黄琳
中国水利水电第九工程局有限公司 贵州 贵阳 550008
摘要：在不良地质条件下，广泛采用人工挖孔灌注桩施工技术，施工简便快捷。但对存在溶洞、地下水丰富、遇到淤泥、流砂层较厚等不良地质条件的地区，很容易涌砂塌孔，施工进度缓慢或根本无法成孔，采用人工挖孔桩成孔施工时应采取相应的处理措施。本文简要介绍了我单位在贵州省六盘水市水城县城市棚户区改造项目基础人工挖孔桩施工中遇到的特殊地层情况所带来的施工难题，针对施工难题而采取的施工工艺、方法，以及通过针对性的施工处理所得到的经验和体会，并对溶洞处理和地下水处理技术进行阐述。
关键词：溶洞；地下水；人工挖孔桩；成孔
1工程概况
水城县2016年朝阳片区城市棚户区改造项目位于六盘水市水城县烂坝镇凉都大道北侧，距离城区约1000m左右，南侧紧邻城市主干道凉都大道，西侧紧邻虹桥新村北干线，交通方便、位置佳。
水城县2016年城市棚户区改造项目朝阳小区区由5栋高层建筑及地下停车场组成，整体呈南北展布，1、2号楼为地上29层，地下一层，设计±0.00标高为1796.70m，-1层地下室底板标高为1791.00m，框支剪力墙结构，最大柱荷载为20000KN/柱，建筑结构对地基差异沉降敏感，基础形式采用桩基础；3号楼为地上22层，地下一层，设计±0.00标高为1795.30m，-1层地下室底板标高为1789.25～1789.75m，框支剪力墙结构，最大柱荷载为18000KN/柱，建筑结构对地基差异沉降敏感，基础形式采用桩基础；4、5号楼为地上17层，地下一层，设计±0.00标高为1793.10m，-1层地下室底板标高为1788.00m，框支剪力墙结构，最大柱荷载为15000KN/柱，建筑结构对地基差异沉降敏感，基础形式采用桩基础。建筑物特征见表1所示。
表1建筑物特征一览表
建筑物
编号 ±0.00标高（m） 地下室底板标高（m） 层数 建筑物高度（m） 结构类型 最大柱荷载（KN/柱） 敏感
程度 基础形式 平面
形态 备注
1号楼 1796.7 1791 -1+29F 90.6 框支剪力墙 20000 敏感 桩基础 多边形
2号楼 1796.7 1791 -1+29F 90.6 框支剪力墙 20000 敏感 桩基础 多边形
3号楼 1795.3 1789.25 -2+20F 69.2 框支剪力墙 18000 敏感 桩基础 多边形
4号楼 1828.05 1788 -2+20F 58.5 框支剪力墙 15000 敏感 桩基础 多边形
5号楼 1793.1 1788 29F 58.5 框支剪力墙 15000 敏感 桩基础 多边形
地下室 1796.70 1791 1 3.9 框架结构 1500 敏感 桩基础 矩形
2场地工程地质条件
2.1自然地理气候
场区所在六盘水市地理位置位于贵州省西部,云贵高原中部的斜坡上,地形地势复杂,大部分属于低纬度高海拔多云雾地区,阴天日数多,加之山体高大,山势连绵不断,切割剧烈,地形的遮蔽情况明显,年平均日照百分率只有25%～40%。
据贵州省工程建设地方标准《贵州省建筑气象标准》（黔DBJ22-01-89），水城所处属暖温带，冬春干燥夏季湿润型。年平均气温12.3℃，最冷月1月平均2.9℃，最热月7月平均19.8℃，极端最高31.6℃，极端最低-11.7℃。年平均最高气温≥30℃的日数为1.1天，日最低气温≤0℃的日数为41.4天。
2.2地形地貌及工程环境
