在硬质地层中应用水刀辅助下沉钢板桩工艺.docx
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在硬质地层中应用水刀辅助下沉钢板桩工艺
在硬质地层中应用水刀辅助下沉钢板桩工艺
摘要：
本文针对xx市G351项目xx河中主墩桥位处硬质土层，采用水刀法辅助下沉24m钢板桩，讲述了水刀法辅助施工的设备选型、作业原理及工艺步骤，为今后类似地质条件围堰钢板桩施工提供参考经验。
关键词：
水刀钢板桩挖掘机振动锤动力泵
1工程概况
（1）工程简介
xx，全桥长1644m，共十二联，其中第四联跨河主桥上部结构为（57+3×100+57）变截面预应力混凝土连续箱梁，河中14#、15#、16#主墩承台拟采用24m拉森IV钢板桩围堰施工。
主墩承台尺寸为13.5×8.5×4m，台顶埋深约4~5m，枯水期水深约4~6m。
（2）工程地质条件
根据勘察设计单位提供的现场工程地质调查及钻探揭露，桥位区30m深范围内地层自上而下依次为：
①层素填土（Qml）、①-1层冲填土（Qal）、②层粉土夹粉砂（Q4al+pl）、②-1层粉砂（Q4al+pl）、③层淤泥质粉质黏土（Q4al+pl）、④层黏土（Q4al+pl）、⑤层粉质黏土夹粉土、粉砂（Q4al+pl）、⑥层粉砂（Q4al+pl）。
15#主墩勘探zk10孔位地质剖面图及地基承载力综合成果表见图1-1、表1-1。
图1-1：
15#主墩勘探10#孔位地质剖面图
表1-1地基承载力基本容许值、压缩模量综合成果表
层号
层名
土工试验
标准贯入
综合取值
[fa0]
（kpa）
Es
（mpa）
N
（击）
[fa0]（kpa）
[fa0]
（kpa）
es
（mpa）
②-1
粉砂
—
—
8.1
130
130
12.0
③
淤泥质粉质黏土
65
3.1
1.0
60
60
3.0
④
黏土
235
10.5
10.8
230
230
10.0
⑤
粉质黏土夹粉土、粉砂
95
4.6
4.1
90
90
4.5
⑥
粉砂
—
—
15.2
110
110
10.0
2工艺选择及原理
1）作业布置
（1）围堰钢板桩布设
根据围堰钢板桩设计与计算书，围堰平面净空长、短边分别为16m、11.2m；钢板桩长24m（采用9m+15m接长），长、短边桩数量分别为39根、27根，角桩4根，合计136根；顶、底设计标高分别为37.5m、13.5m，入土深度约9~10m。
围堰钢板桩平面布置图
（2）施工平台设置
围堰前、后两侧分别设置宽10m、12m施工平台，左侧为钢便桥，施工平台边之间净空为15m，钢便桥距围堰边净空约6m。
2）工艺确定
（1）根据桥位处硬质粘土地层条件，施打钢板桩须穿过冲填土层、淤泥质粉质粘土层、粘土层至粉质粘土夹粉土、粉砂层内，分布土层的承载力较大，其中粘土层综合承载力指标达到230KPa。
（2）鉴于土层较大的承载力，施工准备阶段采用大功率DZJ-150振动锤进行了试桩，板桩入土约2~3m后进尺缓慢，此时激振力及电流已到上限。
（3）由于以上不利地质因素及施工难度，综合考虑工期与成本，在钢板桩下沉工艺中拟引入了“高压水射流切割技术”。
（4）考虑钢板桩的型号和长度，以及施工作业平台布置情况，确定采用75t履带吊进行喂桩，然后利用改装的“日立ZX470H-3挖掘机+BYH450振动液压打桩机锤头”及水刀辅助插打就位。
3）设备参数
（1）日立ZX470H-3挖掘机（改装）+BYH450振动液压打桩机锤头
规格：
挖掘机+打桩机整机工作重量（t）:
47.1+3.5=50.6。
作业范围：
停机面最大回转半径（m）:
17；最大插打高度及半径（m）:
15、7。
锤头性能参数：
偏心力矩（MN）:
85；振频（RPM）:
