建筑设计论文：沪蓉西高速公路水南特大桥百米人工挖孔桩施工技术

所属栏目：建筑设计论文
发布时间：2011-02-26 14:37:21 更新时间：2022-04-19 14:13:21

　　沪蓉西高速公路水南特大桥百米人工挖孔桩施工技术

　　胡喜峰

　　中铁五局集团二公司

　　摘要本文通过对沪蓉西高速公路某桥岩溶地质条件下的百米人工挖孔桩成功经验的介绍，对超深人工挖孔桩的适用条件、安全技术措施及应用前景进行了分析。

　　关键词挖孔桩岩溶地质100m深孔安全技术措施

　　1前言

　　近二十年来，我国桥梁建设飞速发展，钻(挖)孔灌注桩在桥梁基础工程方面得到了广泛的应用。由于人工挖孔桩施工存在较大的危险性，《公路工程安全技术规程》规定人工挖孔桩深度不宜超过15m，在工程实践中超过30m深的挖孔桩占的比例已很小了，大部分均采用机械钻孔。

　　2工程概况

　　湖北沪蓉西高速公路第17合同段水南特大桥8号墩地质条件复杂，基岩受到断裂破坏以及岩溶的多重作用，尤其是右8号墩处在F1主断层和F3次级断层的交接部位，岩石破碎、岩溶尤为强烈，发育成古岩漏斗，桩身上部地层为碎石土、强风化碳质页岩，钻到地面以下70m左右进入强岩溶化灰岩层，95m左右进入弱风化灰岩层。由于存在岩溶漏斗，采用机械钻孔施工时出现泥浆漏失、孔壁坍塌，始终无法成孔。故变更设计为人工挖孔灌注桩，全墩共设4根嵌岩桩，桩径为3.0m，有效桩长98m，实际开挖成孔深度100.5m。桩身混凝土标号为C30，桩身钢筋笼长度为93.3m，上端嵌入承台1.3m，自桩顶往下92m配筋，桩身下部6m范围为素混凝土。

　　3施工总体方案

　　在孔位处采用人工配合简易机械分节开挖，并分节施作钢筋混凝土护壁，直到桩底设计标高，成孔后用汽车吊分节安装桩身钢筋笼，相邻两节钢筋笼竖向连接为直螺纹接头，再以水下混凝土配合比采用导管干法灌注桩身混凝土，自桩顶往下0~15m范围桩身混凝土采用机械振捣成桩。

　　4施工方法

　　4.1施工准备：

　　包括场地平整硬化、测量放样、搭设工棚、挖排水沟、安装搅拌机、修建水泥库、材料准备、安装空压机和备用发电机、首节锁口护壁浇筑、提升设备安装等。

　　4.2挖孔施工：

　　群桩可以错开一定深度同时开挖，土层地段采用人工开挖，石质地层采用爆破开挖，分节开挖、分节护壁，每节开挖深度为1m。在每节护壁上设十字控制点，吊线锤做中心线，用水平尺杆确定桩径。孔内出碴采用铁锹装入提碴桶，电动提升设备提升至地面后，再翻碴至手推车内运到工棚外的临时弃碴坑归堆，待碴土方量达到30立方米后，再用挖掘机配合汽车远运至弃土场。提碴筒为翻转式吊筒，采用内径0.8m、高0.7m的钢制(3mm厚钢板制成)圆柱筒，每次装0.6m高，上面加盖并用插销锁死。

　　4.3孔内施工排水与通风

　　当孔内出现地下水时，可在孔内挖一深度为30～50cm的集水坑，一直超前进行排水，孔深50m以内采用中低扬程潜水泵抽水，孔深超过50m采用扬程120m的高扬程潜水泵抽水，并在地表做好沉淀池及排水沟、集水井等排水设施。当桩孔内地下水发育，渗透水量大，单纯采用机械抽水无法达到排水要求时，可在桩孔四周斜向下打入超前注浆钢花管，注入双液水泥浆(水泥+水玻璃)进行注浆止水，或采用孔外井点降水的方式，减小地下水渗透量，再用机械抽排法进行排水。孔深超过10m时，必须增设通风设备，采用15kw通风机，通风管采用φ60cm帆布风管。

