張寶森 胡全義 李宇鵬 李春江 鄧 宇

（1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003；3.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

傳統(tǒng)的打樁（振動、沖擊）技術(shù)不僅需要打樁機，還需要相關(guān)施工車輛、大型附帶設(shè)備及暫設(shè)工程。在現(xiàn)代城市快速發(fā)展進程中，一些區(qū)域因為道路狹窄導(dǎo)致施工機器無法進入，從而被排除于開發(fā)計劃之外；在水上（河川、港灣）施工時，設(shè)置臨時棧橋或搭建施工平臺等大型暫設(shè)工程占地面積大、影響河流流態(tài)，并對周圍生態(tài)環(huán)境造成較大影響。為解決上述施工問題，本文提出了一種無臨設(shè)工程的沉樁施工方法，并就工法設(shè)計與傳統(tǒng)方法進行優(yōu)缺點對比。

1 黃河堤岸剛性加固方案

1.1 加固措施

黃河下游堤防通過標準化建設(shè)，漫決、潰決問題基本得到解決，但仍存在沖決的風(fēng)險。堤防安全主要涉及堤身安全和堤腳安全。對于堤防險工段，通過對堤坡進行防護可解決大洪水時對堤身的沖刷危險，但無法解決中小洪水對堤腳的淘刷問題，堤防工程仍存在因水流淘刷、失穩(wěn)而決堤的風(fēng)險，需對堤腳進行有效加固，保證堤防安全。目前，河流堤防加固、搶險，河道整治中剛性加固技術(shù)主要有地下連續(xù)墻、沉井、鋼管樁、預(yù)制樁、鉆孔灌注樁等。

選取黃河鄭州段堤防險工為施工場景，使用鋼管樁沉樁方法和無臨設(shè)工程施工沉管施工工法進行設(shè)計施工。

1.2 排樁結(jié)構(gòu)型式選擇

依據(jù)黃河鄭州段堤防險工的工程結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土灌注排樁護根型式。排樁護根型式是指采取不同排列型式形成排樁擋土結(jié)構(gòu)，來支擋不同地質(zhì)和施工條件下的側(cè)向水土壓力。常見型式有分離式排樁、交錯式排樁、咬合式排樁、雙排式排樁、格柵式排樁。根據(jù)黃河鄭州段堤防險工護坡和根石的實際情況，對排樁結(jié)構(gòu)型式進行比選。

方案一：分離式護根單排樁加固方案。分離式排樁是最常用的支擋結(jié)構(gòu)，適用范圍廣。樁體距堤防險工坡腳一定距離，采用鋼筋混凝土透水排樁，布置樁徑1.2～1.8 m、樁間距0.3～0.4 m（圖1）。

圖1 方案一（分離式單排樁）布置圖

方案二：雙排樁加固方案。當需要進一步增大排樁的整體抗彎剛度和抗側(cè)移能力時，可將樁設(shè)置成前后雙排，將前后排樁樁頂?shù)拿绷河脵M向連梁連接，形成了雙排門架式擋土結(jié)構(gòu)，即雙排式排樁。布置樁徑1.0～1.5 m、樁間距0.3～0.4 m、前后排樁距3.0 m（圖2）。

圖2 方案二（雙排樁）布置圖

方案的選定：對護根排樁加固結(jié)構(gòu)型式進行比選（表1），分離式護根排樁和雙排樁均能有效保護堤防險工根石走失，起到對現(xiàn)有防護體系剛性加固作用。但通過兩個方案比選可知，方案一施工難度低、工程投資相對較低，因此，推薦采用分離式排樁作為黃河鄭州段堤岸剛性護根加固結(jié)構(gòu)型式。

表1 護根排樁結(jié)構(gòu)型式比選表

2 沉樁方法及無臨設(shè)工程施工工法設(shè)計

黃河鄭州河段堤防險工長度達到堤防長度的72%，由于歷次搶險，堤防險工臨河側(cè)較大范圍內(nèi)均存在較厚拋石層，分布并無規(guī)律，厚度3～6 m。因黃河河床為砂質(zhì)，大洪水時沖刷深度較大，現(xiàn)狀堤防險工根石不穩(wěn)，剛性加固方式的選擇應(yīng)既能滿足對堤腳根石的有效加固，又能在現(xiàn)狀地質(zhì)情況下順利施工。

2.1 旋轉(zhuǎn)壓入工法

旋轉(zhuǎn)壓入工法是一種基于反作用力的壓入工法（圖3），采用樁端安裝有切削鉆齒的鋼管樁，貫穿既有結(jié)構(gòu)物或地中障礙物。對于傳統(tǒng)工法難以施工的堅硬地質(zhì)、混凝土結(jié)構(gòu)物等地下障礙物，可以利用旋轉(zhuǎn)壓入工法施工。該工法無需拆除既有結(jié)構(gòu)物，結(jié)合無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)后，無需搭設(shè)棧橋，因此可以降低施工成本、縮短施工工期。

