人工挖孔桩施工遇到特殊问题的处理.doc

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人工挖孔桩施工中遇到特殊问题处理

撰 稿 人：李建文
编写单位：中煤建安第七工程处
时 间：2010年4月

人工挖孔桩施工遇到特殊问题处理
人工挖孔桩具有许多优点：桩身成型直观；桩施工质量宜保证；桩承载力大；施工方法简单，不需要使用打桩机械；一个工程上可同时进行多桩施工等等，但由于地质土层分布不均匀，在人工挖孔桩施工中常常会遇到许多特殊问题，处理不及时会给工程带来较大麻烦。
1． 遇到坚硬孤石而无法掘进
人工挖孔桩一旦遇到坚硬孤石而无法掘进问题非常棘手，一般在一个工程中，人工挖孔桩多数为一柱一桩，而且桩位要求准确，这基本上排除了变更设计桩位可能性。如果对岩层进行人工开凿，速度慢，工效底，劳动强度大且费用高。比较有效处理方法是采用爆破排除法，但在采用爆破排除法时需要处理好以下几个问题：爆破能量不能对现有人工挖孔井壁产生破坏；爆破能量不能对周围正在施工人工挖孔桩已完成井壁产生影响；爆破能量不能对周围已有建筑物安全使用产生影响。微差爆破法能够较好地解决好上述三个问题。
1.1微差爆破概念
在相邻炮孔中应用毫秒延时雷管，以毫秒级时差按预先设计间隔顺序起爆各个药包，由于各组钻孔起爆时间间隔很短（一般在几毫秒到几十毫秒之间），为每个药包创造了多面临空条件，使被爆岩石体内存在着利于破碎相互作用。其主要优点是可将总炸药能量分割为多数较小能量，减小对桩孔周边建筑震动影响，保护上部桩孔井壁，且爆炸后岩石石块大小均匀，大块率小，清渣容易。
1.2微差爆破法总要求
（1）爆破掘进需要分层进行，不可一次布孔过深
（2）一次装药量不宜过大，以免造成爆破能量过大对上部已成孔壁产生破坏，一般每次爆破深度控制在300~500mm。
（3）采用预裂爆破保护开挖周围岩石和孔壁稳定，起减震和保护周围岩体作用。
1.3微差爆破施工
（1）爆破准备。爆破是项非常危险工作，每次爆破之前必须首先做好安全防护工作，开设临空面，用竹脚手板或竹席覆盖井口，控制震动和飞石，将爆破震动和碎石块飞散控制在允许范围内，设置警戒线，保证施工过程中所有人员处于安全位置。
（2）布孔方式。炮孔有三种类型，即掏槽孔、辅助孔和周边孔。起爆时由于处于圆心掏槽孔首先起爆，在圆心处形成自由面，使随后起爆辅助孔、周边孔爆破破坏方向指向圆心，从而保证了桩护壁及持力层等不会受到破坏。布孔是沿桩四周均匀布置炮孔，凿孔是采用手持式气动凿岩机械人工操作，微差爆破炮眼直径一般为30~40mm，按梅花形布置（见图1）。

炮孔布孔数量、深度和最佳装药量等要根据桩井开挖直径、所爆岩石风化程度及裂隙发育等情况精确计算，并进行现场调整，以免桩孔破坏严重。
（3）施工程序见图2
第二次爆渣处理
桩底清理、检查验收
第三次爆破
第三次钻孔
第二次爆破
第二次钻孔
爆渣处理
时间间隔为20~30ms
中间孔起爆
掏槽孔、预裂孔起爆
装药布线
钻 孔
炮眼布孔位置确定
爆破准备

（4）爆破后处理及检测。爆破后要注意对现场情况进行检查，特别是要对哑炮进行排除。由于地质情况复杂性，遇到孤石并经爆破排除后桩井孔要请地质勘察单位对持力层逐个鉴定验收，并采用多种探测手段确保其下无溶洞和夹层存在。桩基工程完成后对遇到特殊地质或孤石并经处理成桩要进行桩基承载力检测。
1.4人工挖孔桩采用微差爆破法施工实例
