湿陷性黄土地区机械洛阳铲成孔施工技术

任旭东

(甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050)

1 工程概况及工程特点

1.1 工程背景

兰州市七里河区某工程(见图1)，建筑面积27 766 m2，框架剪力墙结构，地上28层、地下1层。其中基础采用群桩筏板基础，共计150根直径900 mm的混凝土灌注桩，平均桩深达27 m，混凝土强度等级为C30。

图1 施工现场

1.2 工程地质概况

杂填土:层厚0.6 m～3.5 m，黄褐色，土质不均匀，以粉土为主，含有少量的建筑垃圾及卵石颗粒等，稍湿稍密。黄土状粉土:层厚18.4 m～25.9 m，黄褐色，土质较均匀，孔隙虫孔发育，含白色钙质条纹，见垂直裂隙。无光泽，干强度低。韧性低，稍湿稍密，承载力特征值200 kPa。卵石层:埋深22.2 m ～27.10 m，厚度5.2 m～22.80 m。成分以石英岩，花岗岩，变质岩为主，磨圆度较好，呈亚圆形。表层0.8 m～1.3 m，粒径以3 cm～10 cm为主，含漂石，其下粒径以2 cm～6 cm为主(此层为本工程多层建筑物持力层)，承载力特征值500 kPa。黄土状粉土层:埋深33.1 m～34.5 m。该层土质较均匀，偶含小颗粒卵石，承载力特征值300 kPa。卵石层:埋深37.7 m ～49.1 m，厚度 4.2 m ～5.9 m，承载力特征值600 kPa(高层桩端持力层，桩端进入卵石层不小于1 m)。

基础埋深范围内无地下水。

1.3 施工方案的选择

本工程基础埋深范围内大部分土为较厚的黄土状粉土竖向节理，其直立性较好，且无地下水。人工成孔灌注桩能适应复杂的地质结构，且机具设备简单，施工操作方便，占用场地小，无泥浆排出，对周围环境及建筑物影响小，施工质量可靠，可全面展开施工，而且工期短，造价低［1］。但由于本工程特殊地质情况，卵石层(持力层)埋置较深，桩基础要伸入卵石层，井桩开挖深度要达到近30 m，考虑到人工成孔施工效率低、施工人员劳动强度大，且施工环境及安全性差，安全生产难以保证，故采用机械洛阳铲成孔施工工艺。

2 洛阳铲

2.1 传统洛阳铲

洛阳铲，又名探铲，为半圆柱形的铁铲，一端有柄，有可接长的白蜡杆。使用时垂直向下戳击地面，可深逾20 m，利用半圆柱形的铲可以将地下的泥土带出，直接获取相应深度土质样本，并逐渐挖出一个直径十几厘米的深井。广泛应用于考古发掘、地质勘探等方面。

2.2 机械洛阳铲

机械洛阳铲是手动洛阳铲的电动化、机械化设备。机械洛阳铲由电机、变速箱、卷扬机、铲具、护筒、三角架、机架、重锤、冲锤等构成［2］(如图2所示)。其中，铲头的制作比较特殊，呈圆柱体，上半部为配重，下半部由左右两片合围成圆筒形铲刃组成，其间由弹簧装置相连(见图2a))。机械洛阳铲一般由2人操作，即1人操纵卷扬机，1人推小翻斗车运土。铲头直径一般分30 cm～40 cm，40 cm ～50 cm，50 cm ～60 cm，70 cm ～80 cm，90 cm ～100 cm，100 cm～120 cm共6种，也可根据需要特制。本工程选用90 cm的铲头。

图2 机械洛阳铲

机械洛阳铲根据不同的地下情况可分为土层型机械洛阳铲和岩石型机械洛阳铲，土层型洛阳铲使用方便、快捷，造价低，效率高。但是存在的缺点是只能应付地下大多是土层的情况，碎小的石头，砖瓦等能正常使用，但遭遇地下岩石层时是不能使用的。而岩石型洛阳铲则专门应用于地下有大量岩层的土层，可以打出口径30 cm～180 cm，深度约8 m～20 m的大口径深洞。根据本工程特点可采用土层型机械洛阳铲。

3 机械洛阳铲施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺操作流程［3］

机械洛阳铲成孔桩施工工艺流程为:准备工作→放线定位→设备就位→测量控制→洛阳铲成孔至设计标高→人工扩底→桩底验收→安放钢筋笼→浇筑井桩混凝土→养护→检验。其中机械洛阳铲的作业是通过卷扬机控制铲刃微微张开，利用铲头自重下落切土并取土(见图2b))，再由中间轴往上提起，铲口自动合紧将土体抱紧。当提升到距井口约1 m时开合卷扬机离合器，使铲刃随之开合即可将土卸落到手推车或翻斗车等机具上将土运走(如图2c)所示)。

3.2 施工工艺操作要点

1)施工准备:在场地平整后，根据井桩施工布点图测定桩位轴线控制网和地面高程，根据桩位进行孔口定位，并撒白灰标记。2)设备就位:设备移动，使自由悬吊的铲具中心对准桩孔中心，铲头垂直对准桩位，可开孔挖土施工。3)挖土成孔:孔口定位检查合格后开始操作机械洛阳铲，利用卷扬机提升洛阳铲，铲头自重下落切土，闭合抓土，至地面卸土，依次循环成孔。4)人工扩底:桩端扩大头部分及清孔工作必须由人工操作完成，先挖桩身圆柱体，再按扩底尺寸从上到下削土修成扩底形。扩底直径一般为1.5d～3.0d;锅底中心比四周低150 mm～500 mm。5)桩底验收:成孔到设计深度后，应经过联合验孔(主要检查孔径、桩孔垂直度和孔底高程)，验收合格后方可进行钢筋及混凝土成桩施工。6)设备转移:成桩结束后可移动设备到下一根桩继续施工。

