黏土层成孔进度减缓，较厚的黏土层则不易冲刷成孔。

本次试验沉桩选择了成熟的钻机成孔技术沉桩和应用本次研制的专用设备高压射流拔桩器进行沉桩施工两种方法。本文主要介绍利用高压射流拔桩器进行沉桩施工的探索和研究。

二、高压射流拔桩器专用设备介绍

高压射流拔桩器工作由三大系统组成：供水系统、高压射流拔桩器、起吊系统。

供水系统是由两台6sh-6A-Y225H-2电机通过两根胶管为射流拔桩器供水，高压射流拔桩器和供水管道连接，完成射水造孔任务。连接构件为长度为6 m的18-22钢丝绳 2根，U形卡环2个，压盘1个。

三、高压射流拔桩器沉桩工程施工

1.可移动不抢险潜坝工程布置

移动式不抢险潜坝试验性工程位于郑州市惠金区黄河河务局黄河滩区南裹头大坝下游300 m处，管桩按照单排直线布置，管桩净间距0.3m，工程轴线长50.4 m，桩顶高程平建设地800 m3/s水位，有63根预应力高强度混凝土管桩和上部连系盖梁组成，成品管桩外径0.5 m，壁厚0.125 m，桩长15 m，混凝土强度等级为C80，抗冻等级为F150。管桩施工结束后进行相邻管桩的连接，连系盖梁的断面尺寸：宽0.7 m×高1.0 m。每5根管桩为一个连接单位（见图1）。

2.施工准备

（1）施工场地布置

①场地平整：场地的地面高程应与设计桩顶高程平，场地的平整度和地耐力应满足吊车的行走和供水系统的移动。②测量放线：按照设计放出每一个桩位，用钢筋做标记。③沉淀池和蓄水池：应布局合理，以不影响吊车行走和供水系统移动为原则；蓄水的容量应大于单孔排渣量，沉淀池的容量应大于单孔排渣量的1.5～2倍；蓄水池和沉淀池的池面高程应低于护筒顶高程0.5～1 m。④护筒：用6～8 mm的钢板制成，直径1.1 m，高1.5～2 m，顶部开设溢流口。埋设护筒后，在护筒四周用黏土回填，并分层夯实，使护筒中心和桩位中心重合。

（2）进场施工人员、机械和材料

现场组织施工人员共计10名，另外根据需要临时调用工人若干人。配套设备有75 kW发电机2台，1辆50 t装载机，1台802推土机，1台25 t吊车，1台pc60挖掘机；1套高压射水拔桩器。将63根管桩集中运到现场，单层摆放整齐。

3.高压射流拔桩器沉桩施工

（1）造孔

根据高压射流拔桩器的施工特点，将施工分为3期跳桩施工。

起吊高压射流拔桩器，把拔桩器放入护筒，并使拔桩器居中。

拔桩器就位后，开启供水系统开始射流成孔。成孔过程中注意观察钢丝绳的垂直度，避免发生孔斜。拔桩器下沉到预定位置时，减少供水，并同时吊出拔桩器，成孔结束。

（2）沉桩

成孔结束后应立即进行沉桩，吊索具的安装应提前进行。用13颗φ27的螺丝将压盘和管桩紧紧连接，压盘和吊车吊钩之间由2个U形吊环和2根等长的钢丝绳连系，保证预制管桩与吊车吊钩牢靠、便捷连接。起吊后利用十字交汇的观测方法使管桩准确就位，管桩中心和桩位中心重合。管桩就位后立即下沉，当桩下到预定位置时，进行高程控制，高程准确后，利用吊车的摆动使桩到达设计桩位。然后填土固桩，吊车卸荷，沉桩结束。

高压射流拔桩器沉桩施工工艺流程：开挖集浆沉淀池→吊车起吊射流拔桩器→定位→高压射流拔桩器喷射水流冲刷下沉成孔→控制射流拔桩器下沉的速度和深度→达到设计深度停止供水→将拔桩器吊出→将管桩吊入沉桩→沉桩结束。

