步履式拔桩机双套筒拔桩施工技术研究

2021-11-05谢伟光金建锋

建筑施工 2021年7期

谢伟光金建锋

宁波市建设集团股份有限公司浙江宁波 315000

随着市政桥梁、地铁隧道等项目的不断开展，经常会遇到原建筑密集区、老桥桥桩等旧桩基的情况，若采用常规方法进行拔除，可能影响周边管线及建筑物，甚至影响周边企业及居民的正常工作和生活[1]。目前每年的拔桩数量正以50%以上的速度递增，针对深部地下障碍物，尤其是旧桩的清除技术，已成为岩土工程施工方面一项新兴的技术，清除地下障碍物的施工机械及施工工艺也随着行业发展而推陈出新[2]。为降低拔桩清障对周边环境的影响、合理利用公司现有的机械资源，结合地质勘察报告，对现有的机械进行改装以更好地用于拔桩清障施工，将施工对周边环境的影响降到最低。自20世纪80年代初起，沉管灌注桩已成为宁波市多层建筑基础工程主要的桩型，钢筋混凝土预制方桩也成为了高层建筑的桩基础[3]。

1 工程概况

宁波市轨道交通3号线二期土建工程TJ3216标段骆驼北站施工过程中，旧城区改造未将原工程桩拔除，原工程桩主要分布在主体车站及盾构施工区间（图1、图2）。经统计，影响主体车站地下连续墙施工的主要桩型为φ377 mm沉管灌注桩及400 mm×400 mm预制方桩。其中盾构施工区域桩型主要为沉管灌注桩，共220根，桩长13～15 m；地下连续墙施工范围内共有35根沉管灌注桩，3根桩长30 m的预制方桩。

图1 拔桩位置与盾构区间平面关系

图2 拔桩位置与地下连续墙平面关系

遗留桩基区域土层由上至下依次为：①1b碎石填土，①1c素填土，①1d淤泥质填土，①2层黏土，①3淤泥质黏土，①夹泥炭质土，②2淤泥质粉质黏土，③1a淤泥质粉质黏土，③1b粉砂夹淤泥质粉质黏土，④1淤泥质粉质黏土，④1a粉砂夹淤泥质粉质黏土。本工程拔桩范围内土层以淤泥质土层为主，但因桩位分布不同，土质变化差异较大。

2 技术原理及创新

2.1 技术原理

步履式拔桩机双套筒拔桩作业过程中，通过动力头产生的向下压力以及扭矩进而使得双钢套筒旋转，使其进入废桩桩底，利用刀头作为底托托住废桩，先将外套筒与内套筒的锁扣脱离，再将内套筒与废桩同时钻出，将外套筒留在土体内。废桩取出后将内套筒再次钻进土体中，与外套筒锁扣锁紧，边回填边将内外套筒钻出。

2.2 技术创新

2.2.1 机械改造

本工程利用步履式拔桩机（型号BZ-70）中的动力设备进行施工，该设备主要由2个110 kW电机通过变速箱传递到一根轴上，为套管360°回转以及刀头切割障碍物提供动力。BZ-70桩机在机械改造过程中需将长螺旋钻杆拆除，更换成钢套筒。拔桩清障主要利用动力设备产生的下压力及扭矩，驱动钢套筒转动将套筒钻入地下。套管由内外2个套筒组成，两者通过锁扣连接，直径分别为600、800 mm，钢套筒壁厚为15 mm，套筒高度最长不得超过39 m，同时根据需要钻进的深度确定。钢套筒主要有两方面功能：一是在淤泥质土层的钻进及拔除过程中支护孔壁，防止坍塌；二是在管口布置刀头和注浆水头，便于钢套筒的快速钻进。

2.2.2 整体拔除

旧桩特别是方桩及沉管灌注桩，因当时施工工艺限制以及自身配筋率较低，存在断裂及破碎等质量问题。如采用传统的单套筒拔桩施工，在拔除过程中桩身易发生断裂破损，不能将废桩一次性拔除。采用双套筒，即将内套筒与旧桩作为一个整体进行拔除，可保证桩身的完整性，便于一次性完成拔桩清障工作，同时外套筒作为护壁，防止土方坍塌，采用该工艺大大提高了拔桩清障质量、工作效率，也确保了施工安全。

2.2.3 设计钢套筒回填装置

拔桩过程中一次性回填砂会导致套筒拔除困难，通过设计钢套筒回填装置，即设计1节长1.5 m与外套筒等直径、同材质的钢套筒，在其侧壁开孔作为灌料口，通过法兰与钢套筒连接。该装置与拔桩机可实现拔桩过程中的边回填边拔桩，提高施工效率（图3、图4）。

图3 装填料斗

图4 屋架下弦杆端部加固大样

图4 改装钢套筒容器

3 施工工艺流程及操作要点

本工程拔除400 mm×400 mm方桩及φ377 mm沉管灌注桩均选用双套筒，外钢套管直径为800 mm，内钢套管直径为600 mm，钢套筒长度分别为35、16 m。

