人工挖孔桩施工技术的改进与实践

李太方（广东金筑工程管理有限公司， 广东 惠州 516003）

1 工程概况

亿量西山 2 号地块住宅项目（以下简称“本项目”）位于山西省太原市万柏林区西北高速公路以西，三面环山，南侧北侧均有纵横沟壑。项目分为两期建设，其中一期工程用地面积为 80 174.49 m2，建筑面积为 130 110.19 m2，建筑形式有联排、合院、叠拼、商业和地下车库，共计 40 栋单体建筑。基桩施工单位为陕西建工第八建设集团有限公司和河南华水基础工程有限公司。

2 工程地质与基桩设计情况

本项目所在地属于低丘陵山区，位于山梁地带。整体地势西高东低，地形起伏较大，地面标高介于 879.03 m～928.27 m 之间，最大相对高差为 49.24 m，勘探深度内未揭露地下水。

部分建筑坐落在杂填土层，天然地基承载力不能满足上部结构要求，需对此部分场地进行强夯处理，强夯能级在 4 000 kN·m～4 500 kN·m 之间，夯点间距为 6 m，处理后的地基承载力 ≥150 kPa。

强夯完成后，采用人工挖孔灌注桩，具体要求如下。

（1）桩端以强风化泥岩为持力层，要求桩端全断面进入持力层不少于 2.5 m。

（2）桩身直径为 850 mm，扩底宽度为 1 700 mm，扩底高度为 1 700 mm＋300 mm。

（3）桩基设计等级为乙级，一期工程总桩数为934 根。

（4）由于持力层标高需现场开挖才能明确，桩身长度应根据现场实际挖孔深度最终确定（现场人工挖孔桩实际尺寸在 3.5 m～23 m 之间，其中 9 m～16 m 的占比较大，整体呈陀螺状分布）。

3 机械＋人工成孔灌注桩施工工艺

3.1 机械设备

旋挖钻机、轮式起重机、装载机和人工挖孔设备。

3.2 工具及其他

3.2.1 钢护筒

钢护筒由专业生产企业定制，材质为 8 mm Q235 钢板，外径为 800 mm。要求端口打磨平整，杜绝飞边和毛刺，内外均涂刷铁红色防锈漆，椭圆度、平整度、平面倾斜和焊接质量均要符合有关质量要求。首先根据估算的桩长制作适应性较广的多组长护筒＋短护筒，然后在距护筒近端部 100 mm 位置预留 M18 螺栓孔，同时预备 6 mm Q235 钢板制作的数组外径为 770 mm、长度为 400 mm 的内侧连接筒，用于连接护筒并可调节其长度。若遇护筒长度不满足要求等特殊情况，需进行现场切割焊接，并确保相邻筒节对口高差不大于 3 mm。

3.2.2 扩底钻头

扩底钻头由专业生产企业定制，材质为优质合金钢。其结构为四连杆，杆为四方形，宽度为 150 mm，在杆端配置可以活动的连接装置。杆件上端可与旋挖机钻杆连接固定，两侧和下端配置螺旋钻头。主轴滑道收放自如，各部件焊接、各销轴连接牢固。钻进时，下端遇阻力后，左右两端不断随桩孔扩大而张开，最大张开直线长度为 1 700 mm，全部张开完成后，正面形状与设计扩底大样图类似。随着钻杆的提升，张开部分收拢。

3.2.3 护 盖

护盖由两块半圆形的 4 mm Q235 钢板组成，通过螺栓拼装固定，内径为 800 mm。上端盖檐水平宽度为150 mm，竖向高度为 100 mm；下端盖檐水平宽度为30 mm，竖向高度为 80 mm。

3.2.4 护筒环

护筒环由 Φ25 mm 圆钢制作而成，被焊接在护筒距端部 200 mm 处，用于固定护筒。

3.2.5 钢筋混凝土块支座

钢筋混凝土块支座由 C30 混凝土制成，中间加配8 mm 螺纹钢筋，高度和宽度均为 300 mm。在上部适当位置留有卡槽，用于放置钢管。

3.2.6 钢 管

钢管为加厚 1.8 m 长钢管。

3.3 施工工序

3.3.1 平整场地

清除地表杂物，整平场地，确保钻机安放平稳牢固，在施工中不发生倾斜。设置排水线路，预留机械进出通道。

表 1 地基土分层及主要物理学指标

3.3.2 桩位放样

认真复核设计方提供的坐标、高程等有关数据，确定无误后采用全站仪进行桩位放样，沿桩中心拉十字线做好标志。测量复验完成后，记录放样数据并存档。

3.3.3 开孔钻进

（1）钻机就位。先调整钻杆垂直度，对准桩孔中心，然后开机进行旋挖取土石开孔。

（2）钻孔前，按勘察报告提供的地质资料绘制地质剖面图，挂在钻机上。

（3）开钻时慢速低档钻进，钻至 1 m 以下后再以正常速度钻进。

（4）钻进过程中及时清渣，并且注意地层的变化。在地层变化处捞取渣样，判断地层的类型，并记入在记录表中，以便与地质剖面图对照。

（5）根据钻进阻力、渣样和地质图，初步判断是否进入强风化泥岩，施工单位和监理单位应共同进行认定，记录标高，保存相关数据及现场影像资料。首次认定时，勘察单位也要参与。

