一种水下斜桩拔除防断桩装置

张 良

上海市基础工程集团有限公司 上海 200438

拔桩施工常用的方法有：静拔法、高压旋喷泥浆拔桩法、振动沉管高压水切割拔桩法、FCEC全回转拔桩法。对混凝土空心方桩桩身强度较低，若直接采用静拔法，拔桩过程中很有可能会拔断。高压旋喷泥浆拔桩法容易造成预制桩破碎、桩基接头焊口断裂等，桩土分离程度受周围地层密实度的制约较大，尤其是斜桩拔桩的施工质量更不易保证。对于斜桩，在锤击沉管过程中，管壁与桩身容易发生相互摩擦，且高频振动易引起周围土体液化，施工扰动较大[1-2]。

本工程中采用了带改造装置的振动沉管拔桩方法，该方法在打设钢套管的同时，开启空压机和高压离心式水泵，通过对桩侧泥土的冲刷和稀释来减少拔桩阻力，通过改造装置让拔桩套管适应待拔桩体自身的角度，防止断桩。

本文通过对桩基拔除装置的介绍，简析装置的制作、使用方法，浅谈水下斜桩拔除防断桩装置的应用。

1 工程概况

上海港机厂码头位于上海黄浦江中游，杨浦区杨树浦路南侧，因江浦路越江隧道的建设，需把该区域内的69根500 mm×500 mm预应力方桩拔除，其中垂直桩55根，斜桩14根，桩长均超过31 m。拔桩顺序由西向东进行（图1）。

图1 桩体平面布置

本工程水上拔桩数量较多，桩型较多，而且桩长、水深，还有部分斜桩，且其中多数桩基位于水下，桩位不明，水下可能还存在不明障碍物，影响拔桩施工，拔桩施工难度非常大。

2 桩基拔除防止断桩的必要性

在盾构穿越过程中，特别是泥水平衡盾构机，其本身设计构造就没有切割桩基的能力，在碰到障碍物后就不可避免地对盾构掘进造成很大的麻烦。轻则造成压力波动、管路拥堵，重则造成堵管、停机，甚至须开仓进行清理。这样一来，不仅对出仓处理人员的人身安全产生危害，而且盾构机前方土体容易失稳，甚至坍塌，风险巨大。另外，拔桩区域周边建（构）筑物众多，土体沉降、坍塌后，不可避免地会对防汛墙、轮渡码头等产生影响，导致其不均匀沉降、开裂甚至坍塌的严重后果。

在本文所述工程拔桩过程中，因为拔桩区域位于黄浦江驳岸，待拔桩基的桩顶周围存在大量抛石，抛石本身成为了套管下沉的障碍物，而且水下清理抛石的难度大，不能确保清理干净，这样对拔桩套管下沉角度、下沉速度、质量等都产生了不同程度的影响。有时拔桩套管与待拔桩基之间的间隙会被抛石卡住，造成套管不能下沉。严重时，套管碰到抛石后会产生变形，甚至破坏，导致拔桩施工不能顺利进行。另外，在最初直桩的拔除过程中，部分桩基受套管下沉挤压影响造成不同程度的损坏，混凝土结构出现破损、碎裂的现象。桩基拔出后发现只有钢筋连接，有部分混凝土碎块遗落在地下。这些碎块在土层中淤积，待盾构掘进至此位置时，会造成盾构机的泥水环路吸口堵塞或者堵管，不利于盾构推进。

在斜桩角度复核的过程中，原来施工的斜桩沉桩角度与设计图纸不尽相同，原设计图纸中设计要求斜桩中心线与垂线夹角为25°，根据桩基上部分的测量复核，发现其角度在15°～35°之间，导致拔桩套管的初始角度很难确定。只有研究出一种让拔桩套管可以自由地根据待拔桩基的倾斜角度进行下沉的方法，才能有效保证套管不会对待拔桩基造成破坏甚至切断的情况。