地处云贵高原东部台地斜坡地段，为喀斯特溶蚀残丘地貌区，以低中山地貌为主，是比较典型的喀斯特低中山地区。场区位于溶蚀残丘坡脚地段，整体为北高南低，地势整体较平坦，北侧1、2号楼整体呈台阶状地形，台阶主要为土坎，高1.5～3.0m，场区主要为民房及耕地，民房已全部拆除，勘察期间，场区正进行地下室开挖平常工作。场区内地形标高为：1787.464m～1803.429m，按地下室标高平场后，场区主要为挖方区，挖方区主要集中在场区1、2号楼附近，最大挖方深度为12.0m左右。
2.3地质构造
区域位于扬子台地六盘水断陷北西向构造变形区，区内构造主要为燕山运动形成的走向北西的复式褶皱及断裂构造，场区位于水城背斜南西翼，根据区域地质资料及现场地质调查，该场区内无断层通过。下伏基岩为石炭系下统摆佐组（C1b）灰色中厚-厚层白云质灰岩，偶家白云岩及灰岩，受区域构造影响，场局部岩层存在挠曲现象，节理裂隙较发育，场区主要发育两组节理，JI:节理产状为，倾向290°，倾角80°;J2:节理产状为，倾向190°，倾角72°,主要为泥质胶结，结合差，线密度为1～2条/m,张开度一般，延伸1.0～3.0m；岩体多为较破碎，岩层产状为：倾向190°～220°，倾角25°～33°，平均值为：倾向204°，倾角30°。除此外，尚有溶蚀裂隙、溶槽、溶洞、石芽等岩溶形态发育。
2.4岩土构成
经钻探揭露，场地土层自上而下依次为：表层为杂填土（Qml）、耕土（Q4PD）、第四系残坡积红粘土（Qpd+dl）、及石炭系下统摆佐组（C2hn）中厚-厚层白云质灰岩，偶夹白云岩及灰岩透镜体。分述如下：
（1）杂填土（Qml）:主要为场区原建筑物拆除后建筑垃圾及少量生活垃圾组成，硬质含量占90%，由混凝土块、砖、及粘土夹碎块石组成,结构松散，回填时间1～2个月，局部地段分布，厚0.5-5.4m，平均厚度1.1m，主要分布在原居民房位置。
（2）耕植土（Qql）：主要分布在原耕地范围，厚0.3-1.2m，褐色、黑色，含植物根茎，部分地段缺失。
（3）红粘土（QEL+DL）:残、坡积成因，褐黄色，粘性一般，裂隙较发育，2～4条/m，块状结构，土质较均一，局部含少量黑色铁锰质结核及强含母岩强风化残块，场区大部分地段分布，主要分布于场地东西两端区域。按其状态可分为：硬塑、可塑、软塑状，分述如下：
1）硬塑状红粘土(Ⅰ)：主要分布在场区1、2号楼及边坡位置，分布不连续，土层水平厚度变化较大，呈似层状连续分布，厚度0.60～7.70m，平均厚度约2.90m。
2)可塑状红粘土(Ⅱ)：埋藏于硬塑红粘土及耕植土之下，似层状及透镜状分布，受基岩起伏影响，厚度不均，水平厚度变化大，厚度0.0～11.5m，平均厚度6.4m。
3)软塑红粘土（Ⅲ）：主要分布于基岩凹面、溶蚀沟槽底部及充填于溶洞、裂隙中，多呈条带状、透镜状不均匀分布，厚度0～10.80m。
4）基岩：石炭系下统摆佐组（C1b）中厚-厚层白云质灰岩，偶夹白云岩及灰岩透镜体，按其风化程度可分为强风化基岩及中风化基岩、强风化基岩：灰色、黄灰色强风化白云质灰岩,呈透镜状分布，偶含中风化基岩团块，质软，钻进较快，岩体节理裂隙极发育，岩体以碎块状、砂状为主，钻进较快，岩芯采取率0～30%，厚度为0.0～3.9m，平均厚度为0.9m，岩体基本质量等级为V级。
中风化基岩（A岩质单位）：灰色、浅灰色中厚-厚层白云质灰岩，偶夹白云岩及灰岩透镜体，岩体节理裂隙较发育，主要为竖向节理，线密度2～4条/m,延伸长度为1.0～2.0m，延伸长度为0.5～1.0m，节理面多见方解石石脉充填及钙质胶结，从钻探岩芯中可见晶洞及针孔状溶孔发育，岩芯采取率一般50～80%，岩芯为柱状、块状，少量长柱状及砂状，根据作岩芯单轴饱和抗压强度标准值为frk=33.711MPa，纵波波速为2850～3500m/S，平均值为3156m/S，波测试岩体完整性系数KV=0.421（岩芯样平均波速值为4800m/S），按《工程岩体分级标准》（GB50218-2015），结合《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版）表3.2.2-1、3.2.2-3及《建筑地基基础设计规范》（GB60007-2012）4.1.3条，场地微风化白云质灰岩属较硬岩，场地岩体为较破碎岩体，岩体基本质量等级为IV级。