3.3.4 更换钻头，进行扩孔

持力层标高确定后，继续钻进 1.9 m；初步清土完成后，更换扩底钻头进行扩孔。钻头被连接到钻杆上，并放到孔底位置，然后缓慢施压，使钻头逐渐张开。为防止钻头变形，要求钻头匀速钻进，确保钻进位移的稳定。根据油压值，可以调节扩孔钻头的削土量，以防出现超负荷现象。刚开始施工时，应根据桩径所需的最大扩底直径逐步摸索并确定机械行程。当扩底钻头完全张开达到 1.7 m后，轻轻提动钻具，使之产生一定的向上收缩力，在径向和轴向的双重作用下，收拢钻头，慢慢将其提出孔外并及时清理。随后，再次更换钻头，进行取土石作业。在此过程中，一般同时开钻 3～4 个桩孔，集中扩底或取土石。

3.3.5 安装钢护筒

测定桩孔持力层标高处距孔口的距离，另外增加300 mm 超出孔口的高度，据以确定钢护筒的长度，再根据现场实际进行选配或切割焊接以满足要求。检查孔壁土质情况，若不光滑、有突出物等，应及时进行处理。孔口对称安放钢筋混凝土支座，支座底部应平整夯实，入土 200 mm。吊装时采用两点起吊，垂直缓慢放入，严禁高起猛落，避免碰撞或强行下放。待钢护筒落至计划标高后，将钢管穿入护筒环内，并放置在钢筋混凝土支座上的卡槽内固定，钢管不得少于 2 根；其次在平整孔口四周后抹上砂浆或混凝土并收平，再用水平测量仪测出顶面高程并加以标注，用于钻孔深度及混凝土浇筑高度的辅助测定；最后在护筒上安装上护盖，每侧均卡紧螺栓。

3.3.6 安装人工挖孔机械

现场人工挖孔机械由专业企业生产，主要结构用方钢制作，主机采用电磁制动，按钮操作。该机安全高效、拆装方便、简单易操作，3～4 人即可移动。每台设备有各自专用的开关箱，并分设动力开关箱和照明开关箱。机械到位后，安装吊桶，并为吊桶升降钢丝绳配备自动卡紧保险装置。照明采用 12 V 低压防水灯，孔口设活动盖板，配备送风装置和应急爬梯。井上井下操作人员、施工管理人员均配备对讲机，并保持通信畅通。

3.3.7 人工扩孔、清孔底

在人工挖孔人员下井前须对孔进行通风和毒气检测，下井后应在护筒上安装下护盖。首先将机械扩孔余留土石铲入吊桶并提升至地面；然后观察土层地质情况，判断是否进入强风化泥岩，及时与施工管理人员、监理工程师、建设单位专业技术人员沟通，各方随后入井检查确认。若扩底孔型和孔深不符合设计大样要求，施工人员须用风镐进行手工修整，最后将凿下的土石清理干净，吊运出井。

3.3.8 取出钢护筒

终孔清底后，报监理单位进行检查验收。要求孔型、孔径、进入持力层深度和孔底留渣厚度必须符合设计和规范要求，必须填写验收记录并存档。拆除护盖、人工挖孔机械及辅助照明通风设备管线，采用轮式起重机缓慢垂直起吊钢护筒至地面，暂存在适当地点或直接安装在其他具备条件的桩孔中。

3.3.9 制作与安装钢筋笼，浇筑混凝土

钢筋笼必须严格按照图纸要求进行制作，安装时实行整体一次吊装方案。吊放时要注意避免碰落孔壁土石块或造成小面积坍塌。入孔后须缓慢下放，若遇阻力应停止下放，查明原因后进行处理。导管安装完成后即可浇筑混凝土，浇筑时须连续进行，分层振捣密实。

4 安全验算

施工过程中，钢护筒受力最大值为孔壁坍塌后最深处所受的侧向土压力。因此，钢护筒厚度可按

式 1 中：p为土和地下水对钢护筒的最大侧压强（N/m2），本工程无地下水；Y为桩孔最深处范围内土体天然重度加权值（kN/m³），本工程取 20.5 kN/m³；H为钢护筒最深处土的高度，本工程取 21 m。式 2 中：t为钢护筒厚度（mm）；K 为安全系数，本工程取 1.65；D为钢护筒外径（m），本工程取 0.80 m；fc 为钢材的轴心抗压强度设计值（N/mm2)，钢护筒采用 Q235 钢板，取 215 N/mm2。

