浅谈钻孔灌注桩施工质量控制及一钻成孔工艺

2020-12-19张兵兵

中国金属通报 2020年11期

关键词：钻杆钻机钻头

张兵兵

（甘肃省地质调查院，甘肃兰州 730000）

1 钻孔灌注桩施工质量控制

1.1 施工准备

（1）放线。钻孔灌注桩施工中桩位的确定是十分重要的，施工前必须严格按照设计文件准确测量并确定每根桩的位置，误差不应超过20 mm。

（2）混凝土配合比。钻孔灌注桩砼的强度等级通常采用C30的强度等级，施工前首先要按设计要求确定砼理论配合比，由于施工时，原材料的含泥量与含水量等指标在不确定因素影响下经常发生变化，因此施工时要进一步对理论配合比进行调整，调整后的配合比作为施工配合比来指导施工。

（3）施工机具。选择合适的施工机具是实现钻孔灌注桩质量控制的关键。泥浆循环回转钻进成孔灌注桩的施工机具主要包括成孔的钻机、钻杆、钻头、泥浆循环设备、料斗、隔水塞、泵送设备等。

钻机的选择应视灌注桩的桩径大小、桩身长度等来确定。桩径越大桩身越长要求选择功率较大的钻机，同时钻杆也不宜过细，应满足钻进时扭矩的要求，以避免钻杆弯曲造成孔斜等事故。钻头的直径一般比设计桩径小5 -6 cm，其形状应对称，锥尖夹角不应过小。灌注用导管的基本要求是满足砼的灌注量，同时满足桩径与钢筋笼直径的要求，接头密闭，不漏水不漏气。每节导管长度一般3.5 m，为方便施工，应配备一些短节导管，如0.5 m、1.0m、1.5 m等不同长度，导管外径应比钢筋笼内径小10cm以上，以满足灌注混凝土的要求，并避免提升导管对钩带钢筋笼。

1.2 钻机就位

钻机就位时应按经测量放线所确定的桩位进行，首先应对钻机本身进行调平找正，使得天车、转盘、护筒中心三点成一垂线；其次用测锤校验钻机所就位置是否满足桩位的要求，钻机回转盘中心与桩位中心误差应控制在20 mm之内。另外，钻机的安装必须保持水平稳固，以保证成桩的垂直度和桩位偏差符合要求。

1.3 泥浆选挥

实践证明，泥浆的选择是保证泥浆循环钻进成孔灌注桩施工质量的主要环节，必须严格控制。泥浆一般采用水、粘土或膨润土和添加剂制成，施工时应经常检测泥浆的各项性能指标，尤其是比重和粘度这两项最直观最重要的指标，泥浆比重过大会影响钻进速度，泥浆比重过小又会降低泥浆携带孔内沉渣及泥块的功效，同时护壁性能也会降低，容易造成钻孔坍塌或漏水等事故。一般情况下，注入孔口的泥浆比重≤1.15，漏斗粘度18″~22″，排出孔口的泥浆比重≤1.30，漏斗粘度20″~ 26″。

1.4 成孔

成孔过程中主要应加强以下几个方面的控制：

（1）在其他条件允许的情况下，钻进速度要快。相比之下，灌注桩的施工时间越短，质量越容易控制，但在开孔钻进时，要轻压、慢转，以防止发生孔斜。另外在淤泥质土层钻进时速度也不宜过快，以防止形成螺旋形孔或发生缩径现象。

（2）钻进过程中泥浆循环量应根据地层和钻进速度加以调整，若钻进速度加快，则必须加大泥浆循环泵量，以排除孔内泥块沉渣。但在松软易坍塌地层中钻进时泵量不宜过大，否则会造成钻孔坍塌或超径现象。

（3）终孔时，应对桩孔的孔径、孔深、垂直度等进行检测，符合要求时方能终孔，否则须按要求进行解决处理。

1.5 清孔

施工时，通常采用两次清孔来达到砼灌注的要求：

在桩孔达到终孔要求后，采用钻具进行第一次清孔，排除孔内泥块沉渣，并使泥浆密度降低至规定要求。在钢筋笼和砼灌注导管安装完毕后要进行第二次清孔，排除孔内泥块沉渣，使泥浆密度降低至规定要求。并使实际孔深与清空后测量孔深之差亦即沉淤厚度符合要求，一般要求沉淤厚度≤10cm。每次清孔时泵量不应过大，以能排除孔内泥块沉渣为宜，避免由于泥浆泵量过大造成孔壁不稳定，发生坍塌等事故。

