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冬奥老场馆改造中新增人工挖孔桩施工的应用探究

发表时间：2020/11/23 来源：《基层建设》2020年第22期作者：吕玉圣程占玉慎旭双苏阵江蓝杭焜

[导读] 摘要：某冬奥工程项目主体结构为1968年建，于2018年改造中对其新增人工挖孔桩施工。

        中国建筑第八工程局有限公司上海 200120
        摘要：某冬奥工程项目主体结构为1968年建，于2018年改造中对其新增人工挖孔桩施工。基于施工危险系数大、施工难度高，如今人工挖孔桩的应用已淡出桩基施工范围。本改扩建项目中新增人工挖孔桩施工。本文主要围绕既有建筑改造过程中新增人工挖孔桩施工进行论述。
        关键词：人工挖孔桩；施工
        一、引言
        随着建筑功能需求多样化，功能建筑的使用需求增加，市区规划用地紧缺以及对原有文物建筑的保护，对一些原有建筑的改造扩建项目也逐步出现在人们视线中。其中就包括体育场馆改扩建的项目，这类项目管线错综复杂，路由变化多样化，使用功能的增加的情况对改建施工增加了一定的难度。在改扩建复杂的施工环境下新增人工挖孔桩，既能保证施工安全的同时，又要满足施工质量的要求。本文对此类特殊环境下人工挖孔桩施工做出相应阐述。
        二、工程概况
        某项目为既有体育场馆改扩建工程，坐落在北京市，该场馆始建于1968年，建筑面积约为45406平方米，其中地上38842平方米，地下6564平方米，建筑高度27.46m，地上5层（局部6层），地下1层，东西长112m，南北长107m。现应业主要求需对本建筑进行改造升级，涉及到原部分混凝土结构拆除。
        原主体结构为框架结构，基础为桩基+柱下独立基础形式，均为1968年施工。老馆基础采用桩基，桩尖打入砂卵石层内不小于50cm，贯入度需满足20锤1厘米（锤重1.2t，落距1.5m）。新增人工挖孔桩是在原桩间位置，根据设计图纸，新增8根人工挖孔桩，桩径0.8m，桩长10m。

        图1 体育场馆外观图
        三、新增人工挖孔桩施工方案
        （一）地层岩性及分布特征
        根据现场勘察及室内土工试验成果，将本次勘探深度范围内（最深38.50m）的地层，按其成因年代划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类，并按地层岩性及其物理力学指标划分为6个大层及亚层，现简述如下。
        表层为一般厚度约2.0m~5.1m的人工堆积之黏质粉土素填土、粉质黏土素填土①层，房渣土、碎石填土①1层，细砂素填土、中砂素填土①2层。
        人工堆积层以下为第四纪沉积的砂质粉土、黏质粉土②层，细砂、粉砂②1层，粉质黏土、重粉质黏土②2层及有机质黏土、有机质重粉质黏土②3层；圆砾、卵石③层及细砂③1层；卵石、圆砾④层；卵石、圆砾⑤层，中砂、细砂⑤1层，粉质黏土、黏质粉土⑤2层及重粉质黏土、黏土⑤3层；卵石、圆砾⑥层，细砂、中砂⑥1层，粉质黏土、黏质粉土⑥2层，黏土、重粉质黏土⑥3层及黏质粉土、砂质粉土⑥4层。
        有关上述地层的空间分布情况、特征综述和室内土工试验与原位测试指标的综合统计结果，详见地勘报告。
        1.勘察期间实测地下水位
        勘探期间（2018年4月下旬及5月上旬）于钻孔内（35m深度范围）实测到1层地下水，地下水类型为潜水，其稳定标高为23.48m~24.07m（埋深为26.30m~26.90m）。
        2.历史高水位
        拟建场区1959年最高地下水位接近自然地面，近3～5年最高地下水位标高为44.80m左右。
        3.地下水的腐蚀性评价
        本次现场勘察期间于南长河取地表水试样1件，于11#、16#、32#钻孔中采取地下水试样各1件，并进行了水质分析试验（试验结果详见所附“水质分析报告”）。根据水质分析结果，依据《岩土工程勘察规范》（GB 50021－2001）（2009年版）的有关规定综合评价：拟建场地本次揭露的地下水及南长河河水水质对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀性。
        （二）人工挖孔桩施工工艺
        2.1施工工艺流程

