圆砾土地层钻孔灌注桩施工质量问题的成因分析及预防处理

2010-03-20刘洪江

铁道建筑 2010年10期

刘洪江

(乌鲁木齐铁路局喀什和田铁路建设指挥部，新疆喀什 844000)

1 工程概况

新疆南疆新建喀什和田铁路叶尔羌河特大桥全长1 061 m，为32孔32 m预应力混凝土简支梁桥。桥基础采用钻孔灌注桩基础。桩径φ1.25 m，数量136根摩擦桩，桩长在13～16 m范围内。桩基施工采用冲击成孔灌注桩技术。

从地质钻孔资料揭示，地质情况为:第四系全新统细圆砾土埋深16 m、厚为1.7 m，分布在7#～9#墩;粗圆砾土分布在桥址范围内地表，厚度＞40 m，粒径20～60 mm约占50%;喀什台至4#墩之间表层间分布薄层粉细砂，厚为1～2 m;喀什台至4#墩之间、17#墩附近的中砂层，厚为3～7 m。

地下潜水层以孔隙水为主，地下水埋深0.2～5.0 m，受大气降水及河水补给，地下水水量丰富。该工程的水面宽度697 m，河水由冰川融雪补给，水量受季节变化明显。钻孔灌注桩基础施工时，5#～28#墩在河道内，其余两桥台和桥墩均在河道边。

2 钻孔常见质量问题及处理

2.1 孔壁坍陷

2.1.1 坍孔原因

1)钻孔就位处土质为松散粉细砂，如在河道边4#～3#桩钻孔时，泥浆性能指标不符合要求，泥浆相对密度为1.06(太小)，黏度17 s(过低)，钻进3.5 m后在砂砾层中塌孔。使用这样的泥浆在松散的含砂量较大的地层中钻进，由于地层的孔隙较大，砂砾间的黏聚力较小，泥浆很容易从孔壁大量渗入四周的地层中，孔壁不能形成坚实的泥皮，当地层中的水含量达到一定程度时，孔壁就会被泡塌。

2)钻进开孔时钻速过快，在地质变化地段未能采取措施。钻进速度过快、空钻时间过长，使泥浆在孔内高速流动，泥浆来不及在孔内壁形成坚实的泥浆层;相反，高速流动的泥浆对孔壁产生较强的冲刷作用，如冲刷时间过长，就可能引起坍孔。成孔后，待灌时间过长和灌注时间过长，也会引起孔壁坍陷。

3)钻进成孔后，由于长时间清孔、下钢筋笼和导管，也会造成坍孔。

4)护筒埋设不当。在埋设过程中，护筒埋设过浅，护筒底部所在地层和护筒周围未用黏土紧密填封，在孔口地面被水淹埋时，均会引起护筒下端漏水，导致坍孔。钻机工作时的振动较大，也是产生坍孔的原因之一。

2.1.2 坍孔的预防

1)在松散地层中钻进时，选用相对密度大高黏度的泥浆。这样做，一方面有利于孔壁坚实泥皮的形成，防止因渗浆引起的坍孔，另一方面有利于提高排渣的效率和钻进速度。

2)保持一定的泥浆高度。从开始到浇筑水下混凝土前，应始终保持泥浆顶面高度高出地下水位1～2 m，目的是保持泥浆对孔壁有0.1～0.2 MPa以上的侧压力，以支持泥浆孔壁，这是保证钻孔过程中不坍孔的重要手段之一。在地下水位变化大的地方施工，应保持泥浆顶面高度的相对稳定，为此，可以采用提高护筒，使用连通管或虹吸管等措施。

3)在松散地层中钻进时，应当控制钻进速度。钻进速度不能过快，以保证泥浆形成有效的护壁，应尽量缩短清孔终了到浇筑水下混凝土这段时间间隔。在此期间，应随时注意孔内泥浆高度的变化，及时补充。

4)起吊钢筋笼时，应保持垂直，下放时，要缓慢并防止挂碰孔壁。

2.1.3 坍孔的处理

1)在松散易坍的土层中，孔口发生坍塌时，拔出护筒，填平钻孔，然后重新埋设护筒，用黏土密实填封护筒四周，使用优质的泥浆，提高泥浆的相对密度和黏度，保持护筒内泥浆水位高于地下水位，再钻孔。3#墩2号桩按本方法进行处理。

2)在细圆砾土、粗圆砾土地层中用冲击钻机，应采用小冲程开孔，将部分被砸碎的细圆砾土同黏土一起一点点挤入孔壁周围形成孔壁，并在外部形成一层泥浆皮。使初成孔坚实、竖直、圆顺，能起导向作用，钻进深度超过钻头全高加冲程后，方可进行正常的冲击。

