高频液压振动锤沉管灌注桩技术在成都市南府河桥施工中的应用
阳晓静 成都市城建科研院
摘要：文章扼要阐述了高频液压振动锤的工作原理、沉管机理、优点和适用范围，然后通过介绍高频液压振动锤沉管灌注桩技术在成都市二环路南府河桥改造工程中的应用实例，具体阐述了高频液压振动锤沉管灌注桩技术的施工流程和质量控制要点。
关键词：高频液压振动锤 沉管灌注桩 工作原理 施工流程 质量控制
高频液压振动锤是20世纪末迅速发展起来的一种新型液压桩工机械，它依靠柴油机提供强大动力，采用高频振动来实现沉桩（管）和拔桩（管）作业。高频液压振动锤在德国、美国、意大利、荷兰等西方发达国家，已是技术非常成熟的一种环保、高效的工程机械。它具有施工速度快、功能多、适应地质广、运输方便和环保等特点，已广泛应用于社会建设的诸多领域，经济效益显著。
在我国，高频液压振动锤在高速铁路、公路软地基处理，填海及桥梁、码头工程，深基坑支护，普通建筑物的基础处理等方面也得到了广泛的应用。
液压振动桩锤的工作原理：
液压振动桩锤的工作原理是通过液压动力源使液压马达作机械旋转运动，从而实现振动箱内每组成对的偏心轮以相同的角速度反向转动；这两个偏心轮旋转产生的离心力，在转轴中心连线方向上的分量在同一时间内将相互抵消，而在转轴中心连线垂直方向的分量则相互叠加并最终形成沉桩（管）激振力。
一些土动力学试验结果表明：饱和砂土的振动液化时间随着激振频率的增大而显著减小。因此，施工设备具有可调节激振频率的能力十分重要。在调整激振频率方面，20世纪90年代初的产品主要是依靠改变发动机油门大小或采用变频电动机。目前国内一些公司生产的系列高频液压振动锤系列产品不仅达到了以上功能，还可以通过调节液压泵的排量来控制振动频率，使施工人员更容易找到一个具有较高沉桩（管）效率的激振频率。
对土来说，激振力和振幅越大，其非线性越强，饱和土中的孔压上升越快，此将加速土的软化或液化，从而提高沉桩施工效率。这对长度和直径较大、具有高承载力的桩来说，桩（管）锤具有这方面的能力很是重要。桩（管）锤激振力幅可表示为：
其中是一个经验系数，是偏心质量与半径之积（M称偏心力矩，g是重力加速度）；是桩（管）锤振动圆频率（rad/s），而n是液压马达转速（r/min）。可见，除选用较大的偏心力矩外，提高偏心轮的转速，可以大幅提高桩（管）锤的激振力幅。
桩（管）锤振幅与偏心力矩成正比，与锤系统总重（包括齿轮箱、综合夹持装置、桩（管）体、桩（管）周振动土体等部分的参振质量）成反比。
高频液压振动锤的沉管机理：
预制桩或钢桩质沉管克服土阻力贯入地基的作用力来源于护筒顶高频振动锤的高频振动。
用高频振动沉管时，高频振动锤通过综合夹具固定连接在管顶壁上。管体在受到上述周期性荷载作用时将会产生上下剧烈的运动，如此经过一定时间后就可以使管侧和管端土体扰动软化甚至液化，既而使土对护筒的阻力得到明显的减少。当地基土对护筒的总阻力降低到小于护筒自重和管锤振动力幅之和时，管端将挤开土体而使护筒贯入下沉。在使用振动沉管时，一般应使得它的激振力、振幅、转速或频率、偏心力矩以及自重等与管长、地基土阻力相适应，以获得良好的沉管施工效果。
高频液压振动锤的特点：
根据动力机器基础振动研究结果，振动在地基传播过程中的衰减一般随频率的增高而加快。大量试验表明，人对振动最为敏感的频率一般低于10Hz；而大于10Hz后，随着振动频率的增高，人对振动的敏感程度将逐渐且显著地降低。因此，提高振动锤的工作频率，将有益于减小施工引起的地基振动问题，同时还有以下特点：
