钻孔灌注桩施工技术分析

2015-03-11熊斌

城市地理 2015年12期

熊斌

(湖北省城市地质工程院，湖北武汉 430070)

钻孔灌注桩是在人工挖孔桩基础上发展起来的一种桩型。后者由于劳动条件差、施工效率低、质量不稳定、存在安全隐患等诸多问题，将面临被淘汰的命运;而前者采用机械钻挖，具有作业条件改善、成孔速度快、质量稳定、安全环保等优势，有“绿色施工工艺”之美誉。当然，钻孔灌注桩与人工挖孔桩还是有一些共同之处，都是成孔之后安置钢筋笼再灌注混凝土而成桩，它们在软弱地基上成型的大截面深桩可以很好地克服一般基础结构沉降对建筑物所带来的危害，因而在工业建筑、高层楼宇、道路桥梁、港口码头、水利水电等工程建设中获得广泛应用［1］。但是工程地质条件的差别，加上钻孔灌注桩的种类和技术特点各异，如何选择合适的机具和施工工艺仍然值得探索和研究，因此本文对有关问题进行了分析探讨。

1.钻孔灌注桩的种类与施工工艺选择

1.1 钻孔灌注桩种类

钻孔灌注桩的分类方法有许多，比如说按照在岩土中的承载方式分为摩擦桩、端承桩 (承于硬土或岩石)，更常用的分类方法是按照成桩工艺分为非挤土灌注桩和部分挤土灌注桩两大类，非挤土桩更为常见，这类桩又可分为干作业法、泥浆护壁法和套管护壁法三种类型。干作业法只适用于地下水位以上的干土层，泥浆护壁法和套管护壁法适用于多种地层，尤其泥浆护壁法在我国应用更为普遍。泥浆护壁法之下还可细分为正循环成孔、反循环成孔、冲击钻成孔、旋挖成孔、清水钻成孔、成孔扩底等类型［2］。随着钻孔机械设备的不断发展，还会产生更多的新型式，相应地新的施工工艺也在不断探索和涌现出来，因而在工程实践中选择适宜的机具和工艺具有重要的意义。

1.2 钻孔灌注桩施工工艺选择

在施工准备阶段，选择合适的施工工艺可以获得更好的技术、经济效果，一般应综合地质条件、工程特点、环境条件、设备条件、工程造价、施工工期等因素，优选出经济合理、技术可行、风险较小的方案。通常情况下可分两步选择，第一步根据一般资料和施工经验初选，第二步通过现场试桩选出最合适的机具和工艺。例如某桥梁工程［3］设计引桥桩基为Φ1.5m的钻孔灌注桩，其桩长为40～50m，并且所有桩都设计成摩擦桩，地层从上至下为第四系人工填土及冲积层 (粉质黏土、粉砂、卵石)、第三系泥灰岩与泥岩 (强风化泥灰岩、半胶结状泥岩夹砂砾岩)。根据工程特点、地质条件、设备条件和施工经验，分别选择冲击钻正循环成孔工艺 (JK－8钻机)、回旋钻进反循环成孔工艺 (GPS－15钻机)和旋挖钻泥浆静态护壁成孔工艺 (ZR250B钻机)。JK－8、GPS－15、ZR250B最大钻孔直径分别为2.0m、1.5m和2.5m，最大钻孔深度分别为100m、50m、70m，可见它们都能满足工程要求。经过现场试桩，施工效率从高到低的顺序是ZR250B、JK－8、GPS－15，成孔质量由高至低的次序为ZR250B、JK－8、GPS－15，经济效益从大至小的顺序是JK－8、ZR250B、GPS－15，综合评分结果为ZR250B得8分，JK－8得7分，GPS－15得3分，因此该工程首选旋挖钻泥浆静态护壁成孔工艺 (ZR250B钻机)，冲击钻正循环成孔工艺 (JK－8钻机)可作为备选，而不宜采用回旋钻进反循环成孔工艺 (GPS－15钻机)。

2.钻孔灌注桩关键施工技术分析

2.1 施工流程

以泥浆护壁法为例，施工流程一般为:场地平整 (围堰筑岛)→桩位放线→桩机调整就位→埋设护筒→配制泥浆→钻进成孔→提钻→第一次清孔→孔质量检测→吊放钢筋笼→安装导管→第二次清孔→灌注混凝土→拔出导管→拔出护筒→成桩、移位。

2.2 护筒制作与埋设

护筒材质可采用钢材或钢筋混凝土，钢筋混凝土护筒只适用于陆地小截面桩型，而钢护筒可用于陆地、水上各种桩型，但钢护筒必须保证足够的刚度，否则施工中易发生变形，同时护筒圆度也很重要，不然也会影响成孔作业。钢护筒的壁厚一般不小于直径的1/150，必要时应设环向加劲筋和竖向加劲筋。沉放作业时必须控制护筒的垂直度，尤其在水中作业时要考虑水流、波浪等因素，必要时应采用导向架进行控制。

