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摘要：施工行业经常使用锚固的板桩和企桩支护墙来进行地下开挖。传统的振动锤沉桩方法只能沉入中等硬度的地下土层。在坚硬地层中如果采用硬击法沉桩时，会对桩截面造成破坏。射水-振动法沉桩采用的是水压力和振动锤，可以将板桩或者H截面桩沉入传统方法难以达到的坚硬地层中。射水管连结在替桩的截面上，用水流来切割和破碎坚硬地层，之后再下沉工作桩。介绍的是射水-振动法下沉板桩和企桩形成支护墙，用以完成隧洞明挖的工程案例。该方法的性能在文中得到阐述。沿临时支护墙布设的仪器监测结果也一并加以呈现。
关键词：射水-振动法；水流；板桩；地锚；仪埋
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2011）18-0254-02
作者简介：燕红平（1977-），工程师，中国水电基础局有限公司海外事业部。
1 简介
施工行业经常使用锚固的板桩和企桩支护墙来进行地下开挖。通过使用液压振动锤，桩体可以轻松打入SPT试验N值小于30的硬质土层中。但当遇到非常硬，甚至是坚硬的地层（SPT试验N值大于50）时，传统的打桩方法就不可行了，此时一般都会采用预钻孔法或者是连锁桩墙支护体系。
射水-振动法（JV法）采用的是水流的切割和振动锤的组合作用，可以把桩打入非常坚硬的地层中。该方法适应于多种桩截面，如钢板桩，H截面桩，大直径钢管桩和连锁钢管桩等等。此外，该方法也可适用于陆上和水上的打桩作业。
2 JV法的原理
JV法的原理是依靠桩底高压水流的切割力和振动锤的振动力组合起来将桩体下沉（见下图1）。水流的破坏机理（见下表1）在不同的地层条件下可以大幅提高打桩作业的性能。同时，回水也润滑了桩体表面和桩体之间锁口的摩擦面，减小了桩体被堵塞的可能。
本工程采用JV法，采用了水流切割机，振动锤，主机等等一系列主要的设备。管道组件包括高压胶管，50mm-75mm直径的射水管，管端喷嘴和管箍。一般来说，单根射水管（见图2）放在桩体截面的中部的话，就足够破坏地层，让桩体下沉。如果使用单根管仍然难以下沉，可以使用二根或者更多的射水管连结到桩截面上，用以提高切割效率。在射水时，必须提供足够的水量。水压力采用5bar或者更高，以对地层形成有效的切割，便于沉桩作业。
表1 射水-振动法沉桩机理
工作程序如下：
（1）把水传输管（射水管）焊接到替桩的截面；
（2）把压力胶管连接到射水管和水流切割机上；
（3）起吊替桩并且夹到振动锤上；
（4）关紧液压夹具。依次开启水流和振动锤，连续沉桩；
（5）在离设计的沉桩深度以上0.3-0.5m处依次关闭振动锤和水流切割机；
（6）拔出替桩并把工作桩打入由替桩形成的空洞中；
（7）继续用振动锤沉桩，以保证桩端进入受扰动较少的地层；
（8）继续3-7步骤。
3 案例
在土方工程施工之后，现场地形比较平整。为了便于一个16m深地下车站和一条1km长的地下隧洞的一部分的施工，设计采用后部锚固的临时支护体系来进行深开挖，对隧洞采用明挖法。对于位于刚刚竣工的主干道和政府部门高层大楼附近的开挖工程，设计建议采用临时的连锁桩墙，但是，规定在别的地方采用板桩墙。
3.1 地质情况
现场坐落于风化的后沉积相片岩地层上。覆盖层是均一的砂质粘性粉土。总的来说，上部12—15m是硬质到坚硬。下部地层是非常坚硬的土层到可能是全风化的基岩。地下水位位于地表面下4.0—5.0m。
3.2 备选的临时支护体系
承包商推荐的备选设计是，对于临时板桩墙，采用四排地锚，开挖深度为16m；对于企桩墙，采用两排地锚，开挖深度为13m。与此后部锚固支护墙相关的信息都列示于表2中。典型的开挖断面见下图3。
表2 深开挖所采用的临时支护体系
采用射水-振动沉桩法来把桩沉入坚硬的土层（SPT试验N值大于30）中。共投入2套JV施工设备。一根50mm直径的射水管连结在替桩截面上，来形成空洞，随后在空洞中下设工作桩。水流的压力控制在500-1500吨/m2。现场记录的水流量/水消耗率为280-895升/分钟。在桩端设计高程以上约0.5m的地方，水流切割机停止工作。然后使用一个5吨的振动锤将板桩和H钢桩打入到不能下沉为止。按每班工作10小时来计算，其沉桩工作效率为180-240m/台套。