（3）施工中易出现的问题及解决办法

①出现吊装拔桩器的两根钢丝绳随拔桩器的偏转而扭到一起，影响拔桩器的下沉。原因：拔桩器射流喷管喷射角度不对称引起反冲力不均衡。解决办法：改进拔桩器的喷流管，使其反冲力尽量均衡，同时要有防止钢丝绳扭转的外力措施。

②射流成孔过程中遇到不均匀分布的黏土层时成孔器下降受阻，进尺缓慢。遇此情况，应多次上提拔桩器并快速下降，靠拔桩器的自重冲击、粉碎黏土层。

③射流成孔孔径较大，沉桩桩位控制难度较大。桩位平面控制要用交汇法，即在桩位四周先定4颗控制桩，吊装管桩时用十字交汇法把桩定位到设计桩位的垂线上，然后才能沉桩。

④沉桩高程难控制。应采用沉（拔）桩器与管桩同步下沉的施工方法，利用管桩的中心空腔采用内冲外排的方法进行射流沉桩，在桩顶沉到设计位置后，用填土稳桩法将桩稳定到设计高程后再去掉吊具。

四、高压射流拔桩器拔桩施工

已建混凝土桩安装后经过一段时间的沉积，桩体周围的沙土渐趋稳定密实，桩周围土的粘结力很大。如果不采取辅助工程措施松动桩体四周的沙土，用起重机械直接吊拔是极为困难的。即便能用大型吊车、振动设备强行拔出，也极易造成桩头或桩身薄弱部位的破坏，损伤较大，使混凝土桩无法重复利用。利用高压射流拔桩器进行拔桩是本次试验工程研究和探索的重点。

1.高压射流拔桩器拔桩准备

①在潜坝的上游侧布置清水池和沉淀池，供水系统也布置在上游侧靠近清水池的位置，下游侧布置供电设备和起重设备。

盖梁断面图

图1 桩坝结构图

②清除桩顶土和杂物，对钢板上的丝扣进行彻底清理，清理办法为利用和丝扣相匹配的丝锥进行攻丝。

③攻丝结束后，把压盘尽快固定在桩顶钢板上。

④护筒埋设：护筒为钢制，高1.7 m，直径1.1 m。护筒中心位置应该和管桩中心重合，护筒筒身竖直。然后周围填黏土，分层夯实。

⑤护筒埋设好以后，把起吊的钢丝绳和连接钢丝绳的U形吊环安装在压盘上。

2.高压射流拔桩器清孔

在其他配套设备都调试好以后，起重机吊起高压射流拔桩器，移动至管桩和护筒上方，由人工配合将射流拔桩器送入护筒，套在管桩的周围，送入时应注意钢丝绳应该从射流拔桩器的缺口处提出，防止压在拔桩器下方。开启供水系统，在桩周围的土体被破坏后，靠自重作用下沉，直至沉到距桩底0～1 m时停止供水，完成清孔作业。

3.吊出管桩

射流拔桩器清孔结束后，立即将已经安装好的钢丝绳挂到吊钩上，把桩和射流拔桩器一起吊出，在吊出过程中应注意及时向孔内补充水，防止出现塌孔。吊出后应注意把桩安全放倒在空地上。

拔桩结束后应该对孔洞马上进行回填处理。

高压射流拔桩施工工艺流程：拔桩施工准备，清理管桩顶部钢板上的丝扣，并连接上吊装的压盘和钢丝绳→以管桩为中心埋设护筒→将拔桩器吊装就位，开启水泵形成高压水流冲刷土体→拔桩器下沉至预定深度→将桩顶钢丝绳挂上起重机吊钩，将管桩与拔桩器同时上提→将拔桩器与桩同时吊出管桩孔，放下拔桩器与管桩，卸下钢丝绳和压盘→拔桩结束。

