复杂地质情况微型钢管桩振动沉桩施工技术

陈少连

摘要：介绍了微型钢管桩在复杂地质情况施工的一种新技术。

关键词：微型钢管桩 复杂地质 振动沉桩

0 引言

随着我国高速铁路的大发展，各种桩基础施工工法得以迅速推广。微型钢管桩是一种新兴的地基处理工艺，属深基型类型，这种新型的深基础的作用主要是改良固结基础地基；提高地基整体承载力；加强地基的稳定性；减少地基沉降，特别是不均匀沉降，以提高结构物的整体安全性。振动沉桩设备是随着机械的快速发展而来的，在拔桩等工序中表现出良好的技术性能，对施工质量和施工效率影响较大。

1 工程概况

汉宜铁路西荆河特大桥处于江汉冲击平原，地质复杂，部分桥墩坐落在以膨胀土为主的沉积层地基上，而桥台过渡段正处路基与桥梁结合部，其路基基底含水量较大，流塑性强，经过地质勘探过渡段所填筑路基下部还发现较早施工遗迹，存在大面积孤石和片状混凝土，一般路基填筑很难满足过渡段施工要求，变更为桩基础则成本过大且施工现场与地质情况均不允许。经变更设计过渡段下部基础采用微型钢管桩（摩擦桩），桩径120mm，桩长25.0m，壁厚6mm。在对各种方案反复比选后我部使用了微型钢管桩振动沉桩这一新的施工工艺，很好地解决了这一施工难题。

2 微型钢管桩试桩

2.1 试桩工艺流程 按照微型钢管桩基础正常施工流程为：基坑开挖孔位放样钢管桩钻孔跟进抽干管内积水并封底安装钢筋笼灌注细石混凝土。

2.2 试桩桩位选择 试桩宜选在离施工现场较近，地质情况大体相同地段，最终确定试桩地点为与施工桩位同里程部位，这样可以最大程度反应实际施工状况。

2.3 试桩结果分析 试桩后发现桩底未完全封闭，底部随着钻进过程中桩的跟进常充满淤泥及碎石，当地质钻在遇到较硬土质采取冲水钻进时，坍孔现象严重，钻头被卡的情况时有发生，尤其是下部2.5m处有原始施工遗迹的影响，普通地质钻机无法钻进巨石及片状混凝土，也无法按照设计在钻进困难时采用水冲钻进，先行钻透混凝土层而后选择适当方法沉桩，经过分析静压沉桩受地形限制较大，成桩速度慢，以此我部决定采用一种新的施工工艺——机械辅助振动沉桩工艺。

3 工艺原理及关键设备的选择

3.1 工艺原理 通过高频振动可以改变周围土体的液限状态，使摩阻力变小，通过压力和锤重力成桩。

3.2 钩机及振动锤的选择 选择合适的振动锤是振动沉桩的施工顺利进行的关键。鉴于我国目前没有同类型的设计规范，钩机锤的选择多，根据比选我们选择在钢板桩插打施工中表现较好的HD-YZC系列配合日立产40t长臂钩机以便施工中能轻便进行沉桩作业。其具体参数见附表1：

表1 HD-YZC型振动锤参数表

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3.3 钻机的选择 钻机宜选择马力强劲有风动功能的潜孔钻机经必选最终选择T-150型高气压环形潜孔钻机进行钻进作业，其性能参数如下（附表2）：

表2 T-150型高气压环形潜孔钻机参数表

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注：钻头规格应选择大于桩径。

3.4 空气压缩机的选择 限于微型钢管桩施工中地质情况的特殊性，空气压缩机应选择出风量大，重量适中的型号，以方便调运，最终选择阿特拉斯·科普柯移动式空气压缩机作为潜孔钻的配套机型。其具体性能参数详见附表3：

表3 空气压缩机的选择

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3.5 钻头、套管及其它设备的选择 钻头选择130mm偏心钻头配冲击器。套管选择外径168mm，壁厚10mm的成型钢管，每节段1.5m长两端套反丝扣，中间以成型两端丝头连接器连接，最下节段配与钻头外径匹配的管靴，以便钻进过程中套管有效地随之钻进沉入预定深度，套管为沉桩完成后可抽拔重复利用，根据现场施工机械及人力调配情况选择加工6套，循环使用。注浆作业选用GZB-40型注浆泵，配套设备提前安置到位，争取现场成桩即可灌注细石混凝土。另现场需常备一辆25t汽车式吊车，以便设备调运及沉桩工序中的吊装作业，根据实际需要现场还需临时调配铲车以随时清理钻渣、淤泥等，为施工现场保持清洁便利做好准备工作。