3.3 墙体性能
为了有效地将支护体系打入硬质的粉质土层中，采用了高压水。高压水有效地弄松了硬质土体并且切割破碎的岩石。在现场观察到如下的一些特征：
（1）回水带上来大量的粉土和岩石碎片，表明切割作用是有效的；
（2）需要对回水带上来的大量的粉土用栅栏隔离沉淀，然后再排入附近的小溪中，以防造成环境污染；
（3）在板桩和H桩截面周围的有效射水范围内形成了过大的空洞。如果不及时并适当地回填的话，这些空洞可能会引起有害的地面沉陷；
（4）用振动法将工作桩桩端沉入到位于替桩桩端下部0.5m受扰动较少的地层是很重要的。但是，没有对振动的水平进行监测。
在整个工程实施期间，采用仪埋的方法对临时支护墙的性能进行监测。沿着开挖线一共安装了10个测斜管和8个立管，来监测土体应力变化和地下水的断面分布。
现场记录的板桩墙和企桩墙断面的横向变形列示于表3中。后部加以锚固的板桩墙和企桩墙的横向变形的测量值分别为66mm和20mm。对于悬臂式外层企桩墙，其变形的幅度为110mm。
在板桩墙断面监测到的高变形量，可归因于作用在该不渗水的墙体上的高横向应力（土压力，水压力，过载，等等），地锚尤其是第一排锚杆的安装和锁定的拖延，和许多其它与施工相关的因素。
对于企桩墙，在开挖阶段，应力释放和地下水位下降更为明显，正因为如此，由此引起的墙体的横向变形就更低一些。对于外层悬臂式企桩墙，变形幅度会随着内层开挖的进行而逐步增加。实际上，在土体屈服时，局部的张拉缝和土体移动已经被观测到。
从测斜监测结果中可以清楚地看出，在沉桩过程中，沿着桩体和桩端处的土体都受到高压水的扰动。尽管桩端进入坚硬地层中很深，从测斜监测结果中仍然看不出桩端是固定的。但是，可以确信的是，沉淀的土体已经有效地填充了桩体下部区域过大的空洞，并且把桩端的移动降低到最小。
表3 最大的横向变形
4 结论
通过使用板桩墙和企桩墙支护体系，为隧洞明挖法施工所进行的10.0m-16.0m深的地下开挖已经成功实施。采用射水-振动沉桩法将桩体沉入到坚硬地层（SPT试验N值大于50）中到设计深度。尽管有一些小的缺点，如施工现场比较脏，要解决粉土的污染问题，除此之外，此工法并无技术上的不利之处。基于监测到的墙体性能，我们确信，如果现场条件允许，该工法与传统的刚性支护体系相比，更有效，更经济。
关键词：射水-振动法；水流；板桩；地锚；仪埋
中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2011）18-0254-02
作者简介：燕红平（1977-），工程师，中国水电基础局有限公司海外事业部。
1 简介
施工行业经常使用锚固的板桩和企桩支护墙来进行地下开挖。通过使用液压振动锤，桩体可以轻松打入SPT试验N值小于30的硬质土层中。但当遇到非常硬，甚至是坚硬的地层（SPT试验N值大于50）时，传统的打桩方法就不可行了，此时一般都会采用预钻孔法或者是连锁桩墙支护体系。
射水-振动法（JV法）采用的是水流的切割和振动锤的组合作用，可以把桩打入非常坚硬的地层中。该方法适应于多种桩截面，如钢板桩，H截面桩，大直径钢管桩和连锁钢管桩等等。此外，该方法也可适用于陆上和水上的打桩作业。
2 JV法的原理
JV法的原理是依靠桩底高压水流的切割力和振动锤的振动力组合起来将桩体下沉（见下图1）。水流的破坏机理（见下表1）在不同的地层条件下可以大幅提高打桩作业的性能。同时，回水也润滑了桩体表面和桩体之间锁口的摩擦面，减小了桩体被堵塞的可能。
本工程采用JV法，采用了水流切割机，振动锤，主机等等一系列主要的设备。管道组件包括高压胶管，50mm-75mm直径的射水管，管端喷嘴和管箍。一般来说，单根射水管（见图2）放在桩体截面的中部的话，就足够破坏地层，让桩体下沉。如果使用单根管仍然难以下沉，可以使用二根或者更多的射水管连结到桩截面上，用以提高切割效率。在射水时，必须提供足够的水量。水压力采用5bar或者更高，以对地层形成有效的切割，便于沉桩作业。
表1 射水-振动法沉桩机理
工作程序如下：
