钻孔灌注桩施工技术

张 铮

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

钻孔灌注桩被广泛地应用用于工业建筑、高层楼宇、水利水电、市政工程以及桥梁码头等工程建设中。经过多年的工程实践，钻孔灌注桩的施工方法和施工技术也在不断发展和完善。钻孔灌注桩是通过机械钻进、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。常见机械钻孔灌注桩的类型有冲击成孔灌注桩、潜水钻成孔灌注桩、正(反)循环钻成孔灌注桩、旋挖成孔灌注桩和长螺旋钻孔灌注桩等[1]。

1 工程概况

课题依托的武汉地铁16号线(三标段)项目包含钻孔灌注桩共计5 395根，总长154 672m，桩径有6种，分别为0.6m、0.8m、1m、1.25m、1.5m、2.0m。

(1)根据地质钻孔揭露，沿线除地表人工填土外，沿线覆盖层为第四系全新统冲积层、第四系上更新统洪积层、第四系上更新统冲洪积层、残积层。结合区域地质资料分析，场地内古新统白垩系上统公安寨组、三叠系大冶组、二叠系栖霞、石炭系黄龙组、泥盆系云台观、志留系坟头组均有分布，岩性主要为泥岩、砂岩、灰岩、砾岩等。

(2)勘察场地沿线地下水主要类型有上层滞水、孔隙承压水、碎屑岩裂隙水和岩溶裂隙水等，上述几类地下水中，以孔隙承压水及岩溶裂隙水对拟建工程的影响最为突出。根据勘察报告，工程沿线地下水及土样对混凝土及钢筋具微腐蚀性。

2 钻孔灌注桩施工工艺

2.1 工艺流程

测量定位→埋设护筒→钻机就位→钻孔(泥浆护壁)→第一次清孔→测孔深、沉渣厚度→下钢筋笼→下导管→第二次清孔→测沉渣厚度→安放隔水球→水下灌注混凝土。

2.2 施工工艺

2.2.1 测量放线

用坐标法或极坐标法放出钻孔灌注桩中心点，并打入标桩，桩位中心点的放样误差控制在5mm范围内。在距桩中心约2.0m的安全地带设置“十”字形控制桩，便于校核，桩上标明桩号。

2.2.2 护筒埋设

护筒内径比桩径大20cm，顶面高出施工水位或地下水位2m，还需满足孔内泥浆面的高度要求，在旱地时需高出施工地面0.2～0.3m。护筒埋设好后，要对桩位进行复测，并测定护筒的高程。如果桩顶部周围土体为松散的素填土或淤泥，钢护筒应穿过地面素填土及淤泥层。

2.2.3 泥浆护壁

在砂类土、碎(卵)石土或黏土夹层中钻孔，采用膨润土泥浆护壁。在黏性土中钻孔，当塑性指数大于15，可利用孔内原土造浆护壁。钻进过程中，随着孔深的增加应及时、连续地向孔内补浆，维持护筒内应有的水压，防止孔壁坍塌。泥浆性能指标见表1。

表1 泥浆性能指标

2.2.4 钻孔

安装、调整钻架和起吊系统，将钻头吊起，徐徐放进护筒内。就位时用护桩引出十字线，钻头与十字线交点偏差不得超过20mm。开孔时慢速钻进30～50cm/min，钻进4m后可加速钻进60～90cm/min。如果护筒周围土质松软出现漏浆时，提起钻锥，用沙袋填堵夯实护筒四周，并向孔中加入稠度高、相对体积质量大的泥浆，再次放入钻头反转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆孔隙，使泥浆不渗漏，继续进行钻孔作业。在细砂层钻进过程中，钻头提升须缓慢，钻杆转速减到低档，配合膨润土纤维素泥浆施工。在钻进过程中，不定时对桩孔的垂直度进行检测。当钻孔深度达到设计要求时，对孔深、孔径、孔位和孔形等进行检查，确认满足设计要求后，进行清孔(表2)。

表2 钻孔灌注桩钻孔允许偏差

2.2.5 钢筋笼制安

钢筋笼在加工场内采用胎具成型法一次性整体制作，用槽钢和钢板焊成组合胎具。将加强箍筋就位于每道胎具的同侧，按胎模的凹槽摆焊主筋，钢筋笼主筋接头要错开，同一截面上接头数量不超过50 %。钢筋笼的混凝土保护层厚度用耳筋控制，焊接在主筋上。设置密度按竖向每隔2m设一道，每一道沿圆周对称布置4个。吊起骨架搁于支架上，套入盘箍筋，按设计要求的钢筋位置布置好箍筋，箍筋与主筋缠绕紧密，使用绑丝一正一反交叉绑扎固定箍筋。为了保证钢筋笼安装起吊时不变形，对于长钢筋笼，起吊前在钢筋笼内焊接加强三角支撑，采用三点法起吊。在下放钢筋笼的同时进行声测管安装与固定(表3)。