2.5水文地质条件
（1）地表水
场区位于斜坡坡脚地段，为地表水径汇集区，根据地表调查，场区南侧4、5号楼位置有一人工鱼塘存在，鱼塘水深1.0～1.5m，水域面积为400m2，水位标高1787.50m左右，一般无水流出，水体主要来源于大气降水。除此外场区内无其他常年地表水体存在，场区地表水主要为大气降水，大气降水后部分经土层下渗补给地下水，大部分以片流形式汇集到鱼塘中；由于场区位于坡脚地段，地势相对较低洼，北侧地势较高，大气降水后，部分水体经地表下渗不给地下水，部分水体进地表片流汇集至场区中，雨季在场区低洼地段局部形成水塘，场区整体地表水体较丰富。
（2）地下水
场区位于溶蚀残丘坡脚地段，地势相对较低，残丘上覆土层厚度小，部分地段基岩裸露，下伏基岩节理裂隙发育，大气降水至地面后，大部分水体经表层土层及基岩裂隙下渗补给地下水，仅少部分水体经地表片流至低洼地段；场区内上覆土层厚度较大，土层主要为红粘土，渗透性低，大气降水后在土层中形成上层滞水，部分水体下渗补给地下水。
场区总体为地下水径流区，地下水流向为北至南，最终排泄于场区南侧50m左右小河沟；根据调查，小河沟常年有水，水量一般为30～50l/S,在场区附近河床标高为1787.0m左右。河道宽5.5－6.0m，深4.0m左右，河道两侧河堤已修筑完善，场区下游河床段河堤段已全部修筑完善，有利于河水排泄，丰水期河水一般上升1.0～2.0m，地下水丰富。
2.6岩溶及不良地质作用
场区基岩主要为白云质灰岩，局部夹石灰岩及白云岩，属碳酸盐岩，为可溶岩，经钻探揭露，本次钻探共372个钻孔中，遇溶洞裂隙钻孔101个，遇洞率为27.15%，再结合勘探相邻钻孔基岩面高差达9.7m，按《贵州建筑岩土工程技术规范》（DB22/46-2004）第7.1.3条判定，场地岩溶发育等级应为岩溶强发育场地，发育形式主要表现为基岩面起伏较大并于局部地段形成溶沟、溶槽及在岩土接触面形成的间断性裂隙，基础埋置深度应重点考虑相邻基础间岩面起伏情况，将基础置于可保证地基稳定的基岩上。
场区杂填土，耕植土、厚度薄，结构松散，孔隙较大，压缩性高，力学指标低，地基稳定性差。场区处于岩溶强发育地段，存在岩溶管道，局部地段红粘土位于地下水水位以下。场区场地内水体较发育，水量较大，且孔桩基础埋深较大，人工挖孔桩难度较大，场区以深基础为主，局部为浅基础，深基础为桩基础，基础埋深3.0～25.9m，人工挖孔桩在施工过程中分为二个主要阶段，即成孔阶段与成桩阶段，在成孔施工过程中，容易产生涌泥、渗水、流砂，这些因素是造成成孔失败的最主要原因。在挖孔桩的过程中，最关键的技术就是处理好在成孔中的存在的这些问题。
人工挖孔灌注桩具有机具设备简单，施工简便，造价低的优点，相对于常见的钻孔灌注桩等机械桩型来说，所需场地面积小，对周边已有建筑物、市政管道设施等影响小，能适应多种场地；孔底沉渣易被清除，成桩质量易控制；桩端做成扩大头式，可提高单桩承载力；可全面展开施工，缩短工期；无泥浆排出，有利于环境保护等一系列优点，近年来，得到广泛应用。但在某些不良地质条件下，采用人工挖孔桩成孔，因人工挖孔桩施工时候，施工人员在地下施工，工作环境恶劣，活动空间小，就必须采取相应的安全技术措施，确保施工人员的安全，确保桩基工程质量符合国家、地方规范、规程和设计的要求。
