浅谈复杂地质情况下人工挖孔桩的应用

发表时间:2019/6/13   来源:《防护工程》2019年第5期   作者:蔡海振 张俊杰 王春艳 黄志红 魏靖达
[导读] 某项目用地位于湖北省恩施土家族及苗族自治州,周边紧邻城市主干道路、市政设施、居民房屋,基坑外围环境复杂严峻。
中建二局三公司天津分公司  天津  300000
  摘要:近几年,随着房屋建筑建设的不断发展, 人工挖孔桩由于其受力性能可靠,不需大型机具设备,施工操作工艺简单,可直接检查桩底岩土层情况,单桩承载力高,无环境污染,在各地应用较为普遍。本文结合湖北省某项目在复杂地质情况下人工挖孔桩的施工过程,积累了一些经验,处理了一些特殊的问题并取得了良好的效果,为类似工程项目施工提供参考。
  关键词:人工挖孔桩;施工;复杂地质;技术处理
  
  
  一、工程概况
  某项目用地位于湖北省恩施土家族及苗族自治州,周边紧邻城市主干道路、市政设施、居民房屋,基坑外围环境复杂严峻。基坑开挖深度为12m,桩锚支护结构,支护桩采用人工挖孔灌注桩,桩径1000mm,桩长16m。支护桩间采用预应力锚索,坡面及支护桩间采取土钉挂网喷砼支护。
  本工程的土质比较复杂,根据岩土地质勘察报告证明:本工程地下水位较高,场地下土层中有卵石夹沙层,含水量丰富,扰动后极易形成流沙;强风化和中风化泥质粉砂岩强度大,人工开挖存在很大困难,且岩层中的岩隙水存在不确定性。因此,在桩身人工成孔施工过程中需要对地下水、流沙、淤泥、孔壁渗水、岩石层开挖、卵石夹沙层与岩石层交界处、桩孔变形采取技术处理措施,以保证施工的安全和质量。
  二、施工工艺
  (1)平整场地。铲除松软的土层并夯实。定出桩孔准确位置;设置护桩并经常检查校核;孔口四周挖排水沟,做好排水系统,及时排除地表水,由于施工时期来凤地区经常下雨,需搭设防雨棚。安装提升设备;布置好出渣道路;合理堆放材料和机具,使其不增加孔壁压力、不影响施工。井口周围采用安全网围护,第一节护壁高出地面30cm,防止土、石、杂物滚入孔内伤人。
  (2)放线、定桩位及高程:依据建筑物测量控制网资料和桩位平面布置图,测定桩位方格控制网和高程基准点,确定好桩位中心,以桩位中心为圆心,以桩身半径加护壁厚度为半径画出上部圆周,撒石灰线作为桩孔开挖尺寸线,桩位线定好后,经监理复查合格后方可开挖。
  (3)开挖第一节桩孔土方:开挖桩孔应从上到下逐层开挖,先挖中间部分的土方,然后向周边扩挖,有效控制桩孔的截面尺寸,每节的开挖高度应根据土质和设计而定。
  (4)浇筑第一节护壁砼:为防止桩孔壁坍塌,确保安全施工成孔应设置护壁,本工程采用现浇钢筋砼护壁,与土壁能紧密结合,整体性和稳定性均佳,护壁厚度和砼强度必须满足设计要求,护壁模板采用拆上节支下节重复周转使用,模板之间用卡具、扣件连接,也可以在每节模板的上下端各设一道圆弧形的,用槽钢或者角钢制作的钢圈作为内支撑,顶紧模板,防止模板应受张力而变形,不设水平支撑,以方便操作,第一节护壁应高出地面300㎜,护壁厚度比下面护壁厚度增加100--150㎜,便于挡土、挡水,桩位轴线和高程均应标定第一节护壁上口。砼强度到达1.2Mpa即可拆模,护壁砼应根据气候条件,一般情况下浇灌完毕须经24H后可拆模。
  (5)检查桩位(中心)轴线、标高:在地面上设十字控制网、基准点,将桩控制轴线、高程测到第一节护壁上,每节以十字线对中,吊线锤作中心控制,用尺杆找圆周,以基准点测量孔深。
  (6)架设垂直运输架:第一节桩孔成孔后,着手在桩孔口上架设垂直运输架,要求搭设稳定、牢固。
  (7)安装提升设备、吊桶、活动盖板、水泵、通风机等:安装提升设备时,尽量使吊桶钢丝绳中心与桩孔中心重合,以便挖土时能直观控制桩位中心和支模中心,桩口上设围护栏,当桩孔深大于5米时,应向井下通风,加强空气对流,必要时输送氧气,防止有毒气体危害。桩孔上人员密切观察桩孔下人员情况互相呼应,桩口安装水平推移的活动盖板。当桩孔内有人挖土时,应掩盖好安全盖板,防止杂物掉下伤人,吊运土时,再打开安全盖板。
  (8)开挖第二节桩孔土方:从第二节开始利用提升设备运土,桩孔内人员应戴好安全帽,吊桶离开孔上方1.5米时,推动活动安全盖板,掩蔽孔口,防止卸的土块、石块等杂物坠落孔内伤人,吊桶卸土后,再打开活动盖板,下放吊桶装土,桩孔挖至规定深度后,用尺竿检查桩孔的直径及井壁圆弧度,修整孔壁,使上下垂直平顺。