（1）工程概况。铁新煤矿产品装车仓（2Ø18.0 m）工程，建筑体积15216m3，周围地质环境比较复杂，工程基础采用人工挖孔桩，桩径为1.2m和1.8m，桩长12m，扩大头直径1.8m和2.4m，设计要求桩底进入中风化岩层长度不少于2m。本工程地质情况比较复杂，土层中夹有大量坚硬微风化砂砾岩，砂砾岩层硬度较大，试验数据表明其抗压强度平均值达到了37.6MPa，如果采用传统空气压缩机配合风镐掘进将严重地影响工程进度，若采用爆破作业，如何保证周边原有建筑安全，以及保证人工挖孔桩护壁完整性是施工难点。工程现场采用了微差爆破技术解决了施工难题，并按照工期要求顺利完成了桩基础施工。
（2）微差爆破技术参数计算。以直径1.8m人工挖孔桩进行爆破参数选择和装药量计算，桩设计护壁厚度为100mm，爆破直径为2m。炮孔布置见图3。

① 周边孔单孔装药量计算。
周边孔数n=13个，间距460mm，排距400mm，孔深900mm，单耗2.5kg/m3。
K h(R2-r2)
n
Q周边孔=qv=
2.5×3.14×0.9×(0.952-0.552)
13
=
= 0.326kg
取0.3kg
②掏槽孔单孔装药量计算
（0.4+0.6η3）qw3
（0.4+0.6×13）×2.5×13
孔深：1m，爆破作用指数η=1，单耗2.5kg/m3，孔数n=5个。
=0.50kg
5
n
Q掏槽孔= =
式中W——最小抵抗线。
③ 辅助边孔单孔装药量计算。
孔数n=7个，间距490mm，排距350mm，孔深1m，单耗2.5kg/m3
2.5×3.14×（0.552-0.22）
单孔装药量
7
Kg =0.29kg
Q辅助孔=qv=
取0.3kg
④ 每茬爆破总装药量：
Q总=Q掏槽孔×5+Q辅助孔×7+Q周边孔×13=0.5×5+0.3×7+0.3+13=8.5kg
(3)微差爆破安全计算。
①飞石安全距离计算公式。
R飞=20KAη12W
式中R飞——飞石安全距离（m）
KA——安全系数；
η1——爆破作用指数，取1；
W——最小抵抗线。
经计算：R飞=20×1.0×12×1.0m=20m
从计算结果可知，爆破会产生个别飞石，飞石直线飞行距离可达到20m，由于爆破工作面是位于桩井内距离地面约5m以下位置，因此对飞石飞行进行水平方向分解，分解后水平距离为

通过结算可以得到，碎石分解水平飞行距离在10m以内，在爆破前对井口进行有效覆盖，就可以控制飞石飞不出井口。
② 爆破振动计算。起爆药量最大限额按下式计算：

式中 V ——被保护目标允许抗振速度，取4.0cm/s;
K ——岩石介质系数，取160；
a ——波衰减系数，取1.6；
Q ——起爆炸药量（kg）；
R ——爆源中心至目标距离。
将各参数代入上式，可以计算出安全装药量及影响半径之间关系，见表1。
表1 安全装药量及影响半径关系表
R/m
5
10
15
17
19
20
30
Q/kg
0.123
0.99
3.34
4.86
6.79
7.92
26.76
(4)微差爆破施工控制飞石现场措施。经过计算，爆破所产生碎石分解水平飞行距离在10m以内，因此，现场对爆破飞石控制主要措施是对井口进行有效覆盖。井口覆盖物主要分为两部分，一是采用钢筋网或者铁皮等将井口盖严，保证爆破飞石不能飞出井口；二是采用适当配重，如泥包等重物将井口覆盖物压住。
2．遭遇流沙地层
人工挖孔在开挖时，如遇细砂、粉砂层地质时，再加上地下水作用，极易形成流砂，严重时会发生井漏，影响施工进度，造成质量事故。针对不同流砂情况采用不同对策。