3.1 钢套筒钻进施工

本次施工采用一次性钻入双钢套，外侧套筒通过锁扣与内侧套筒进行连接，保证钻入时能将双钢套筒与老桩同心边旋转边压入。如切到桩体，则适当移动钢套筒位置，直到能完全套住老桩为止。由于钢套筒是360°全回转钻进的，故可通过观测操作系统相关仪表的读数来确定负荷是否过载，确保刀头的负荷在最合适的范围内安全运转。钻机在钻进过程中根据地质和障碍物情况，可任意调节套筒的回转扭矩、回转速度、压入力，以进行安全高效施工。

3.2 遗留桩拔除及钢套筒钻出

在施工过程中，钢套筒钻进15 m后，同钻进方向相反方向转动套筒，通过步履式拔桩机上操作系统相关仪表的读数确定负荷是否过载，进而判断是否达到桩底。若步履式桩架上的相关仪表盘突然间出现一个增长，且持续时间较长，表明碰到障碍物，需继续往下钻进。当钢套筒达到桩底后，利用与钻进方向相反转动的动力打开套筒内的托盘，从而达到兜住废桩的目的。通过步履式拔桩机的动力头将外套筒从锁扣处脱出，将外套筒保留在土体内。提升内套筒连同废桩一起至地面标高，当内套筒完全离开地面后，继续采用与钻进方向相同的动力打开内套筒托盘，慢慢放出废桩并截断，然后通过桩机再次拔除外套筒，最后进行桩洞回填。废桩吊出后，采用掏渣器清除套筒内的渣土，检查无误后继续下一步工序的施工。

3.3 桩孔回填施工

为防止后续施工出现坍孔，拔桩后的桩孔须填充加固，桩孔填充直接影响到周边土体后期的沉降和后续盾构顶进施工。桩全部清除后，在钢套筒内采用不低于标号M5水泥粉煤灰砂浆回填，砂浆28 d强度为5 MPa。边回填边拔除钢套筒，盾构管片上、下2 m范围内采用黄砂进行回填，其管片上2 m至地面标高位置采用M5水泥粉煤灰砂浆进行回填，在桩拔除后向套管内回填水泥土，边回填边夯实。为避免坍孔等情况的发生，先进行回填作业，回填标高与改装的钢套筒容器齐平，然后将套筒进行钻出。当钢套筒全部拔除、机械移位后，将孔洞填至与地面齐平。

4 施工效果

4.1 安全可靠，对土体扰动小

步履式拔桩机进行拔桩时，机械施工对土体扰动小；在进行清障拔桩及回填施工时对地下原状土不破坏或破坏小，对地下土体不产生扰动或产生很小的扰动。由于钢套管外套筒对孔壁的支撑，在钢套管周边的土体应力尚未释放时，就已经将障碍物清除并及时回填，同时外套筒在反方向转动时，使回填物更加密实，对周边的道路及管线基本无影响。

4.2 桩架可移动，施工速度快

BZ-70桩架利用下部4个步履进行前后左右的行走，且步履行走稳定性能良好，故非常适合桩基清障非常密集的区域施工。对本工程存在的预制小方桩、沉管灌注桩等，均能快速完成清障工作。在施工过程中，12 h清除废桩可达到4～5根，效率非常高。

4.3 施工风险小，环保，一机两用

利用该机械可拔除深度最深为39 m的桩，基本上能一次性完整拔除原桩基，若不能完全拔除，在套筒提升时将套筒中的合金刀头打开，达到切割废桩的目的，确保进入钢套管内的断桩或障碍物被抓出，确保清障彻底。该施工方法节能环保、优质高效，在拔桩过程中不会产生任何泥浆，施工设备噪声小，施工速度快并能保证施工质量。

BZ-70全液压步履式桩架还可以应用于车站后期施工的三轴地基加固施工，只需将套筒改为三轴施工的长螺旋钻杆，便可进行施工，节约成本。

4.4 不足之处

BZ-70步履式拔桩机本身自重大，对其站位时的地基承载力要求较高，故在拔桩施工前需进行地基承载力验算，地基承载力不满足要求时需进行换填作业，或者在步履式拔桩机下侧增设钢垫箱，确保步履式拔桩机在施工过程中的稳定性。

5 结语

步履式拔桩机双套筒拔桩工艺是一种适合在城市采用的环保、安全型工艺技术，通过在宁波市轨道交通3号线二期土建工程TJ3216标段骆驼北站的成功应用，解决了城区环境条件较为复杂的地下障碍物清障难题，不仅最大限度地提高了拔桩施工效率，也有效避免了因地层复杂而对邻近建筑物基础和地层的扰动和破坏，节省费用约5万元，为同类型工程的拔桩施工提供了参考。