振动沉管砂桩在护岸工程中应用技术要点分析

2021-12-04陈广清

运输经理世界 2021年13期

陈广清

（福建省陆海建设管理有限公司，福建福州 350007）

1 工程概况

1.1 工程规模

某工程护岸长度为2.024km，结构形式为斜坡堤，其中K0+000～K1+530 段位于临海堤段，待处理的天然软弱土层厚度均较大，设计对该护岸工程的软基处理采用塑料排水板和砂桩两种形式组合，堤身结构为砂被斜坡堤结构形式，砂桩直径80cm 砂桩，原设计采用水上施打形式，砂桩置换率30%，设计砂桩间距1.29m，按正方形布置，根据直径计算每延米理论体积为0.5m3，要求单根砂桩施工灌砂量充盈率取1.4。砂桩排水垫层采用袋装砂排水垫层，砂桩桩体用砂采用外购中粗砂，其要求含泥量小于5%，经检测其渗透系数大于5×10-3cm/s，根据现场土质砂桩桩长在15.4m，必须穿透软弱土层[1]。

1.2 砂桩施工技术要求

1.2.1 砂桩要求打穿软弱土层，并进入下卧硬土层不少于1m。

1.2.2 设计砂桩水平偏差不应大于0.1 倍工具套管外径，砂桩成桩垂直度偏差不应大于1%。

1.2.3 设计成桩直径偏差应控制在5%～10%之间。

1.2.4 设计桩长偏差应不小于桩长＋100mm。

2 施工作业平台分析与选择

在水运工程护岸结构振动沉管桩施工作业平台主要有管桩船水上作业、搭设临时钢结构作业平台水上作业和回填料作业平台陆上作业三种形式，选择哪种作业平台应根据现场实际工况条件和材料获取难易程度确定。该项目原设计采用水上施打方案，但现场风量较大，根据相关要求大于六级风就不能作业。采用管桩船作业在技术上存在以下问题：

船舶作业时间受限，因工程量较大，作业周期较长，项目所在地常年受风浪影响，季风季节时间较长，严重影响工期进度；

受风浪影响，船舶定位精度难以满足设计和规范要求；

受项目所在地水深影响，船舶需赶潮水作业，作业时间进一步受限，且船舶能够作业的范围有限，必须配合其他作业平台施工。

因此，管桩船舶作业在本项目技术上不可行，而钢结构平台在技术上和经济上也存在大量问题，主要情况如下：

该项目为条形基础，砂桩采用正方形布设，砂桩直径80cm，间距1.29m，钢结构平台的开孔较密，且下层为天然软弱土层，能够满足该条件的钢结构平台设计难度较大。该项目砂桩直径80cm，长度15.4m，能满足现场施工需求的砂桩机设备较大，另外钢结构平台还需要大量的储砂空间便于砂桩填充施工，在此情况下，钢结构平台搭设的稳定性难以保证，平台自身的刚度和强度更是难以满足要求。该项目砂桩施工长度为1.53km，宽度为35m，在保证工期的条件下，需一次性搭设大量平台，且配合的船机较多，所需的临时工程费用巨大。

而根据该项目的实际工况和取材条件，采用回填料作业平台则存在以下优势：该项目取砂条件较为理想，砂质较好，含泥量较少，可快速实施回填砂平台作业。回填平台后由水上作业转为陆上作业，施工受制条件较少，有利于砂桩施工的现场管理和砂桩施工过程的质量控制。

回填料作业平台抗风浪能力强，不受风力和季风季节影响，施工效率有保障；回填料作业平台空间利用率高，作业条件充裕，便于开工展布和分区分段作业；回填料作业平台承载力高，可通过增加回填料厚度、土工布加筋等诸多形式增加作业平台的承载力和稳定性。该项目堤身结构为充填袋装砂，回填料平台采用砂回填，后续可以重复利用，避免浪费[2]。

综上所述，该项目砂桩施工平台选择回填料平台具有诸多优势，而其存在的问题主要是平台临时工程费用较高、不同的水域需要回填不同的厚度、同样受到潮水高差影响、在台风季节抗台能力较弱等问题，但相较于船舶作业和钢结构平台而言，其存在的问题同等对比仍存在一定优势，所以该项目根据实际工况和生产条件选择回填砂平台作业，但不同项目有不同项目情况，还是应根据其自身项目特点选择相适应平台，无论采用何种平台都应对平台的承载力和稳定性进行验算，并形成专项方案。