　　4.4护壁施工

　　桩孔护壁既是人工挖孔的安全支护措施，又是保证桩基成孔质量的措施，要求有足够的强度、刚度和稳定性，护壁混凝土标号、护壁厚度及配筋应根据地质条件、开挖桩径、单节护壁高度、挖孔深度等计算确定。挖孔施工过程中，在地质软弱地层或挖孔深度超过30米以上的桩孔护壁上，应设监控量测点，用收敛仪对桩孔护壁的周边收敛变形进行定时量测，及时进行数据分析，如遇变形量大、变形量在较长时间内不能趋于稳定、护壁混凝土表面开裂等现象，则应增大护壁厚度、加强配筋，并对变形超标(施工中允许变形量以桩径的1/200进行控制)的护壁节段采用打入径向锚杆、注入水泥浆等措施进行加固。护壁形状一般设计成上口宽、下口窄的倒梯形，护壁采用内撑式标准组合钢模浇筑，护壁砼采用JZC350自落式搅拌机现场拌合，混凝土装入吊斗，利用提碴卷扬机下放吊斗入模，插入式振捣棒捣固，每节护壁分三层对称浇筑完成，每层浇筑厚度30~35cm。钢筋采用机械切割、弯制，加工成三块钢筋网片，用提碴卷扬机整体吊装入孔，在孔内将三块钢筋网片绑扎连成整体。安装护壁模板时，必须用四个桩心控制点来校正模板位置，并设专人严格校核中心位置及孔壁厚度。第一节护壁完成后，重新定位孔中心，挖土、支模、现浇护壁砼。如此循环，一直挖至基底设计标高。

　　4.5孔底处理

　　挖孔达到设计深度后，把孔底的松渣、浮土、护壁污泥、淤泥、沉淀等扰动过的软层全部清理掉;对孔底标高、形状尺寸、岩性、入岩深度等进行检验合格后迅速封底。

　　4.6桩身钢筋笼制作与安装

　　桩身钢筋笼采用地表分节预制，每个节段长9~12m(依进场主筋定尺长度而定)，节段接头处的加劲筋应加焊内米字撑，以改善吊装时的受力条件，防止变形;预制完后在节段接头的主筋上做好相应对接标识，然后逐节拆断，编号保存。钢筋笼在加工场制作好后，转运至墩位吊上平台，再用汽车吊往孔内吊放钢筋笼。由于桩孔较深，汽车吊的吊距有限，故采用两台汽车吊交替换绳的方法吊放钢筋笼。1号钢筋笼吊放到位后，按一定间距焊上固定钢筋与护壁预埋铁件焊在一起，起固定钢筋笼位置、保证钢筋保护层厚度的作用。1号钢筋笼固定好后，再吊放、固定2号钢筋笼，并与1号钢筋笼用直螺纹接头连接，如此依次吊放、连接、固定直到桩身钢筋笼全部安装完成。

　　4.7桩身混凝土制备、灌筑

　　桩身混凝土在拌和站集中拌制，混凝土罐车运输，用导管法灌注。考虑到孔内操作人员的安全及孔桩通过强岩溶地层容易漏水的特殊情况，孔桩混凝土按照水下混凝土的标准(坍落度为18～22cm)进行配合比设计，通过导管内混凝土柱的冲击使混凝土密实，当混凝土灌注至距离孔口15m时，由于导管内混凝土柱的冲击力减小，采用插入式振动器振捣，直至桩顶。因桩顶有浮浆，故桩顶应超灌0.3m，砼凝固后将浮浆层凿除以保证与上部承台连接良好。

　　5安全保证措施

　　5.1防止不良地质引起塌孔的措施：

　　(1)由于地质条件复杂、挖孔深度大，钢筋混凝土护壁厚度及配筋设计应通过设计检算确定，护壁混凝土施工应掺加早强剂。

　　(2)如孔位地下水较为丰富，孔内有渗水，则应及时用水泵将水抽干;若孔内渗水较大，孔内抽水困难时，还应采取孔外降水、孔内注浆止水的措施。通过降、排水措施可以保持土质干爽，减少护壁土压力。

　　(3)加强对孔壁稳定性的检查，每班作业人员下孔前应仔细检查孔壁有无开裂变形等现象，如有异常应分析原因，采取加固措施后方可继续挖孔作业。不良地质地层还应对护壁变形进行定时监测分析。

　　(4)一孔进行爆破作业时，相邻孔的挖孔人员应停止作业，并撤出井孔;爆破作业时应配备安全防护人员，加强安全警戒。

　　(5)为防止护壁下滑，在渗水较大、孔周摩阻系数较小的地层内开挖时增设径向锚杆支撑。

　　5.2防止孔内通风不畅的措施

　　(1)每班挖孔人员下孔作业前，应先启动通风设备将孔内空气排出更换。

　　(2)二氧化碳含量超过0.3%，或含量虽不超过规定，但作业人员有呼吸不适感觉时，则采取强通风或换班作业。

　　(3)本桥孔桩施工采用强制式通风设备向孔内送风，挖孔深度超过10m时，只要孔内有人作业，则必须不间断送风。在使用风镐凿岩时，应加大送风量，并应采用湿式作业法，加强通风防尘、保护作业人员安全。

