FCEC拔桩工法在紧邻地铁保护区工程中的应用

徐金吉

上海公路桥梁（集团）有限公司 上海 200000

近年来房地产市场的快速发展，尤其是一线城市的土地资源十分稀缺。为了充分地利用稀缺的土地资源，特别是在中心城区，经常会需要拆除老破小建构筑物，重新开发和利用地下和地上空间。FCEC拔桩工艺是目前国内比较先进的拔桩技术，相对来说能够有效减少对于原状土的扰动，对于周边建筑密集或是有需要保护的建筑的情况下，特别适合用该方法施工。

1 工程概况

1.1 项目背景

本工程为某地铁上盖综合开发项目，主要包括覆盖地铁、国铁轨道线路的“大平台”、裙房、塔楼、地下室、集散广场和高架道路等。

本工程地下室基坑最大挖深15.8m，围护结构采用地下连续墙。在施工地下连续墙前，需要首先对原有废旧桩基进行清除。废旧桩基原有建筑物上部结构和承台基础已于前期拆除完毕。桩基种类主要有PHC管桩和方桩，尺寸分别为直径500mm和450×450mm，桩长32m和36m，均为分节预制桩，桩顶标高-1.900，桩尖深入7-2层土中大于2m。废桩位于1号线莘庄站站台旁，距离莘庄站站房、5号线折返线和莘庄站北出入口上下扶梯以及莘建东路位置非常近，两侧管线密集，早晚高峰人流量非常大。

图1 项目平面位置

1.2 工程地质条件

根据地质勘查报告显示，本项目施工场地承压水系统由第⑦层（含3个亚层）承压水和第⑨层（含3个亚层）承压水组成。由于场地内缺失第⑧层粘性土层，第⑦层承压含水层和第⑨层承压含水层连通，整体厚度达72m。根据上海地区的区域资料，承压水水位一般低于潜水水位，随季节而呈周期性变化，埋深一般为3.00m-12.00m。本项目场地第⑤1-1层为灰色粉质粘土夹砂质粉土，局部零星分布砂质粉土透镜体，项目场地范围内并不连续分布。

根据上述资料分析可得，原有废旧桩基已进入第⑦层承压含水层，而本项目第⑦层承压含水层和第⑨层承压含水层连通，一旦拔桩作业发生管涌，出水量将是巨大的，对于沉降控制不利。

2 工艺选择

通过收集不同的工艺进行比选，可供选择的方案有：高压旋喷泥浆法[1]、全回转清障机、FCEC拔桩。

由于紧邻地铁边，且位于轨道交通30m保护区范围内拔桩施工，使用传统高压旋喷泥浆法拔桩施工对于周围地层土体产生的影响较大，而且容易造成预制桩破碎，特别是斜桩的拔桩质量不容易保证。

全回转清障机拔桩（CD机），该工艺主要是利用CD机油泵产生的向下压力，并带动钢套管旋转，驱动钢套管管口的合金刀头产生向下扭矩旋转并切割土体，从而将套管钻入地下，再利用冲抓头冲碎桩体后在套管内进行清障。该方法在冲抓过程中将会对土体产生剧烈扰动。经过比选后决定采用FCEC全回转拔桩工法进行拔桩施工，把对轨道交通以及周边管线的影响降到最低。

FCEC工法拔桩机，是一台经过改装的100t履带吊。以100t履带吊为基架，吊车上配备一台动力头装置，用以驱动钢套管旋转。首节钢套管端部配备合金钻头，作用是将桩周土体旋转切割，从而减小桩侧摩阻力[2]。FCEC工法的另一个优点是，对于倾斜度30°以内的斜桩拔除效率高，不必多次下钻套孔。薄壁钢套管端部配备了高压气雾喷射器，在旋进的过程中，使得高压气雾从钢套管底部喷出，有效地减小磨擦力，加快施工速度。其主要特点与优点如下：

（1）FCEC工法首先通过动力头驱动装置在废桩外侧钻入钢套管，一方面减小了桩侧摩阻力，给拔桩创造有利条件，另一方面也把拔桩产生对土体的扰动控制在最小的范围，从很大程度上保证了对于原状地基土体结构的保护，确保了周边地铁线路、站台和管线的安全，在地铁保护区范围内，这一点显得尤为重要。

（2）FCEC拔桩机在套管端部镶嵌了合金“牙齿”，确保了钢套管的切割下沉能力，同时在钢套管端部配备了气雾喷射孔，后接一台空压机，在钻进过程中，不断地在钻头喷射水雾，润滑和软化切割面土体。

（3）钢套管的规格在合理范围内（1.5m以内）不受限制，套管采用多节连接加长，能够适用于各种规格和长度的废桩拔除工作。

（4）采用钢护筒配合钢套管。钢护筒用于钢套管外侧，深入土体以下2-3m，其作用类似于钻孔桩护筒，用于支撑上部孔壁土体，防止坍塌，确保安全。

3 拔桩流程

3.1 钻机套管钻进

（1）破凿地面开挖露出桩头。开挖桩头确定桩位后，以废桩为中心埋设钢护筒，使两者中心重合。钢护筒在拔桩过程中起到定位和保护支撑上部孔壁土地，防止坍塌的作用。

（2）设备就位。确定废桩位置，FCEC清障机走机定位，拔桩区域整平并铺设路基箱板，调整吊车的水平和桅杆的垂直度，使钢套管中心与桩位中心保持一致，再次复核即可进行旋转沉入钢套管。

