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摘要：随着我国城市化建设的快速发展，城市轨道工程施工中遇到既有建筑物桩基时，需要将侵入的桩体整体拔出。本文根据拟拔除桩基直径大、浅入岩的特点，对抗拔桩体受力特征和拔桩工艺进行了分析研究。
关键词：钻孔灌注桩；拔桩；工艺
1工程概况
现状竹山桥为一座五跨简支梁桥，跨径组合为（8.2+10.06*3+8.2）=46.6m，桥宽25m，其中两侧人行道宽3.5m，车行道宽18m，桥面标高11.54m。竹山路规划红线宽45m。因地铁5号线需从竹山路下通过，现状的老桥桩基与5号线的区间隧道干扰，需要拆除老桥的桩基，以保证盾构隧道的施工。同时由于老桥的桥面标高较低，桥位处的百年一遇洪水标高为11.53m，几乎与桥面齐平，该桥已经成为了外港河上严重阻水的桥梁，结合地铁5号线盾构隧道要求，对现状的竹山桥进行拆除新建，按照规划红线45m一次实施到位。
新建桥梁为一座三跨13m梁桥，最高洪水位按11.53m控制，地铁部门同意在上下行区间隧道中间设一排桩，要求桩基必须先于盾构施工。
根据老桥竣工图显示桩基直径100cm，最深22.3m，最短17.7m，共36根。
2 拔桩荷载传递和承载机制
当桩身材料强度足够大，在桩顶部施加上拔力，此时桩自身作为抗拔桩，荷载传递过程与承载机制是：桩顶承受上拔荷载，桩体受到土体向下的摩阻力，土体也受到桩体提供的向上拉拔力，桩 - 土之间出现相对位移，近地面部分桩侧摩阻力逐渐发挥。随着上拔荷载增大，距地面较深处桩侧摩阻力逐渐发挥，拉拔力与摩阻力逐渐增大，直至桩周一定范围内的土体产生拉剪破坏，桩与土体共同被拔出，此时的摩阻力即为抗拔桩的极限净抗拔承载力。侧摩阻力的发挥与很多因素有关系，比如土的性质、桩的刚度、土体中的应力状态、桩土之间接触面性质等。
3 拔桩的破坏形态
一般来说，桩在受力上拔过程中的破坏形态大致可分为三大基本类型（见图 1）：沿桩土接触界面的圆柱形剪切破坏；与桩长等高的倒圆锥台形剪切破坏；复合剪切面破坏。国内外对桩的上拔问题研究表明，比较常见的破坏形态是第一种。
4 抗拔桩极限承载力
4.1 极限承载力计算模型和方法
关于抗拔桩极限承载力的计算专家学者提出很多计算模型和经验公式，结合本工程实际，我们需要一种简单而有效的方法，来预测估算抗拔桩极限抗拔承载力，为拔桩施工提供安全有效的指导。下面介绍基于规范的经验公式法。根据《建筑桩基技术规范》（GJ94-2008），抗拔桩极限承载力经验公式可表达如下：
式中， 为桩体自重； 为桩侧表面第 层土的抗压极限侧阻力标准值；
为抗拔系数； 为第 层土的厚度。按规范标准，各参数取值见表 1。
4.2 桩顶轴向上拔力以拟拔除的 0# 台桩基为例，设计桩径 1.2m 桩长 17.5m，所
处地质情况及计算参数如表 1。
5 拔桩工艺
5.1 拔桩方法选择
工程实践中有直接拔桩和减阻法拔桩两种方法。根据前面所述可知，当抗拔桩极限抗拔承载力，可以考虑直接拔桩法；当时，为了防止拔桩过程中出现断桩现象，造成二次拔桩的问题，采用减阻法拔桩，以便能够将桩体整体拔除。本工程须采用减阻法拔桩。
根据以往的施工经验，本工程弃桩拔除拟采用旋挖钻接钢套管的施工工艺，旋挖钻机以履带自行走机械为基架，由电动机通过减速机，形成360度快速旋转的旋转动力驱动装置，再由变径连接器连接钢套管，转速6-30转/分，动力回转扭矩360KN/m，将钢套管旋转沉入桩底，使桩与四周土体分离减摩后再将弃桩一次性拔除。
本工程待拔桩桩头距离地面较浅，埋深约1m，拔桩施工工艺采用单重钢套管加埋设钢护筒的配置，钢护筒直径约为1300mm-1500mm，用挖掘机现场挖土埋设，钢套管长度一般超出原桩长1-3m，钢套管内径比桩径略大，本工程采用Φ1300mm钢套管。钢套管埋设桩位确定后，旋挖钻强大快速的回转力推动底部镶嵌锯齿形钛合金的钢套管对桩周进行快速旋转切割，边旋转切割边钻进沉入，沉入深度超过原桩长，实施桩与周围土体分离，使桩周边的摩阻力减小。然后使用特殊装置将钢丝绳送入桩身底下部，将钢丝绳与桩身锁扣牢固后，即可用吊机吊拔旧桩。
5.2 拔桩机选择