2.3 成孔、清孔泥浆的配制

护壁泥浆主要采用黏土泥浆、膨润土泥浆和混合泥浆三种类型。膨润土泥浆施工效果最好，但价格较高，如果当地有满足质量要求的黏土，选用黏土泥浆也是不错的选择，或者掺入部分膨润土配制成混合泥浆。泥浆配制的性能与所采用的工艺、地层性质有很大关系，在成孔和清孔换渣时钻渣依靠泥浆带出孔外，更重要的作用是通过平衡土层压力来防止孔壁坍塌。泥浆的使用有静态和循环两种方式，循环又分正循环和反循环，反循环再分为泵吸反循环、气举反循环和射流反循环，每一种方式对泥浆的要求都有些差别。砂层等稳定性差的土层要求泥浆的稳定性要好，所以要采用钠基膨润土配制，并掺加甲基纤维素、纯碱等材料稳定泥浆;相反地质较好的土层可以采用含砂低的黏土造浆［4］。纯碱的作用是调节pH值为碱性，使黏土颗粒易于分散，而甲基纤维素具有保水、增粘的作用。制浆时应先加水，再加纯碱，混匀后再加入膨润土，搅匀后加纤维素。泥浆搅拌时间不少于10min，新浆要在浆池放置24h再用。在放置期间泥浆必须保持流动状态，可利用泥浆泵进行循环操作。

2.4 钻进技术

钻进是比较复杂的技术，因为钻进成孔质量和效率与众多因素有关，既与岩土层类别、钻具种类、施钻工艺有关，也与作业人员的经验、技术水平、操作习惯有关。钻具中最重要的是选择合适的钻头，以反循环回转钻进为例，翼状钻头以挤压和切削破坏岩土层钻进，主要用于较软的各种土层和砂层;牙轮滚刀钻头则以挤压、冲击、剪切破碎岩层，可用于硬一些的沙砾石层、中硬基岩。翼状钻头又分为两翼钻头、三翼钻头、四翼钻头，三翼钻头适用于各种土层及含少量砂砾的砂层，四翼钻头可钻进较硬的土层和带砾石的砂土层。选好钻头后还要选择合适的钻进参数，包括钻进压力 (钻压)、钻进速度 (钻速)、洗井参数等。其中最关键的因素是钻压，应按照地层的岩性和构造进行选择，初钻应低压慢进，正常后再恒压钻进，在不同地层交界处容易产生井斜，故应降低钻压或减少钻头刀具数量。钻速应根据岩性、钻压和刀具性能综合考虑，岩石强度高、耐磨应取小钻速，流沙层容易塌孔也应取小钻速，钻压高并且刀具耐磨则可适当增加钻速。泥浆或清水等冲洗液的流量应根据地层而定，孔底渣量大时可适当加大流量，以提高排渣效率，但流量不能大到把循环液抽出。难钻的地层可采用静态低速方式，等井底渣量达到一定数量再排渣。

2.5 钢筋笼制作与吊放

钢筋笼应严格按照设计和规范要求制作，除了尺寸偏差满足要求以外，还要保证足够的刚度，必要时加焊加劲筋和临时内支撑。对于深孔钢筋笼应全长加工，分拆数段运输、吊放，再拼接。吊装时应采用多点平衡吊法，避免钢筋笼变形。

2.6 清孔操作

清孔是钻孔灌注桩施工过程中很重要的环节，要保证孔底渣厚和循环液含渣量满足质量要求，清孔不当会影响到成桩质量。清孔一般分两次进行，第二次尤其关键，因为灌注混凝土前下放钢筋笼、导管可能间隔较长时间，沉渣厚度会超出要求，并且下放钢筋笼也会触碰孔壁掉渣。清孔方法包括换浆法、抽浆法、淘渣法、喷射法、气举反循环法等，各种方法的特点、效果都不一样，应结合地层特性、工艺要求选择。例如正循环钻进工艺可采用换浆法进行第一次清孔，采用喷射法进行第二次清孔。再如软土地基正循环钻进工艺中，由于钻孔、清孔过程中容易塌孔，故需采用浓泥浆护壁，第二次清孔方法的选择就很关键;从经济性考虑应采用换浆法，因为它与正循环钻进设备一致，不额外增加机具;从适用性分析，抽浆法和气举反循环法清孔时过于激烈而易引起塌孔，都不适合;从清孔效果考虑，换浆法不比其他方法差;综合这几点，应选择换浆法进行二次清孔。

2.7 混凝土配制与灌注

目前，钻孔灌注桩施工多采用商品混凝土，但各厂家商品混凝土质量参差不齐，存在鱼龙混珠现象，因此必须仔细甄别商品混凝土厂家，并安排专人进驻搅拌站监督原材料和配合比，以便从源头上控制混凝土质量。灌注混凝土时，应先拔出护管内的球塞，等混凝土落下后确保导管埋入混凝土的深度不少于1m，再继续灌注;混凝土上升至钢筋笼底部4m以上后应及时提升导管。每1根桩应在混凝土终凝前灌注完成，并保证同1根桩连续灌注。