3)在钻进过程中，要经常及时提取钻孔渣样，核对地质情况，根据地质钻孔提供的地质资料及钻孔渣样的情况，在地质变化地段及时调整泥浆相对密度和黏度，及时调整钻机冲程。如18#墩2号桩桩基是典型的地质变化地段，根据地质钻孔揭示的资料，地表下伏3～7 m厚的中砂层，此时，应调整泥浆的相对密度及黏度，使之加大，并利用钻头进行多次缓慢的空钻，上下缓动使此段在进入中砂层前形成较好的泥浆护壁。

4)在钻进过程中，必须勤松绳、少量松绳，不得打空锤，勤抽渣，使钻头经常冲击新鲜地层。

5)搬运和吊装钢筋笼时，应防止变形，安放要对准孔位，避免碰撞孔壁，钢筋笼接长时，要加快焊接时间，尽可能缩短沉放时间。

6)成孔后，待灌时间一般不应大于3 h，并控制混凝土的灌注时间。在保证施工质量的情况下，尽量缩短灌注时间。

2.2 偏孔

2.2.1 偏孔原因

1)钻机安装就位稳定性差，底座下面的地面产生不均匀沉降，作业时钻机安装不稳，使钻机在倾斜状态下工作。21#墩1号桩因钻机底座移动10 cm，后来采用扫孔纠正。

2)钻孔弯曲或钻杆作业平面与钻杆不垂直，使钻头工作时产生较大摆动，当各方受力不均时，钻头偏向受力小的一侧。

3)地质原因造成的偏孔。在倾斜的土岩层钻孔或土层中夹有大的孤石或其它硬物等情形时，均会使钻头各个方向受力不均，从而产生偏孔。

4)在流沙层中钻进时，由于流沙易流动使孔扩大，孔壁未能约束钻头，钻头摆动偏向一侧。

2.2.2 处理措施

1)先将场地夯实平整，轨道枕木宜均匀着地。安装钻机时，要求桩位中心与钻架上起吊滑轮在同一轴线。在不均匀地层中钻孔时，采用自重大的钻头。

2)进入不均匀地层，碰到孤石时，钻速要打慢挡。

3)安装导正装置也是防止孔斜的简单有效的方法。钻孔偏斜时，可提起钻头，上下反复扫钻几次，以便削去硬土。如纠正无效，应于孔中局部回填黏土至偏孔处0.5 m以上，重新钻进。

2.3 桩底沉渣量过多

2.3.1 造成原因

1)清孔不干净或未进行二次清孔。

2)泥浆相对密度过小或泥浆注入量不足而难以将沉渣浮起。

3)钢筋笼吊放过程中，未对准孔位而碰撞孔壁，使泥土坍落桩底。

4)清孔后，待灌时间过长，致使泥浆沉积。

2.3.2 处理措施

1)成孔后每隔10 min测量沉渣厚度，如发现沉渣超厚，则提高泥浆相对密度。

2)钢筋笼吊放时，使钢筋笼的中心与桩中心保持一致，避免碰撞孔壁。可采用钢筋笼冷压接头工艺加快对接钢筋笼速度，减少空孔时间，从而减少沉渣。

3)下完钢筋笼后，检查沉渣量，如沉渣量超过规范要求，则应利用导管进行二次清孔，直至孔口返浆相对密度及沉渣厚度均符合规范要求。

4)开始灌注混凝土时，导管底部至孔底的距离宜为30～40 mm，应有足够的混凝土储备量，使导管一次埋入混凝土面以下1.0 m以上，以利用混凝土的巨大冲击力来溅除孔底沉渣。

2.4 抽渣堵管

2.4.1 造成原因

在先期钻进冲击过程中，由于钻头齿牙的间距过大，齿牙的形式为锥形不适合将粗圆砾土冲击粉碎，故在冲击行程中，钻头没有把砾石冲击粉碎，而是把大量较大的渣样和砾石翻起，这样，在抽渣时，就很容易造成堵管现象，需要花费大量的时间去清管，大大降低了冲击效率，影响钻进速度。

2.4.2 处理措施

1)改变钻头齿牙形式，减小齿牙间距，使之在钻进冲击过程中能够有效地达到粉碎砾石作用，从而有效地抽渣，减小堵管现象。

2)对于粗圆砾土地层，由于钻头的形式不对，在钻进的过程中将大量的砾石翻起，不仅造成抽渣堵管现象，也对孔壁的稳定起了一定的破坏作用，在冲击进程中没有形成对孔壁的挤压密实作用，所以，在改变了钻头齿牙的形式和增加了齿牙的密度后，不仅加强了对砾石的粉碎，也加固了孔壁的密实度，大大减小了坍孔的可能。

