地下水丰富的泥石流堆积地层桩基成孔方法研究

董军

摘 要：通过一百多年的科技发展，桩基施工在平原、高山、大江、大海及地质条件复杂的地区都实现了成功的运用，并积累了很多的经验和理论基础，但在多年泥石流堆积扇上施工深大桩基，是个非常罕见的案例，本文就这种特殊地层对桩基成孔施工进行研究探讨。

关键词：泥石流堆积地层；桩基；成孔

1 工程概况

某大桥位于构造剥蚀高中山地貌，主要表现为山体强烈隆升、河流深切、山高坡陡，河谷两侧多为滑坡、崩坡积和泥石流等堆积物，特殊的地形地貌给桥梁选址带来了很大的局限性，故造就了在泥石流堆积扇上施工深大桩基的罕见案例。

1、桩位处地质情况：漂卵石、块a石为主，粒径2cm～3m以上；骨架颗粒含量约70-80%，粒径离散性大；骨架空隙以砂质、泥质及角砾填充；地层地质分层极不均匀；局部存在漂石架空层，具有空隙大，稳定性差等特点；无有毒气体。

2、处水文情况：桥址区地下水主要为第四系松散堆积层孔隙水，桥址区地形起伏较大，除山间沟谷外，地下水埋深普遍较深，地下水位在地表以下23m处，地下水从高处向低处有一定的流动性。

3、桩基设计情况：共30根桩基，设计直径为2.5m，桩长42m的钢筋混凝土灌注桩，受力类型为摩擦桩。桩基布置为顺桥向5排，桩中心间距为6.5m+6.25m+6.25m+6.5m；横桥向6列，桩中心间距均为6.25m。

4、其它情况：交通极为不便，桥址处无高压电力供应，无造浆粘土。

2 桩基成孔方案比选

灌注桩施工最关键的工序就是成孔，由于地层构造的多样性、复杂性和部分不确定性，因而灌注桩成孔也有各种方法，归结起来可分为机械成孔和人工挖孔两种方法，机械成孔按钻机类型主要分为旋转钻机成孔、冲击钻机成孔、旋挖钻机成孔和套管钻机成孔。由于成孔方法的选择直接影响桩基质量、工期及成本，故桩基施工前必须对成孔方法进行比选。

根据机械成孔适用范围选择钻机类型：

通过机械成孔的适用范围可确定冲击钻机成孔适合本地层。

冲击钻机成孔与人工挖孔施工方法的比较及分析：

3 地下水的解决措施

采用在承台范围内通过深井降水的方法，将水位降低至桩底标高以下1m（水位降深达20m），降水井拟采用小型冲击钻机冲击成孔，成孔孔径600mm，再下放管井，管井采用钢管，直径300mm；再用大功率深井泵抽排水以达到降水目的。

1.深井降水施工的可行性分析：

桩基距最近水沟距离约180m，距附近江面最近距离约140m，江水面高程为低于桩底设计标高7.549m，不会对降水施工带来较大的影响，地下水主要分析来源为山体地表覆盖层孔隙水和水沟上游水源渗流，由于地勘报告中没有地层的水力参数，参考经验数据取值计算（地层渗透系数K取30 m/d，水位降深20m，抽水影响半径R取1500m），桩基范围内的假定基坑总涌水量计算值为15431.80m3/d，采用内径300mm、深55米的降水井需10口。

①降水计算

a、抽水井深度计算

抽水井深度计算示意图

抽水井深度计算公式：H=H1+h+l+L·i

H——水井深度（m）；

H1——桩基开挖深度（m），H1=42m；

h——降水面至桩底距离（m），取1.0m；

l——降水井滤管长度（m），取10m；

L——降水井至承台中心距离（m），取17.5m；

i——降水形成的水力坡度，取1/10；

计算得：H=54.75m，取值55m。

②承台范围内总涌水量估算

涌水量计算示意图

由于桩位处的泥石流堆积层较厚，底部不透水层深度未知，勘察未能打至不透水层，水井类型属于均质含水层潜水非完整井，考虑挖孔桩桩底标高尚比河流标高高7m，我们采用基坑远离边界计算；计算公式：

