砂卵石地层钻孔桩施工技术

摘 要：本文以京承高速公路三期工程为依托，分析地质特征，从施工原理、施工流程、操作要点等施工工艺角度阐述了在砂卵石地层采用冲击钻孔成桩的施工技术，并取得显著经济效果。

关键词：砂卵石地层 冲击钻 护筒 泥浆 钻进 成孔 灌注

中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（a）-0049-02

要在有丰富的松散卵石的河床上进行冲击钻孔灌注桩施工，不仅要保证施工质量，而且要满足工期的要求。当卵石颗粒出现较大直径时，旋挖钻机和循环钻机无法满足钻进要求，所以采用冲击钻。受钻具震动与撞击等因素影响，极易出现塌孔，直接影响工期、成孔质量和经济效益。所以必须开展技术研究，采取措施，解决问题。本文以京承高速公路（三期）潮河桥为例，浅析砂卵石地层钻孔桩施工技术。

1 工程概况及地层特征

1.1 工程概况

潮河桥为京承高速公路（三期）工程，位于北京市密云县东北方向，横跨潮河，为斜60度简支梁桥。钻孔灌注桩基础长为11～19 m。桩径分1.2 m和1.8 m两种。

1.2 地层特征

本桥位于两个地貌单元，分别为剥蚀残丘和潮河河谷，潮河河床内现况无地表径流。场地地层分布特征为：地表以下8～10 m范围内为砂卵石地层，成分以卵石夹杂漂石为主，漂石粒径为50～60 cm，由于河床遭遇严重盗采和盗采后的填埋，缺少细小颗粒；砂卵石以下为岩石，本桥桩基均为嵌岩桩，要求桩底进入弱风化岩2 m。由此可见：覆盖层松散易钻，但孔壁稳定性差，常出现塌孔、超径等等问题，对泥浆性能要求较高，需控制进尺；下层岩石坚硬，冲击过程产生剧烈振动，易造成上层卵石层失稳。

2 施工工艺

2.1 工艺原理及特点

为避免护筒下及周边卵石的稳定埋，通过铺设混凝土及注浆等方法，有效的连接卵石和护筒，填充空隙，固定上层松软层，硬化深层松散卵石，并对护筒周围进行加固，防止因振动和机械等重物的压力引起坍孔。

本工艺具有以下特点。

（1）注浆固化土体埋设护筒，避免护筒根部及周边坍孔。

（2）保证了钻机的稳定，不容易出现偏位，减少了纠偏的几率，从而缩短了成孔时间。

（3）在护筒和卵石层之间铺一层混凝土，起到了很好的连接作用，保证了护筒的稳定，解决了护筒下卵石的不稳定问题。

2.2 施工工艺流程

钻孔灌注桩的施工，因其所选护壁形成的不同，有泥浆护壁方式法和全套管施工法两种，但在施工中常用的是泥浆护壁方法。

该施工工艺流程是：挖基坑并底层铺筑混凝土→埋设护筒进行注浆→钻机就位→钻进施工→清孔→水下混凝土灌注。

2.3 施工操作要点

2.3.1 挖基坑并底层铺筑混凝土

基坑的大小根据桩径确定，基坑的直径较护筒大1 m，便于发挥混凝土对松散地层的凝结作用。铺筑混凝土工艺流程图如图1所示，铺筑混凝土剖面图如图2所示。

为了达到良好的效果，避免钻孔过程中出现塌孔现象，提高成孔机率，施工时注意以下事项。

（1）混凝土的强度：根据养护的时间和条件，当开始钻进时，强度达到10 MPa。

（2）混凝土的坍落度：较一般普通混凝土减少25%～30%粗骨料，能够渗透到下层卵石中。

（3）挖基坑的过程中，基坑底不要被扰动，用人工清理。

2.3.2 埋设护筒进行注浆

（1）埋设注浆管。

由于砂卵石松散，在钻头进入到岩石层后，振动很大，一层混凝土很难达到理想效果，为了进一步加强对松散砂卵石的固结作用，在埋设好的护筒四周进行注浆，注浆管长度依据卵石层的松散厚度而定，一般比护筒长0.5 m，布置如图3所示。

（2）注浆。

注浆材料为普通硅酸盐水泥P.O.32.5，掺加10%～25%的粉煤灰，水灰比1∶1。

注浆管采用Φ32 mm，L=2.5～3.0 m，壁厚3.25 mm的无缝钢管。前端加工成锥形，以便插打。前端1 m范围内钻Ф8～10 mm溢浆孔，呈梅花形布置（防止注浆出现死角），间距20 cm，尾部1.5 m范围内不钻孔防止漏浆，末端焊Ф6环形箍筋，以防打设注浆管时端部开裂。

注浆量计算：

Q=πR2×h×n×α×（1+β）

式中：Q为注浆量（m3）；

R为扩散半径；

H为注浆段长；

N为地层空隙率；

α为地层填充率；

β为损失率。

2.3.3 钻机就位

施工过程中，使用3台CZ-8型冲击钻，6个钢护筒，循环使用。

安装钻孔机的基础如果不稳定，施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响，因此要求安装地基稳固。对地层较软和有坡度的地基，用推土机推平，在垫上钢板或枕木加固。

为防止桩位不准，施工中很重要的是定好中心位置和正确的安装钻孔机，对有钻塔的钻孔机，先利用钻机的动力与附近的地笼配合，将钻杆移动大致定位，再用千斤顶将机架顶起，准确定位，使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上，以保证钻机的垂直度。钻机位置的偏差不大于2 cm。对准桩位后，用枕木垫平钻机横梁，并在塔顶对称于钻机轴线上拉上缆风绳。