2800；激振力（t）:
75。
钢板桩插打机械（改装）
（2）水刀动力泵
规格：
北京东研水刀设备，JQ145-3B型（活塞式）。
最大工作压力（MPa）：
28~36。
动力泵控制系统
（3）水压连接头、输压管及水刀
动力泵与压力管连接采用DN25六角外丝、对丝接头，与动力泵丝扣连接，与输压管焊接；输压管采用Ø48mmδ3mm直缝钢管；水刀采用5mm芯孔的Ø50mm45#钢，与输压管焊接。
六角外丝、对丝接头
水刀
动力泵与输压管连接头
输压管与水刀连接头
4）作业原理
振动式沉拔桩锤是利用其高频振动，以高加速度振动桩身，将机械产生的垂直振动传给桩体，导致桩周围的土体结构因振动液化；同时，由动力泵产生的高压水通过输压管经水刀头切入硬质粘土层，在桩底与土体之间形成空隙减小桩端下沉阻力，而喷出的高速水流沿土体与桩身之间形成水膜；在振动锤及水刀的合力作用下，使桩侧与土体的摩擦阻力及桩端阻力减少，然后以挖机下压力、振动沉拔锤与桩身自重将桩沉入土中。
3工艺步骤
1）钢板桩接长
24m钢板桩采用15m+9m定型钢板桩现场对接满焊，且内、外面用钢板贴焊牢固；角桩采用整桩与半桩帮焊，接桩断面交错对焊；钢板桩插打时，接头应间隔错开。
钢板桩接长
角桩加工
2）输压管固定
钢管每个固定点采用裁剪的2个长方形小钢片加持电焊，固定间距为1.5~2.0m，底部适当加密以确保在沉桩过程中固结点不脱落。
压力管固定
3）起吊、喂桩
由于打桩机械吊重、吊高的局限性，24m钢板桩由75t履带吊配合起吊、喂桩，钢板桩就位后再由打桩持桩插打至设计高程。
起吊、喂桩
4）下沉
钢板桩吊起后，开启动力泵，水刀切土与钢板桩在振动锤高频振动及压力的共同作用下沉就位。
动力泵压力在振动下沉过程中控制在20MPa以内，当水面不泛水或压力泵压力突然上升时，要立即关停，以防止爆管。
振动、水刀切土下沉
5）合拢
（1）打桩顺序从河流下游角桩相邻第2或3根桩开始插打，至角桩合拢。
（2）由于地层较硬，角桩及相邻桩在合拢前需反复插、拔，使桩间土充分液化、松软，直至最后数根合拢桩插打至设计深度。
围堰合拢
6）施工注意事项
（1）剔除锁口破裂、扭曲、变形的钢板桩，以保证钢板桩围堰的密水效果。
（2）水刀动力泵、输压管管道抗压值必须与穿过地层的地质条件相匹配，使用前进行压力试验，以确保工艺的有效性。
（3）由于沉桩工艺使用的设备较多，必须设专人指挥，且各设备专人操作、密切配合指令，并设置现场专职安全员以保证作业安全。
（4）为保证插桩顺利合拢，要求桩身垂直，利用护筒设置导向架，在施工中加强测量工作，发现倾斜，及时调整。
（5）在进行钢板桩的插打时，当钢板桩的垂直度较好，一次将桩打到要求深度，当垂直度较差时，要分两次进行施打。
4优缺点及适用范围
1）优点
（1）根据地层承载力情况配置相应适压水刀动力泵及配套，可以有效穿透硬质地层。
（2）沉桩对振动设备要求不高，与钢板桩相适应的普通振动锤既能满足施工要求。
（3）沉桩对穿过土层的影响范围较小，有利于围堰周围土体维持原自稳定状态。
2）缺点
（1）工序作业专业性较强，对专业队伍的管理能力与操作工人的技能要求较高。
（2）工艺涉及的设备较普通振动锤沉桩工艺多，多设备协同作业工作量大。
3）使用范围
水刀辅助下沉工艺涉及的设备多且工序复杂，本工艺主要适用于硬质土层或风化岩层，不建议在普通淤泥或砂土等地层条件下采用。
5结语
根据本工程项目特点及施工作业条件，在传统振动沉桩施工中引入“水刀法辅助下沉”工艺，有效克服了传统振动锤沉桩工艺只能穿透中等硬度地层的局限性，解决了硬质粘土层钢板桩的下沉问题，同时提高了工效，为后续作业时间上提供了有力保障。
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