大直径混凝土灌注桩在煤田采空区的施工

申 永 红

(阳泉市建设集团有限责任公司工程一处，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

本工程为阳泉市粮油购销总公司投资建设的综合性商业大厦(后改作酒店)，坐落于阳泉市北大街和泉中北路交界处，坐北朝南，主楼地上25层，地下2层，裙房地上3层，地下1层，主楼为框剪结构，裙房为框架结构，裙房呈L型布置将主楼三面包围，主楼总高95.4 m，裙房总高15 m，总建筑面积2万m2，主楼的基础设计为人工挖孔桩与混凝土箱体复合基础，裙房为钢筋混凝土条基。本文重点介绍煤田采空区的桩基施工。

2 桩基的施工范围及概况

根据设计图纸，主楼部分采用大直径人工挖孔桩与混凝土箱体复合基础。设计共有30根桩位，桩径最小的2 300 mm，最大3 200 mm。要求入砂岩深度不小于500 mm，平均深度20 m。地质构造依据地质勘测资料显示，从上到下依次是①杂填土;②粉质黏土，可塑性较高;③风化页岩，风化～较密集～密集～非常密集;④煤层;⑤砂岩。因该项目位于古代小煤窑开采区，有部分桩基坐落于煤田采空区。根据地下水位情况可知：采空区内充满水。为此我们制定的施工方案就是先采用人工开挖的方法开挖，当遇到采空区无法继续下挖时改用机械成孔的方法以节省造价，节约开支。人工开挖的方法本文不做介绍，重点介绍如何在采空区进行大直径灌注桩的机械施工。

3 机械成孔的施工方案

3.1 设备选型

根据现场实际条件，综合各种技术经济指标，选用三一重工SR485R-H10旋挖桩机。钻杆及钻头选用符合设计及技术要求的产品，由钻孔分包作业单位自己把握。

3.2 护筒

采用厚度为6 mm的钢板根据成孔的大小自行焊接钢护筒。钢护筒长度需根据施工作业时实际需要确定，要保证安全封闭采空区，保证高于采空区和低于采空区各1 m。必要时与桩身长度相同。用塔吊安放就位。

3.3 机械采空区位成孔的施工流程

采空区成孔工艺流程见图1。

3.4 施工现场布置

非采空区部位的人工挖孔桩全部完成后(包括桩身混凝土的灌注)。安排钻机进场，并进行现场组装和现场布置，钻机安装后，应保证底座和顶端的平稳，避免在钻井中产生位移，沉陷。施工用水电管网做出相应的调整布置。

3.5 采空区钻机成孔作业

煤层上部的页岩大部分已由人工开挖，剩余的是比较坚硬的页岩，先采用短螺旋钻头破碎，然后用捞沙兜捞渣，也可以取芯的方式进行环状的切削钻进，穿过采空区的煤层，即进入砂岩层，也就是桩基的持力层，采用环状取芯钻进。在钻孔过程中，必须确保孔位准确，开钻初时，应慢速钻进，以掌握好该孔的位置、方向、垂直度、孔径等。待导向部位和钻头全部进入岩层后方可加速钻进。在整个钻进过程中应始终保持垂直状态，平稳钻进。避免钻成斜孔，弯孔和扩孔。还应细心观察进尺及出渣情况。根据出渣种类及多少适当控制进尺速度。钻孔作业应分班连续进行，各作业班组应做好施工记录，做好交接班的资料交接。穿透采空区后进入砂岩层继续钻进500 mm后停钻，进行护筒安放及清孔。

3.6 清渣

钻孔达到设计要求(即入岩500 mm)后，对孔深、孔径、垂直度进行检查。成孔质量达到施工验收标准后采用抽浆的方法进行清孔。即用大功率污水泵抽取底部浮浆。在吊入钢筋骨架灌注混凝土前应再次检查沉渣厚度，若超过规定要求要再次进行清孔。

4 钢筋笼制作吊装

4.1 钢筋的连接

受力主筋采用直螺纹套筒连接，箍筋采用绑扎搭接。

4.2 钢筋的制作

根据设计要求及实际的钻孔深度，钢筋笼分两段制作，要求两段连接时同一断面的接头数量不得大于接头总数的50%，制作时应每隔2 m设置一道加强箍，吊装点另加十字支撑，所用钢筋的截面面积可小于主筋，与主筋焊接牢固，以保证钢筋笼的整体刚度，不至于吊装时变形、散架(如图2所示)。