Q=1.366·K·{（H2 -hm2）/[lg（1+R/r0）+ （hm‐l）/l·lg（1+0.2· hm/ r0）]}

Q——总涌水量（m3/d）；

K——渗透系数（m/d），查《建筑施工计算手册》表2-15按粗砂取值K =30 m/d；

H——潜水含水层厚度（m），因为初见水位23.5m，地勘64.7m未打穿，取值H=50m；

hm——hm=（H+h）/2=（50+30）/2=40；

l——l=10m；

S——水位降深（m），取S=20m；

R——抽水影响半径（m），R=1500m；也可参照《建筑施工计算手册》表2-16中取值；

r0——基坑等效半径（矩形基坑计算）；r0=0.29（a+b）=0.29（29.5+35.25）=18.78m

Q=1.366·K·{（H2 -hm2）/[lg（1+R/r0）+ （hm‐l）/l·lg（1+0.2· hm/ r0）]}

=1.366*30 *（502‐402）/[lg（10+1500/18.78）+ （40‐10）/10·lg（10+0.2· 40/ 18.78）]

=40.98*376.57

=15431.80m3/d

③单井出水量计算

单井出水量计算公式：q=120*π*TS*l*k^（1/3）

=120*3.14*0. 15*10*30^（1/3）

=1756 m3/d

符号意义同前。

④深水井数量计算及水泵型号选择

计算公式：n=1.1·Q/ q=1.1x15431.8/1756=9.6，取值10；

深水泵每小时流量：Q1=1756 /24=73m3/h

考虑深水泵的工作效率，水泵的排水量加大，水泵选择250QJ100—4型。

2.成井难度上分析

降水井成井口径小，所需直径仅600mm，不会像大直径孔桩容易塌孔，施工过程中采用购进的优质粘土造浆护壁。

3.施工工期上分析

单个55m的降水井在该种地层施工顺利的情况下需7天，投入4台打井设备可在21天内完成10口降水井的施工，剩余的桩孔分两个循环开挖需50天即可完成。

4 安全、质量控制要点

1、合理安排桩孔开挖顺序：桩基为30根的群桩基础，开挖完成后如同一块巨大的蜂窝煤，土层分布不均匀、粘聚性差，开挖时必须进行调孔开挖，开挖至后期成孔一根及时灌注一根；

2、加强护壁质量管理：护壁设计时充分考虑土体侧压力、地下水侧压力、相邻孔灌注过程中对护壁的影响及干处开挖和水下开挖进尺要求等因素，本桥护壁采用C30混凝土（同桩基混凝土标号），为环倒锥形，上口壁厚20cm、下口壁厚15cm（开挖过程中如有石块侵入护壁均进行清除，确保护壁整体性），干处开挖高度0.8m～1m/节，有地下水处开挖0.25～0.3m/节，护壁内设置双层铁丝网和竖向连接钢筋，竖向连接钢筋采用直径12的螺纹钢、间距按40cm均匀布置，安装时底部打入土体至少20cm，以便下次开挖浇筑护壁时，上下护壁能良好连接；护壁施工时严格控制成型尺寸和上下垂直度，以减少桩身混凝土浇筑时的扩孔率，确保钢筋笼的顺利下放，使得护壁成圆环后受力状态较好；

3、严格控制孔内漂石的爆破用药量；

4、加强日常的安全管理：每工班对出渣的卷扬机系统进行检查，特别是吊桶连接部位、钢丝绳磨损情况、卷扬机刹车情况；加强对孔口的围护，下班后对孔口进行覆盖，杜绝坠孔事故；工班前用空压机对孔内压风换气，过程中间隔半小时进行换气；经常检查潜水泵的防漏电性能、电线的完好情况及漏电保护装置的设置情况，杜绝触电事故发生；

5 小结

1、泥石流堆积层上的大直径桩基成孔施工，采用冲击钻施工存在较大的不可控风险，采用人工挖孔施工可规避地质对成孔施工的影响；

2、人工挖孔施工遇地下水时，采用深井降水的施工效率比孔内强排水的施工效率高，深井降水的施工需增加降水井施工成本，但能取得较好的时间成本；

3、安全质量效果

整个桩基成孔过程中未发生人员伤亡、塌孔等安全事故；

桩孔开挖尺寸控制在规范范围内，混凝土灌注超方率控制在2%范围以内，混凝土基本采用干处灌注，桩体混凝土质量更便于控制，经检测均为Ⅰ类桩基。