        2.2人工挖孔桩施工技术要求
        1.测量放线与定桩位
        放出桩位中心线用白灰做好标记并进行复核，以桩孔中心为圆心，以桩的设计半径加护壁厚度为半径，即500mm，画出桩的开挖轮廓线并撒白灰标示。
        第一节护壁完成后在护壁上用红油漆划出相互垂直的两条桩位控制线，灌注桩成孔过程中，在井口十字线中心吊线锤控制桩身垂直度。
        人工挖孔灌注桩分别位于16轴交21轴、16轴交22轴、16轴交26轴、16轴交31轴、16轴交35轴、16轴交36轴、3轴交21轴、3轴交22轴、3轴交35轴、3轴交36轴，共计10根桩。

        图桩局部平面图
        2.混凝土护壁
        混凝土护壁形式选用外齿式，混凝土强度等级C20，护壁厚度为100mm，第一段护壁高出地面200mm，以便于挡水和定位，每段护壁模板由4块活动定型钢模板组合而成。上下两节护壁搭接长度不小于50mm。。
        挖第一节桩孔土方后，绑扎第一节护壁钢筋网φ6.5@200×200mm环向和竖向钢筋，然后支设模板，护壁模板支设完成后浇注护壁混凝土，护壁混凝土采用现场搅拌，用钢筋插捣和敲击模板的方法振密混凝土。每段护壁均在当日连续施工完毕。护壁做法见下图。

        图护壁做法图
        3.挖孔
        灌注桩成孔采取分段开挖法，分段高度取1.0m。挖土由人工自上而下逐段用镐、锹进行。挖土应分层进行，每层先挖中间部分后挖周边，并与护壁施工紧密配合。成孔后立即浇灌混凝土。
        土方垂直运输采用在孔口支三脚架，用手摇辘轳提升装土容器的方法。钢丝绳选用直径Φ5mm，施工中时常检查钢丝绳质量，确保安全。
        待上节护壁施工完毕3天后拆模，发现混凝土有蜂窝情况时，立即补强，补强后方开挖下段土方，如此循环直到挖到设计要求孔深。挖孔过程中吊线锤检查成孔的垂直度，每个桩成孔后，挖孔人员先进行自检，合格后再交质检员验收。
        灌注桩底部采用扩大头直径为1200mm，高度为800mm，开挖至设计标高位置后，孔底清理干净虚土。具体见下图。

        图人工挖孔示意图
        2.3钢筋笼制作和吊放
        （1）钢筋笼制作按设计要求及《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）中第6.2.6有关规定进行。
        （2）钢筋笼在现场制作，钢材进场时按各种规格分开摆放。钢筋使用前保证钢筋表面清洁、平直，盘筋或弯筋必须冷拉调直。
        （3）钢筋级别、规格、根数、尺寸、位置均应严格按图纸要求进行，不得有松脱、开焊。
        （4）主筋接头采用搭接焊，箍筋接头采用单面搭接焊，焊接长度不小于10d。
        （5）主筋接头在同一截面上不大于50%，接头间距大于500mm。
        （6）钢筋笼搬运时防止扭转、弯曲。
        （7）钢筋笼采用分节制作，分节长度为2m~2.5m，根据地下室的高度进行确定，钢筋笼制作完成后在孔口进行对接，主筋采用单面或双面搭接焊。焊接长度满足规范要求。钢筋笼主筋为8根直径16mm（HRB400）钢筋，箍筋为Ф10@150mm（200），加强筋为Ф14@2000mm。