表3 钻孔灌注桩钢筋笼制作、安装允许偏差

2.2.6 导管安装

采用钢导管灌注，导管选用直径为φ300mm(t=14mm)的钢管。导管接头严密不漏水，使用前进行水密试验，压强为1.3倍孔深水压，且不小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力的1.3倍。导管吊放位置应居桩孔中心、轴线顺直。测量孔深后，将导管下口悬空在30～40cm范围之内。灌注混凝土之前进行二次清孔，清孔采用换浆法，利用导管作为泥浆进入口，循环送入泥浆，循环更换孔内泥浆，孔内泥浆从护筒溢出进入沉淀池沉淀，往复循环直至孔内泥浆指标符合规范要求。

2.2.7 混凝土灌注

混凝土配合比必须经过实验并具有良好的和易性，灌注时要能保持足够的流动性，粘聚性要好、泌水性要小、坍落度控制在180～220mm。首批混凝土浇筑需要采取隔水措施，先拌制0.2m3水泥砂浆，置于导管内隔水塞上部，倒入砂浆时，要将隔水塞逐渐下移。第一次灌注的混凝土必须能将导管下口埋置深度达到1m以上，储足了首批混凝土灌筑量后剪掉隔水塞绳吊绳让混凝土灌入孔底。浇筑过程中导管埋深始终控制在2～6m，每次提升导管前，先探测管内外混凝土面高度，拆除每一节导管都必须保证导管下口埋深不小于2.0m，浇筑超高1m左右为宜。灌注过程中如遇到导管内混凝土不满时，后续混凝土要徐徐灌入，防止形成高压气囊，影响成桩混凝土的密实性。

2.3 特殊地质的处理方法

2.3.1 淤泥地质

淤泥地质条件采用清淤换填方式处理，如水深较浅，直接采用土石料填筑施工平台，如果水深较深则需要填筑围堰或者搭设栈桥平台。

2.3.2 岩溶地质

在岩溶发育区域施工钻孔灌注桩，钻孔前在每个桩位进行超前地质钻探，如钻探发现有岩溶空隙，则对桩位区域地下岩溶空隙进行注浆回填。地下岩溶处理完成后再进行钻孔灌注桩施工。

3 常见问题的预防及处理

3.1 塌孔

3.1.1 塌孔的原因

塌孔的特征是孔内水位突然下降，孔口冒细密的水泡，出渣量显著增加而不见进尺，钻机负荷显著增加等。造成塌孔的原因很多，主要有：

(1)泥浆相对密度不够及其它性能指标不符合要求，不能在孔壁形成坚实泥皮。

(2)出渣后未及时补充泥浆或其它原因造成孔内水头高度不够。

(3)护筒埋置太浅，下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软，或钻机直接接触在护筒上，由于振动使孔口坍塌，扩展成较大塌孔。