本工程528根人工挖孔桩中，约有一半左右位于淤泥、流砂层厚度≤1500mm的地段，施工难度不大，采用常规护壁便可成孔；而另一半位于淤泥、流砂层厚度＞1500mm的地质复杂地段，场内地下水极为丰富，多数孔桩在未成孔之前就出现大量地下水，采用常规护壁方法来施工，进度相当缓慢或根本无法成孔，只能采用钢护筒或外加钢板桩才能成孔。
3人工挖孔桩施工的护壁技术
3.1淤泥、流砂层厚度≤1500mm地段人工挖孔桩的护壁技术
（1）混凝土护壁模板采用厚度δ=4mm的组合式钢模板拼装组合而成，拆上节而支下节，循环周转使用，上下设两对半圆组合的钢圈顶紧，不另设支撑，钢圈之间用专用扣扣紧。
（2）每一施工段高度，一般取0.8m～1.0m左右，护壁中插入φ12～φ14的竖向钢筋，间距取500mm；横向则用φ14～φ16的圆钢来加固，间距取300mm。
（3）混凝土用搅拌机搅拌，采用C30混凝土，坍落度取60mm～80mm，混凝土用吊桶运入人工浇筑，用钢管振捣密实。
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图1人工挖孔桩护壁大样图
（4）涌水涌砂
我单位在施工东侧A-1-1、A-1-2两根桩时，由于该两根桩15.00~22.50m均为强风化砾岩，且位于地下水高水位以下。强风化砾岩胶结性极差，在地下水浸泡和流动作用下，呈砂砾状随地下水涌出，导致孔壁外被掏空，容易造成护壁倾倒或坍塌以及垮孔事故的发生。为防止出现安全事故和保证工程质量，我单位采取了钢护筒护壁措施（外围施工降水井措施由于经济性差未被建设单位采纳），由于水压原因未能达到效果。经过现场研究和参考相关单位施工经验，采取了稻草＋毛竹的护壁措施。一方面可以良好的渗水；另一方面又可很好的防止松散的强风化砾岩砂砾随地下水的流动而被带出，保证了孔壁周边地层的稳定。同时为了保证稻草＋毛竹护壁结构的强度，我单位在护壁内侧增加了Φ18@250mm的箍筋，竖向绑扎了φ10@200mm钢筋，确保了护壁结构的稳定。
经采取该措施处理后，在孔内边抽水边施工，顺利完成成孔任务，最后进入中风化砾岩1.50m，达到设计要求。
然后采用水下砼灌注工艺进行成桩施工。当砼面高于地下水位超过1.50m，抽排混凝土表面积水及浮浆，进行干灌作业。
3.2?复杂地质条件下的人工挖孔桩护壁技术
施工过程中发现，有56根挖孔桩所处地段的淤泥、流砂层厚度达6m～8m之厚，淤泥、流砂层下面的强风化、中风化岩层较薄，仅有100mm～200mm之间，岩层面倾斜不平；或者缺少阻水性良好的粘性土过渡层，钢护筒无法插入致密坚硬的微风化岩层之中去。这样，在钢护筒与岩层个别地方之间存在着淤泥、流砂的夹层，形成淤泥、流砂的通道，在外侧水压力作用下，当挖到这层夹层时，大量的淤泥、流砂涌入孔内，根本无法往下挖，还有可能危及孔内作业人员的人身安全。
4 成孔内挖土
4.1?粘土、淤泥、流砂的开挖方法
对于孔内的粘土、淤泥、流砂层，可用铁铲、锄头便可开挖。孔内挖土采用分段开挖方式，对于粘土层，一般0.8m～1.0m为一个施工段，做完混凝土护壁，待混凝土护壁有一定强度后，才能进入下一施工段；对于淤泥、流砂层，一般0.4m～0.5m为一个施工段。混凝土护壁一般施工至中风化岩面，微风化岩层不需另加混凝土护壁，可以自身稳定。
4.2?强风化岩层、中风化岩层的开挖方法
由于强风化岩层、中风化岩层的厚度较厚，最厚的地方达6m，为了加快施工进度，采用风镐来开挖，由燃油空压机或电动空压机供应压缩空气。
4.3?坚硬致密微风化岩层的开挖方法