有鉴于本工程地处城市河边，场地狭小，地势不平，四周聚集居民区、商业区，对环保、文明施工要求较高，需要严格控制施工噪声、震动，无法使用振动锤，而高压射流将产生大量泥浆，存储困难，外溢泥浆对城市河道产生污染，综合各种因素选择 RT260H 型 360°全回转套管拔桩机。
我公司拟采用Φ1300mm规格的套管钻进，尽力预防套管钻进过程中钻头切割桩体混凝土，人为碰断桩体，增加施工难度。同时提前准备几套不同直径的筒式钻具，打捞和处理各类障碍物，确保拔桩施工正常有序进行。
1）拔桩机的技术参数
拔桩机的最大扭矩和最大提升能力与实际拔桩施工中最大回转阻力矩和最大启拔重量相匹配。SD-36型旋挖钻机设计最大扭矩为360KN•M，最大提升能力为250KN，加压力250KN。实际施工中，回转阻力矩按式计算：
Ｍτρ＝（πD2/4）f1γ.h2.tan（45。-φ/2）-（π.D2/2）c.h.tan2（45。-φ/2）-Qf2（πD/4）
式中：Ｍτρ——回转阻力矩；
D——套管外径，弃桩桩径加0.15m，取1.3m；
f1 f2---套管与地层土的摩擦系数，查表得f1=0.075，f2=0.25；
γ——地层土的平均重度，取18.6KN/m3；
C——地层土的平均内聚力，取10.9Pa；
φ——地层土的平均内摩擦角，取27.4。；
h——套管沉入地层土的深度，取23m；
Q——轴向荷载（套管320.44kg/m；法兰56.45kg/个）取11.6KN
计算得回转阻力矩为123.95KN•m
弃桩启拔重量按式计算
G=（πD2/4）•（γ1-γ2）•h
γ1——弃桩桩身砼比重，取2.5t/m3；
γ2——泥浆比重，取1.4t/m3；
D——弃桩直径，取1m；
h——弃桩最大桩长，取22.3m
得弃桩启拔重量为19.25吨，弃桩最大重量按式计算
G=0.785•πD2•h•γ1=43.76吨
由上述计算结果可知，最大弃桩起重量为63.01吨，选用130吨吊车配合SD-36型旋挖钻机是合理的可以承担本工程拔桩施工任务。
2）套管回旋钻进
套管的直径拟选定为Φ1300mm，比弃桩桩径大300mm（主要考虑防备钻孔桩体大肚子现象），钻头是采用同内径加厚套管，在其底部焊合金钎头而成。
实施桩土分离时，首先将套管中心对准弃桩中心，同时泵送事先配制完成的泥浆从套管内至钻头底部（泥浆为胶体，起排钻渣及保护孔壁不垮塌的作用），在拔桩机动力驱动下，钻头及套管慢慢地向下钻进，一直钻到桩底后起拔套管，完成桩土分离。每节套管间用专业接头通过螺栓进行对接。
3）弃桩拔出
用1-2节套管及钻头，将拔桩用钢丝绳的一端，用细铁丝固定在套管上的法兰上，钢丝绳的另一端则挂在钻机的提引器上。同时将套管的提缆钢丝绳挂在吊机的大钩上，在吊机的协助下，将套管与拔桩钢丝绳同步下放，直至套管下达到孔底为止。此时启动拔桩机将拔桩钢丝绳提起收紧，使其与套管法兰脱离而套住弃桩，待确认弃桩已被套住后，即用拔术机起拔弃桩消除桩底吸引力，再用吊车配合将弃桩分段或整体拔出。
5.3 拔桩机理
整套设备包括全回转驱动装置、钢套管、冲抓斗、楔形块和上下抱箍夹紧系统和一套竖向顶升系统等。在作业时拔桩机产生下压力和扭矩，驱动钢套管 360°回转，并采用专用的液压回路，在套管回转时调整其垂直度，利用首节钢套管管口的高强钛合金刀头对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物进行切削，使周边土体与桩分离，使桩体的摩阻力破坏掉大部分。为尽可能地消除摩阻力和大气压力对桩底产生的“真空吸力”，在实践过程中，采取在套管底部刀片处增设 5cm 长内置刀头和加装可防堵塞的喷水射气单向阀，在套管下压过程中，内置刀头破碎桩体与管壁间泥土及扩孔处混凝土，确保桩体与管壁间有空隙，防堵塞的喷水射气单向阀使套管与土层间形成气幕或水幕，防止产生真空吸附，同时起到润滑套管、冷却钻头的作用，还促使桩周土发生液化，极大程度上消除拔桩时的桩侧摩阻力。当套管下压至桩底标高时，利用楔形块楔住桩头并和套管一起转动，使桩体与岩土层扭拔分离，此时桩体在高压空气作用下已经消除了桩底真空吸力，并且桩周与套管间的黏土已经处于液化状态，桩侧摩阻力几乎可以不计。
