旋挖樁孔壁坍塌事故致災機理探討

陳紹清，李錦蘭，宋丹丹，龐成武，劉金江

(1重慶科技學院安全工程學院，重慶401331；2重慶川東南地質工程勘察設計院，重慶400038)

旋挖樁孔壁坍塌事故致災機理探討

陳紹清1，李錦蘭2，宋丹丹1，龐成武1，劉金江1

(1重慶科技學院安全工程學院，重慶401331；2重慶川東南地質工程勘察設計院，重慶400038)

某房屋建筑工程基礎設計為旋挖樁，施工單位采用全鋼護筒護壁旋挖鉆進成孔，在鋼筋籠安裝接長過程中，鋼護筒周圍地面塌陷引發孔壁坍塌事故，造成電焊作業工人傷亡。該工程場地上部為3～5年的新近填土，事故孔位置的回填土層厚度為14.2m，旋挖鉆機掏碴取芯鉆鑿擾動，每節鋼護筒外側形成空腔，孔內動水壓力改變了土層的物理力學性質，在土自重力作用下，空腔徑向擴展和豎向聯通后形成巨大的空洞，導致鋼護筒外側填土地層變形和破壞是孔壁坍塌事故致災的誘因。

旋挖樁；孔壁；坍塌；致災機理

0 引言

近年來，由于人工挖孔灌注樁施工安全風險較大，較大以上的生產安全事故屢屢發生，設計和施工單位更多地采用旋挖鉆機鉆進成孔形成鋼筋混凝土灌注樁（即旋挖成孔灌注樁）[1-2]，相對于人工挖孔、泥漿護壁成孔、沖擊鉆成孔等鉆進技術，旋挖鉆鑿技術因其施工機械化程度較高、成孔速度快、鉆孔尺寸可選性寬、安全程度高、事故發生率低及適宜復雜地層等優點而廣泛應用于建設項目的樁基礎工程中[3]。

某房屋建筑工程基礎12#旋挖成孔灌注樁在施工過程中，因樁孔周圍地面塌陷，正在孔口進行鋼筋籠接長焊接作業的操作工人掉入塌陷坑內死亡。本文將通過對旋挖鉆鑿工藝技術和場地工程地質及水文地質條件進行分析，揭示這個事故的致災因素、致災機理和過程。

1 基本情況

1.1 樁基設計

該項目由11棟高層建筑（31～33F）和附屬工程組成。其中7號樓33F，框剪結構，獨立樁基礎，設計±0.00高程為292.40m，樁孔直徑有1.3m、1.4m、1.5m、1.7m、1.9m等形式，樁總數63根，旋挖機械成孔，土層最大厚度為18.0m，樁身嵌入中等風化泥巖（砂巖）深為7.6m。12#（自編號，下同）樁鋼筋籠主筋30Φ16、箍筋Φ8@200(井口段為@100)和加強筋Φ12@2000，鋼筋籠在現場施工分段制作，通過起重機吊裝，由工人在孔口焊接接長和綁扎處理后吊裝至孔內，樁身混凝土強度等級為C30，采用商品混凝土澆筑施工。12#樁事故平面見圖1所示。

圖1 樁位布置平面圖（局部）

1.2 工藝條件

根據建筑樁基技術規范、旋挖成孔灌注樁工程技術規程和設計技術要求，旋挖鉆機選用中聯250型（主要性能：正回轉鉆進，鉆機總重量22.0t，最大鉆孔直徑3.0m，最大鉆進深度50.0m）[1-3]，填土層采用全鋼護筒護壁，原生土及基巖為裸眼自穩；干作業旋挖鉆進，提升旋挖鉆筒至地面排碴。12#樁孔口地面標高290.5m、樁底標高261.5m、截齒鉆頭直徑1.9m。鉆時記錄顯示，9﹕30開鉆，22﹕00完成鉆孔，用時12小時30分鐘，共15個回次進尺，孔深29.0m，鉆進土層17.5m、強風化基巖層3.6m、中等風化基巖層7.9m，孔內下鋼質護筒（直徑2.0m、壁厚10mm）18.0m，22﹕20，參建單位代表對該樁成孔進行檢查驗收，并同意進行鋼筋籠安放工序施工。樁孔結構見圖2所示（注：圖中單位均為m）。

圖2 12#樁孔身結構圖

1.3 事故經過

圖3 12#樁事故現場照片

第二天早上7﹕00，塔式起重機司機將第一節長約9.0m鋼筋籠吊起下到護筒孔內，預留其上部一定長度，通過鋼管支撐放在鋼護筒口部，起重機再吊起第二節與第一節鋼筋籠的主筋對位后，由電焊工對鋼筋籠主筋接長焊接；7﹕30分左右，鋼護筒周圍地面泥土突然坍塌，出現約1.0m×1.0m坑，電焊操作工隨著塌陷泥土一并掉落到坑內，隨著孔壁塌陷破壞的發展，形成了一個寬約3.0m、長約5.0m、深度約3.0m的大坑，事故現場見圖3所示。

