浅谈复杂地质条件下人工挖孔灌注桩的质量及安全控制

周 瑜

(广州市花都第一建筑工程有限公司,广东广州 510800)

人工挖孔灌注桩作为国家限制使用的一种技术措施,在实际工程中由于现场地质条件复杂,施工操作不当,容易影响周边建筑安全,且井下作业条件恶劣,随时可能出现流砂、涌水、塌方、触电和高处坠物等安全事故。为此建设部出台了《建设部推广和限制禁止使用技术》(第 218号公告)来规范人工挖孔灌注桩技术的使用,各地建设行政主管部门也制定出相应政策,如《广东省建设厅关于限制使用人孔挖孔灌注桩的通知》(粤建管[2003]49号)。

然而在建设项目的设计和施工过程中,人工挖孔灌注桩以其造价低廉,施工设备简单,成桩直径大,单桩承载力高和成桩质量易保证等优点,在工业与民用建筑中得到广泛使用,尤其在场地狭小,对周边自然环境保护有严格要求,大型钻孔机械无法进场的情况下,人工挖孔灌注桩就具有相当的优势。本文结合成都市区某一工程实例,以人工挖孔灌注桩施工过程中所遇到的问题,分析了在松软砂层、地下水位高等复杂地质水文条件施工难点,阐述施工质量和安全控制的要点及解决问题的措施方法。

1 工程概况

本工程位于成都市青羊区某一高校内,为一栋六层教学楼建筑,建筑面积 16758.3m2,室外地面至屋面总高度 30.600m,主体为框架结构,转换大梁位置采用局部型钢混凝土框架。施工现场狭窄,周边为已建宿舍楼和职工楼,根据园林部门要求,施工过程不得破坏现有的古树和其他珍贵植物。设计采用人工挖孔灌注桩结合承台和拉梁形式,上部共 39根柱,单柱单桩。基础持力层为中密卵石层,单桩竖向极限承载力标准值 qpk=3500 kPa,桩长不小于 6m,桩径为 800mm、1000mm.和 1100mm,扩大头直径为 1300mm、1800mm、2100mm、2500 mm和2800mm等,桩端进入持力层不小于 1d(d为桩身直径),挖孔桩桩端以下 3倍桩端直径内应无软弱层、断裂破碎带和洞穴。

2 地质、水文条件及工艺流程

2.1 地质及水文条件

成都所处地壳为一稳定的核块,区内断裂构造和地震活动较微弱,历史上从未发生过强烈地震,从地壳稳定性来看应为稳定区。拟建场地地貌属成都平原岷江水系 II级阶地,主要由第四系全新统人工填土和第四系全新统冲洪积层组成,下伏白垩系泥岩 (K2g)。勘察深度范围内主要分布底层为杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、中砂、卵石层。

地下水类型为上层滞水和孔隙型潜水,第四系砂卵石层为孔隙潜水的主要含水层,大气降水及地下水径流为主要补给源。枯水期静止水位在7.00—8.00m左右,地下水位受场地周边降水影响明显,场地地下水位年变化幅度在 1.50—2.00m左右。

初次地勘共选取测点 22个,其中标准贯入试验孔 10个,超重型动力触探试验孔 2个;施工勘察阶段进行一桩一孔勘察,共布置勘探点 39个,测试深度进入预计桩端 (502.20m)平面下中密—密实卵石4.50—7.00m,完成超重型动力触探孔 39个。

2.2 施工组织及工艺流程

依据地勘报告,结合已有工程经验,开工前 30 d开始采用轻型井点降水,共布设 6口孔径 580—600 mm降水井,砼井管内径 300mm,相邻距离 25.00 mm,设计降水井井深 17.50m。井管结构为上部井壁管 10m,中部缠丝滤水管 5m,下部沉砂管 2.5m。