        图钢筋配筋图
        2.4混凝土灌注
        ⑴灌注混凝土前测量孔内虚土厚度，超过要求时进行清理。
        ⑵桩身混凝土灌注采用干孔连续灌注，混凝土宜采用插入式振捣棒振捣密实。
        ⑶灌注混凝土分层连续进行，分层灌注桩身，顶部5m捣实，直至桩顶。
        ⑷混凝土在初凝前抹压平整，以避免出现塑性收缩裂缝或环向干缩裂缝。混凝土初凝后，桩顶覆土掩盖并洒水养护。
        ⑸灌注过程中认真做好各项记录，记录要完整、准确、及时。
        ⑹灌注中断时间较长时，立即清洗混凝土搅拌设备及灌注设备，保持其清洁和完好。
        （7）灌注桩混凝土强度检验的试件在施工现场随机抽取。来自同一搅拌站的混凝土，每浇筑50m3必须留置1组试件，当混凝土浇筑量不足50m3时，每连续浇筑12h必须至少留置1组试件。对单柱单桩，每根桩至少留置1组试件，本工程每根桩留置1组试件。
        2.5特殊情况处理
        1）.当挖孔遇到上层滞水时采用如下两种措施：①在护壁混凝土拌合时掺加适量速凝剂，加快混凝土凝结速度，速凝剂型号为安徽巢湖，掺量为水泥用量的3％～5％，即1袋水泥掺加1.5Kg速凝剂，同时护壁加厚10cm。②采用边人挖边降水的方法。具体办法为：挖孔过程中出现渗水后，在水线以上的混凝土护壁施工完毕12小时后，再向下挖一节护壁高度，挖孔人员撤离等待周围孔壁渗水，渗水稳定后下小型抽水机抽地下水，排完水后再进行护壁施工，如此循环下挖，达到设计深度。
        2）.遇到砂层或砂卵石层塌孔现象采取如下措施：一次开挖深度减小为0.5m，每板护壁高度为50cm；沿孔壁打入竖向钢筋，然后开挖。
        （三）人工挖孔桩实验方案
        本工程采用人工挖孔灌注桩，桩端持力层采用卵石层，根据规范和设计要求需进行桩身完整性检测及深层水平静载荷试验，桩身完整性检测采用低应变进行完整性检测，抽检数量不少于总桩数的20%，且不少于10根，每根柱子承台下的桩抽检数量不少于1根，本工程检测数量为10根。采用深层平板载荷试验为总桩数的1%，且不少于3个点，当总桩数少于50根时，不应少于2根，本工程选取2根。
        3.1试验流程

        3.2检测试验方案
        1、低应变试验
        采用低应变试验检测桩身结构完整性，检测采用反射波法，仪器采用桩身完整性动测仪。
        2、深层平板载荷试验
        试验采用护壁-横梁反力装置，由液压千斤顶分级加载，压力由0.4级压力表测定，压板为直径80cm的圆形钢板。沉降由两只综合精度为0.3%的位移计测定，由SP-4A位移数显仪自动采集。静载试验装罝示意图见下图。

        图   深层平板静载荷试验示意图
        当试验面不平整时应在试验而上铺一层厚度不超过20mm的中粗砂并找平，将承压板平罝轻放在试验面上，（承压板的中心应与试验面的中心线重合），再将千斤顶放在承压板上（千斤顶的轴心应与承历板、试验柱的中心线重合）。
        将主梁放罝在主梁支架上（主梁的中心应与千斤顶的轴线重合），主梁的两端放罝在井壁护璧底端，主梁的安装必须保证水平并且与千斤顶应保留2〜3cm的空隙。
        根据磁性表座的长度确定门架的位罝，安好基梁。
        将2只百分表通过磁性表座固定在基准梁上，并将沉降引杆对称安装在千斤顶四周的承压板顶面上，沉降引杆与承压板表面必须保证垂直，将百分表安装在沉降引杆上，位移计轴与沉降引杆轴平行。
        接好顶与油泵之间的油管，准备试验。
        （1）加载方式：单循环加载，荷载逐级递增直到破坏，然后分级卸载，人工挖孔桩最大试验荷载等于桩极限端阻力标准值。
        （2）荷载分级：加荷等级可按预估极限承载力的1/10~/15分级施加。沉降量测读：每级加荷后，第一个小时内按间隔10、10、10、15、l5min，以后为每隔半小时测读一次沉降。
        （3）稳定标准：当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。
        （4）终止加载条件：当出现下述现象之一时，即可终止加载：
        ①沉降s急骤增大，荷载〜沉降（p~s）曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且沉降量超过0.04d（d为承压板直径）：
        ②在某级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定；
        ○3本级沉降量大于前一级沉降量的5倍：
        ④当持力层土层坚硬，沉降萤很小时，最大加载量不小于设计荷载的2倍。
        3、卸载与卸载沉降观测
        卸载分5级等量进行，每级卸载值为加载量的2倍，每卸一级荷载，读记回弹值，直至变形稳足。试验资料的整理根据实测原始记录绘制p〜s和s〜Igt曲线。
        4、人工挖孔孔桩地基承载力特征值的确定
        ①当p〜s曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值。
        ②满足前三条终止加载条件之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载，当该值小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半。
        ③不能按上述二条确定时，可取s/d=0.01〜0.015所对应的荷载值，但其值不应大于最大加载量的一半。
        测试3个点的试验实测值的极差不超过平均的30%时，取此平均值作为该土层的地基土承载力特征值。
        （四）人工挖孔桩施工质量管控措施
        4.1质量要求
        灌注桩的桩径、垂直度及桩位允许误差见下表。