2.3.4 钻进施工

（1）泥浆护壁作用与配制。

泥浆的护壁机理主要表现在两个方面：隔水膜的形成及泥浆液态静压力。隔水膜的形成要求土层具有一定的渗透性，否则，很难在孔壁形成隔水膜。泥浆在液压作用下浸入土层，在一定范围内，泥浆凝胶体黏附在土颗粒上，固定了土颗粒的相对位置，在孔壁周围（0～2 m）形成较稳定的土层，使土层抗剪强度增加，从而维持了孔壁的稳定。泥浆的继续渗透使泥浆中的土颗粒逐渐填补了孔壁土层的空隙，从而堵塞水道，在孔壁形成泥皮即隔水膜。泥浆的液态静压力可以有效地作用在孔壁上，且减少了渗透性，保持了孔壁的稳定。泥浆的液态静压力可以抵抗作用在孔壁上的土压力和水压力，并防止地下水的渗入。由此可见：泥浆具有稳定护壁作用，首先表现为泥浆静水压力作用，对地下水产生超压力，起稳定平衡作用；其次表现为泥皮作用，泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合，促进孔壁的稳定。同时，泥浆具有抑制地层失稳的作用，主要表现为泥浆的凝胶作用。

钻孔泥浆由水、黏土（或膨润土）和添加剂组成。泥浆原料宜尽可能使用膨润土，膨润土具有密度低、黏度大、含砂量和失水量少、泥浆厚度小、稳定性强、固壁能力强、钻具回旋阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。为了提高泥浆性能，通常在制备泥浆时掺入少量的外加剂。外加剂一般有轻基纤维素（CMC）、铬铁木质素磺酸钠盐（FcI）、硝基腐植酸钠盐（煤碱剂）和Na2Co3（纯碱）。

不同类型的外加剂对钠膨润土泥浆滤失量的影响是不同的。根据试验配制，不同的掺和量具有不同的粘度，采用添加膨润土泥浆护壁，并加入适当的纯碱。泥浆经多次试配如表1所示。

本工程中采用了水：膨润土：纯碱=100∶5∶1的比例，施工效果比较理想。

（2）钻孔。

钻孔是一道关键工序，在施工中必须严格按照操作要求进行，才能保证成孔质量，首先要注意开孔质量，为此必须对好中线及垂直度，并压好护筒。在施工中要注意不断添加泥浆和抽渣，还要随时检查成孔是否有偏斜现象。采用冲击式或冲抓式钻机施工时，附近土层因受到震动而影响邻孔的稳固。所以钻好的孔应及时清孔，下放钢筋笼和灌注水下混凝土。钻孔的顺序也应实事先规划好，既要保证下一个桩孔的施工不影响上一个桩孔，又要使钻机的移动距离不要过远和相互干扰。

2.3.5 清孔

钻孔的深度、直径、位置和孔形直接关系到成装置量与桩身曲直。为此，除了钻孔过程中密切观测监督外，在钻孔达到设计要求深度后，对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查。在终孔检查完全符合设计要求时，立即进行孔底清理，避免隔时过长以致泥浆沉淀，引起钻孔坍塌。对于摩擦桩当孔壁容易坍塌时，要求在灌注水下混凝土前沉渣厚度不大于30 cm；当孔壁不易坍塌时，不大于20 cm。对于柱桩，要求在射水或射风前，沉渣厚度不大于5 cm。清孔方法是使用的钻机不同而灵活应用。通常可采用正循环旋转钻机、反循环旋转机真空吸泥机以及抽渣筒等清孔。其中用吸泥机清孔，所需设备不多，操作方便，清孔也较彻底，但在不稳定土层中应慎重使用。其原理就是用压缩机产生的高压空气吹入吸泥机管道内将泥渣吹出。本工程采用掏渣筒清孔。

2.3.6 水下混凝土灌注

清完孔之后，就可将预制的钢筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，第一车混凝土灌注时，用较大漏斗，并用比导管直径略小的皮球封底，保证桩底部质量。

3 资源节约及效益

此工艺保证了桩基的成孔质量，避免塌孔造成反复回填和钻进，只采用少量混凝土和水泥浆，避免了使用全护筒，降低了施工成本约200万，取得很好的经济效益；采用注浆加固，保证了钻机的稳定，减少了纠偏的机率，从而缩短了成孔时间，加快了施工进度，取得了很好的社会效益；只采用少量混凝土和水泥浆，把能源消耗降到最低，节能环保效果好。

4 质量评述与结语

潮河桥钻孔桩施工开始，6根桩钻孔施工过程出现了两次坍孔。针对此情况，充分分析原因，根据此工法施工，克服了孔壁坍塌现象，钻孔桩灌注质量得到有效控制。潮河桥钻孔桩施工共计72根，经北京市质量监督站对桩的完整性检测均为Ⅰ类桩。

本研究很好的解决了在砂卵石地层冲击钻孔桩施工技术问题，为以后类似工程积累了经验，但必须在地质勘探基础上，准确的判断地层结构，才能决定具体的施工方法。

参考文献

[1]（JTJ041-2000）.公路桥涵施工技术规范[S].

[2]刘睦峰，彭振斌，王建军，等.一种软硬互叠岩层钻孔灌注桩钻进技术[J].中南大学学报（自然科学版），2010（3）.