4 关键技术及可行性分析

4.1 施工流程的确定 对于微型钢管桩的施工，在现场我们根据实际情况进行了调整，具体流程见图1。

4.2 钻孔定位和钻孔精度的控制

4.2.1 孔位的精确定位。设计要求管桩垂直度偏差不大于1%，孔位偏差不大于5cm，而管桩的施工中测量放样及施工中的过程控制极为重要，所以过程中要求精确测量、认真放样，钻进过程中要求监控及时、调度指挥手势清晰准确，确保孔位的准确。

4.2.2 钻机的调平。钻机调平关系到套管的垂直精度，从而影响到成孔精度。T-150型高气压环形潜孔钻机具有液压调平系统，配合人工可使机械调整至较为精确的垂直度范围，抱紧套管以保证套管垂直。

4.2.3 第一节套管的垂直度。第一节套管的垂直度至关重要，第一节套管不能满足精度要求，势必造成后续套管偏差更大，会造成成桩的垂直度满足不了设计要求的严重后果。为此第一节套管要在下压前、压入一半、全部压入后进行其垂直度的调整，由于此时套管比较短，其垂直度较容易調整，套管越长，其垂直度越难调整。施工过程中采用两部经纬仪控制套管垂直度，再靠机械自身的液压系统进行调整。

4.2.4 套管下压过程控制。套管下压过程中要全过程控制套管的垂直度，将规范规定的偏差值按照比例分配到不同长度的节段，每一节段的垂直度接近此值就必须调整，避免成孔后垂直度不满足要求导致的返工作业。

用两台经纬仪在90°的两方向照准第一节套管，在压入过程中监控套管的垂直情况，如若发生偏差立即进行调整至垂直。钻进第一节套管接第二节套管时，同样用经纬仪检查，全程专人监控，每完成一节套管下压就要实测偏差，根据实际情况进行调整。

4.3 振动沉桩过程控制

4.3.1 激振频率的确定。振动沉桩机械的工作性能振动桩锤，而振动桩锤主要参数的合理选择是提高其工作性能的关键，振动桩锤主要的参数包括：振幅A、激振频率ω、激振器偏心力矩M、激振力F、参振重量Q等，而现场控制关键在于激振频率的选择，根据设计说明中对土层

的描述，最终确定激振频率为150ω/s-1。依据见附表

4。

4.3.2 沉桩速度的控制。沉桩速度应保证每节段施工过程中无长时间停滞，以保证微型管桩周围土体液限状态，使管桩得以顺利沉入。

4.3.3 特殊情况处理。若因不可抗力干扰有长时间停滞，则在后续施工中应先低频振动不沉桩，以免管桩发生剧烈抖动，产生扭曲、开裂等情况，待管桩在重力作用下自行下沉时，开强振连续施工直至整根桩完成。

4.4 沉桩过程中的施工组织

4.4.1 沉桩过程中人力组织。对于微型钢管桩施工工程的监控目的是保安全、保质量。经理部成立了质量管理小组，健全了质量保证体系，并推行质量责任制。所有技术人员必须熟悉施工图纸和有关技术规范，明确施工技术的重点难点，做好技术交底。同时加强测量人员的责任心和技术水平的训练，合理设控制点，以减小误差。定位放样采用坐标控制，沉桩过程用经纬仪实时监控。试验检测工作主要由中心试验室负责，加强工序质量控制，现场技术人员要合理组织，保证施工连续性，认真填写原始施工记录。做好质量预控工作，对容易出现问题的工序，预先制定出切实可行的措施，工程质量始终处于控制之中，并加强和完善质量监测手段和设备，为加强施工质量监测，经理部配备足够的技术力量，加强施工现场管理，充分协调、调配，确保施工的正常进行。

4.4.2 雨季施工应对措施。因施工正值雨季，做好雨季的施工安排，做好防排水工作。充分利用当地的排水系统，使作业面不积水。备足彩条布、防雨布等防雨设备，确保施工用原材料不受雨水浸泡锈蚀。

5 施工质量

振动沉桩成桩后，对所有桩基进行低应变检测，结果全部合格，充分验证了这一施工工艺的可行性。另外微型钢管桩的振动沉桩工艺也提高了此类型桩基的成桩速度，为后续工序施工奠定了良好的基础。

6 结束語

本文介绍了微型钢管桩振动沉桩工艺的具体过程和控制要点。通过西荆河特大桥桥台部位微型管桩的顺利施工，证明通过高频振动可以改变周围土体的液限状态，使摩阻力变小使桩身顺利的在压力作用下沉入土体是切实可行的。

新工艺在人员配备上与其他沉桩工艺明显减少，但是由于施工速度的提高缩短了工期，不仅降低了成本，而且可以充分利用其他设备的生产能力，取得了较好的经济效益。此种施工方法的低污染、低噪音、较高的材料利用率也体现了其较好的社会效益。

参考文献：

[1]工程测量规范 GB50026-2007.

[2]新建铁路武汉至宜昌铁路桥台微型钢管桩设计图.

[3]王凯，杨铭，马辉.基于ANSYS软件的振动沉桩过程仿真[J].机械与电子，2007（08）.