3 工艺流程与施工方法

3.1 工艺流程

平整砂桩施工作业场地─划分施工区段与确定打桩顺序─桩位放样─桩机就位─调整打桩机平整度和桩管垂直度─沉管─灌注砂料─振动并提升桩管─效果检查─桩机移位进行下一根桩施工。

3.2 施工方法

3.2.1 施工准备：通过典型施工段试桩，确定符合该工况的施工参数，并结合当地潮汐和风力情况，制定施工方案和施工计划，划分施工区域，进行砂桩施工场地平面布置，组织进场砂桩机检查，确保砂桩机性能满足要求。

3.2.2 施工定位：根据施工进度计划要求及功效分析，本工程采用砂桩机进行施工，首先根据施工平面图进行绘制施工计划线，确定施工段砂桩总排数和每排砂桩数量，同时可以采用RTK 进行桩位的精确定位。

3.2.3 桩位放样：依据桩位布置图，确定各砂桩机每日施打范围和施打顺序，并结合控制点和施工轴线对每日施打砂桩桩位进行放样，放样过程应严格控制砂桩的位置偏差，确保桩位准确。

3.2.4 桩机就位：砂桩机就位前应对场地进行平整，桩机移到到位后，应用水平仪检查砂桩机的平整度，另外用全站仪对砂桩管的垂直度进行检查，发现偏位时，根据测量员的指示进行相应调整，并保证调整措施的稳固性，确保桩机桩尖与桩位，且施工过程中砂桩管垂直度满足要求。

3.2.5 沉管：沉管前检查桩尖闭合情况，符合要求后，启动振动器下沉砂桩管；下沉过程观察周围情况，是否出现地面隆起或塌陷，若出现异常情况，应及时停机，同时检查砂桩机平整度，确保砂桩机不出现倾斜，并用测量仪器核对桩管垂直度，直至沉管至设计底标高，确保砂桩施工完成后桩长和垂直度满足设计及规范要求。

3.2.6 桩管灌砂：沉管底达到设计标高后，开始进行填砂施工，每根砂桩填砂量按照设计砂量的1.4倍计算备砂量，并根据规范要求进行灌入，若桩管中一次装不下计算填砂量，则在拔管过程中进行补充灌砂，主要在振动挤密过程中补足，直至灌满管桩的全部砂量。在实施过程中，向管内填砂的同时，可辅以向管内注水或者通入压缩空气的方式，利于砂排到桩管下，便于成桩；若排砂不畅通时，可根据现场情况适当加大风压或水压，增加排砂压力。但当砂桩管临近拔出地面时，应减小风压和水压，防止砂料外飘出。

3.2.7 振动并提升桩管：首次拔管高度控制在80～100cm，提升过程根据桩尖结构形式，打开桩尖（不同桩尖有不同的打开方式）；桩尖打开后，砂桩管内填砂会流入下层空隙，启动振动器，根据规范要求留振，并观察砂桩内填砂下沉情况，后续控制拔管速度为1m/min，并根据规范要求控制提升高度的留振时间，该项目为每拔管0.5m 留振20s，直至拔管出地面，并及时对灌砂量进行核算，确保砂桩实际灌砂量满足设计和规范要求。

3.2.8 砂桩补料：砂桩管拔出地面后发现桩内灌砂未填满，应及时通过砂桩用砂进行填补，填补过程应采用相应工艺对补回填砂进行密实处理。现场可利用砂桩机振动锤和水冲法对补料进行密实，并通过相应典型施工确定实施参数，确保补料密实度满足要求，实现整根砂桩的成桩连续性和均匀性。

3.2.9 将该砂桩计算填砂量完全充填完成，提管提至地面，移动砂桩机到下一桩位施工。

4 典型施工

由于不同工况和不同的土质指标，在振动沉管砂桩施工前必须进行典型段施工，以确定满足设计成桩指标所需的振密电流、用砂量和留振时间等砂桩施工过程的控制参数指标，具体实施如下：