设计要求人工挖孔桩进入微风化岩层≥2000mm，由于基岩为红色砂岩，致密、坚硬，硬度系数f约10左右。采用风镐来开挖，进度相当缓慢，每天只能下挖100mm～200mm，难以满足合同工期要求。根据实践经验和充分论证，决定采用毫秒微差的爆破技术进行爆破。
4.3.1?爆破方案
（1）孔眼的布置
在孔内半径r=1000mm的周边布置12个周边眼，孔深1.0m，间距等分；孔内半径r=500mm的环向布置6个掏槽眼，孔深1.2m，间距等分。
（2）装药量确定
装药量根据公式Q=η·L·q计算并根据实践经验进行调整。式中：
Q-各个炮眼的装药量，取kg；
η-炮眼装药余数，取0.5～0.65；
L-炮眼的长度，取米；
q-每米炮眼的装药量，取0.95kg/m。
由于工作面有水，选用乳化炸药，炸药药卷直径32mm，每卷重200克。根据岩层特性和试爆经验，炸药量Q一般取Q=4.5～6.0kg。
（3）装药结构与堵塞
掏槽眼和周边眼均采用连续反向装药结构；堵塞用旧报纸和泥土掺和成团进行堵塞。
（4）起爆网络
1)?引爆方式和连线方式
考虑到电厂内感应电流较多，为安全起见，采用非电雷管孔内引爆，孔内所有非电雷管用簇联方式连线，用电雷管引爆导爆管；孔之间的电雷管采用串联方式连线。
2)?起爆顺序
起爆顺序按掏槽眼，周边眼顺序进行，用电雷管分段控制。
（5）安全防护
在孔顶覆盖钢板，再在上面堆砂包，有效防止了飞石。
5溶洞处理
对于有溶洞发育的工程地质条件，施工前需仔细查阅《工程地质勘察报告（详勘）》，对每个桩位有无溶洞，溶洞位置和大小，有无填充物等信息要准备掌握。人工挖孔施工成孔过程中，下挖深度接近地质勘察报告中表示的溶洞位置时，放慢下挖速度，小面积、试探性开挖找出溶洞。溶洞位置确定后，立即采取处理措施，施工人员需在腰间系好安全带，用安全栓连接安全绳的一端，另一端连接孔口附近的预埋环上，施工时设专人指挥，随时与孔内施工人员保持联系。同时必须按照规范、规程及施工组织设计的要求做好安全防范工作，进入溶洞后，尽量探清溶洞的实际位置和大小等信息，然后与《工程地质勘察报告（详勘）》溶洞情况进行对比，检查和是否存在偏差，然后根据情况，同时要考虑到溶洞内填充物及溶洞的大小等情况分别采取不同的措施：
（1）针对大于高度1m的溶洞，全部采用钢护筒，在井孔内设高2m，用壁厚8mm钢套护筒穿越溶洞。
（2）若为空溶洞，如有水，应该将水排掉，支模板，进行桩身施工。
（3）如溶洞内有填充物，应根据填充物的不同，而采取相应措施：
1）如填充物为粉质粘土或软塑状粘土时，每挖深度1m，就及时进行钢筋混凝土护壁施工，按施工组织设计的要求，加强监测，确保安全。
2）如填充物是粉细砂或中粗砂时，考虑到砂的内聚力较差，特别是遇到水容易发生流砂等危险情况，挖孔时采取强支护的策略，同时酌情减少每段开挖深度。溶洞处理完成后，继续向下挖进。溶洞处挖孔先开挖距孔壁50cm四周部分，溶洞填充并筑壁完成后，再下挖中间部分。溶洞处挖孔每次下挖深度不得超过50cm，平整孔底，清除虚土、软泥、淤泥，若溶洞内有泥浆或者水溢出的，需进行抽水。
孔底清理完毕后开始处理溶洞，采用砖块沿孔壁四周砌筑砖墙，直径为挖孔直径。上部预留孔隙，以便填充混凝土。砖墙砌筑或钢护筒施工完毕后，通过预留孔隙，进行混凝土填充，混凝土采用C30素混凝土，填筑量按溶洞大小而定，一般需填满。混凝土填筑完成后，停止作业，待混凝土强度达到设计强度70%后，才可继续作业，施工护壁后按此方法继续进行施工，直至溶洞全部处理完毕，恢复正常人工挖孔施工。桩底揭露有溶洞时，需用与桩身强度等级相同的混凝土进行填充处理。