（1）高频液压振动锤与电动锤、柴油锤相比，它施工时振感小、噪音小，不扰民，如果配备降噪动力箱工作时几乎无噪音，非常适合市区、人群较集中的地方和周围有较严格限制的地方施工；
（2）高频液压振动锤是一种比较轻便的桩工机械，与静压桩机相比，在同样工况条件下，高频液压振动锤全部工作质量只有静力压桩机的二十分之一，整套设备运输只需2辆中型卡车，施工时转场非常方便；
（3）采用液压系统可实现无级变频，以便适应于不同的地质条件，不同的桩型，可以选择最佳的振动频率和振幅，保证动力系统始终满载输出，以获得最佳工效；
（4）振动锤的振幅可以在工作中进行调节，实现无共振施工。进行混凝土预制桩施工时，桩身在沉桩力作用过程中不易损坏，并且对周围土体的影响范围小；
（5）高频振动锤的质心、形心和力的作用线通过同一点，使得高频液压振动锤在进行沉桩作用时无需桩架导向，直接悬吊在起重机吊臂的挂钩上便可以进行沉、拔桩（管）作业，并能获得较高的垂直精度。这对一些非常地段的施工创造条件，可利用起重机、推土机的臂架悬挂振动锤伸到有坡度的地方施工；
（6）在配备导向架的条件下，可进行斜桩施工；
（7）采用封闭式结构，可适用于水下作业；采用单独动力站，可向大功率方向发展；可方便更换多种液压夹桩器；可实现机电一体化控制和智能化作业，达到更高效的使用效果。
（8）适应地质范围广泛。高频液压振动锤分常规型、高频型、无共振三大系列，根据地质情况和工程需要可选用不同系列、不同激振力的高频液压振动锤作为施工机械。高频液压振动锤穿透卵石层、沙层、建筑垃圾等地质层的能力很强，除了不能入岩，其它任何地质条件它都能适应。
高频液压振动锤在成都市二环路南府河桥的应用：
1、工程情况介绍：
成都市二环路南府河桥，桥长122米，宽40米。改造工程将在原桥宽度基础上向二环路内外侧各拓宽10米，将桥面拓宽至60米。桥基为人工挖孔灌注桩，因上游西岸N5、N6、N7、N8紧邻自来水及污水管，施工难度大，且开挖不久后遇大量涌水及流砂，迫使施工停止，需对涌水、流砂处理后方能施工。
2、地质及现场条件
桥基内主要分布：第四系全新人工填土层，为粘性土夹砖瓦块、混凝土块、卵石组成，松散、潮湿分布连续，厚度3.6～7.5m。
第四系全新统冲击砂卵石层，为岩浆岩、变质岩类岩石，弱风化为主，磨圆度好，多层亚圆形，粒径一般为5～10cm，充填物以砂、砾石为主，含量15～45%，中密饱和状态厚度4～5m。泥岩层顶面埋深-11.5m，相对隔水。桥基水文地质条件较为复杂，地表水（河水）补给地下水，地下水除随地表水位及流向流速变化而变化外，还受基岩层面坡度、含水层充填物等影响其渗透性。潜水位埋深-3.0～6.5m，渗透系数K=22m/d。
除河床自然形成物影响外，挖孔桩周边还受自来水干管、污水管开挖施工后的影响，给原施工方案采用旋喷注浆止水墙进行止水的施工带来难度。
N6、N5桩顶高程为486.54m，在施工期内与现状水面齐平，渗水压力使地下形成一个管涌通道，孔内4台D150汽油抽水泵同时抽水都无法有效降水，护壁不能形成，无法正常成孔。
3、选用高频液压振动锤的技术参数
本次使用的高频液压振动锤为上海德倍佳机械有限公司生产的DBJ-B150T型高频液压振动锤，其振动沉拔速度为2～5米／分钟，沉拔管径D600～D1800,最大沉拔深度15.0m。其具体技术参数如下：
1）偏心力矩：30kg-m
2）激振力： 907kn
3）振动频率：1800r/min