桩基拔除本身就是为盾构机掘进疏清障碍，如发生待拔桩基损坏、断桩，障碍物不能完全清理干净，那么拔桩的整个施工将会毫无意义。所以，拔桩过程中防止断桩显得尤为重要。

3 拔桩装置型式介绍

本工程中涉及的套管改造装置包括以下几部分：无缝螺旋钢管（分为2节），坡口钢板（若干块），圆柱形滚轮，如图2所示。

图2 拔桩装置

1）选用大于桩体对角线6～8 cm内径的无缝螺旋钢管，管壁厚2 cm。套管长度宜比待拔桩体长1 m左右。壁厚2 cm主要是防止套管长期使用后产生损耗，造成管壁变薄，从而缩短使用寿命。套管长度比待拔桩体长1 m，是为了使套管可以下沉至桩体下部，能够充分切削桩体外侧的土体，减小桩体与土体之间的摩阻力，使拔桩更为顺利。

2）选用厚2 cm钢板根据套管及桩体尺寸进行切割。

3）尽可能多地设置坡口（最少为桩体边数的2倍）。坡口可以更好地防止套管将桩体切断，设置2倍及以上的坡口可有效降低套管将桩体切断的风险，使套管下沉更为顺利，拔桩更为成功。

4）在坡口后方设置圆柱形滚轮，滚轮采用钢板、轴承固定在套管内。滚轮宽度约为桩体边长的1/2，滚轮数量宜为桩体边数的3/4。本文所述工程中待拔桩基截面为正方形，故本次改造的套管内滚轮共3个。设置圆柱形滚轮，使套管下沉更为顺利，并且使套管沿着桩体的方向、角度下沉，这样无需刻意定位套管方向，便可使套管顺利下沉。

5）最后将剩余套管全部采用满焊连接，并增加腹板进行加强。

4 装置的使用方式

本工艺采用振动锤将套管套住方桩插入水面及江底以下，用水力机械冲削方桩与套筒间土体，使整根桩与土体摩阻力消失，然后用吊机整根拔出。主要机械设备及器具为吊车、振动锤、空压机、高压水泵、拔桩套管等。

通过浮吊船起吊套管，用液压振动锤将套管套在方桩外壁振动下沉到位。下沉过程中及时与方桩的一侧紧贴摩擦下沉到位，保证全套管上下同心度。

全套管在下沉过程中，开启高压喷气和高压射水进行套管内桩外侧泥土冲刷清洗至桩身被独立剥离出来，边沉管边通过高压气流将管内泥浆水全部带出套管。

施工工艺流程为：上部结构承台切割拆除→止水护筒振沉→套管就位→高压射水、喷气清孔→振动沉管→吊拔桩体→回填桩孔→振管填土→振动拔管→沉降观测→废弃桩集中陆上外运处理。

本文重点在于套管头部的改造装置，桩基拔除过程中须避免断桩，一旦桩基断裂，将成为盾构掘进的障碍。

4.1 出现断桩的理论分析

套管未改造前，其结构为单纯的钢管结构。由于本工程需要拔除的桩体均为预制桩，年代久远，而且成桩质量不佳，极有可能会出现桩身断裂或接头连接件焊接断裂的情况。根据以往施工经验，断桩原因可归为以下几点：

1）旧桩在施工时的垂直度偏差较大，造成套管下沉时由于振锤套管作用将其桩锤断（最主要原因）。

2）旧桩本身年久破损，旧桩起吊时，发现绝大多数桩都有多处断裂现象。

3）旧桩的接桩焊接质量不规范，焊接质量不到位，造成套管提升时出现掉桩。

4）个别旧桩当时施打时，可能碰到地下障碍物，无法打入，采取截桩处理，导致拔出的旧桩桩长偏短。

最重要的就是在下套管过程中，套管与旧桩很难保证同心度，极易将旧桩损坏或者切断。

套管在下沉过程中难免与待拔桩基形成夹角，形成夹角后，套管会与待拔桩基发生摩擦或者直接碰撞，这样就会导致套管对待拔桩基产生损坏。

桩基损坏后或者切断后，受待拔桩基的阻力作用，套管将很难下沉。套管拔除后重新进行套管下沉的步骤，亦难将套管下沉到位，且无法将断桩取出，待拔桩基就会成为盾构掘进的障碍物。断桩无法取出的原因如下：

1）套管第一次就位时，已在待拔桩体周围形成套管下沉通道，此通道周边土层在短时间内很难淤积进套管下沉通道。故再次下沉套管时，套管仍会按照既有通道的路线进行下沉，直至到达断桩（桩体损坏）位置。