（1）把水传输管（射水管）焊接到替桩的截面；
（2）把压力胶管连接到射水管和水流切割机上；
（3）起吊替桩并且夹到振动锤上；
（4）关紧液压夹具。依次开启水流和振动锤，连续沉桩；
（5）在离设计的沉桩深度以上0.3-0.5m处依次关闭振动锤和水流切割机；
（6）拔出替桩并把工作桩打入由替桩形成的空洞中；
（7）继续用振动锤沉桩，以保证桩端进入受扰动较少的地层；
（8）继续3-7步骤。
3 案例
在土方工程施工之后，现场地形比较平整。为了便于一个16m深地下车站和一条1km长的地下隧洞的一部分的施工，设计采用后部锚固的临时支护体系来进行深开挖，对隧洞采用明挖法。对于位于刚刚竣工的主干道和政府部门高层大楼附近的开挖工程，设计建议采用临时的连锁桩墙，但是，规定在别的地方采用板桩墙。
3.1 地质情况
现场坐落于风化的后沉积相片岩地层上。覆盖层是均一的砂质粘性粉土。总的来说，上部12—15m是硬质到坚硬。下部地层是非常坚硬的土层到可能是全风化的基岩。地下水位位于地表面下4.0—5.0m。
3.2 备选的临时支护体系
承包商推荐的备选设计是，对于临时板桩墙，采用四排地锚，开挖深度为16m；对于企桩墙，采用两排地锚，开挖深度为13m。与此后部锚固支护墙相关的信息都列示于表2中。典型的开挖断面见下图3。
表2 深开挖所采用的临时支护体系
采用射水-振动沉桩法来把桩沉入坚硬的土层（SPT试验N值大于30）中。共投入2套JV施工设备。一根50mm直径的射水管连结在替桩截面上，来形成空洞，随后在空洞中下设工作桩。水流的压力控制在500-1500吨/m2。现场记录的水流量/水消耗率为280-895升/分钟。在桩端设计高程以上约0.5m的地方，水流切割机停止工作。然后使用一个5吨的振动锤将板桩和H钢桩打入到不能下沉为止。按每班工作10小时来计算，其沉桩工作效率为180-240m/台套。
3.3 墙体性能
为了有效地将支护体系打入硬质的粉质土层中，采用了高压水。高压水有效地弄松了硬质土体并且切割破碎的岩石。在现场观察到如下的一些特征：
（1）回水带上来大量的粉土和岩石碎片，表明切割作用是有效的；
（2）需要对回水带上来的大量的粉土用栅栏隔离沉淀，然后再排入附近的小溪中，以防造成环境污染；
（3）在板桩和H桩截面周围的有效射水范围内形成了过大的空洞。如果不及时并适当地回填的话，这些空洞可能会引起有害的地面沉陷；
（4）用振动法将工作桩桩端沉入到位于替桩桩端下部0.5m受扰动较少的地层是很重要的。但是，没有对振动的水平进行监测。
在整个工程实施期间，采用仪埋的方法对临时支护墙的性能进行监测。沿着开挖线一共安装了10个测斜管和8个立管，来监测土体应力变化和地下水的断面分布。
现场记录的板桩墙和企桩墙断面的横向变形列示于表3中。后部加以锚固的板桩墙和企桩墙的横向变形的测量值分别为66mm和20mm。对于悬臂式外层企桩墙，其变形的幅度为110mm。
在板桩墙断面监测到的高变形量，可归因于作用在该不渗水的墙体上的高横向应力（土压力，水压力，过载，等等），地锚尤其是第一排锚杆的安装和锁定的拖延，和许多其它与施工相关的因素。
对于企桩墙，在开挖阶段，应力释放和地下水位下降更为明显，正因为如此，由此引起的墙体的横向变形就更低一些。对于外层悬臂式企桩墙，变形幅度会随着内层开挖的进行而逐步增加。实际上，在土体屈服时，局部的张拉缝和土体移动已经被观测到。
从测斜监测结果中可以清楚地看出，在沉桩过程中，沿着桩体和桩端处的土体都受到高压水的扰动。尽管桩端进入坚硬地层中很深，从测斜监测结果中仍然看不出桩端是固定的。但是，可以确信的是，沉淀的土体已经有效地填充了桩体下部区域过大的空洞，并且把桩端的移动降低到最小。
表3 最大的横向变形
4 结论
通过使用板桩墙和企桩墙支护体系，为隧洞明挖法施工所进行的10.0m-16.0m深的地下开挖已经成功实施。采用射水-振动沉桩法将桩体沉入到坚硬地层（SPT试验N值大于50）中到设计深度。尽管有一些小的缺点，如施工现场比较脏，要解决粉土的污染问题，除此之外，此工法并无技术上的不利之处。基于监测到的墙体性能，我们确信，如果现场条件允许，该工法与传统的刚性支护体系相比，更有效，更经济。