　　(4)每次爆破后，必须对孔内进行通风排烟，通风时间以保证孔内空气新鲜为准。

　　5.3防止孔内掉物的措施

　　(1)孔内出碴采用电动卷扬机，设备操作人员应相对固定，并应通过培训，试用合格后方可上岗。

　　(2)卷扬机具基座采用C20混凝土浇筑，且应在基座混凝土达到设计强度后卷扬机方可投入使用。

　　(3)每班作业前应对电动卷扬机的吊杆、钢丝绳进行全面检查，发现吊杆变形、钢丝绳起毛、断丝等现象应暂停作业，更换后再恢复作业。

　　(4)孔口2.0m内不得乱堆放机具、小型工具及弃渣。

　　(5)在孔口用钢筋网片设置第一道防护遮挡屏障，预留出碴作业通道，其下挂置安全网。

　　(6)在孔里距离孔底3～5m的位置应设置遮挡屏障(采用5mm厚钢板与护壁连接牢固)，取土吊斗升降时，挖土人员在遮挡屏障下面停止开挖，同时设置应急爬梯，以保证紧急情况下施工人员能到屏障上暂时躲避;根据施工进度，在适当距离设置第三层遮挡屏障。

　　(7)提碴筒采用内径0.8m、高0.7m的钢制(3mm厚钢板制成)圆柱筒;提碴桶采用自动翻转式吊桶，并设有防止吊桶翻转的安全装置;提碴吊桶上设护顶盖，保证吊桶内的碴土不往外掉;提升钢丝绳应与吊桶连接牢固，保证在升降时不致脱钩。

　　(8)提升设备采用带安全装置的1T电动卷扬机，并设保险装置或保护措施：①防止过卷措施：当提碴桶超过正常终端停止位置0.5m时，必须能自动断电，并使保险阀发生作用。②防止过速措施：对卷扬机进行选型，选取中慢速卷扬机，型号：JK1型，提升速度在22～27m/min。③欠电压保护措施：当工业用电电压不稳定时，从发电房牵专线到工地。④防摆、防撞保护措施：为了防止吊桶在提升和下放过程中旋转或碰撞护壁，起吊用钢丝绳采用不旋转的钢丝绳，另在出碴筒提起时孔内操作人员稳定出碴筒再继续往上提升。

　　(9)提升设备钢丝绳直径通过计算取用，安全系数取为12～14。

　　5.4防止孔口掉人掉物的措施

　　(1)孔口护壁应高出地面50cm以上，并在护壁上设高1.0m的钢筋围栏。

　　(2)孔口作业人员应系安全绳，并拴在牢固物体上。

　　(3)孔口应设安全警示标志，夜间作业应设红色警示灯，提示过路行人及施工车辆注意。

　　(4)孔内暂停施工时，应在孔口加设护盖，并固定良好。

　　5.5人员上下安全措施

　　(1)人员上下利用电动卷扬机作为提升设备，以专门加工的吊笼作为人员上下工具。吊笼大小：70cm*70cm*100cm，吊笼周边用L63角钢固定，吊笼周围用φ16的圆钢按20cm的间距焊接，底部满铺木板并捆扎牢稳。

　　(2)提升设备用的钢丝绳做普通载物设备时安全系数为5～7，为了人员上下安全将安全系数提高到14，同时乘提升设备上下的人员必须栓安全绳。

　　(3)运送人员的速度不得超过1m/s。

　　(4)升降人员前，应先开一次空车，以检查卷扬机的动作情况，但连续运转时，可不受此限。

　　5.6保证孔内外正常通信措施

　　经与专业厂家联系，孔内外通信采用手摇式有线提包机和对讲机双重保险，保证正常的施工联络及遇险时的通讯。

　　5.7防止孔内中毒措施

　　(1)当桩孔开挖深度超过5m时，每日开工前应进行有毒气体的检测，检测方法为：A、使用瓦斯检测仪检测瓦斯或其他有毒气体是否超标(瓦斯含量应在0.5%以下);B、用吊笼把小动物放到桩孔底进行活体实验，过30分钟后把小动物吊出桩孔，通过观察动物的生理反应，判断桩孔内有否毒气。