2 工程地質條件

2.1 場地土層特征

根據工程地質勘察報告，該場地多為第四系粉質粘土層覆蓋、局部區域為新近堆填第四系人工填土覆蓋。場區主要巖土層有第四系全新統的人工素填土和侏羅系中統沙溪廟組（J2s）砂巖、泥巖。其中全新統（Q4）地層特性如下。

2.2 場區地下水特點

工程場地原始地形為剝蝕淺丘地貌，無沖溝，山坡為旱地，坡腳為水田和魚塘，水田內水深為0.1～0.2m，魚塘水深為1.0～2.0m，場區地下水類型為松散土體孔隙水和基巖裂隙水，主要由大氣降雨、場地附近生活廢水及周邊建設場地施工用水補給。主要特征是：人工填土層孔隙度較大[4]，滲透性較好，大氣降雨等沿松散巖、土體間空隙入滲、徑流向地勢低洼處排泄，地表蒸發或賦存于巖、土體空隙內形成巖、土體孔隙水。粉質粘土層為不透水層，中風化泥巖為相對隔水層，中風化砂巖結構較致密，為弱透水層。

3 孔壁坍塌形成機理

3.1 鉆孔擴徑效應

該工程采用鋼質護筒護壁，旋挖鉆機正回轉取芯成孔工藝的主要流程為：樁位測量→安裝孔口導筒→裸眼多回次鉆進、取芯、鉆進至單節護筒長度(9.0m)→下入第一節護筒(9.0m)→裸眼多回次鉆進、取芯、鉆進至單節護筒長度(9.0m)→下入第二節護筒(9.0m)→裸眼多回次鉆進至終孔深度→成孔。

該工藝護壁未實現“隨鉆隨護”，護壁套管未隨鉆具鉆進而跟進，而是“裸鉆后跟護”[5]，即地層鉆開取（掏）芯后有一段裸露時間，達到護筒的長度后才下鋼護筒護壁，在裸露的時間段孔壁欠穩定，特別是回填土地層，裸露的孔壁極不穩定，易掉塊和垮塌，造成孔壁破壞，見圖4a所示。下入鋼護筒保證了筒內徑符合樁設計尺寸的技術要求，但鋼護筒外側卻保持擴孔擴徑的“空腔”狀態，見圖4b所示。

圖4 孔壁坍塌過程

3.2 形成“串珠狀空腔”

旋挖鉆具的鉆斗在鉆進過程中受到來自主動鉆桿的軸向力作用下（包括鉆具和鉆屑的自重），鉆斗在切削土體和取土芯時，使孔內土體產生整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖切破壞[6]，加上鉆具回轉的切向剪切擾動，碎石土孔壁自穩能力差，特別是塊徑大的石塊會在重力作用下掉落，使鉆孔直徑擴大，當第一節鋼質護筒下入孔后，僅僅是將孔壁垮塌段隔離在護筒外，這為孔壁上部土體繼續垮塌創造了空間，空腔下部被上部垮落的土石填充，空腔的上部不斷擴大，呈倒“喇叭”狀的空腔上大下小，見圖4b所示。隨著鉆孔深度的延長，同樣，在第二節鋼質護筒下入孔后，也會在第二節鋼護筒外側形成倒“喇叭”狀的空腔，如果下入多節鋼質護筒，則會在鋼護筒外形成像珍珠狀的“空腔串”，上下空腔之間由更新的填土層架“橋”組成新的隔層或“隔斷橋”，見圖4c所示。

3.3 空腔聯通效應

孔壁垮塌、空腔的發展過程包括徑向擴大和豎向聯通[7]。由于場地新老回填土結構松散、孔隙大、透水性強，在地下水的作用下，特別是地下水位較高或有降雨時，易吸水易軟化形成飽和粘土，強度低，壓縮性高，自密實過程加強；上下空腔間的填土隔層穩定性差，易流動，變形快，在外力、動水壓力或自重力的作用下促使上下空腔聯通，上空腔的土體向下空腔垮落，上空腔體積增大，隨著塌陷土的擾動增大，影響范圍沿孔身上移到地表，空腔上部土體在自重力作用下沉移到空腔內，出現地面下沉和塌陷。

4 有關問題的探討

4.1 群樁施工擾動作用

在圖1中可見，12#孔的四周相鄰樁有6根，樁間中心距均小3.0～3.5d（樁徑），12#孔施工前，其它6根樁成孔在施工過程中，已形成相互擾動，由于施工順序按跳樁間隔施工，各孔之間擾動的影響受到了一定約束，但其它各樁的施工擾動對12#樁孔的影響形成了疊加，當12#樁孔的地層鉆開后，相互影響的約束得以解除，為回填土沉降和變形創造了條件。