圖3 旋轉(zhuǎn)壓入工法施工原理

旋轉(zhuǎn)壓入工法通過樁端特殊鉆齒，僅需切削障礙物部分來控制排土量，在小范圍內(nèi)擾動地基，即可構(gòu)筑高精度的完成樁。通過旋轉(zhuǎn)壓入工法切削鋼筋混凝土試驗結(jié)果可見，旋轉(zhuǎn)壓入工法能適應(yīng)3～6 m 厚薄不均塊石層的鋼管樁沉樁要求（圖4）。旋轉(zhuǎn)壓入工法分初期壓入施工工序（圖5）和標準壓入施工工序（圖6）。初期壓入時，由于沒有完成樁可獲取反力，通常利用“反作用力基座”來完成初期壓入作業(yè)。

圖4 不同地質(zhì)條件下管樁貫入模式

圖5 初期壓入過程

圖6 標準過程壓入過程

2.2 無臨設(shè)工程施工工法

無臨設(shè)工程施工工法的全部作業(yè)過程（如樁材搬運、吊樁、壓入作業(yè)）可以在樁頂完成。在完成樁樁頂施工時，靜壓植樁機可利用完成樁獲得反作用力，進行施工作業(yè)。無臨設(shè)工程施工非常適合水中、傾斜地段、不平坦地段、狹隘地段及超低空間地段等復(fù)雜的施工環(huán)境。

2.2.1 無臨設(shè)工程施工的標準配置

無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)包括前部的靜壓植樁機、作為動力源的動力單元、樁用起吊裝置及用于從堆放場搬運樁材的樁材自走裝置，無臨設(shè)工程施工平面布置如圖7所示。

圖7 無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)平面布置

2.2.2 施工工序

無臨設(shè)工程施工系統(tǒng)的施工工序：①靜壓植樁機就位，開始工作；②當一定數(shù)量的樁被壓入后，動力單元和樁用自走式吊車進入作業(yè)單元并安裝在已完成的樁的端部；③鋪設(shè)樁道，將樁運到下一個安裝點；④樁安裝成后，施工系統(tǒng)各組件反向行走回到工作基地。

2.2.3 工法特點

（1）低振動和低噪聲：與利用振動或錘擊將樁打入地層的施工方法相比，靜壓法壓樁施工具有良好的靜音效果。

（2）硬質(zhì)場地的適應(yīng)性：靜壓樁機可以在不借助輔助手段的情況下進行松散砂土場地及黏土地層的施工，當樁體需要貫入壓實的砂層、碎石層或地下混凝土結(jié)構(gòu)時，可采用水刀、螺旋鉆或旋轉(zhuǎn)切削工法進行壓樁施工。

（3）施工占地面積少：靜壓樁機不需要臨時支擋結(jié)構(gòu)和臨時施工平臺，有效減少施工場地面積、所需人工及施工工程量，因此，靜壓樁機的施工成本及施工周期較少。

（4）環(huán)境影響?。洪_挖量小，廢棄物排放量??；同時，施工機械油耗較少，廢氣排放量少，對河流流態(tài)影響小，且對生態(tài)環(huán)境影響也較小。

3 工法對比

3.1 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機灌注樁施工

全回轉(zhuǎn)全套管鉆機進行鉆孔灌注樁施工（圖8）的工藝流程如下：場地準備（機械進場）→測量放線→鉆機就位→套管靜壓回轉(zhuǎn)→接管，套管內(nèi)挖掘，拋石清除→挖掘至樁底→鋼筋籠制作、吊放安裝→導(dǎo)管安裝→清孔→澆筑水下混凝土→分節(jié)拔出套管→移至下一根樁。

圖8 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機施工布置圖

3.2 旋挖鉆機灌注樁施工

旋挖鉆機是一種綜合性的鉆機，可以用多種地層，具有成孔速度快，污染少，機動性強等特點。短螺旋鉆頭進行干挖作業(yè)，也可以用回轉(zhuǎn)鉆頭在泥漿護壁的情況下進行濕挖作業(yè)。旋挖機可以配合沖錘鉆碎堅硬地層后進行挖孔作業(yè)。如果配合擴大頭鉆具，可在孔底進行擴孔作業(yè)。旋挖機采用多層伸縮式鉆桿，鉆進輔助時間少，勞動強度低，不需要泥漿循環(huán)排渣，節(jié)約成本，適用于城市建設(shè)的基礎(chǔ)施工。

3.3 工法對比分析

基于無臨設(shè)工程施工的旋轉(zhuǎn)壓入鋼管樁施工與全回轉(zhuǎn)全套管鉆機、旋挖鉆機灌注樁施工過程對比分析如表3 所示。

表3 不同工法施工過程對比分析表

4 結(jié) 論

本文基于靜壓植樁旋轉(zhuǎn)壓入工法及其配套裝備，設(shè)計一種無臨設(shè)沉樁施工方法，并詳細闡明該工法的施工過程及其特點。另外，通過與全回轉(zhuǎn)全套管鉆機和旋挖鉆機兩種鋼筋混凝土灌注樁施工工法進行對比，說明無臨設(shè)工程沉樁施工方法在施工周期、成本、適應(yīng)性、占地面積及成樁質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢。無臨設(shè)工程沉樁施工方法在堤壩決口封堵、堤防加固、植入式斜樁護岸、擋土墻、止水墻、基礎(chǔ)和地基工程加固等方面有廣泛的應(yīng)用前景。