图2 FCEC拔桩机

（3）套管钻进。考虑到预制桩垂直度较差，拔桩时钢套管需与旧桩有一定间隙，为了施工方便，需要放大钢套管尺寸；同时又考虑到要控制周边沉降，需要减小对土体的扰动。综合考虑以上因素决定，对于本工程PHC管桩采用的是760mm钢套管，方桩采用的是1000mm钢套管。由FCEC动力头驱动钢套管、配合高压气雾喷射装置，快速旋转切割下沉，顺利沉入到桩底以下位置。

3.2 钢丝绳下放与拔桩

当钢套管下沉至桩底以下1-2m深度，完成下沉后，使用抓斗把废桩缓慢夹出。拔桩时先通过抓斗将桩头部位夹紧，夹桩完成后吊车缓缓起拔，拔出桩头后用钢丝绳锁紧桩身，为防止拔桩后桩孔塌方，在起拔的过程中，钢套管保留在地下。相关准备工作完成后即用吊机起拔。起拔时速度不宜过快，待起拔到一定高度后，为保证安全，实行双点吊将旧桩拔出。考虑施工场地限制、起吊高度及安全考虑，旧桩拔除孔口一定高度后分段截除，单节截除长度不超过10m，考虑到预制桩均为分节预制，截桩位置选在预制桩接头[3]。

图3

3.3 回填

桩孔回填是控制后期沉降的关键，考虑到本工程施工区域的淤泥质土流动性较大，采用水泥土回填在拔除钢套管时无法及时填充壁厚50mm的管壁，根据前期施工情况造成地面沉降过大，为防止拔桩后造成过大的地面沉降，本次拔桩完成采用优质粘土拌合7%水泥进行回填，回填深度同清障深度，回填土28天强度不低于0.2MPa，回填后在拔除套管过程中同步注浆，利用FCEC气雾喷射装置的管道注入1：0.8水泥浆填充钢套管拔除的空隙及回填不密实的空隙，边拔除钢套管边注浆。为防止水泥浆注入影响后期地墙施工，在水泥浆中加入适当的膨润土，拟定水泥浆配合比为水：水泥：膨润土=1：0.8：0.2。

4 施工难点及处理措施

4.1 施工重点及难点

本工程地下桩基清障的关键点和难点主要有两个。

第一，施工范围位于上海地铁轨道交通保护区范围内，拔桩作业对于地基必然有一定的扰动，在距离地铁5号线如此近距离的范围内拔桩，如何尽可能地把沉降和对地基土的扰动降到最低，以确保地铁轨道的安全；

第二，场地内承压水层7、9贯通，废桩打通承压水层，拔桩过程中对承压水控制不到位，会发生管涌等情况发生，引起周边地面不均匀沉降，对周边管线和地铁产生显著影响。

4.2 处理措施

（1）在施工可行的前提下，尽量减小钢套筒的尺寸。本工程对于500mmPHC管桩和450×450mm方桩拔除，分别采用直径760mm和1000mm的钢套筒，增加了夹桩难度，同时也减少对土体的扰动面积。

（2）优选施工工艺，在此基础上深化施工方案，采用先起拔套管，并增加后注浆工序。本项目选择FCEC拔桩工艺，优化常规的FCEC拔桩方案。首先拔桩顺序采用跳拔形式，避免了集中拔桩对土体产生较大的扰动；其次，在先拔桩后提套管的施工方案基础上，做出大胆改变，尝试先提套管后拔桩，再回填，最后插入注浆管注浆填充孔隙。本项目在拔500mmPHC管桩过程中，为了减小对土体的扰动，把钢套管的尺寸减小到了760mm，导致抓斗无法在钢套管内顺利下沉抓取废桩。因此决定调整施工工序采取先提套管后拔桩的施工工序。这样一来虽然桩侧土体在拔桩过程中缺少了钢套筒的保护，但在施工工效方面却大大加快了拔桩的效率。根据施工后的监测数据来看，采用这种方法拔桩反而对于土体扰动和地表沉降的控制效果略优于前者。

（3）在提升钢套管过程中，采用同步注浆的方式，填充套管间隙。拔桩完成后，回填水泥土，通过桩底压入水泥浆浆液，填充回填孔隙，减小工后沉降。

（4）下钻套管的同时，通过FCEC气雾喷射管，不断地在第一节切割套管下喷出高压水雾减小磨阻力，生成的泥浆填充地下孔隙平衡地内压力，避免在拔桩阶段承压水层发生管涌。

（5）在地铁沿线和道路沿线布置沉降观测点，专人负责跟踪监测每日变化情况。

5 实施效果

根据监测报告，本次施工对于车站立柱垂直位移累计最大变化量为-3.35mm，出现在测点LCJ13；附属结构（出入口）垂直位移累计最大变化量为1.34mm，出现在测点C16；两处变化量均小于报警值±5.0mm。周边管线竖向位移，单日最大变化量为0.75mm，累计最大变化量为3.88mm，分别发生于点位SS03和RQ06，小于管线日变量警戒值±2mm和累计报警值±10mm；周边建筑物竖向位移单日最大变化量为-0.77mm，累计最大变化量为-3.02mm，分别发生于点位J5和J8，小于日变量警戒值±2mm和累计警戒值±20mm。

图4 周边建筑物累计变化曲线图

通过利用FCEC拔桩工法在邻近地铁保护区范围内施工，圆满完成了本工程三期22跟PHC管桩和18跟混凝土方桩的拔除，且在施工过程中成功控制了地铁沉降和周边沉降，受到了监理和业主单位的一致认可。

6 结语

本次采用的FCEC全回转拔桩工法可以说在一定程度上大大减小了对于地基土的扰动，特别是在地下水特别丰富的水文地质条件下，对于控制拔桩后的管涌也起到了一定的作用，具有一定的借鉴意义。