(4)在松软砂层中钻进进尺太快。

(5)提出钻锥钻进，回转速度过快，空转时间太长。

(6)水头太高，使孔壁渗浆或护筒底形成反穿孔。

(7)清孔后泥浆相对密度、粘度等指标降低，用空气吸泥机清孔泥浆吸走后未及时补浆(或水)，使孔内水位低于地下水位。

(8)清孔操作不当，供水管嘴直接冲刷孔壁、清孔时间过久或清孔停顿时间过长。

(9)吊入钢筋骨架时碰撞孔壁。

3.1.2 塌孔的预防及处理措施

(1)在松散粉砂土或流砂中钻进时，应控制进尺速度，选用较大相对密度、粘度、胶体率的泥浆或高质量泥浆。

(2)发生孔口坍塌时，可立即拆除护筒并回填钻孔，重新埋设护筒再钻。

(3)如发生孔内坍塌，判明坍塌位置，回填砂和粘质土(或砂砾和黄土)混合物到塌孔处以上1～2m，如塌孔比较严重应全部回填，待回填物沉积密实后再行钻进。

(4)清孔时及时补浆(或水)，保证孔内必要的水头高度。

(5)吊入钢筋骨架时应对准钻孔中心竖直插入，严防触及孔壁。

3.2 钻孔偏斜

3.2.1 钻孔偏斜的主要原因

(1)钻孔中遇有较大的孤石或探头石。

(2)在有倾斜的软硬地层交界处，岩面倾斜钻进；或者粒径大小悬殊的砂卵石层中钻进，钻头受力不均。

(3)扩孔较大处，钻头摆动偏向一方。

(4)钻机底座未安置水平或产生不均匀沉陷、位移。

(5)钻杆弯曲，接头不正。

3.2.2 钻孔偏斜的预防及处理措施

(1)安装钻机时要使转盘、底座水平，起重滑轮缘、固定钻杆的卡孔和护筒中心三者应在一条竖直线上，并经常检查校正。

(2)由于主动钻杆较长，转动时上部摆动过大。必须在钻架上增设导向架，控制杆上的提引水龙头，使其沿导向架对中钻进。

(3)钻杆接头应逐个检查，及时调正，当主动钻杆弯曲时，要用千斤顶及时调直。

3.3 掉钻落物

3.3.1 造成掉钻落物的主要原因

(1)卡钻时强提强扭，操作不当，使钻杆或钢丝绳超负荷或疲劳断裂。

(2)钻杆接头不良或滑丝。

(3)电动机接线错误，钻机反向旋转，钻杆松脱。

(4)转向环、转向套等焊接处断开。

(5)操作不慎，落入扳手、撬棍等物。

3.3.2 掉钻落物的预防及处理措施

(1)开钻前应清除孔内落物，零星铁件可用电磁铁吸取，较大落物和钻具也可用冲抓锥打捞，然后在护筒口加盖。

(2)经常检查钻具、钻杆、钢丝绳和联结装置。

(3)掉钻后应及时摸清情况，若钻锥被沉淀物或塌孔土石埋住应首先清孔，使打捞工具能接触钻杆和钻锥。

3.4 钻孔漏浆

3.4.1 造成钻孔漏浆的主要原因

(1)在透水性强的砂砾或流砂中，特别是在有地下水流动的地层中钻进时，稀泥浆向孔壁外漏失。

(2)护筒埋置太浅，回填土夯实不够，致使刃脚漏浆。

(3)护筒制作不良，接缝不严密，造成漏浆。

(4)水头过高，水柱压力过大，使孔壁渗浆。

3.4.2 钻孔漏浆处理措施

(1)凡属于第一种情况的回转钻机应使用较粘稠或高质量的泥浆钻孔。冲击钻机可加稠泥浆或回填粘土掺片石、卵石反复冲击增强护壁。

(2)属于护筒漏浆的，应按前述有关护筒的埋设要求办理。如接缝处漏浆不严重，可由潜水工用棉、絮堵塞，封闭接缝。如漏水严重，应挖出护筒，修理完善后重新埋设。

3.5 钢筋笼上浮

3.5.1 钢筋笼上浮的主要原因

(1)钢筋笼放置初始位置过高，混凝土流动性过小，导管在混凝土中埋设深度过大，钢筋笼被混凝土托顶上升。

(2)当混凝土灌注至钢筋笼下，若此时提升导管，导管底端距离钢筋笼仅有1m左右时，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)由于灌注混凝土封底时间过长，上层混凝土已接近初凝，表面形成硬壳，混凝土与钢筋笼有一定的握裹力，如此时导管底端未及时提到钢筋笼底端以上，混凝土在导管底端流出后将以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上升。

(4)由于钢筋笼顶面没有加固牢靠，导致在浇筑桩基混凝土过程中钢筋笼受混凝土冲力产生上浮现象。

3.5.2 钢筋笼上浮的预防及处理措施

(1)钢筋笼初始位置应定位准确，并与孔口固定牢固，在桩基钢护筒上固定两根2.5m长10#槽钢，然后在钢筋笼顶面内箍筋上固定四根φ50mm钢管，待钢筋笼定位完成后，将四根钢管焊接在槽钢上，在浇筑桩基混凝土时要控制浇筑速度，缓慢、匀速浇筑。

(2)当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部1m左右时，降低混凝土灌注速度，在混凝土上升至骨架底口4m以上时，提升导管，使其底口高于骨架底部2m以上，同时恢复正常浇筑速度。

(3)导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2～6m，严禁把导管提出混凝土面，当发生钢筋笼上浮时，立即停止灌注混凝土，准确计算导管埋深和已浇混凝土面标高，提升导管后再进行浇筑，钢筋笼上浮现象即可消失。

3.6 断桩

3.6.1 造成断桩的主要原因

(1)导管底距离孔底太高，首批混凝土数量不足导致封底失败，造成底部断桩。

(2)导管底距离孔底太低，首批混凝土下落困难，与泥浆混合导致封底失败，造成底部断桩。

(3)导管密封性差，在首批混凝土灌注后，由于外部泥浆压力太大，渗入导管内，造成混凝土与泥浆混合导致封底失败，造成断桩。

(4)设备故障或混凝土材料供应问题造成暂停较长时间，使混凝土凝结而造成断桩。

(5)注浆导管拔空或掉管造成断桩。

3.6.2 断桩的预防及处理措施

(1)准确测量每节导管的长度，并编号记录，复核孔深及导管总长度，也可将拼装好的导管直接下到孔底，相互校核长度。

(2)根据孔径、导管直径准确计算和复核首批混凝土用量。

(3)对于部分灌注设备增加备用设备，对于可能发生的供料问题制定应急预案。

(4)如果首批混凝土封底失败，应拨出导管，提起钢筋笼，立即清孔，重新安设钢筋笼、灌注混凝土。

(5)灌注过程中出现断桩，如断桩距离地面较深，应钢筋笼后重新成孔；如断桩距离地面较浅，可采用接桩；如原孔无法利用，则回填后采取补桩的办法。

3.7 灌注高度不足

(1)灌注高度不足的主要原因为测量不准确，桩头预留量太少。

(2)灌注高度不足可挖出桩头进行接桩处理。

4 结束语

钻孔灌注桩施工技术发展到今天，施工工艺在不断成熟，施工技术也在不断创新。未来钻孔灌注桩施工主要向成孔设备创新以及不排土、不排泥浆绿色环保施工方向发展。随着技术革新，钻孔灌注桩必将更加普及，为未来建筑奠定更加坚实的基础。