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浅谈钻孔灌注桩对水利工程基坑开挖的影响

发表时间：2021/5/13 来源：《城市建设》2021年4月作者：王兵

[导读] 近年来，随着混凝土钻孔灌注桩技术的逐步成熟和推广应用，水利工程设计也越来越倾向于选择混凝土钻孔灌注桩的地基处理方式，来提高基础承载力。本文以某中型泵站枢纽工程建设过程为例，分析采用混凝土钻孔灌注桩的地基处理方式对后期基坑开挖产生的不利影响，探讨提出合理化的建议，为类似水利工程基础处理方式及施工工艺的选取提供参考借鉴。

武汉市蔡甸区水务和湖泊局王兵 430100

摘要：近年来，随着混凝土钻孔灌注桩技术的逐步成熟和推广应用，水利工程设计也越来越倾向于选择混凝土钻孔灌注桩的地基处理方式，来提高基础承载力。本文以某中型泵站枢纽工程建设过程为例，分析采用混凝土钻孔灌注桩的地基处理方式对后期基坑开挖产生的不利影响，探讨提出合理化的建议，为类似水利工程基础处理方式及施工工艺的选取提供参考借鉴。
关键词：水利工程；基础处理；钻孔灌注桩；基坑突涌
        0引言
        混凝土钻孔灌注桩基础作为深基础的一种,具有单桩承载力高、地质条件适应性强、成桩速度较快、对邻近建筑物影响较小、抗震能力强、施工噪音小、技术成熟、所需设备简单、操作方便、施工安全等诸多优点,在世界范围内工程建设领域得到了广泛的应用。
        虽然混凝土钻孔灌注桩施工技术已十分成熟,但钻孔灌注桩是在地下并且是在水中成孔，属于重要隐蔽工程，也存在着较大的风险性。受施工现场管理水平、施工队伍管理经验、施工人员技术水平、施工工序相对复杂、地质条件复杂多变等主客观因素的影响,钻孔灌注桩在施工过程中也容易出现一些质量问题和质量缺陷。例如因商品混凝土未及时配送到场导致现场已钻成孔发生塌孔，混凝土灌注过程中导管出现卡管，钢筋笼上浮导致桩身下部抗剪能力不足以及后期质量检测发现成桩为断桩等。这些质量问题和质量缺陷将影响混凝土钻孔灌注桩的承载力和桩身的完整性,给工程带来较大的安全隐患。
        近年来，在水利工程建设领域，混凝土钻孔灌注桩的地基处理方式很受工程设计人员的青睐。本文以某中型泵站枢纽工程建设过程中发生的基坑突涌事件为例，分析混凝土钻孔灌注桩对后期基坑开挖的影响，探讨提出合理化的建议，为类似地质条件的水利工程基础处理方式及施工工艺的选取提供参考借鉴。
        1工程概况
        本工程为灌溉排涝两用泵站，并具备自排自灌功能，位于汉江干堤右岸。由进水渠、前池、主泵房、安装间、副厂房、灌排两用闸、出口箱涵及两岸连接建筑物、站前拦污栅桥、进出口翼墙、出口防洪闸等建筑物组成，是一个中型水利枢纽工程。排涝泵站共装机3台，单机容量1800千瓦，单机设计抽排流量为15立方米每秒；灌溉泵站共装机2台，单机容量500千瓦，单机设计抽排流量为5立方米每秒；安装间、副厂房分别布置在主泵房左、右两侧，呈一字形排列；副厂房下布置排灌两用水闸，设计流量20立方米每秒。
        工程区地处江汉平原东部，地貌特征以冲积堆积地形为主，属汉江漫滩至一级阶地地貌。区内地势平坦，局部区域为构造剥蚀残丘，水系发育，湖泊、沟渠密布。站址区地势平坦，地形起伏较小，位于汉江一级阶地，为冲积平原地貌，出露地层上部为第四系全新统粘性土及砂性土，下层为泥盆系的灰绿色含粉砂质粘土岩。泵站进水前池、出水消力池及拦污栅等上部荷载不大，建筑物基础均采用天然浅基础；主泵房、进水前池高挡土墙、出水箱涵、防洪闸及出口翼墙等上部荷载较大的建筑物，地基承载力不足，设计采用混凝土钻孔灌注桩基础。根据不同部位具体承载力要求，设计有桩径800毫米和桩径1000毫米的混凝土钻孔灌注桩共600余根。主泵房所在位置地面高程约23.91米，上部填土层厚2.20～2.60米，设计开挖最低建基面高程8.50米，基础主要坐落在壤土层和褐灰色粘土层上，均属于中高压缩性土。排涝泵站主泵房设计有66根直径1000毫米、桩长15.1米的混凝土钻孔灌注桩，灌溉泵站主泵房基础设计有28根直径1000毫米、桩长21.1米的混凝土钻孔灌注桩，采用下部粉细砂作为桩端基础的持力层。受施工周期所限，桩基施工在汛期进行，为保证防洪安全，采取了在原地面标高钻孔作业、桩身成型后回填空孔、再进行基坑大开挖的施工方法。
        2基坑开挖险情
        2.1消力池基坑开挖鼓水冒泡险情
        外江出口防洪闸消力池基坑开挖过程中，开挖至二级平台时，在局部出现鼓水冒泡群。经比对图纸和现场露出的桩基施工时下发钢筋笼所用吊筋，确认该部位底下为防洪闸翼墙基础的钻孔灌注桩。现场判断为地下水空桩回填不密实，有大量空气和水体滞留在空桩内部，形成通道。