5.4拔桩工作流程
（1）基础处理（2）测量放样（3）拔桩机就位，钢套管中心与桩基中心重合（4）钢套管回转下压，喷射高压水汽（5）扭拔桩体，吊拔桩体（6）测量、确认底标高（7）水泥土边回填、夯实桩孔，边上拔套管（8）拆除套管（9）移机7 沉降观测为保证自来水管道运营安全，根据自来水公司要求在自来水管道 5 个支墩上各标记 1 个观测点，共计5 个，选用高精度水准仪每天进行沉降监测。结果实际监测到最大沉降值 2.1mm，远远小于警戒值 30mm。表明拔桩过程及拔桩完成后，支墩沉降很小，对自来水管的影响很小，进而表明对燃气管道影响也很小。
5.5施工风险分析及应对措施
①套管钻进不到位
②桩体存在大肚子或倾斜过在
套管钻进过程中，有可能遇到由于原桩成孔过程中，孔内发生过塌孔、钻头碰到障碍物而成孔发生偏斜及桩体形成大肚子，而导致套管钻头啃桩体或无法钻进到位，遇到这种情况，首先将钻入部分的钢筋套管拔出，调整钻机中心和角度，重新按原桩的倾斜角度下套管钻进。如果遇到原桩上部与下部倾斜度不一致且相差较大原先套管根本无法钻进下去时，则改用更大直径的钢套管进行钻进。
③钢套管钻进过程中在弃桩外围遇到障碍物
当套管钻进到一定深度，在弃桩外围遇到障碍物而导致套管无法继续钻进，遇到这种情况，首先将钻入部分的钢套管拔出，将拔桩机中心调整到弃桩边缘，用Φ500mm的桶式钻具在弃桩边缘施钻4个孔深超过弃桩底标高5m以上的小孔，让障碍物直接或在下次套管钻进时掉入小孔后再调整回拔桩机中心，继续套管钻进至弃桩底部。
④发生断桩后的处理
A.在拔出套管时：在孔内尽量预留一定长度的套管，确保断桩头不脱离套管，以便二次或多次下钢丝绳拔出断桩。该方法是在确认泥浆分离时间、拔桩工程中孔内泥浆不会快速沉淀埋管为前提。
B.正常情况拔桩：我们通常采用上套法（套桩头），当拔出第一根弃桩后，应及时观察研究拔出弃桩桩体的形态、混凝土质量及钢筋笼结构等表征现象，若桩体混凝土质量较差及钢筋笼较短、素混凝土桩体易断时，拔第二根弃桩时应立即改变套装方法，采用下套法（套桩体下部）
C.若因断在孔内的混凝土桩长度太短（小于2米），无法进一步套住及拔出时，再采用套管加深钻进法，用套管顶盖板将孔内余留素混凝土断桩头破碎打捞出孔，确保孔内无钢筋混凝土残余，盾构机掘进通过时无障碍。
⑤吊装风险及对策
一根Φ1000mm、最长为22.3m的钢筋混凝土弃桩，考虑1.2倍充盈系数，整体一次性吊出有近63吨，最少需要130吨吊车起吊。结合现场实际情况，如吊车起吊距离无法满足6.5m要求，为了避免安全风险，我们将弃桩分段拔出，尽量截短后用50吨汽车吊吊出。弃桩截断前，在截断位置下方用另一根拔桩钢丝绳将弃桩套住，钢丝绳的另一端固定在钻机机架上，然后用用拔桩机将弃桩缓缓放下，直至下方套桩钢丝绳吃劲受力为止.弃桩截断的方法是：用风镐将混凝土破除气割切断钢筋，分段吊除。如吊点距离能满足安全距离则一次吊除到位。
结论：
利用 360°全回转拔桩机经过不断改进工艺成功拔除 21 根大直径（1.2m、1.4m）钢筋混凝土钻孔灌注桩。施工过程中，总结出如下施工经验。
（1）减阻措施得当，加装防堵喷水射气单向阀，使套管内侧壁土层液化，起到润滑减阻、冷却刀头作用，大大减小桩体拔除的阻力。
（2）套管底部采用内置刀头配合主刀片，具备超强的切削能力的钛合金刀片，能将桩体局部鼓包障碍切割破碎，使套管顺利下压。
（3）该设备具有强劲的扭力，实际施工过程中，能够将桩体扭断，理论上适宜于深埋长桩分节切断拔除。
（4）安全可靠，对土体扰动小。由于钢套管对孔壁的支撑，能够及时将拔除桩体后的桩孔回填并夯实，钢套管外侧的土体释放应力的空间很小，几乎对周边的建筑物无影响。
参考文献：
[1]武纲.对桩拔除工程中若干问题的探讨[J].科技情报开发与经济，2008，18（22）：210-211.
论文作者:姚超
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/3
标签：套管论文; 阻力论文; 钢丝绳论文; 桩基论文; 钻头论文; 承载力论文; 过程中论文; 《基层建设》2017年第21期论文;