（1）从桩井开挖施工先后顺序上采取对策。人工挖孔桩在开挖过程中遇到流沙，可以先将附近无流沙桩孔挖深，使其起集水井作用。对有沙层挖桩孔集中抽水，集中开挖，并加快每次开挖速度，争取尽快穿越沙层，这样既可以降低总抽水量，又能降低对沙层扰动，避免大量水土流失。
（2）缩短每次护壁高度。将原来正常每次1m左右高护壁缩短为300～500mm，以减少沙层孔壁暴露时间，并及时进行护壁混凝土灌注。
（3）采用刚柔相济维护材料堵塞。如果流沙比较严重，会由于泥沙流走使做好护壁塌落，遇到这种情况，可采用直径大于14mm，长度在1.5m左右钢筋竖向打入沙层。现场准备一些编织袋或将干稻草编织成辫状，一边掏沙土一边用干草编织绳或编织袋堵塞泥沙，稻草具有阻挡泥沙作用，同时也能起到滤水作用，降低水压力。如果土侧压力较大，用稻草难以堵塞流沙时，可将削好1.5m长、30～50mm宽毛竹片用锤子打入沙层，缝隙用稻草填塞。毛竹片有很好韧性，同时也有一定刚度，价格又很低廉，是一种很有效围护材料，当及混凝土浇注成为一体后还能提高混凝土抗弯能力。
（4）下钢套筒。遇到流沙情况较严重时才采用下钢套筒办法。钢套筒及护壁用钢模板相似，以孔外径为直径，可分成4～6段圆弧，再加上适当肋条，相互用螺栓或钢筋环扣连接，在开挖500mm左右，即可分片将套筒装入，深入孔底不少于200mm，插入上部混凝土护壁外侧不小于500mm，装后即支模浇筑护壁混凝土，若放入套筒后流沙仍上涌，可采取突击挖出后即用混凝土封闭孔底方法，待混凝土凝结后，将孔心部位混凝土清凿以形成桩孔。
3．地下水问题
地下水是常遇到问题，它给人工挖孔桩施工带来许多困难。含水层中水在开挖时破坏了其平衡状态，使周围静态水充入桩孔内，从而影响了人工挖孔桩正常施工。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，在压力水作用下，也极易发生流砂和井漏现象。处理方法：
（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混凝土护壁，然后继续下一段施工。
（2）遇到井内水量较大，当使用水泵进行抽水也不能满足正常施工要求时，可以采用另外一种措施，调整各桩挖桩施工顺序，增加对周围桩孔抽水频率，以降低流入开挖桩孔内涌水量。合理安排挖井次序，交替循环进行各个桩孔成孔开挖施工，满足安全桩孔开挖施工需要。
（3）可在场地四周合理布置统一轻型管井降水分流，对基础平面占地较大时，也可增加降水管井排数。
（4）抽水时环境影响。有时施工周围环境特殊，一是周围基础设施等影响较多，不允许无限制抽水；二是周围有河流、沼泽等，不可能无限制达到抽水目。处理这类问题最有效方法是截断水源，封闭水路。桩孔较浅时，可用板桩封闭；桩孔较深时，用钻孔压力灌浆形成帷幕挡水，以保证在正常抽水时，达到正常开挖。
（5）根据实际情况合理安排人工挖孔桩施工顺序。在可能条件下，先施工较浅桩孔，后施工较深桩孔。因为一般桩孔愈深，施工难度相对愈大。较浅桩孔施工后，对上部土层稳定起到加固作用，也减少了深孔施工时压力。在含水层或有动水压力土层中施工，应先施工外围（或迎水部位）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，以方便其他孔位施工，保证桩孔施工速度和成孔质量。
4.钢护筒穿越淤泥质夹层土
挖孔桩在遇到流动性淤泥质土层等软弱土层时成孔方法及处理流沙层基本相同，对于淤泥层夹层土质可采用钢护筒穿越施工方法。具体可分为以下几个施工步骤：