2.5 糊钻

在黏土层中钻进时，钻机负荷小、进度快，易产生糊钻。糊钻产生的原因有:进度快，排渣能力小，钻渣来不及排除，排渣管堵塞。

预防糊钻的措施有:控制进度，加大排渣能力，使钻渣及时排除;使用相对密度小、低黏度的泥浆或清水作循环液，进行提钻清除。

2.6 扩孔和缩孔

扩孔和缩孔是指钻进过程中或钻成的孔直径大于或小于要求的孔径。松散地层中钻进时，钻头钻进后，泥浆不能随即将孔壁护住，暴露的孔壁在泥浆回流的冲刷下，部分坍落使孔径增大。当钻头尺寸较大或偏心，工作时钻头摆动可能产生扩孔。对于扩孔，可根据具体情况作不同处理，不影响钻进时，可不作处理。

缩孔原因有:钻头直径小，在塑性土层中钻进时，塑性土在土体压力作用下回流入孔，形成缩孔;在湿陷性黄土地层中钻进时，土层遇水膨胀也会形成缩孔。产生缩孔后，可用反复扫孔的方法予以处理。如遇缩孔严重，通过反复扫孔不能解决问题时，可用增长护筒的办法予以处理，护筒长度应大于缩孔段的长度。

3 水下混凝土灌注的质量问题及处理

3.1 导管进水或卡管

水下灌注混凝土过程中，导管被混凝土堵塞，无法继续进行混凝土的灌注。造成原因有:①初灌时，隔水栓在导管内某个位置被卡住堵管;②混凝土坍落度小，骨料中夹有大粒径卵(块)石，粗骨料粒径过大，混凝土和易性、流动性差造成离析;③各种机械故障引起混凝土浇筑不连续，在导管中停留时间过长，最初的混凝土已经初凝，增大了管内混凝土的下降阻力，混凝土堵在管内而卡管;④混凝土浇筑过快，进口处入口面积较大，导管内形成气塞;⑤导管埋深过大，未按照要求及时拆管，导致内外压差过小。

处理措施有:①使用的隔水栓直径应与导管内径相配，同时具有良好的隔水性能，保证顺利排出;②在混凝土灌注时，应加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制;③应确保导管连接部位的密封性，导管使用前应试拼装和试压，试水压力为0.6～1.0 MPa，以避免导管进水;④在导管进口注入混凝土时，可采用长空心钢管插入导管内，排出高压气塞空气后继续灌注。

3.2 钢筋笼上浮

钢筋笼在混凝土浮力作用下或由于提升导管时的挂碰，使钢筋笼顶面高程超过设计高程。造成原因有:①钢筋笼放置初始位置过高，混凝土流动性过小，导管在混凝土中埋置深度过大，使钢筋笼被混凝土的顶推力上升;②当混凝土灌至钢筋笼底端时，由于浇筑的混凝土自导管流出后冲击力较大，推动了钢筋笼的上浮;③由于混凝土灌注过钢筋笼且导管埋深较大时，导管底端未及时提到钢筋笼底部以上，混凝土在导管流出后以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上升。

处理措施有:①钢筋笼初始位置应定位准确，并与孔口固定牢固，加快混凝土灌注速度，缩短灌注时间，或掺外加剂，防止混凝土顶层进入钢筋笼时流动性变小;②导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2～4 m，不宜大于5 m或小于1 m，严禁把导管提出混凝土面;③当发生钢筋笼上浮时，应立即停止灌注混凝土。

3.3 断桩

混凝土凝固后不连续，中间被冲洗液等疏松体及泥土填充，形成间断桩。

造成原因有:①导管底端距孔底过远，混凝土被冲洗液稀释，使水灰比增大，造成混凝土不凝固;②受地下水活动的影响或导管密封不良，冲洗液浸入混凝土，水灰比增大，使桩身中段出现混凝土不凝体;③在浇筑混凝土时，导管提升和起拔过多，或因停电、待料等原因，造成夹渣;④浇筑混凝土时，没有从导管内灌入，而采用从孔口直接倒入的办法灌注混凝土。

处理措施有:①成孔后，必须认真清孔，一般采用冲洗液清孔;②灌注混凝土前，认真进行孔径测量，准确算出全孔及首次混凝土灌注量;③混凝土浇筑过程中，应随时控制混凝土面的高程和导管的埋深;④在地下水活动较大的地段，事先要用套管或水泥进行处理，止水成功后，方可灌注混凝土。