人工挖孔灌注桩施工工艺流程：场地整平→放线、定桩位→挖第一节桩孔土方→绑扎钢筋、支模并浇注砼护壁→在护壁上二次投测标高及桩位十字轴线→设置垂直运输架、安装电动葫芦 (本工程选用手动装置)、吊土桶、潜水泵、鼓风机、照明设施等→第二节桩身挖土→清理桩孔、校核桩孔垂直度和直径→浇注第二节砼护壁→重复第二节钢筋混凝土护壁工序、循环作业至设计深度→检查持力层后进行扩底→对桩孔直径、深度、扩底尺寸、持力层进行全面检查验收→清理虚土、排除孔底积水→吊放钢筋笼就位→浇灌桩身混凝土→桩基测试。

3 施工过程中的难点及遇到的问题

3.1 质量问题

3.1.1 依据初次地勘报告设计桩长选用 6m,施工阶段一桩一孔勘探揭露,部分桩在持力层 (中密卵石层)以下间隔分布有稍密层和密实层,其中稍密层最大深度达到 3.2m,无法保证设计规定的桩端以下 3倍桩端直径内应无软弱层、断裂破碎带和洞穴的规定,此类桩占总数的 18%。

3.1.2 人工挖孔桩井圈浇注至第四节时,遭遇松散砂层,井圈自重大与井壁摩擦力突然降低,钢筋锚固不够,加之前夜下雨导致最底部井圈在施工过程中突然滑落到井底。

3.1.3 场地基坑周边虽布设 6口降水井,但在雨季仍然无法保证所有桩孔内地下水降至施工要求标高,其中有 3根桩孔内积水严重,盲目开挖易导致流砂和涌水。

3.1.4 扩大头尺寸过大,最大达到 2800mm,为桩身直径的 2.54倍,虽未超过规范规定的限值 3(JGJ94-2008),但是考虑持力层部分及上部含有稍密砂层或松散砂层,塌方和流砂等施工质量和施工安全问题显得尤为突出。

3.2 安全问题

人工挖孔灌注桩施工过程中,因采用吊土桶搬运孔内砂石和土,易发生高处坠物,且井圈外堆土处理不当也有滑入孔内的风险;经过调整后的桩长部分达到 12m以上,工人下井作业慎防窒息和中毒事故;井下挖土严禁超挖乱挖,避免松散砂层和稍密层塌方。

4 应对策略及控制措施

针对施工现场出现的各种质量和安全问题,结合自身经验,总结以下几点体会。

4.1 持力层以下含有稍密层或其他软弱层,可经有资质的勘察单位进一步增加钻探深度,确定较为合适的持力层深度,并提请设计单位就现有地质勘探报告核算单桩承载力能否达到设计要求,如未达到,在规范许可范围内采用加大设计桩长,增加扩大头直径等措施确保桩基达到设计要求。

4.2 对原设计钢筋混凝土护壁做加固处理,护壁上下口尺寸均增加 150mm,上下两节护壁内配筋相互搭接 300mm,每节护壁增加 4φ25长度 500mm打入孔壁土内,外留 100mm与护壁井圈钢筋绑扎搭接。防止护壁因自重加大产生滑移。同时在松软砂层和其他软弱层,因孔壁不能自稳,开挖施工不断往下塌落,可采用木方、木模板或钢模板等支档,适当减少单节护壁高度至 300—500mm,并在其中加密插筋加固护壁,支档的木方和模板沿着桩孔四周插入底部不少于0.3m深,上部嵌入已浇好的混凝土背面 0.15m深左右,情况严重时,可进行双排布置,两排支档之间反向交叉,只要让施工人员操作方便即可,做到随挖、随验、随浇注混凝土。护壁简图如图1所示。

图1 护壁简图

4.3 地下水位过高,开挖过程遇到松散砂层和稍密砂层,在压力水作用下极易发生流砂和上层井圈脱节,给施工带来极大的不便。针对这一问题,可利用配备的潜水泵抽取孔底积水,边抽边开挖,及时进行护壁的支护和浇注,还要防止流砂导致护壁混凝土缺陷;单一潜水泵抽水无法解决积水时,可就近增大降水井管径或增加降水井排数,适当加大抽水功率,并在施工方案上作出调整,从相邻桩孔进行抽水减少局部地区涌水量,交替施工缓解地下水对护壁的冲刷。