（1）将钢板（3mm左右厚）做成筒状，钢板缝焊满，为增加钢护筒刚度，在钢护筒外壁每隔500mm做钢筋加劲箍（钢筋直径可采用14mm左右），钢护筒长度以穿越淤泥层后进入另一类土层500mm长度为准。
（2）钢护筒吊放下桩孔，校正位置和垂直度。
（3）在钢护筒上平放2~3条槽钢，在槽钢中间放一台平板振动器，并在旁边满堆沙袋做配重（配重总重量可根据淤泥层厚度考虑，配重应尽可能重一些），沙袋最好进行筒单固定，可采用及钢护筒加劲箍直径相同钢筋做钢筋笼，沙袋放在钢筋笼内，而钢筋笼竖向钢筋又刚好叉在护筒壁上。
（4）开平板振动器，在平板振动器振动和沙袋重量共同作用下，钢护筒逐渐下沉并穿越淤泥层。
（5）钢护筒下沉时注意要点。
①钢护筒在下沉过程中一定要保证垂直。
②下沉配重重量要均匀分布，即沙袋一定要均匀堆放。
③钢护筒必须一次穿越淤泥层，否则钢护筒会在淤泥层侧压力挤压作用下不能继续下沉。
5.在地下水和淤泥土层中桩身混凝土浇筑
5.1孔底积水
在抽干孔底水时，要在抽水潜水泵上装设止回阀，保证提出水泵时，不致使抽水管中残留水又流入桩孔内。
如果孔内由于地下水不断涌入而不干，将水泵提上后，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，确实无法采取抽水方法解决，桩身混凝土施工就应当采取水下浇筑施工工艺了。
5.2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问题。
6.采用冻结法处理不利土层
冻结法处理地基主要技术内容是利用人工制冷方法把土壤中水冻结成冰，形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构体来抵抗水土压力，防止桩孔壁塌陷，以保证人工开挖工作顺利进行。对于地下水位较高，淤泥和淤泥质等不利人工挖孔桩成孔地质土层，采用冻结法是一个有效地措施。对于含水量大于10%任何含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工技术，土层经过冻结能够有效隔绝地下水渗入桩井孔内。
6.1.人工挖孔桩冻结法施工主要技术内容 冻结法施工技术核心是确定冻结深度、冻结壁厚度、冻结方式、冻结孔布置、冻结需冷量计算等关键要素。
（1）冻结深度确定。为确保人工挖孔时安全，需要采用桩基全长冻结。为确保桩底冻结止水垫封水可靠，冻结深度需要超过桩底。
（2）冻结壁厚确定。冻结壁厚度可根据桩基周围地压值及冻土抗压强度按照无限长厚壁圆筒理论进行计算确定。
1）桩基周围地压计算。根据地质水文情况、土壤含水量，地压可参照地质及各种不利因素，按悬浮理论由重液公式计算：
P=r×h×A+RW
或P=1.3H
式中r=土重度（kN/m3）;
A=土侧压力系数，A=tan (45-φ/2)2
H=深度
RW=水压力
取以上两个公式计算值最大者作为最大地压。
2）冻结壁厚度计算。根据冻结壁弹塑性理论，按无限长厚壁圆筒计算冻结壁厚度为
E=R{{（au）/ [(au)-2p]}1/2-1}
式中R——冻结井壁半径；
（au）——冻土抗压强度；
E ——冻结壁厚
P ——桩基周围地压
（3）冻结方式。为确保工作面温度满足混凝土养护要求及减少冻结孔冷量损失，可采用局部冻结方式。
（4）冻结孔布置。根据桩基开挖时孔径及冻结壁厚度要求，将冻结孔布置成圆筒状，共分为外圈、中圈和内圈三种，其中外圈孔为主排孔，中圈及内圈孔为桩内封底孔。现场为了掌握实际冻结效果，需要布置测温孔，测温孔应视现场情况布置在冻结有效发展范围内，并尽量布在间距最大冻结孔附近。