4.3 钢筋笼吊装

清孔完成后，开始钢筋笼的吊装。用工地的塔式起重机进行吊装作业(经工地现场计算能够满足起吊要求)。从钢筋笼制作平台直接吊运至清孔完成的桩孔。起吊点选择在距离桩顶2 m处。笼子吊离地面后利用重心偏离原理通过起吊钢丝绳在吊车钩上的滑动并稍加人力控制实现平直起吊转化为垂直起吊以便入孔。入孔后用垫块和钢筋插杆来定位以保证钢筋笼的平面位置。去除加固用的十字支撑。

5 采空区水下混凝土浇筑

5.1 混凝土配比的确定

原设计的混凝土等级是在干作业的情形下设定的，改为水下浇筑时需提高一级标号。

5.2 混凝土浇筑的参数确定

5.2.1超压力P及导管内径的确定

只有当混凝土在导管底部的出口压力大于管外地下水压力时，才能保证混凝土顺利通过导管下注，实现水中浇筑。为此根据计算及本工程的实际情况确定超压力P≥75 kN/m2。导管内径根据工地实际情况取d=200 mm。

5.2.2首批混凝土需用量的确定

为保证导管内的水能完全排出，并使管口处至少埋入混凝土0.8 m高，防止浇筑时导管外地下水进入混凝土，需在卸料漏斗和导管内贮备一定数量的混凝土，按以下公式确定。

其中，d为导管内径，取0.20 m；HC为首次混凝土浇筑埋管高度，m，取0.8 m;A为灌注桩截面面积，取桩径最大(D=2 300 mm)A=3.14×1.15×1.15=0.64 m2;h1为桩孔内混凝土浇筑高度达到首次混凝土浇筑埋管高度时导管内混凝土柱与导管外水压平衡所需高度,m，根据理论计算和本工程的实际取值为3.25 m。

5.2.3贮料斗的容量确定

贮料斗的容量，应大于首批混凝土的数量V。即容量不小于3.5 m3。

5.3 混凝土浇筑工艺

5.3.1施工前准备

1)报请监理进行隐蔽工程验收，合格后填写混凝土浇筑令；

2)搭设浇筑平台，贮料斗安装就位，联系混凝土搅拌站作好开盘准备；

桩孔孔口设置盖板，避免混凝土散落桩孔内；

3)各作业人员及现场检测人员准备就位，由项目工长进行作业前的技术交底。

5.3.2施工流程

1)把导管下到距离桩底350 mm处，用定制的皮球(也可用排球、足球等代替)对导管进行封水；在贮料斗下部用活动隔板进行封闭。

2)用混凝土罐车将贮料斗注满(不少于计算确定的首批混凝土需用量)，打开活动隔板，贮料斗中混凝土下泄，推动导管中的皮球注入桩底，皮球随即上翻到达水面，桩底地下水在混凝土压力作用下上升。

3)首批混凝土浇筑完成后，应测定已浇筑混凝土的高度，看是否符合计算高度，符合则继续浇筑，如不符合要找出原因，处理后再进行浇筑，继续浇筑时混凝土应少量均匀(但要保证混凝土面不小于2.0 m/h的上升速度)进入导管，以防空气形成高压气囊进入混凝土内。

4)在连续浇筑混凝土过程中随着混凝土面的升高，导管要相应提升，但要保证导管埋入混凝土内的长度不得小于0.6 m，同时一次提管拆管长度不得大于2 m；提升导管要慢速稳提，防止钢筋笼上拱或钩带钢筋笼，在提升过程中，可将导管做竖向运动，以增加混凝土的密实度，但切不可做水平运动，以防侧壁泥沙渣石落入混凝土。

5)桩孔混凝土面深度和导管内混凝土面深度的测定，每30 min测定一次，并记录绘图，核算混凝土浇入量，判断是否存在漏浆及流失现象，尤其到采空区部位要增加测定次数，看是否有护筒封闭不严混凝土流入采空区的情况，如有应尽快采取措施。

6)应连续进行浇筑，浇筑中断超过30 min～45 min时应采取措施处理。

7)浇筑过程中，要随时测定静水位高度，当混凝土浇筑面超过静水位线约1.5 m后，应抽尽余水。浇筑工艺见图3。

5.4 施工过程中故障的处理

1)导管封闭不严进水时应提出导管，清除已灌入导管的混凝土，检查垫圈是否完好，如垫圈已损坏应更换垫圈重新组装，组装完成后检查导管的密封情况，重新安放到位，调整导管底口至孔底高度，重新开始灌注。

2)浇筑过程发生堵管的处理办法：采用加长振动棒进行振捣或疏通导管，若无法疏通时，拔出导管进行清理，然后重新开始浇筑。

6 结语

施工完毕，通过对桩身的检测，人工成孔的和机械成孔的无论是桩身完整性还是混凝土强度及承载力方面全部达到设计验收标准。这为我们在煤田采空区建造高楼大厦提供了可供借鉴的宝贵经验。