  (9)先拆第一节、支第二节护壁模板、放附加钢筋:护壁模板采用拆上节支下节依次周转使用,模板上口留出高度为100㎜的砼浇筑口。逐层往下循环作业:将桩孔挖至设计深度,检查土质情况,桩底应支承在设计规定的持力层上。
  (10)检查验收:成孔后必须对桩身直径、孔底标高、桩位中心线、井壁垂直度等报监理验收,合格后做好施工记录。
  (11)吊放钢筋笼:钢筋笼按设计制作、运输、吊装,应防止扭转变形,根据规定加焊内固定筋,钢筋笼放入前,应绑好砂浆垫块,吊放钢筋笼时,要对准孔位,直吊扶稳,缓慢下沉,避免碰撞孔壁,钢筋笼放到设计位置时,应立即固定。
  (12)浇筑桩身砼:清除孔底积水,用溜槽向孔底浇筑砼,当高度超过3米时,应用串筒,串筒末端离孔底高度不大于2米,桩孔深度超过12米时,宜采用砼导管浇筑,浇筑砼时应连续进行,分层浇捣密实,砼浇筑12H后进行浸水养护。
  三、成孔过程中的特殊情况技术处理
  1、地下水
  地下水是深基础施工中最常见的问题,它给人工挖孔桩施工带来许多困难。含水层中的水在开挖时破坏了其平衡状态,使周围的静态水充入桩孔内,从而影响了人工挖孔桩的正常施工,如果遇到动态水压土层施工,不仅开挖困难,连护壁混凝土也易被水压冲刷穿透,发生桩身质量问题。如遇到了细砂、粉砂土层,在压力水的作用下,也极易发生流砂和井漏现象。
  1.1地下水量不大时
  可选用潜水泵抽水,边抽水边开挖,成孔后及时浇筑相应段的混凝土护壁并在混凝土中加入水泥掺量3%-5%的速凝剂,在护壁混凝土到达一定强度时然后继续下一段的施工。


  1.2水量较大时
  当用施工孔自身水泵抽水,也不易开挖时,应从施工顺序考虑,采取对周围桩孔同时抽水,以减少开挖孔内的涌水量,并采取交替循环施工的方法,组织安排合理,能达到很好的效果。
  1.3对不太深的挖孔桩
  可在场地四周合理布置统一的轻型管井降水分流,对基础平面占地较大时,也可增加降水管井的排数,一般即可解决。
  1.4抽水时环境影响
  有时施工周围环境特殊,一是抽出地下水进出时周围环境,基础设施等影响较多,不允许无限制抽水;二是周围有江沙、湖泊、沼泽等,不可能无限制达到抽水目的。因此在抽水前均要采取可靠的措施。处理这类问题最有效的方法是截断水源,封闭水路。本工程采用了高压旋喷桩形成截水帷幕,以保证在正常抽水时,达到正常开挖。
  2、流砂
  由于本工程地层中有卵石夹沙层,由于地下水的作用,极易形成流砂,严重时会发生井漏,造成质量事故,因此要采取有效可靠的措施。
  2.1流砂情况较轻时
  有效的方法是缩短这一循环的开挖深度,将正常的1m左右一段,缩短为0.5m,以减少挖层孔壁的暴露时间,及时进行护壁混凝土灌注。此时混凝土护壁需要采用高标号的早强混凝土,同时在护壁中加入钢筋,形成环形钢筋网片。当孔壁塌落,有泥砂流入而不能形成桩孔时,可用纺织袋土逐渐堆堵,形成桩孔的外壁,并控制保证内壁满足设计要求。
  2.2流砂情况较严重时
  常用的办法是下钢套筒,钢套筒与护壁用的钢膜板相似,以孔外径为直径,可分成4-6段圆弧,再加上适当的肋条,相互用螺栓或钢筋环扣连接,在开挖0.5m左右,即可分片将套筒装入,深入孔底不少于0.2m,插入上部混凝土护壁外侧不小于0.5m,装后即支模浇注护壁混凝土,若放入套筒后流砂仍上涌,可采取突出挖出后即用混凝土封闭孔底的方法,待混凝土凝结后,将孔心部位的混凝土清凿以形成桩孔。也可用此种方法,应用到已完成的混凝土护壁的最下段钻大,使孔位倾斜至下层护壁以外,打入浆管,压力浇注水泥浆,使下部土壤硬些,提高周围及底部土壤的不透水性,以解决流砂现象。
  3、淤泥质土层
  在遇到淤泥质土层等软弱土层时,一般可用木方、木板模板等支挡,并要缩短这一段的开挖深度,并及时浇注混凝土护壁,这次支挡的木方可板要沿周边打入底部不少于0.2m深,上部嵌入上段已浇好的混凝土护壁后面,可斜向放置,双排布置互相反向交叉,能达到很好的支挡效果。
  4、卵石夹沙层与残积性粘土交界处