由于人工挖孔桩绝大部分是端承桩，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第8.5.6-6条规定，桩端以下3倍桩径且不小于5m范围内应无溶洞分布，且在桩底应力扩散范围内应无岩体临空面。为了达到这一要求，设计要求在桩底进行钎探以查明桩端以下岩溶发育情况。桩孔挖至基岩设计深度后，向下钎探3m～5m，查明其是否有溶洞等不良地质条件。第一次钎探后，若发现桩孔3倍桩径范围内存在溶洞分布。用爆破方法清楚上述不良岩体后，再进行第二次钎探，如此反复，直至满足设计要求。除爆破方法外，采取水泥压密灌浆，使得桩端持力层满足设计要求，也是处理溶洞或其他破碎岩体的可靠、方便的办法。
6 地下水处理
在深基础施工中，地下水是一个常见问题，给成孔和桩身混凝土浇筑都增加了困难；但只要依照《工程地质勘察报告（详勘）》中水文情况，采取合理的施工组织设计，加强施工过程监控，加强对周边已有建筑物、市政管道设施等沉降变形、水平位移监控，采用合理的施工工艺，在有地下水地区，人工挖孔桩也能得要较好应用。
（1）如地下水量不大时，边抽水边挖，成孔后立即进行护壁支模和护壁混凝土浇筑。
（2）如水量较大时，应根据现场实际情况，因地制宜，采用轻型管井等综合措施，进行成孔施工。当大量抽水，仍未能顺利进行开挖作业时，应采取有效措施截断水源，封闭水路。桩孔较浅时，可采用板桩封闭；桩孔较深时，用钻孔压力灌浆形成挡水帷幕，减小地下水的渗透，确保正常抽水时正常开挖。
抽水宜连续进行以避免地下水位频繁涨落，否则，会加速桩孔四周土体颗粒流失，造成护壁外面出现孔洞，引起护壁下沉脱节。成孔作业抽出地下水，降水对周围环境、邻近建筑物和管线影响较大。降水作业时，在做好安全预案的基础上，加强对邻近建筑物和管线的监测，确保安全。在同样降水深度下，降水漏斗的坡度越平缓，影响范围越大，所产生的不均与降越小。所以抽水时要适当放缓降水漏斗线的坡度，以降低降水影响区的建筑物和管线的受损可能性。
在挖孔深度、进入桩端吃力层岩性和深度等满足设计要求后，应及时进行验槽；验槽合格后，为避免孔内地下水过多等不良影响，应马上进行桩身混凝土施工。
1）如桩孔内渗水量不大，桩身混凝土浇筑前要排除孔内积水。
2）如桩孔内渗水量较大，使用一般的方法无法抽干时：如果孔底确实无法采取抽水的方法解决，这时就要改变施工方法，桩体混凝土的施工就应当采取水下混凝土浇筑施工工艺，确保桩身混凝土施工质量满足相关规范、规程和设计要求。
7 结束语
综上所述，由于水文、地质等条件的复杂性、多变性，给该人工挖孔桩工程造成了很大的影响，甚至导致人工挖孔桩无法施工。但通过我单位积极应对，本工程采用了切实可行的施工技术，克服了堵多困难，安全、优质地完成施工任务，采取合理的技术和施工措施，最终顺利完成了该项目的施工任务。
该项目施工任务的顺利完成，一方面说明了影响人工挖孔桩施工未知的因素众多，设计、施工时应充分考虑其对工程的影响，同时也说明只要采取合理有效的针对性措施解决这些技术难题，同样能保证施工质量和安全，而且往往也是人工挖孔桩工程成败的关键。人工挖孔桩的经济性、工期短和成桩质量便于控制等突出优点是显而易见的，它不仅在良好的地质条件可以广泛应用，在遵守科学施工、有效控制原则下，随着施工技术的进步，在存在溶洞或地下水丰富、淤泥、流砂等地区，也能得到了发展和应用，本工程成功的经验可供今后类似工程借鉴。
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作者简介：黄琳1971-），男，贵州修文人，本科，高级工程师，长期从事工程项目技术管理，施工管理工作。