4.施工中易发生的问题及解决办法

①拔桩过程中可能多次出现水泵压力不足的现象，使拔桩器无法正常工作。原因，一是拔桩过程中水泵抽的水中混有一定量杂草，淤堵水泵进水口，降低水泵抽水效率，影响拔桩器正常工作；二是水泵抽的是清水，泥浆少，当水泵压力降低，水流不能带动桩周围的泥沙上浮，而使其淤积下沉过快，无法继续冲动管桩四周的沙土。试验证明，改善水泵的进水口条件、减少杂草淤堵是十分有效的。

②压盘连接装置在10 t的拔桩过程中没有发现变形及破坏，说明压盘装置能够承担拔桩工作。但是上压盘用时较长，影响施工效率。应改进起吊方式和起吊工具，提高装卸吊索具的效率。

③连接拔桩器的上水胶管过于笨重，施工过程中随拔桩器的升降移动水管十分费力，且占用较多人工。因此需要改进上水胶管移动的方式，可以用移动方便的托架支撑水管移动，减轻劳动强度。

5.拔桩施工的控制措施

①水泵的控制。水泵的工作电压应控制在342～418 V范围内，接好电源后，先试运转，检查旋转方向是否正确，水泵在水外运转的时间不得超过5 s,以防过热。水泵应先放在坚固的网篮内再放入水中，以防乱草杂物缠绕叶轮，其沉入水中最浅深度为0.5 m，最深不超过3 m；水泵不得陷入泥中，以防因散热不良而烧坏。停转后需间隔1秒以上才能再启动。新水泵或新换过橡胶密封圈的水泵使用50 h后，应旋开放水封口塞检查泄漏量，如不超过5 ml说明密封正常，若超过 5 ml，应进行 196 kPa（2 kgf/cm2）的气压试验。

②供水压力控制。拔桩开始后，观察压力水表，当供水压力维持在0.30 MPa以上时，拔桩器下沉14.5 m用时约10～15 min，吊车的提升力约为10 t，能成功将桩拔出。当拔桩器的底部距离管桩底部接近0.5～1.0 m时水泵停止供水。

③拔桩过程中的控制。拔桩时应平稳匀速上提，同时及时向孔内充浆注水，以保证在拔桩过程中不发生塌孔现象。指挥人员要注意观察泥浆出流情况，施工中供水不能停止，只能逐渐减小，避免泥沙堵塞喷射水嘴和产生塌孔现象。

④安全控制。管桩起吊要防止在起吊的过程中钢丝绳滑脱；在拔桩施工中，一定要搭建施工安全平台或设置安全防护网，保证现场施工人员的安全；在将桩和拔桩器拔出的过程中，要及时对孔内补水或泥浆，防止塌孔事故发生；在拔桩施工结束后，应及时对留下的孔洞进行处理，不能给现场留下安全隐患。

五、结 语

本次试验工程首次利用高压射流拔桩器专用设备，探索验证了毫无损伤拔出深埋冲积土层中混凝土预制管桩的可行性、可靠性，总结提出了高压射流拔桩器在黄河滩地沉桩和拔桩的专项技术与工艺；研发加工了连接压盘，保证了钢筋混凝土预制管桩与吊车吊钩牢靠、便捷连接。本次试验工程由于时间较短，一些施工技术还有待更深入的研究探讨。建议今后根据实际情况，继续进行研究试验，以便进一步积累经验，不断完善施工工艺和施工技术，为这种新坝型推广应用创造条件。

[1]河南黄河勘测设计研究院.黄河下游移动式不抢险潜桩坝试验工程设计[R].2009，5.

[2]郑州黄河水电工程有限公司.黄河下游移动式不抢险潜坝施工技术研究[R].2009，7.

[3]建筑桩基技术规范.JGJ94-2008[S].

[4]徐维钧.桩基施工手册[M].北京：人民交通出版社，2007.