干作业成孔灌注桩质量检验标注见下表。

        4.2保证措施
        1.质量管理目标：加强管理，严格施工、精心操作。加强对每道工序的质量控制工作，采用先进的施工技术，提高工程质量，确保整体工程质量优良。
        2.建立健全的质量保证体系，技术负责人任组长，由技术、质量、材料等人员为成员，组织质量管理工作，处理重大工程质量事故。项目配置专职质检员，组织班组自检，开展全面的质量管理工作，全面按质量保证体系运作。
        3.建立正常的质检制度和图纸会审、技术交底制度。所有施工管理人员要熟悉图纸，审查图纸，在施工前进行图纸会审，了解设计意图，消除设计错误；施工前进行技术交底，内容包括图纸交底、施工组织设计交底、设计变更、会审交底和各工种的技术交底。
        4.坚持三检制度和执行隐蔽工程检查制度。班组自检、互检和交接检与专职检查相结合，充分尊重质检员的意见；凡隐蔽工程施工时必须进行验收合格签字后才能进行下道工序的施工。
        5.现场成立质量管理领导小组，严格按照国家有关规范、规程和设计要求施工，全面质量管理。挖孔成桩、钢筋加工等严格把关，明确责任分工。
        6.工程施工中的每一道工序，均执行质量交底和技术交底制度，并作好记录。
        7.执行“三检制”，每道工序必须填写质量检验评定表。
        8.及时、准确作好各项施工的原始记录，以便发现问题，及时进行解决。
        9.原材料按施工规范要求进行复检，所有材料必须有出厂合格证。不合格材料不允许进场和使用。
        10.认真、及时地做好各工序的施工记录和日志，并及时汇总。
        11.按照监督上道工序，保证本道工序，服务下道工序的要求，建立严格的质量检验系统，实施工序跟踪检查，切实作到在施的每一项工程始终处于受控状态。
        12.贯彻质量责任制，与施工管理人员、施工作业人员签订质量奖罚制度。
        13.护壁混凝土现场搅拌，保证护壁混凝土的厚度，灌注护壁混凝土时要从四周均匀灌入，以免模板错位。混凝土浇筑完成3天后拆模板，拆模前报项目质检员，同意后方可拆模。
        14.挖土过程中，每完成一个施工节段应复核孔位中心及护壁与桩中心点的相对关系是否正确，随时校正偏差，以防桩中心位置、桩身垂直度和桩径偏差较大。桩身垂直度利用孔口拉十字线吊线锤控制。
        15.每一施工节段挖土后，应及时施工混凝土护壁，尽量缩短时间，以免塌孔。
        16.护壁混凝土要按照配合比进行拌制，并拌制均匀，混凝土从四周均匀灌入，入模后要用钢筋振捣密实。
        17.认真清理孔底虚土和杂物，孔底虚土厚度不能大于200mm。
        18.挖孔桩达到设计深度后有专职质检员检验，合格后报项目监理部验收，并做好成孔验收记录。
        19.灌注混凝土前，应加盖孔口盖防止杂物落入孔中。
        （五）人工挖孔桩施工安全管控措施
        5.1技术措施
        1.开挖时，采用跳挖，隔一挖一方式，相邻的桩孔不能同时进行挖孔作业。本工程桩间距大，最小间距为6600mm，每根桩都可以单独开挖。混凝土灌注时所有人工挖孔人员上孔停止作业。
        2.开挖前交代工人，施工中若发现不明管线，必须立即停止开挖，不得冒险作业，并安排管理人员跟班作业，加强监护。
        3.挖孔桩配电箱必须采用漏电保护器动作电流≤15MA，其他施工不得在此取电。
        4.井下照明采用低压电源（≤36V）的安全灯具照明，机具电缆采用防水电缆。
        5.每次下井作业前，要先打开孔盖，自然通风30分钟或用胶皮桶往返上下提拉几次，以置换气体，然后再下孔作业。
        6.第一节护壁高出地面20cm，便于挡水、挡土。
        7.出土要堆置到井口2米以外，高度不得超过1米，工长必须安排人员随时清运土方。
        8.孔深超过5m时，必须配备向孔内送风的空压机，从空压机出风管口分接多个气管分送至多个孔底，以防止人员中毒窒息。
        9.孔内人员与孔上人员采用喊话的方式进行联络。
        10.严格遵守逐节施工的原则，即必须做到挖一节土，做一节混凝土护壁。下一节开挖作业必须待上一节护壁混凝土浇注完12个小时后或未拆模的情况下进行。每天每组施工3节护壁，完成后可进行其它孔的作业，但须符合跳挖的原则。
