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水刀引孔法:专治坚硬地质钢板桩施工难题

2021-04-01 钱工 阅读 174
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拉森钢板桩作为近些年来常用的围护工艺,因具有质量轻、强度高、水密性好及施工简便、工期短优点,目前已在二三级基坑、水中围堰等工程发挥重要作用。根据以往经验,施工钢板桩常采用机械手或振动锤将钢板桩振动压入土中。

 

 

但当遇到硬质土层(如贯入阻力较大、埋深较深、挤密性或握裹性较强)、钢板桩较长或变形时,使得钢板桩在施工过程中因阻力较大从而沉桩困难。

 

一、高压水刀引孔法

 

解决钢板桩在施工过程中因阻力较大使得沉桩困难的关键是减少钢板桩与土层之间的摩阻力,高压水刀引孔法能实现这一要求。水刀,即以水为刀,由电机为动力源与煤层注水机组合而成的一种辅助钢板桩下沉的一种产品,其在硬塑黏土、中密实砂土及风化岩层等土质应用效果良好。水刀相对于其它引孔设备操作简单,实用性强,实用地广,性价比高。

 

水刀引孔后台及工作图

 

 

二、水刀引孔在硬质地层钢板桩围堰的应用

 

(1)工程简介

 

亳州市涡阳县义门镇X024涡河大桥项目,3#与4#主墩承台位于河边,拟回填土后,采用6号24m拉森钢板桩围堰+609钢管支撑施工。

 

(2)工程地质条件

 

根据《涡阳县义门镇X024涡河大桥及接线工程地质勘查报告》,③与④承台围堰开挖深度影响范围内土层自上而下依次为:①回填土、②-1淤泥质粉质粘土、③细砂及④粉质粘土。

 

 

 

(3)围堰方案设计

 

本项目③/④号承台尺寸长28.2m,宽8.2m,钢板桩围堰尺寸长33.2m,宽13.2m。钢板桩采用六号桩,长24m(采用18m+6m焊接),桩入土深度3.64m,数量155根。

 

 

▲ 钢板桩围堰平面布置图

 

 

▲ 钢板桩围堰剖面图

 

三、施工工艺选型

 

根据承台以下地质条件,钢板桩沉桩须穿过①回填土、②-1淤泥质粉质粘土,进入③细砂,而③细砂层呈密实饱和状态,标贯击数达31.5,地基承载力基本容许值达180kPa,相对较大。

 

根据承台以下地质条件,钢板桩沉桩须穿过①回填土、②-1淤泥质粉质粘土,进入③细砂,而③细砂层呈密实饱和状态,标贯击数达31.5,地基承载力基本容许值达180kPa,相对较大。

 

由于以上不利地质因素及施工难度,综合考虑工期与造价,在钢板桩下沉工艺中拟引入了高压水刀技术。

 

设备参数:

 

①75吨起重机+DZJ150电锤

 

作业性能参数:主臂最大额定性能起重量(t):75

 

固定副臂最大额定起重量(t):12t

 

最大起重力矩(t·m):286

 

锤头性能参数:偏心力矩(kN·m)114;激振力(t):115。

 

 

起重机+电锤设备

 

②水刀高压泵

 

规格:高压泵

 

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

 

输压钢管两头进行车床加工(车丝对接),其优点是安装快捷且使用过程中确保水压无泄漏。

 

▲输压钢管与钢板桩链接

 

在钢管顶端对接高压软管,在对接口下20cm处钢板桩凹槽顶端焊接横担固定软管,防止长时间使用接口损坏,软管另一端连接水刀机组出水口,完成组装。

 

 

动力泵软管与输压钢管连接

 

 

▲ 动力泵软管与横担固定

 

使用45#钢柱加工水刀,水刀长度约5cm,直径约3cm锥形圆柱,在加工好的圆柱中心开孔径2.5mm的圆孔。

 

 

▲ 输压管与水刀连接头

 

四、施工工序

 

(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

 

(2)输压管固定

 

采用光圆钢筋压住输压钢管后,将光圆钢筋与钢板桩凹槽进行焊接,以确保在沉桩过程中,输压钢管与钢板桩之间无相对移动。

 

 

▲ 输压管固定

 

(3)起吊、定位

 

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,钢板桩就位后再由打桩持桩插打至设计高程。

 

 

▲ 起吊定位

 

(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。

 

 

▲ 水刀引孔、振动下沉

 

五、施工控制要点

 

(1)场地整平,根据标注的施工线利用挖机清理地表回填的建筑垃圾石块等。

 

(2)水刀就位开机测试,发动机逐步加大观察进水出水是否正常,接头是否漏水,刀头喷射情况。

 

(3)按设计点位引入第一根钢板桩,逐步开引注意钢板桩的垂直度缓慢打入,一直打到设计标高处。

 

(4)按上述依次打入钢板桩。

 

(5)根据土质情况,水刀可以改装成单刀头或者多刀头或者大输出动力。

 

 

六、水压不足原因

 

(1)喷嘴过大,建议2.5mm喷头;

 

(2)柴油机的供油不够;

 

(3)供水含砂,导致管路堵塞;

 

(4)供水量、供压不足;

 

(5)使用时间过长,设备老化。

 

七、优缺点及适用范围

 

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。

 

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。

 

应用范围:

 

水刀辅助下沉工艺涉及的设备多且工序复杂,本工艺主要适用于饱和单轴抗压强度<5MPa风化岩、硬塑黏土、砂砾土及粒径<2cm的碎石土中应用。

 

八、总结

 

目前,本项目钢板桩的施工已接近尾声,采用振动锤+高压水刀引孔工艺有效解决了硬质地层中拉森钢板桩的沉桩困难的问题,同时提高了工效,为后续作业时间上提供了有力保障。