　　(2)当检测出孔内有害气体含量超标，应向孔内集中送风，使孔内有害气体排出，经复检达标后才准下人。

　　(3)现场应准备防毒面具、氧气瓶等抢险物资，当孔底出现人员中毒晕厥，施救人员应佩戴防毒面具下孔抢救。

　　5.8桩身钢筋混凝土施工安全措施

　　(1)对钢筋笼吊放相关受力进行检算，包括孔口横抬梁受力检算、加强箍筋的抗剪检算。

　　(2)钢筋笼严格按设计图每隔2m设加劲筋圈，并注意控制焊接质量，并加米字内撑，确保钢筋笼的刚度。

　　(3)在灌注桩身混凝土时，应将导管放置在桩孔中心位置，并在孔口设平面定位管卡，确保导管上拔时不挂到钢筋笼上。

　　5.9停电预防措施

　　(1)加强与地方供电部门的联系，当主线因故停电前预先告之项目部，项目部及时通知工区作好应急准备工作。

　　(2)挖桩现场配备75KW柴油发电机一台，作为备用电源，当主线停电时启用柴油发电机供电。

　　(3)每个孔内配备应急灯一台，当发生停电时，作孔内临时照明用。

　　(4)对挖孔作业人员进行岗前教育时，应说明突然停电时不应惊慌，要与地面人员积极联络，沉着应对。

　　(5)发生突然停电时，现场施工管理人员应保持与孔内作业人员的联系，稳定孔内作业人员的情绪，并在10～15分钟内启用备用发电机供电。

　　5.10其它安全保证措施

　　(1)井下作业人员应配备必要的劳保用品，严禁在孔内吸烟。

　　(2)作业人员不得在班前、班中饮酒。

　　(3)有高血压、恐高症病史的人员不宜安排在孔口和孔内作业。

　　(4)每班作业时间控制在4小时为宜，如超过4小时，孔内外作业人员应进行替换作业。尽量不安排在深夜进行孔内作业，作业时间不超过当晚12点。

　　(5)加强安全交底工作，由安全技术人员向每个作业人员交底，每个作业人员均应知晓作业中存在的危险因素及防范措施，知晓安全操作规程。

　　(6)加强现场安全检查，配备专职安全员，负责现场安全指挥、检查和监督，并负责班前检查设备、用具等是否存在安全隐患、各种安全措施是否落实到位，班中检查作业人员是否按安全操作规程作业，同时作好检查记录。

　　(7)孔内必须保证有足够的照明。

　　(8)作业区四周设围护设施，用钢管搭设作业工棚，预留出碴作业通道和安全通道，安装夜用红色安全警示灯，工作下班后封闭预留通道，无关人员不得进入作业区。

　　(9)挖孔作业暂停时，孔口必须严密罩盖。

　　(10)当工作面附近或井筒未衬砌部分发现有落石、护壁变形或出现涌水时，孔内人员应立即撤除，并报告进行处理。

　　(11)提升用的钢丝绳必须每天检查一次，检查钢丝绳磨损及外层松动情况、挂环是否有裂纹、卡扣是否松动等，钢丝绳每隔3个月实验一次。

　　(12)提升用的卷扬机、空压机等特种设备必须通过当地技术监督部门的检验检测，合格后方可投入使用。

　　(13)为准确掌握孔内作业情况，当孔深超过50m时增设监控录像设施，对孔内施工过程进行全程适时监控。

　　6实际施工效果

　　该墩桩基采用本工法进行施工，在施工安全、质量、进度方面均取得了较好的效果。施工安全方面，该墩挖孔桩严格按本工法实施，安全方案措施制定、现场安全管理均很到位，整个施工过程中未发生任何一起安全事故。质量方面，采用本工法施工，桩基开挖成孔质量、桩身混凝土灌筑质量均得到很好保证，成桩后用超声波探测检验，四根桩的检测结果均为I类优质桩。施工进度方面，该墩四根挖孔桩从2005年8月25日开始施工，2006年1月10日挖孔完毕，2月20日开始第一根桩桩身混凝土灌注，3月8日桩身混凝土灌注完成，扣除春节及雨雪冬休时间20天，实际工期为175天，单桩平均施工时间为44天，达到了预期的施工计划目标。

　　7人工挖孔桩的优缺点

　　(1)人工挖孔桩以人工作作业为主，机具配置、施工工艺均较为简单，较易掌握。

　　(2)可以多根桩平行作业、同时开挖，特别是对群桩基础可以缩短总的施工时间。机械钻孔一般不允许相邻两根桩同时作业。

　　(3)采用人工挖孔施工，可以较好地保证成孔、成桩质量。机械钻孔施工过程中容易发生卡钻、掉钻、坍孔、缩孔等问题，处理起来较困难，严重时会造成质量事故。

　　(4)人工挖孔桩施工需进行孔内作业，危险源较多，施工安全风险较大。

　　8人工挖孔桩的应用前景

　　随着我国山区高速公路的大量修建，受地形地质条件的约束，有些桥梁桩基采用机械钻孔成孔困难。特别我国喀斯特地貌发育较广，在岩溶地质发育区、岩溶漏斗区，采用钻孔桩易发生泥浆漏失而无法成孔，人工挖孔桩便成为相对较好的一种选择方案。但人工挖孔桩要求桩孔内地下水位宜低于桩底设计标高，或孔内虽有地下水但水量不超过1L/s(采用高扬程潜水泵可以较快地抽排水)。水南特大桥的100米人工挖孔桩的施工实践表明，只要在人工挖孔安全技术措施的制定、落实及监控管理方面加强控制，100米左右的大直径桩完全可以采用挖孔施工。