4.2 場地平整碾壓的破壞作用

鋼筋籠安裝前，施工人員利用挖掘機、鏟車等機械設備對12#孔護筒外側的場地進行了出碴、清理、整平和碾壓，受施工機械擠壓和擾動的影響，加速了護筒外側土體空腔之間的隔斷支撐柱體（豎向）和隔斷層（橫向）的變形，隨著填土層“隔斷橋”破壞的加劇，空腔發展到地面出現鋼護筒外地面塌陷[8]。

另一方面，在所有的工程樁施工前對場地的地面進行了平場和反復碾壓，場地表土在一定深度范圍內土的密實度增加、強度有很大的提高，并形成一定厚度的殼體，對鉆鑿形成的下部空腔有掩藏作用，導致孔壁坍塌的突然性。

4.3 鋼護筒底部是否有漏土條件

在圖2中可見，12#孔鋼護的孔口筒略有偏斜，但未出現下沉現象，下入的鋼筋護筒（長18.0m、直徑2.0m、鋼管壁厚10mm）的總重約8.83t；事故后測量樁孔的深度仍為29.0m，孔底沉碴厚度符合質量驗收標準的要求，鋼護筒底已進入穩定土層，護筒底部未出現漏土，不為空洞形成創造條件。

5 結語

鋼護筒護壁旋挖鉆進在高回填土地層施工過程中，因裸眼鉆進時段的擴徑作用，在鋼護筒下入后易使護筒外側的空腔擴大，形成空腔串并沿孔壁向地面延伸，在鉆機、挖掘機、鏟裝機和輪式起重機等設備荷載作用下，更容易使鉆孔周圍地面塌陷而引發安全事故。因此，回填土地層選用鋼護筒護壁旋挖鉆進時應選擇“隨鉆隨護”的全套管鉆進成孔工藝，不讓護筒外形成空腔，特別是地下水位較高的回填土地層，不讓地下水形成滲流破壞作用[9-10]。同時，回填土場地的地面處理應鋪設鋼板或澆筑10～20cm厚的鋼筋混凝土，或在施工操作人員的作業面范圍鋪設密目鋼格柵板。

[1]建設部.JGJ94-008建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]重慶市建設工程質量監督總站，重慶市建筑科學研究院.DBJ50-156-2012旋挖成孔灌注樁工程技術規程[S].重慶市住房和城鄉建設委員會，2012.

[3]張雁，劉金波.樁基手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2009：26-30.

[4]劉三意，夏柏如.多工藝旋挖鉆進施工鉆具及在凍土層中的應用[J].吉林大學學報：地球科學版，2008，38（3）：460-462.

[5]張啟君.旋挖鉆機施工工藝與施工病害的防治措施[J].建筑機械，2005（3）：91-94.

[6]王家全，朱慶盛，劉壘雷，等.巖溶地質旋挖灌注樁成孔工藝及其基樁質量控制研究[J].施工技術，2014（19）：17-19.

[7]商衛東，楊宇楠.旋挖鉆機在工程中的工藝應用研究[J].水利與建筑工程學報，2011，9（4）：61-65.

[8]石佩棟，顧曉魯.樁基工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2008：56-58.

[9]孔凡林，李成芳，袁由新，等.重慶地區旋挖樁施工質量問題淺析及解決對策[J].重慶建筑，2013（3）：21-22.

[10]譚偉.旋挖成孔灌注樁在不利地質條件下的成樁質量控制措施[J].建材技術與應用，2010（6）：29-30.

責任編輯:孫蘇，李紅

Discussion on Disaster-causing Mechanism of Hole Wall Collapses with Rotary Drilling

The foundation design of a construction engineering is swivel-driven pile,and the construction unit adopts complete steel protection tubes and walls to rotary drilling hole,but in the installation process of reinforcement cages,the ground around the steel protection tubes collapse,causing the hole wall collapsed and the welding workers injured or died.The upper part of the construction site is newly filled soil of the recent three to five years,and the backfilling thickness of the incident is 14.2m.The disturbance by rotary driller makes the steel protection tubes hollow,the hydrodynamic pressure within changes the physical and mechanical properties of the soil and,under the soil gravity impacts,the radial extension and the vertical connection within the hollow center forms huge empty spaces,resulting in ground deformation and failure of exterior fill stratum of steel protection tubes,a cause of the hole wall collapse incident.

swivel-driven pile;hole wall;collapse;disaster-causing mechanism

TU473

A

1671-9107（2017）05-0024-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.05.024

2017-04-02

陳紹清（1964-），男，重慶人，博士，教授，主要從事建筑施工安全和地質災害治理工程安全專業技術教學及科研。