4）最大起拔力：711kn
5）整机重量：3970kg
6）最小宽度：355mm
7）长度： 2230mm
8）高度： 2438mm
9）动力站型号：DBJ-C350P马力
4、护筒设置：
1）下游西岸N5、N6号桩柱桥墩桩基设计为￠1800，位于河堤护岸墙基础中心， N5桩下挖1.5m,N6桩下挖1.9m后由于涌水、流砂，被迫停工。经研究，拟采用高频液压振动锤，用￠1800σ=15mm螺旋焊管护筒，长度设计为6m即可入岩。
2）上游西岸次跨N7、N8号桩基设计为￠1500，位于老桥基、自来水、污水管之间，邻近九三路下穿隧道挡墙及电力管线，施工场地狭窄。因受地下3m厚流砂层影响，施工进展极为缓慢（15天下挖深度约1m），为不影响临近建筑物及构筑物基础，被迫停工。N7、N8孔口高程分别为494.482m、494.852m,地勘资料入岩高程为482.68m。经研究，拟采用高频液压振动锤，用￠1500σ=10mm螺旋焊管护筒，长度设计为12m即可入岩。
5、施工流程：
1）第一次进场沉管：
螺旋焊管护筒运输进场，吊卸至指定位置 → 液压动力站车载进场 → 连接管线液压及控制系统至振动锤 → 80吨吊车进场就位 → 起吊焊管垂直竖立放置 →吊起振动锤并调整侧夹头间距→ 振动锤夹头夹紧螺旋焊管护筒壁至桩位 → 垂直定位后用振动锤进行振动沉管 （如遇地下障碍物，需人工挖除后重新打拔，直至入岩）→ 卸载 →吊运设备离场
2）第二次进场拔管：
人工护筒内挖土至设计深度 → 验孔→ 放置钢筋笼 →高频液压振动设备进场 → 80吨吊车进场就位 →浇筑混凝土 → 拔管 → 卸载 →运输出场
6、施工及质量控制要点：
1）在打拔护筒时，可能会遇地下各种障碍物受阻而不能沉管，但不论进场打拔几次，必须要求护筒入岩对水及流砂形成有效阻隔，以达到目的为原则。
2）受场地及吊装回转半径来往的限制（吊车在二环路南府河桥上施工，作业场地受限），选用（80～100T）轮胎式起重机，起吊9吨振动锤及2吨护筒，以确保吊装及沉拔管安全为前提。由于N5号桩护筒处于自来水干管边缘，为防止振动拔管对自来水干管产生影响，造成爆管事故，经研究决定N5号桩护筒不进行拔管，待承台基坑施工时再进行切割。其余N6、N7、N8号桩护筒依据施工计划进行拔管。
3）在打拔过程中，如护筒中心垂直度或孔位偏移，必须要求振动锤拔出校核后，再次打拔，及时纠偏。
4）拔管时间必须控制在混凝土终凝前进行，最好浇筑完成后即刻实施。因此，要求各专业施工组做好施工前的各项准备工作，必须有良好的施工组织及有序的管理为保障。
7、混凝土浇筑量扣除浮浆外，应留有振动密实下沉量、管径与护壁空隙量、流砂孔流失量等余量。经估算，本工程桩顶混凝土预留值取4m。
通过高频液压振动锤的使用，解决了本工程桩基在复杂地质、外部环境条件下施工难的问题。在本次施工中取得了良好的效果，4根沉管灌注桩均顺利完成，并全部通过验收。
参考文献
[1] 王进怀. 高频液压振动沉拔桩锤，中国建筑工程出版社，1998.
[2] 蔡绍琚.液压控制式变频变矩高频振动桩锤.建筑机械，1998.
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[4] 陈岱杰. 高频振动沉桩特性的试验研究. 上海交通大学硕士学位论文，2006.
[5] 刘 剑. 液压高频振动桩锤开发及应用.中国土木工程学会第十届土力学及岩土工程学术会议论文集，2000