  卵石夹砂层与残积性粘土之间是薄弱结合处,由于地下水的作用,结合处经常渗水造成开挖困难,甚至造成塌孔。在卵石夹沙层与残积性粘土结合处得砼护壁的厚度比上面的护壁厚度加厚150mm,同时护壁中钢筋加密,护壁中加入抗渗剂。
  5、桩身混凝土的浇筑
  5.1消除水的影响
  5.1.1孔底积水
  浇筑桩身混凝土主要应保证其符合设计强度,要保证混凝土的均匀性、密实性,因此防止孔内积水影响混凝土的配合比和密实性。
  浇筑前要抽干孔内积水,抽水的潜水泵要装设逆流阀,保证提出水泵时,不致使抽水管中残留水又流入桩孔内。如果孔内的水抽不干,提出水泵后,可用部分干拌混凝土混合料或干水泥铺入孔底,然后再浇注混凝土。
  如果孔底水量大,确实无法采取抽水的方法解决,桩身混凝土的施工就应当采取水下浇筑施工工艺了。
  5.1.2孔壁渗水
  对孔壁渗水,不容忽视,因桩身混凝土浇筑时间较长,如果渗水过多,将会影响混凝土质量,降低桩身混凝土强度,可在桩身混凝土浇筑前采用防水材料封闭渗漏部位。对于出水量较大的孔可用木楔打入,周围再用防水材料封闭,或在集中漏水部分嵌入泄水管,装上阀门,在施工桩孔时打开阀门让水流出,浇筑桩身混凝土时,再关闭,这样也可解决其影响桩身混凝土质量的问题。
  5.2保证桩身混凝土的密实性
  桩身混凝土的密实性,是保证混凝土达到设计强度的必要条件。为保证桩身混凝土浇筑的密实性,一般采用串流筒下料及分层振捣浇筑的方法,其中的浇筑速度是关键,即力求在最短的时间内完成一个桩身混凝土浇筑,特别是在有地下压力水情况时,要求集中足够的混凝土短时间浇入,以便领先混凝土自身重量压住水流的渗入。
  由于本工程支护桩的深度一般为16米,因此可依靠混凝土自身的落差形成的冲击力及混凝土自身的重量的压力面使其密实,这部分混凝土即可不用振捣,经验证明,桩身混凝土能满足均匀性和密实性。而速度优于采用串流筒施工,对于桩身上部混凝土浇筑要采取正常的施工方法,因为一般上部很少有地下水影响,浇筑速度不必很快,也不能采用自由下落的特殊施工方法。
  5.3混凝土浇筑相邻支护桩保护
  支护桩开挖时应采用“跳挖”的方式,但是由于本工程工期较紧,部分相邻的支护桩基本同时达到设计深度。在浇筑混凝土过程中要防止混凝土穿孔,可以在浇筑时对相邻的支护桩轮流浇筑,每次浇筑1m左右的时候立刻将泵管移至相邻桩内也浇筑1m高度。对于渗水严重的不同土层交界的薄弱处,可以采用钢模板直接支顶,浇筑混凝土时直接浇筑将模板浇筑在内。
  四、合理安排桩孔施工顺序
  合理安排人工挖孔桩的施工顺序,对减少施工难度起到重要作用,在施工方案中要认真统筹,根据实际情况合理安排。
  在可能的条件下,先施工比较浅的桩孔,后施工深一些的桩孔。因为一般桩孔愈深,难度相对愈大,较浅的桩孔施工后,对上部土层的稳定起到加固作用,也减少了深孔施工时的压力。在含水层或有动水压力的土层中施工,应先施工外围(或迎水部位)的桩孔,这部分桩孔混凝土护壁完成后,可保留少量桩孔先不浇筑桩身混凝土,而作为排水井,以方便其它孔位的施工。保证了桩孔的施工速度和成孔质量。
  五、施工效果
  经过对人工挖孔桩实施上述的技术控制,使其达到了预期的效果,在后期深基坑施工过程中,通过对基坑变形监测证明,人工挖孔桩满足设计要求,达到了质量验评标准的优良等级
  六、小结
  在土层干燥地区进行小断面人工挖孔桩的施工应该说是相对简单的。因为它本身不需要什么设备,技术含量也较低。但在大断面深孔再加上地层地质情况软为复杂的情况下,人工挖孔桩的施工难度大幅增加。本工程人工挖孔桩的施工即是较为典型的一例。所以进行类似施工时,首先要注意施工方案的选择,其次要对施工过程中可能发生的情况作好充分的估计,作好相关的预案措施,再次对施工过程进行严密的监视,发现问题及时处理。
  参考文献:
  [1] 中南勘察设计院(湖北)有限公司.某购物中心岩土工程勘察报告(详勘)[R].2010.
  [2]湖北省地方标准. DB42/159-2012.基坑工程技术规程.
  [3]中华人民共和国行业标准. JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].
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