无临设工程施工的沉桩方法及工法设计

张宝森 胡全义 李宇鹏 李春江 邓 宇

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，郑州 450003；3.华北水利水电大学，郑州 450045）

传统的打桩（振动、冲击）技术不仅需要打桩机，还需要相关施工车辆、大型附带设备及暂设工程。在现代城市快速发展进程中，一些区域因为道路狭窄导致施工机器无法进入，从而被排除于开发计划之外；在水上（河川、港湾）施工时，设置临时栈桥或搭建施工平台等大型暂设工程占地面积大、影响河流流态，并对周围生态环境造成较大影响。为解决上述施工问题，本文提出了一种无临设工程的沉桩施工方法，并就工法设计与传统方法进行优缺点对比。

1 黄河堤岸刚性加固方案

1.1 加固措施

黄河下游堤防通过标准化建设，漫决、溃决问题基本得到解决，但仍存在冲决的风险。堤防安全主要涉及堤身安全和堤脚安全。对于堤防险工段，通过对堤坡进行防护可解决大洪水时对堤身的冲刷危险，但无法解决中小洪水对堤脚的淘刷问题，堤防工程仍存在因水流淘刷、失稳而决堤的风险，需对堤脚进行有效加固，保证堤防安全。目前，河流堤防加固、抢险，河道整治中刚性加固技术主要有地下连续墙、沉井、钢管桩、预制桩、钻孔灌注桩等。

选取黄河郑州段堤防险工为施工场景，使用钢管桩沉桩方法和无临设工程施工沉管施工工法进行设计施工。

1.2 排桩结构型式选择

依据黄河郑州段堤防险工的工程结构，采用钢筋混凝土灌注排桩护根型式。排桩护根型式是指采取不同排列型式形成排桩挡土结构，来支挡不同地质和施工条件下的侧向水土压力。常见型式有分离式排桩、交错式排桩、咬合式排桩、双排式排桩、格栅式排桩。根据黄河郑州段堤防险工护坡和根石的实际情况，对排桩结构型式进行比选。

方案一：分离式护根单排桩加固方案。分离式排桩是最常用的支挡结构，适用范围广。桩体距堤防险工坡脚一定距离，采用钢筋混凝土透水排桩，布置桩径1.2～1.8 m、桩间距0.3～0.4 m（图1）。

图1 方案一（分离式单排桩）布置图

方案二：双排桩加固方案。当需要进一步增大排桩的整体抗弯刚度和抗侧移能力时，可将桩设置成前后双排，将前后排桩桩顶的帽梁用横向连梁连接，形成了双排门架式挡土结构，即双排式排桩。布置桩径1.0～1.5 m、桩间距0.3～0.4 m、前后排桩距3.0 m（图2）。

图2 方案二（双排桩）布置图

方案的选定：对护根排桩加固结构型式进行比选（表1），分离式护根排桩和双排桩均能有效保护堤防险工根石走失，起到对现有防护体系刚性加固作用。但通过两个方案比选可知，方案一施工难度低、工程投资相对较低，因此，推荐采用分离式排桩作为黄河郑州段堤岸刚性护根加固结构型式。

表1 护根排桩结构型式比选表

2 沉桩方法及无临设工程施工工法设计

黄河郑州河段堤防险工长度达到堤防长度的72%，由于历次抢险，堤防险工临河侧较大范围内均存在较厚抛石层，分布并无规律，厚度3～6 m。因黄河河床为砂质，大洪水时冲刷深度较大，现状堤防险工根石不稳，刚性加固方式的选择应既能满足对堤脚根石的有效加固，又能在现状地质情况下顺利施工。

2.1 旋转压入工法

旋转压入工法是一种基于反作用力的压入工法（图3），采用桩端安装有切削钻齿的钢管桩，贯穿既有结构物或地中障碍物。对于传统工法难以施工的坚硬地质、混凝土结构物等地下障碍物，可以利用旋转压入工法施工。该工法无需拆除既有结构物，结合无临设工程施工系统后，无需搭设栈桥，因此可以降低施工成本、缩短施工工期。