        11.孔下有人挖孔或灌注混凝土护壁，孔口应有专人监护，不得随意离开，必须离开时，孔下应停止作业，让孔下人员上孔后方得离开。
        12.桩孔内作业需要的工具应放在提桶内递送，长柄工具应将重的一头放在提桶底部，上端用绳绑在起重绳上。严禁向孔内抛掷，严禁工具与土方混装提升。
        13.成孔时遇到地下水要第一时间上报人工挖孔桩安全实施小组成员，然后上报技术部和项目监理部。技术部组织技术人员和监理工程师讨论研究，确定处理措施后再行施工，未经允许，所有人员不得盲目施工。成孔时如有少量渗水，采用同时吊运土、水方法，如渗水量较大，积水应使用电动潜水泵，排水过程中孔内不得有人。排水作业结束，必须切断电源后，作业人员方可进入孔内。
        14.挖孔成型后要及时验收进行灌注作业。
        5.2安全操作规程
        1.施工前对挖桩专业队进行岗前培训和安全技术交底，组织学习贯彻《北京地区大直径灌注桩技术规程》DBJ01—502—1999文件和《建设工程施工现场安全资料管理规程》DB11/383-2017要求，熟悉了解本施工方案，履行书面签字手续。
        2.施工人员要熟悉工程图纸，严格按设计要求和有关规定，规范施工操作，确保工程质量，安全生产。
        3.现场工长负责，安全员必须随班盯岗，领班必须服从工长指导，凡现场有人作业，必须有管理人员监督在场，工长，安全员有权停止其作业。
        4.施工现场所有设备、设施、安全防护装置、工具、配件以及个人防护用品必须经常检查，确保完好和正确使用。
        5.班前和施工过程中，要随时检查起重设备各部件是否牢固、灵活；支腿是否牢固稳定；起重钢丝绳及其与挂钩的连接、挂钩的安全卡环等是否牢固、可靠；提桶是否完好，发现问题要及时修理或更换。
        6.作业前要对提土工具检查，保证安全可靠，绳索要完好无损、吊钩必须使用直径≥φ5mm的双环安全钩，胶皮桶提手和桶底要用8#以上铅丝绑扎牢固可靠，发现问题马上解决。
        7.孔内作业人员均须戴安全帽，系安全绳。
        8.挖孔桩作业时不得抽烟，不得在孔内使用明火。
        9.饮酒和带病人员不得下孔作业。
        10.孔下作业人员如有头晕、腿软、憋气、恶心等不适感觉，要立即撤出孔外，经仪器测试采取措施后方可再进行作业。
        11.人工提土时，容器内装土不能过高。孔口不准放零散杂物，任何人不得向孔内投扔任何物品物料。
        12.施工班组严格按技术交底进行施工，孔下操作人员随时注意孔壁情况，发现护壁变形、涌水、流砂以及有异味气体等时，要立即上孔，并报告施工负责人处理，不得冒险作业，不得擅自处理，待问题解决后方能工作。
        13.人工挖孔作业只能在白天进行，夜间严禁施工，每天下班后用盖板把孔口盖好，防止掉物和人员跌落。
        四、结束语
        本工程所涉及结构拆除施工难度大，质量标准要求高，不仅需要能保证拆除质量的施工工艺，还需要严密切合实际的施工部署。通过改造项目新增人工挖孔桩施工，对历史性建筑作用的延续及新时代建筑作用的完美结合，起到了承上启下的作用。人工挖孔桩施工过程中，对现有环境的适应及方案的针对性、实际操作性十分关键。
        参考文献：
        [1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94-2008 建筑桩基技术规范 .北京：中国建筑工业出版社，2008
        [2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50202-2018建筑地基与基础工程施工质量验收规范.北京：中国建筑工业出版社，2018
        [3]北京市住房和城乡建设委员会.京建法[2017]9号《关于进一步加强建筑拆除工程安全生产和绿色施工管理工作的通知》北京：中国建筑工业出版社，2016
        [4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 106-2014 建筑基桩检测技术规范.北京：中国建筑工业出版社，2014