（5）冻结需冷量计算。考虑施工期地区气候条件，总需冷量为
Q=1.15nsHq
式中 n——冷冻管根数；
S——冷冻管直径；
H——冷冻深度；
q——冷冻管吸冷量；
6.2 施工工艺流程 根据冷冻法施工要求，制定冷冻法人工挖孔施工工艺流程如下：
1）冻结孔施工（包括冻结打钻及冷冻管安装）。
2）冷冻平台搭设，冷冻机组安装调试。
3）冷冻管道安装并开始进行冷冻期冷冻。
4）桩孔开挖并维持冷冻。
5）下放钢筋笼并停止冷冻。
6）浇筑桩基混凝土。
7）成桩。
6.3 施工监测 为了随时了解冷冻法施工效果，施工过程中应进行以下几个方面检测；
1）冻结制冷系统检测，主要包括盐水温度、压力、运转效率等几个方面，根据检测结果，随时调整指标，以满足冻结需要。
2）测温孔测温记录，及时掌握冻结发展情况。
3）桩孔开挖后，及时检测冻结壁变形情况，要求冻结壁变形量不大于5mm，如出现意外情况，必须及时施加临时支护井圈背板。
4）桩基混凝土浇筑后，利用浇筑混凝土前在桩内埋设温度传感器，检测混凝土养护温度，并及时绘制温度变化曲线，着重检测孔壁和桩底等位置。
5）在承台施工前，对桩基混凝土进行钻芯取样，根据钻芯取样结果最终判定冻结法施工桩基混凝土质量。
6.4 冻结法人工挖孔法施工特点
1）冻结法施工技术是利用人工制冷方法把土壤中水冻结成冰形成冻土帷幕，用人工冻土帷幕结构来抵抗水土压力，以保证人工开挖工作顺利进行。
2）采用冻结法将土壤冻结后可有效隔绝地下水入侵，其抗渗透性是其他任何方法不能想比，对于含水量大于10%任何含水、松散、不稳定地层均可采用冻结法施工技术。
3）冻土帷幕形状和强度可视施工现场条件、地质条件灵活布置和调整，冻土强度可达5~10MPa，能有效提高工效。
4）冻结法施工对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪声小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构。
5）冻结法施工用于桩基施工或其他工艺平行作业，能有效缩短施工工期。
6）采用冻结法施工，桩井侧壁不需下沉钢护筒，降低了施工难度，而且能有效地隔绝地下水，实现干作业。
7. 人工挖孔桩混凝土质量缺陷修复
人工挖孔桩桩身混凝土密实性，是保证混凝土达到设计要求强度必要条件。但由于在桩身混凝土浇筑施工过程中会遇到许多意想不到麻烦，诸如遇到地下水、流沙、淤泥质等不利土层；施工过程中对混凝土水灰比控制不严；混凝土离析问题；混凝土在连续浇注过程中由于城市交通原因引起浇筑中断等等，这些原因都会造成桩身混凝土出现质量缺陷。
为保证桩身混凝土浇筑密实性，在混凝土施工过程中除了注意采用串溜筒下料及分层振捣浇筑、控制浇筑速度、在有地下压力水情况时，集中足够混凝土短时间浇入，以便领先混凝土自身重量压住水流渗入等等措施之外，对于已经浇筑完成桩出现了混凝土质量缺陷，一般应视桩身混凝土缺陷位置相对于基坑底标高深度不同而采取相应处理办法。
7.1 桩身混凝土缺陷位置相对于基坑底标高深度较浅
所谓桩身混凝土缺陷位置相对于基坑底标高深度较浅是指桩身混凝土缺陷位置至基坑土方开挖设计底标高垂直距离在3~4m内。如果土层土质优良，这个距离可以大一些，如果土质差，这个距离可能还会小些。
只要能沿着桩身向下开挖土方，可以将缺陷混凝土暴露出来，并保证能有工作面对有缺陷桩身混凝土进行凿除，然后重新浇筑混凝土进行接桩处理，这种处理方法是比较有效和简易。