图3 旋转压入工法施工原理

旋转压入工法通过桩端特殊钻齿，仅需切削障碍物部分来控制排土量，在小范围内扰动地基，即可构筑高精度的完成桩。通过旋转压入工法切削钢筋混凝土试验结果可见，旋转压入工法能适应3～6 m 厚薄不均块石层的钢管桩沉桩要求（图4）。旋转压入工法分初期压入施工工序（图5）和标准压入施工工序（图6）。初期压入时，由于没有完成桩可获取反力，通常利用“反作用力基座”来完成初期压入作业。

图4 不同地质条件下管桩贯入模式

图5 初期压入过程

图6 标准过程压入过程

2.2 无临设工程施工工法

无临设工程施工工法的全部作业过程（如桩材搬运、吊桩、压入作业）可以在桩顶完成。在完成桩桩顶施工时，静压植桩机可利用完成桩获得反作用力，进行施工作业。无临设工程施工非常适合水中、倾斜地段、不平坦地段、狭隘地段及超低空间地段等复杂的施工环境。

2.2.1 无临设工程施工的标准配置

无临设工程施工系统包括前部的静压植桩机、作为动力源的动力单元、桩用起吊装置及用于从堆放场搬运桩材的桩材自走装置，无临设工程施工平面布置如图7所示。

图7 无临设工程施工系统平面布置

2.2.2 施工工序

无临设工程施工系统的施工工序：①静压植桩机就位，开始工作；②当一定数量的桩被压入后，动力单元和桩用自走式吊车进入作业单元并安装在已完成的桩的端部；③铺设桩道，将桩运到下一个安装点；④桩安装成后，施工系统各组件反向行走回到工作基地。

2.2.3 工法特点

（1）低振动和低噪声：与利用振动或锤击将桩打入地层的施工方法相比，静压法压桩施工具有良好的静音效果。

（2）硬质场地的适应性：静压桩机可以在不借助辅助手段的情况下进行松散砂土场地及黏土地层的施工，当桩体需要贯入压实的砂层、碎石层或地下混凝土结构时，可采用水刀、螺旋钻或旋转切削工法进行压桩施工。

（3）施工占地面积少：静压桩机不需要临时支挡结构和临时施工平台，有效减少施工场地面积、所需人工及施工工程量，因此，静压桩机的施工成本及施工周期较少。

（4）环境影响小：开挖量小，废弃物排放量小；同时，施工机械油耗较少，废气排放量少，对河流流态影响小，且对生态环境影响也较小。

3 工法对比

3.1 全回转全套管钻机灌注桩施工

全回转全套管钻机进行钻孔灌注桩施工（图8）的工艺流程如下：场地准备（机械进场）→测量放线→钻机就位→套管静压回转→接管，套管内挖掘，抛石清除→挖掘至桩底→钢筋笼制作、吊放安装→导管安装→清孔→浇筑水下混凝土→分节拔出套管→移至下一根桩。

图8 全回转全套管钻机施工布置图

3.2 旋挖钻机灌注桩施工

旋挖钻机是一种综合性的钻机，可以用多种地层，具有成孔速度快，污染少，机动性强等特点。短螺旋钻头进行干挖作业，也可以用回转钻头在泥浆护壁的情况下进行湿挖作业。旋挖机可以配合冲锤钻碎坚硬地层后进行挖孔作业。如果配合扩大头钻具，可在孔底进行扩孔作业。旋挖机采用多层伸缩式钻杆，钻进辅助时间少，劳动强度低，不需要泥浆循环排渣，节约成本，适用于城市建设的基础施工。

3.3 工法对比分析

基于无临设工程施工的旋转压入钢管桩施工与全回转全套管钻机、旋挖钻机灌注桩施工过程对比分析如表3 所示。

表3 不同工法施工过程对比分析表

4 结 论

本文基于静压植桩旋转压入工法及其配套装备，设计一种无临设沉桩施工方法，并详细阐明该工法的施工过程及其特点。另外，通过与全回转全套管钻机和旋挖钻机两种钢筋混凝土灌注桩施工工法进行对比，说明无临设工程沉桩施工方法在施工周期、成本、适应性、占地面积及成桩质量等方面具有明显优势。无临设工程沉桩施工方法在堤坝决口封堵、堤防加固、植入式斜桩护岸、挡土墙、止水墙、基础和地基工程加固等方面有广泛的应用前景。