经计算，得出：

在实际施工中，钢护筒采用t＝8 mm 的 Q235 钢板制作，其强度能满足安全要求。虽然钢护筒仅对持力层以上岩土层的坍塌起到安全防护作用，但扩大头部分已进入强风化岩层，且主要在垂直方向受力，因而其稳定性也能满足安全要求。

5 人工＋机械成孔工艺与传统人工挖孔工艺的对比

（1）工作效率高。人工＋机械成孔的工作效率是人工挖孔的 12～18 倍，大大缩短了施工工期。采用此工艺，每个旋挖机班组配合相应扩孔工人，在正常情况下每天可成孔并浇筑 6～8 根灌注桩，由于成孔速度快，降低了塌孔的风险。而采用传统人工挖孔，每孔每天只能掘进约 2 m，进入强风化岩层后速度更慢，且护壁混凝土模板需在灌注混凝土 24 h 后才能拆除，经常数天不能成孔。

（2）精度高。旋挖机采用全液压驱动电脑控制，能精确定位桩心，自动校正钻孔垂直度和自动测量钻孔深度，成孔非常规范。采用人工挖孔，无测量仪器辅助，全凭工人感觉，造成孔内凹凸不平，或宽或窄。

（3）安全风险降低。采用人工＋机械成孔工艺，使得人员进入孔内时间减少至传统人工挖孔的十几分之一，去除了支模浇筑护壁的施工工序，大大降低了造成人体伤害的因素，如空气稀薄、职业病、潮湿、坍塌等。施工点集中、范围小，容易发现和处理安全隐患。

（4）减少不利天气对施工的影响。进入冬期施工后，传统人工挖孔护壁混凝土的制作和浇筑都难以顺利展开，而人工＋机械成孔工艺能将各项工作正常进行。

（5）施工成本明显下降。采用机械钻孔，节约了工期，极大地减少了人工费用和管理费用的支出。桩孔尺寸精度高，混凝土浇筑量变得更容易控制，而且钢护筒可以被回收重复使用。

（6）管理监督更加轻松。采用人工＋机械成孔工艺，现场所需施工人员相对较少，工作程序明确，人为矛盾不易发生。采用传统人工挖孔，由于难以监督管理，在护壁内工人经常会少放或不放钢筋。改为钢护筒后，此类问题不复存在。

（7）人工挖孔桩优点得到保留。可直接检查成孔质量、桩底清孔除渣彻底干净、扩底满足设计承载要求等人工挖孔桩优点得到保留。每次终孔清底后，监理工程师和建设单位专业技术人员均可对成桩情况进行实际观察、量测。

6 存在问题及解决方案

6.1 塌 孔

施工过程中，两个桩孔在钢护筒提出后未及时浇筑造成中下部发生小面积塌孔，与此处杂填土未夯实也存在一定关系。后续机械初步清理渣土，重新安装钢护筒，人工彻底清孔。混凝土浇筑时直接将塌孔处用混凝土填实。

6.2 煤矸石区难以成孔

煤矸石回填沟壑钻进时，受材料自身原因及强夯影响深度等条件限制，旋挖机提钻时经常小范围坍塌，勉强成孔后又难以安装钢护筒扩底。经各方讨论，桩短处采用传统人工挖孔完成。桩长超过 12 m 的采用机械成孔后，对孔口 2 m 以下灌注水泥砂浆，待达到一定强度后再次机械成孔，即可进行钢护筒安装、人工扩底。

6.3 施工技术依据不足

机械＋人工挖孔成孔施工工艺缺乏相应施工技术依据，建筑桩基技术规范中干作业成孔灌注桩条文难以直接引用，相关技术论证亦未得到推广认可。

6.4 钢护筒长度调整、运输存在一定困难

由于桩长不一，钢护筒有时需加长或截短。工程完工后，远距离运输或长期存放不经济。如该项施工技术得到推广，钢护筒市场需求量加大，可由租赁企业加工制作并改进拼接方法，施工企业向其租用，达到互利互惠、降低成本的效果。

综上所述，经实践检验，采用机械＋人工挖孔成孔的施工工艺，既保留了传统工艺可彻底清孔、可直观检查持力层、质量稳定可靠的优点，又能极大的提高施工进度、降低安全风险、且经济效益显著。因此，建议因地制宜合理的对此项技术加以应用，不断完善和优化，同时增订相关技术规范以指导施工。