对缺陷桩身混凝土施工时要注意几点：
1）对原桩身混凝土表面要做凿毛，在浇注混凝土前应涂刷结合剂，保证新老混凝土结合质量。
2）接桩采用混凝土强度等级要比原设计桩身混凝土高一个等级。
3）接桩施工尽量迅速，在新浇混凝土内适量掺加早强剂（水泥用量2%左右）。
7.2 桩身混凝土缺陷位置相对于基坑底标高深度较深
实际上只要遇到不利土层，沿着桩身向下开挖土方后会造成边坡塌方，现场条件不能确保有工作面进行混凝土凿除和接桩施工均属这类情况。如果不考虑补桩或在上部结构上增加措施等方法，单就处理桩身混凝土缺陷方法而言，可采取高压注浆补强方法对桩身混凝土缺陷进行补强。
（1）高压注浆补强方法，即采用风钻沿桩身垂直钻孔，穿越离析层，然后以高压注浆添补离析层空间。对桩身混凝土进行高压注浆需要事前确定以下几个方面问题。
1）钻孔位置确定。一根桩截面上一般要设三个注浆孔位，三孔按圆内正三角形布位，每个孔距离圆周边垂直距离为0.5R，（R为圆半径）。

2）高压注浆钻孔孔径。为了降低后钻孔对原结构影响，钻孔孔径不能太大，但为了保证水泥浆能畅通地进入桩体缺陷层，同时要便于施工操作中注浆管插入和进行注浆，钻孔孔径又不能太小。如果选择注浆管直径为25mm，则钻孔直径应该比注浆管直径大5mm，既采用30mm钻头。
3）钻孔深度确定。钻进深度以穿越离析层500mm为准。
4）水泥浆及外加剂。为保证高压注浆能达到加固补强效果，水泥浆水灰比要求及原混凝土水灰比相同。为了降低水化热影响和减小水泥浆收缩，在水泥浆内需要掺加膨胀剂，使注浆材料能充满填实所有缝隙。
（2）高压注浆施工工艺。
1）钻孔。在桩顶按设计弹线定出三个钻空位置，并在确定钻孔位置上进行钻孔，钻进过程中控制好钻孔垂直度和钻孔深度。
2）清理孔道。当三个钻孔均钻至设计标高，在每个孔道内插入吹气管，用高压气泵逐一对每个钻孔进行浮尘吹净工作。浮尘吹净工作结束后用25mm镀锌钢管插入孔内，注入清水进行孔道水洗。
清理孔道工作可以从另一个侧面验证桩身离析层存在，因为在对孔道水洗过程中能够发现三个孔道在混凝土离析层处是相互贯通，从一个孔道中注入清水能够从另外二个孔冒出。
3）注浆
①注浆管长度按离析层深度配置，注浆管直径为25mm。在注浆管一端攻出螺纹，在另一端1m范围内均匀地钻出呈梅花状分布小孔，小孔直径为5mm。
②安装注浆设备，在每个孔中分别插入相应长度注浆管，带有梅花孔一端放在下面，注浆管必须插入伸到孔底，以确保注浆密实性。
③加入注浆。首先，将其中一根注浆管连接到注浆泵上，开始时先慢慢注入。待发现有水泥浆从本孔和另外两个注浆管内冒出来时暂停注浆，采用止浆布封堵本孔口。止浆布是用一个特制帆布做成，当止浆布遇水后会发生膨胀。同时对另外两个注浆管加上堵头，然后继续进行持续加压注浆，直至压力达到0.5MPa时，停止加压，持续分钟数，到压力不再减小后停止注浆。
然后，拆下注浆泵，接到另外一个注浆管上，并对刚才注浆完成管口进行封堵，同样再加压注浆。直至压力达到0.5MPa并持续至压力不再减小时停止。
依次，对第三个注浆管进行注浆。
等待90min后，再进行二次注浆，压力同样是0.5MPa，保持压力5min后停止注浆，待60min后，拔出注浆管，并将管孔注满。
以上是人工挖孔桩施工中，遇到特殊问题处理措施和施工实践总结，仅供业内技术人员参考，为今后类似特殊问题解决提供了借鉴经验，如有不妥之处敬请同行不吝指正。
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