1.6 钢筋笼制作及安装

钢筋笼的制作及安装的技术要求主要有：

（1）钢筋笼直径应符合设计要求，允许偏差±10mm。

（2）每节长度不宜超过9m，也不宜短于5m，以利于孔口焊接质量及焊接速度。

（3）当使用法兰接头导管时，最下面一节钢筋笼的底端应使主筋向外张开，以免提升导管时钩带钢筋笼，造成钢筋笼上浮。

（4）上、下两节钢筋笼进行孔口焊接时应保持垂直状态，各主筋位置应校正对准，主筋搭接长度应符合规定要求。

（5）钢筋笼下入孔内过程中速度应适宜，以避免其与孔壁发生碰撞造成孔壁坍塌或使钢筋笼变形，影响成桩质量。

1.7 导管安装

（1）所选用导管外径应满足设计要求。

（2）导管下入孔内时，每两节之间应安放密封胶圈，拧紧丝扣，以防止漏气、漏水，造成混桩或断桩事故。

（3）最下部导管底端应切成锥形斜口，以利于砼灌注。

1.8 混凝土灌注

水下混凝土灌注是确保成桩质量的关键工序，施工时应做好以下几个方面的控制：

（1）混凝土的配比强度必须满足设计要求。

（2）混凝土的坍落度要适宜，既不能过大也不能过小，坍落度太小易堵塞导管，坍落度太大易发生离析，一般控制在18 ~22 cm之间。

（3）灌注前应检查孔底沉淤厚度与泥浆比重，不符合要求时应继续清孔。

（4）导管底口距孔底高度以能放出隔水塞和混凝土为宜，一般控制在50 cm。

（5）灌注前应计算混凝土初灌量，保证初灌后导管有足够埋深，初灌后导管埋深一般不小于0.8~1.3 m。

（6）混凝土灌注应连续进行，经常检查导管内外混凝土高度，保证导管埋深在3~10 m，并及时提升及拆除导管，提升导管时要平稳，以免出料冲击过大或导管钩带钢筋笼造成钢筋笼上浮。

（7）混凝土灌注结束后，应检查水下混凝土灌注高度是否满足设计要求，充盈系数是否在1.0 ~1.3之间，当确定满足要求后，方能停止灌注，拆卸导管及其他灌注设备。

2 一钻成孔工艺

利用先进技术、综合治理、严细操作等手段，简化施工程序，排除地层干扰，摆脱综合治理的做法，在松散、坍塌、涌漏地层中，采取顶漏钻进、一钻到底的技术措施，把钻孔打到设计深度，且不影响地质、探矿、简易水文物探资料的取得，这样快速完工的钻孔，称之为一钻成孔。

在机械岩心钻探中，特别是岩金普查勘探和煤田钻探，一个100 m左右的基岩钻孔在施工前总要考虑设备配套、钻孔结构、冲洗液类型、护孔方法、岩心采取、物探测井、钻孔封闭等许多问题。在施工中因某一方面出现问题，常常易致工程质量不高、工程进度缓慢、经济效益事倍功半。这种惯常的方法，使探矿工程陷入了繁杂的综合治理之中，消磨大量的人力、物力和财力，抑制了探矿工程的发展。

实践证明，用一钻成孔工艺打出的钻孔，其质量好、效率高、成本低、施工周期短，充分显示出钻机和钻进方法的优越性，它解决以下问题：

（1）可以在坍塌掉块、涌漏剥落的地层中一律采取清水钻进、气代水钻进、顶漏钻进，摆脱了繁琐的综合治理过程，节约了大量的护堵材料。

（2）成孔迅速，以快制胜，缩短了施工周期，大幅度地提高各项经济技术指标。

（3）能够取全、取准钻探、地质、物探、水文资料，比惯常的做法在质量上、时间上、安全上有保证，有提高。

（4）促进了探矿工程的科学化和专业化，改善了现场施工条件，实现了文明生产。

2.1 一钻成孔的技术方法

一钻成孔工艺是先进技术的综合运用，它对钻具的组配、钻头的选择，通过小径在大径中架桥方法、物探测井程序、常见故障的处理等方面，都有特定要求，可通过下面几个途径来实现：

（1）中心取样钻探方法。这种钻探方法，充分显露出它的优越性，在不采取任何措施的条件下，都打出了100-300 m深的钻孔。

（2）在钻头的选择上，需选用适应各种岩层的多性能长寿命钻头，这是实现一钻成孔的关键。如选用当前生产的优质产品，引用科研部门的井下换钻头成果，自己设计新型钻头等。

（3）在钻孔测斜和物探测井程序上改变在裸孔中测井的危险性，可以在钻杆中进行，从容安全。像方位角即使在超出钻杆底端的外部测量，也安全得多。

（4）寻求新的钻孔架桥方法。只能在最后的提钻过程中进行，所用架桥“材料”要通过钻杆、钻头送至封闭的架桥位置。比惯常的方法要困难很多。需寻求新的方法。

（5）一钻成孔工艺，在钻具的组配上强调强度，在操作上强调技术素质和严细，这就为避免事故提供了前提条件。诸如内管打捞遇阻、捞矛钢绳拉断、岩心脱落等事故的处理，设计几件专用工具用绳索进行排除是可以做到的。

一钻成孔的工艺特点和要求见表l。

2.2 一钻成孔关键技术问题

实现一钻成孔工艺的主要技术关键是：选择或设计适应各种岩层的长寿钻头、提高绳钻钻杆接头和中心取样钻双壁钻杆强度、寻求新的架桥方法和设计处理事故的专用工具，可通过下列途径解决。

（1）钻头。在现阶段的生产中，高进尺的长寿命钻头层出不穷，200-300 m的钻孔，选用这类钻头足可，但考虑一钻成孔的钻头工作条件较普通钻进工艺恶劣得多，需选用或设计新型钻头。如自磨水口纵镶金刚石钻头。这种钻头抗震动、适应能力强、寿命长，能随着钻头的磨耗自行加深水口，保证了工作效率的稳定。还可引用增高金刚石钻头胎体高度的办法解决或引用井下换钻头的科研成果。

（2）钻杆接头强度问题生产中使用的S75绳钻钻具和中心取钻钻具基本适用。但在生产中常出现断钻事故。其基本原因是连接具的丝扣部位强度偏低，可采取加厚、提高材质和调质等方法解决。

（3）处理事故专用工具。处理卡簧、短接脱落，可采用加重打捞器携带抓取器，冲击器等方法处理。处理内管打捞不上来的问题，可设计具有冲击装置的捞矛打捞。