4.4 松散砂层的扩大头施工具有相当的风险,随着人工掘进,上部自重过大加上砂石没有很好的粘结力很容易导致塌孔,如果桩净距小于 2倍桩径且小于 2.5m,也未采用间隔开挖,即不满足规范要求,还有相邻桩孔贯穿的风险。

因此开挖扩大头部分,应预先做好开挖方案和应急预案,配备充足的钢套筒和钢模板,边开挖边支护,土质良好的部位可按照常规方法选用木模、钢模或者钢套筒,采用木支档倾斜固定,配筋后浇注混凝土,并适当增加护壁插筋并减少单次护壁高度;软弱砂层的部位在必要时可采用“砂层化学注浆帷幕锚杆护壁工艺”等措施,在设计位置按设计角度、间距等成锚杆斜孔,下置三角钢筋笼,压入含有化学浆液的水泥浆,然后做联系圈梁与锚筋可靠连接,养护后方可开挖下部土方,视情况对扩大头砂层做喷浆固砂处理;现场条件不满足加固要求时,可与设计单位协商,在不改变原有设计方案及基础受力的前提下,增大孔径,以减少 D/d数值,降低开挖扩大头的风险,也能在安全与经济之间找到良好的平衡点。

4.5 安全方面。首先在浇注第一节砼护壁时,井圈应高于地面不少于 150mm,厚度比护壁增加 100mm以上,并在周边 500mm范围内做硬地处理,阻挡地表雨水和杂物落入井中,同时严禁在井圈 2m范围内堆放杂物,砂石运出后积极清走远离孔口;作业深度超过 5m时,应在距井底 2—2.5m处设置一道半圆形钢筋防护网(密目钢丝网),并应固定牢靠。在吊运物料时,井下人员应紧贴护壁站在半圆形防护网下,以防落物伤人。半圆形钢筋防护网的位置应随进尺深度逐节下移固定,始终保持在设置高度范围内。井下作业人员应配备安全带和安全绳,挂好安全钩,必要时设置有线对讲系统,发现异常立即协助井下人员撤离现场,每孔必须设置安全软梯,严禁乘坐吊桶上下井。孔口四周还应设置安全护栏,以扣件钢管搭设,高度不低于 0.8m。作业完毕及雨季来临,孔口应覆盖木 (钢)盖板,设置明显的警示标志。

井下作业要防止窒息事故发生,下井之前可采用小动物进行检测,确认无害后方可下井,深度超过10m时,采用专门压力风管,不间断送风,风量不宜少于 25 L/s,地面常备氧气瓶的常用急救用品。井下照明应采用不大于 12V安全电压,灯泡配有防水罩,线缆应有防水绝缘皮,同时配备安全应急灯,以防停电和其他事故。根据《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ-88,设置专门的低压配电箱,每台变压器供应灯数不应超过 5盏灯。所有带电设备应一机一闸一漏电保护器,供电线路采用橡皮线架空设置。

地质条件复杂,遇到松软砂层,开挖程序尽量采取间隔开挖方法,减少砂石滑移,尤其是在两孔净距小于 2倍桩径时,应采用交替施工方法浇注护壁砼,禁止同时下井作业,同时做好监测,慎防窜孔。

5 结束语

人工挖孔灌注桩作为一种在工业与民用建筑中广泛采用的的桩型,优势与缺点分明,一方面质量容易保证,另一方面施工不当,安全风险尤为突出。

本工程实践表明,只要在施工前期做好准备工作,针对复杂的地质水文条件制定相应的施工方案和应急预案,充分考虑可能发生的各种风险,而不是边挖边分析,并及时处理施工过程中出现的特殊问题,完全可以发挥人工挖孔灌注桩占用场地小、桩基可靠性高、施工方便、施工速度快、经济实用的优势。

[1] JGJ94-2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] 高怀鹏.陈雷.人工挖孔灌注桩的设计及施工[J].西部探矿工程,2009(12).

[3] 庞玮.人工挖孔桩成孔过程容易出现的事故及预防、处理措施[J].建筑安全,2009(2).