2）套管到达断桩（桩体损坏）位置后，受待拔桩体的阻力作用，套管将不能下沉，套管与待拔桩体的夹角依然存在。在地层中的断桩（桩体损坏）位置，已无法改变套管的角度使其与待拔桩体的角度保持同心，亦很难采取其他措施进行套管角度转换。

3）拔桩位置位于黄浦江面，造成断桩后只有采取沉井或超深围堰进行围护后用大开挖的方法来处理断桩，这样一来，其施工难度和施工成本均会大大增加，得不偿失。

4）如果发生断桩现象，套管重新下沉或采取沉井、围堰的方式开挖进行取桩，首先对码头本身会产生不均匀沉降，另外对周边的建（构）筑物（如本项目周边的防汛墙、轮渡站等）也会产生不均匀沉降，进而导致建（构）筑物开裂甚至坍塌的不利情况。

综上所述，本文中所介绍的改造装置，从经济性、合理性、适应性等多方面均有良好的使用和推广价值。

4.2 套管改造后的使用效果及分析说明

本装置改造后，其应用优点和防止断桩的适应性如下：

1）本改造装置在运用中，通过改变拔桩套管内部结构来防止断桩。内部结构中坡口、滚轮的设置，使待拔桩基不会与拔桩套管直接接触，避免了待拔桩基承受集中应力的工况，使套管在下沉过程中避开待拔桩体，顺利下沉。

2）特别是在斜桩拔除过程中，套管本身角度定位就很困难，极易造成套管切桩导致待拔桩体断裂的情况。通过套管的改造，即使套管与桩基不同心，套管也不会对待拔桩体产生破坏，有效地避免了切桩这一现象，让套管角度定向更为简单，下沉更为顺利，桩体断裂风险更小。

3）改造装置的滚轮数量为桩体边数的3/4。在斜桩拔除工况的使用过程中，其滚轮若干边应置于桩体靠上、靠下、靠左（或靠右）等侧，使套管可以顺着待拔桩基的侧面顺利下沉，这样更有利于防止断桩。

如图3所示，在原来容易将待拔桩体切断的位置增加坡口、滚轮后，无论套管与待拔桩基是何种夹角，只要其桩头进入套管，通过待拔桩基与套管的相互束缚作用，套管会自然与待拔桩基形成趋向同心的角度，并且坡口头部不会直接与桩基产生碰撞，亦不会切削桩基，这样一来，自然会避免套管对待拔桩基产生损坏或待拔桩基发生断裂的现象。

图3 装置使用时示意

另外，水域码头拔桩的另一个难点在于：码头平台拆除完成后再进行拔桩，此时待拔桩基的桩头位于水中，寻桩困难，套管定位及套管下沉角度的确定难度更大。在不确定待拔桩体既有沉桩角度的情况下，就无法将套管的角度提前固定好，若角度选取不准确，则拔桩套管将与待拔桩基产生较大夹角，亦会对待拔桩基产生破坏或导致桩基断裂。

在这种情况下，更能凸显本文中所述套管改造装置的优点：改造后的套管只要能够套住桩头，利用钢结构坡口、滚轮结合的结构形式，无论何种角度，均可直接开启振动锤下沉套管，而且套管完全可以顺着桩基的角度下沉，直至桩底，从而将桩基顺利且“完好无损”地拔出。

本装置已在上海江浦路越江隧道新建工程码头拆复建工程中成功进行应用。用原始套筒在最初的直桩拔除施工中，出现桩基损坏、断桩的情况，后经过对套管进行改造，顺利处理断桩，且在后续拔桩过程中，未再次出现断桩情况，桩体均完整拔除。

5 结语

本文中的套管改造装置不仅适用于水域码头桩基的拔除，而且适用于陆地桩基的拔除，无论桩基为斜桩还是垂直桩，在拔除过程中均可以沿着待拔桩基自身的倾斜度进行下沉，在套管下沉过程中防止待拔桩体破坏，有效解决了地下桩基障碍物清理困难的问题。

此种拔桩套管改造装置目前在上海地区已经有过多次运用，未来必会以其防断桩效果好、拔桩速度快的优点在类似工程中得到更多应用。