典型施工前，应编制典型施工专项方案，确定典型施工数量以及需明确的参数和检验方式方法，报请设计单位确认，明确后续施工质量控制参数；

典型施工时，必须详细做好每根砂桩的施工记录，尤其要记录清楚每根砂桩打设时的用砂量、充盈系数和地基土的隆起情况以及成桩效果；

施工完成后，根据规范时间间隔开展相应检测，主要检测项目有砂桩原位钻孔检测、砂桩的标贯检测、静力触探检测等。根据施工记录和检测结果进行典型施工总结，确定全面施工控制参数，明确施工控制技术要点，展开全面作业。

5 施工技术要点

砂桩沉管时，可能碰到遭遇局部硬土层，也有可能会遇到孤石，处理不当会造成桩长不够。如遇此情况，应即时停止施工，采取相应方式尽量确定无法沉管的范围，并及时联系设计单位，确定处理方案；另外，桩底部填砂不足，会导致成桩问题，并影响后续地基加固效果，拔管前应严格控制留振时间，且必须保证灌满砂料。

施工过程对砂桩机性能及时进行检查，各个位置做好记号，通过准确控制砂桩机，满足砂桩桩位偏差和垂直度偏差规范要求，并由此确保桩长及砂料灌入量满足要求；每台设备安排一名技术人员，在砂桩施工过程中如实记录各项参数和施工情况，做好全面且准确地施工记录。确保砂桩的底标高应满足设计要求，灌砂量不应低于每根砂桩的计算成桩用砂量，出现无法打至设计标高时，应及时联系设计人员解决。每一根砂桩都应严格控制水平偏差、垂直度和成桩直径，若出现两根以上连续偏差，则应立即停工，检查设备，确保桩位水平偏差、垂直度偏差、成桩直径偏差满足规范要求。

每一根砂桩施工完成，应及时核算填砂量，并按不小于设计桩长＋100mm 的桩长控制填砂量，确保桩长满足规范要求。挤密砂桩的允许偏差、检验数量和方法应符合表1的规定。

表1 挤密砂桩和碎石桩的允许偏差、检验数量和方法《水运工程质量检验标准》（JTS257-2008）

6 质量控制措施

振动沉管砂桩施工前应在现场检查施工设备，保证设备性能良好和各项表盘度数准确。施工前做好测量工作，尤其是施工基线和控制点的复核工作，标明控制基线和控制点应用规范标志物并进行相应保护。

施工前，检查振动沉管砂桩用砂进场情况和进场砂质量，是否满足施工用量和质量按要求。砂桩施工前，根据实际工况和砂桩机性能，对施工区域进行分区，并在现场标出分界线，编制安排打设顺序，桩机上应有明显的打设深度标记，以便控制和记录沉管施打深度。

另外，砂桩的桩尖结构种类多样，具体施工中应通过典型施工选用合适的桩尖结构，其目的在于保证砂桩施工过程中桩尖能顺利打开，并满足成桩漏砂要求，保证低故障率。沉管打设至设计标高后，应检查沉管内外实际高差，以防止泥土等杂物从桩尖进入套管内，影响成桩质量。若发现砂桩管内有杂物不能继续进行填砂施工时，应首先清除杂物，分析造成杂物进入的原因，排除隐患后，再重新作业。

砂桩施工过程中发现无法沉管至设计标高时，不能直接灌砂施工，应首先分析相应地区的地勘图纸，并及时与设计人员取得联系，说明详细情况，确定解决方案。

7 质量检验

振动沉管砂桩施工完成后，检查各项原始记录是否满足要求，然后进行实验检测，检测内容主要包括：砂桩原位钻孔检测、砂桩的标贯检测、静力触探检测，检测时间根据规范要求的间隔时间实施，其中粉质黏土地基和粉土地基施工和检测的间隔时间不同，相差一周时间。各项检测的数量和要求按有关规范执行，基本要求如下：砂桩原位钻孔检测用来检验砂桩的成桩效果，钻孔深度要求贯穿砂桩桩体，检测频率为砂桩总桩数的0.5%；砂桩标贯检测用来检验砂桩的密实度和成桩效果；静力触探检测用来检测砂桩间土的加固效果，检测频率为砂桩总数的0.5%，检测深度为打设深度，检测位置均匀分布在打设范围内。