3.3 桩端头质量控制、验收与安全技术措施

3.3.1 质量控制［4］

1)桩位测量控制。土中钉入长钢筋，并保证其不发生碰撞位移;另外，做好备用基准点、十字控制线等措施控制桩的中心线。

2)挖孔时垂直度偏差控制。固定好三脚架、及时铲除铲头内的余土、采取防止钢丝绳和铲头晃动的措施。

3.3.2 桩端验收

桩端验收的主要内容包括:1)桩端进入持力层，且不小于设计深度;2)扩大头的尺寸检查是否满足设计要求;3)桩径垂直度等是否符合规范要求。

3.3.3 主要安全技术要求

1)施工人员须经过安全培训，合格后上岗。严格执行工地安全规定。建立安全保证体系，配备安全员，由安全员负责工地的安全检查和监督。2)机架的安装和拆除应按操作规程进行，在安拆过程中或移机时必须有专人指挥，在作业区6 m内，禁止闲人靠近。3)所有施工机械和电气设备，不得带病运转和超负荷作业，电机设备检修时，要先切断电源，严禁带电作业。4)采用机械洛阳铲成孔至设计深度后进行人工扩底施工，在作业人员进入桩孔时需要对桩孔井壁进行检查，看是否有土体裂缝等不安全隐患。5)在扩大头部分施工时，桩孔内作业人员必须戴安全帽，系挂安全绳，孔内设应急软爬梯，供人员上下使用的吊笼安全可靠，不得使用麻绳和尼龙绳掉挂，并应向井下通风，加强空气对流，必要时输送氧气，防止有毒气体的危害，还应在井下设100 W防水带罩灯泡照明。操作时上下人员轮换作业，桩孔上人员密切观察桩孔下人员的情况，互相呼应，切实预防安全事故的发生。6)孔口四周必须设置安全防护设施，以防止孔口杂物掉入砸伤人员。7)根据土质情况，人员在孔底扩孔时，孔壁隔一定距离加设钢护筒，以防孔壁塌方。

4 机械洛阳铲成孔技术特点

1)机械洛阳铲工作时间短，操作简便、易学，设备易维护，其工作效率可达到人工挖孔作业的约15倍。

2)采用机械洛阳铲成孔较人工直接挖孔取土及垂直运土作业避免了塌方等安全隐患风险，保证了施工作业人员的安全。

3)采用机械洛阳铲成孔较钻机成孔节约施工成本，且不受地形条件限制，方便了施工，同时也避免了环境污染。

4)井桩的扩大头部分挖土和清孔工作仍需要人工辅助完成。通过人工扩底施工，桩端扩大头提高了钢筋混凝土灌注桩的承载力，使建筑基础地基处理设计优化，降低工程成本，经济效益显著。

5)机械洛阳铲具有轻便灵活、搬运方便、拆装快捷的特点，而且由于它造价低，运输成本少，因此，即使是在工程量不大的小型工程中，亦可投入多台机械洛阳铲同时进行施工，从而大大缩短工期。

6)机械洛阳铲成孔工艺对场地工程地质条件要求较高，它不容易穿透硬土层，不能穿透厚砂层。另外，由于机械洛阳铲成孔不能采取压灌成桩工艺，因此它只适用于地下水位以上的成孔施工。如果场地存在软弱、易塌地层，则干成孔作业可能会引发缩径、坍孔事故，因此也不适宜用机械洛阳铲成孔工艺［5］。

7)机械洛阳铲不适于在有地下水影响或极易产生流砂的井桩工程中采用。

5 结语

机械洛阳铲桩基础成孔工艺具有设备简单、成孔速度快、施工成本低、对现场条件要求低等特点，特别适用于无地下水粘性土、黄土、粉土及无砾石的人工回填地基［6］。从本工程机械洛阳铲施工的结果来看，均取得了良好效果，达到了预期目标，为在湿陷性黄土地区推广机械洛阳铲施工积累了成功经验。

［1］左桂四，彭海明，陈 安，等.洛阳铲灌注桩在住宅楼地基中的应用［J］.岩土工程界，2001，7(10):27-29.

［2］王笑敏.机械洛阳铲成孔人工扩底钢筋混凝土灌注桩施工技术［J］.科学之友，2008，7(4):43-46.

［3］王进军，陈 燕，柳 伟.机械洛阳铲成孔灌注碎石桩施工技术浅析［J］.河南水利与南水北调，2011，20(6):76-77.

［4］张若征.浅谈混凝土灌注桩洛阳铲成孔质量控制［J］.山西建筑，2011，37(17):204-205.

［5］吴裕年，陈武民.机械洛阳铲在CFG桩成孔施工中的应用［J］.西部探矿工程，2011，12(15):7-11.

［6］段新燕.机械洛阳铲干法成孔工艺探讨［J］.科技传播，2012，5(12):85-88.