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基坑开挖过程中，大型机械作业对桩身有一定地扰动影响，促使地下水沿桩壁向上涌出，顺空桩桩壁与回填土之间缝隙向上翻起，并携带出了前期回填土中的空气。继续开挖至壤土层后，鼓水冒泡现象消失。
        2.2出水箱涵基坑开挖翻砂鼓水险情
        穿堤出水箱涵基坑开挖过程中，新鲜裸露的基坑面较为坚硬和干燥，无渗水现象。经过对混凝土钻孔灌注桩破桩头处理后，浇筑混凝土垫层还未终凝，沿灌注桩桩周出现多处翻砂鼓水现象，局部形成漏斗式沙坑。一节10余米长的出水箱涵建基面上，翻砂鼓水点位达六七处。现场经过简单反滤处理后，基本上都开始出清水。直至底板浇筑验仓前，险情再未扩大。
        2.3泵房基坑突涌险情
        灌溉泵房最低建基面高程为8.50米，根据施工组织设计应在站区四周采取管井降水的措施降低基坑范围内的承压水头。但站区离堤防太近，采用管井降水后，如若管井未严格按规范进行封堵，将给堤防防洪安全带来隐患。彼时正值枯水季节，外江水位较低，因此直接开挖至最低建基面处。实际上新鲜裸露的基坑面坚硬、干燥，没有渗水迹象，场面一度乐观。对暴露出来的混凝土钻孔灌注桩进行破桩头处理花了两天时间，原本计划第三天开始浇筑垫层，结果当天清晨基坑发生突涌险情，险情发展十分迅速，场面一时难以控制。
        突涌位置在灌溉泵房与排灌两用闸闸室交接处的灌注桩靠闸室一侧，闸室建基面较高，灌溉泵房基坑开挖后，灌注桩上部一侧受土压力作用，一侧临空。基坑开挖暴露后，灌注桩在土压力作用下逐渐开始倾斜，形成渗漏通道，下部承压水沿着桩壁上涌，通道越冲越大，涌水带砂，基坑被淹。参建单位会商讨论后，立即采取管井降水措施，将过滤管（花管）伸入中粗砂和砾砂层中，才将站区范围内承压水头降至建基面以下。然后立即抢筑泵房底板，待底板浇筑成型后方才解除险情。
        3险情成因分析
        站区内地下水主要有上层粘性土孔隙潜水和下部的孔隙承压水。孔隙潜水主要为赋存在填土和粘性土夹砂层中的潜水，潜水受大气降水及地表水渗流补给，水量较小，其下粘性土为相对隔水层，具有含水性匮乏、透水性弱的特点，总体上上部的潜水对工程的施工安全影响较小，基坑施工中可采用坑外截水，坑底明沟排水等措施即可满足施工中的排水要求。而孔隙承压水赋存于粉细砂层、中粗砂和砾砂中，承压水位埋深2.71～3.80m，水位高程为22.35～23.17m，远高于基坑开挖的底部高程，因此即便在枯水季节开挖基础，也会有发生基坑突涌的可能。
        在站区基坑开挖过程中，多部位出现翻砂鼓水或突涌险情，都是因为在混凝土钻孔灌注桩施工过程中，穿破了原本完好的不透水层，桩端均位于孔隙承压水赋存的下部粉细砂层中。受泥浆护壁工序不到位、浆液配比及浓度不适当、大型机械作业扰动、桩周土体开挖不平衡等等施工因素影响，混凝土钻孔灌注桩与桩周土体间容易产生间隙，成为承压水的渗水通道。
        4结论及建议
        （1）在地下承压水水头较高的地区，采用混凝土钻孔灌注桩的地基处理方式来提高地基承载力，要充分考虑其对后期基坑开挖的影响。应根据前期工程区地质勘查情况、混凝土钻孔灌注桩伸入地层情况以及基坑开挖深度，计算分析是否需要采取措施降低地下水水头。特别是在混凝土钻孔灌注桩穿破不透水层的情况下，如若没有采取降水措施，要提前做好基坑开挖突发事件应急预案。
        （2）水利工程深基坑开挖施工，不仅要考虑地下水，一般还要考虑外江高水位对基坑开挖的影响，同时要保证防洪安全。因此，要充分考虑施工过程中可能产生的各种不利因素，对多种方案进行比选，权衡利弊，选取最优的施工方案，并做好施工质量控制管理，尽量避免发生突涌等险情。
参考文献
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[2]肖红菊，孙玉永.软土地区基坑突涌破坏影响因素的试验研究[J].建筑结构.?2014，44(03)：90-92
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