钻孔灌注桩技术在道路桥梁施工中的应用研究

王强

（湖南省遥感地质调查监测所中南建设集团有限公司，湖南长沙412000）

0 引言

道路桥梁的结合与发展加强了我国各地的经济交流，钻孔灌注桩因具有较高的承载力、施工速度快且工程造价低，常常用于道路桥梁工程的桩基础中。在实际施工中常利用旋挖钻机或回旋钻机进行钻孔作业，成孔效率高且孔身质量好，不仅能满足干作业环境，还能满足湿作业环境。本文将重点介绍钻孔灌注桩的施工工艺，针对一些施工的重难点进行详细分析。

1 钻孔桩概述

钻孔灌注桩是利用钻机钻头的旋转将岩土层切碎，成孔后在孔内放置钢筋笼，最后浇筑水下混凝土形成圆柱状的钢筋混凝土结构。

1.1 分类

钻孔桩依据受力情况分为端承桩和摩擦桩。前者是以坚硬的岩石层作为持力层，通过桩身将地上荷载传递到持力层中，同时还依靠桩侧的阻力承担部分地上荷载，桩端的持力层多为砂类、碎石类土层及风化程度小的基岩；后者是利用桩身与土层之间的摩擦力承担地上荷载，常设置在黏性土、沙土和粉土中。端承桩一般比摩擦桩的钻孔深度大，以保证桩端阻力满足设计要求[1]。

1.2 应用范围

钻孔桩在施工时对周边土层的扰动较小，能避免地面发生较大的侧移或者隆起，适用的地质地层类型较多。钻孔桩为地下或水下作业，属于隐蔽工程，比较难控制成桩质量，只有严格控制钢筋笼的制作吊放和混凝土的浇筑，桩身质量才能尽可能满足设计要求。我国钻孔桩施工虽起步晚，但发展快且形成了一套特有的施工技术方案，使钻孔桩不仅能满足地下作业要求，还能满足水下作业要求。

在跨江跨海大桥建设中，以钻孔桩作为桥梁的承载桩，不仅需要有高超的水下作业技术，还需要有优良的抗渗抗压混凝土。在桥梁工程中，在承台下部设置钻孔桩，两者共同承担桥梁主要的荷载。在深基坑工程中，钻孔桩不仅能做基坑的围护结构，还能作为基坑底部的承重桩。钻孔桩的成桩效果比水泥搅拌桩、预应力管桩要好[2]。

1.3 施工工艺

有三种钻孔桩施工钻机在实际施工中最常用，分别是冲击钻机、旋挖钻机、回旋钻机，第一种适合水下成桩和矿山作业，第二种适合软土层、粉砂地层和风化程度较大的岩层，第三种适合土质层和一些夹杂卵碎石的地层。旋挖钻机与回旋钻机均为切削钻机。

1.3.1 冲击钻机

冲击钻机适合硬度大于7 级的岩石层，例如石灰岩、花岗岩、砂岩等，冲击钻机是利用高频率的液压或气动冲击器将岩石击碎成粉末状，再通过气流、水流将石粉排出。冲击钻机又可分为全液压和气动，后者的传动力较差，前者的传动损耗低且变速快，在市面上占主导地位。

1.3.2 旋挖钻机

旋挖钻机安、拆简单，振动小且产生的噪音少，适用于市区的钻孔灌注桩施工。旋挖钻机是利用回转底部的桶式钻头将岩层破碎，用钻斗将碎渣提升到孔外卸土，循环钻孔取土、卸土，直至钻到设计孔深，成孔后需两次清孔。采用多层的伸缩钻杆能快速成孔，利用冲锤钻可在坚硬地层中挖孔，使用扩大头钻具可进行孔底扩孔。

旋挖钻机适用的地层较多，且适用于干挖和湿挖作业。干挖作业是利用非水介质钻孔，钻头直接将渣土带出，不需要泥浆护壁，避免环境污染。黏性差、比较松散的地层不能采用干挖作业，应用泥浆护壁进行湿挖作业，静态泥浆护壁不仅能减少钻孔对桩壁土层的扰动，还能适用于有地下水的土层。但是，如果地层有承压水且压力过大时不宜使用旋挖钻机。

1.3.3 回旋钻机

回旋钻机是利用回钻斗切削土层，再利用套管护壁并排出碎渣，可用于地连墙和桩基施工，适用于松散土层和微风化岩层。钻机回转有正循环和反循环，前者是利用钻具回转切削岩土，同时通过泥浆循环流动，冲刷孔底将冲洗液连同碎渣一起流到沉淀池，泥浆沉淀净化后可继续循环使用，钻头不断向下回旋，碎渣不断随着泥浆一起排出，直至钻到设计孔深。后者是将碎渣随着循环护壁的泥浆从钻杆内腔排到孔外，形成一种反循环的排渣系统[3]。

2 钻孔桩的应用实例

2.1 工程概况

某河道上需修建一座简支桥梁，上部采用预应力混凝土空心板梁，下部采用U 型桥台和钻孔灌注桩的组合结构，其中钻孔灌注桩的直径为1.2m，桩长为46.5m，灌注的水下混凝土强度等级为C30，钢筋笼长度为36.5m，采用分节加工再焊接，钻孔灌注桩的不均匀沉降量按5mm 考虑。

2.2 施工阶段

钻孔灌注桩应在基坑开挖和支护结构完成后再施工。如果钻孔桩技术与其他地基加固技术（例如水泥土搅拌桩、管桩等）一起使用形成复合地基，应先使用其他技术进行地基加固后再进行钻孔桩施工。施工前期应将工地进行封闭式围挡，探明现场的既有管线位置并做好改迁工作。在河道或地下水丰富或地质环境不良的区域应先进行截流或基坑支护[4]。

2.2.1 桩位放样

施工前应在设计图纸上确定桩芯的X 坐标和Y坐标，使用全站仪和水准仪控制桩芯位置和桩顶高程，建立测量放样数据网和高程控制网，对钻孔桩进行编号以便记录成孔浇筑等现场施工资料。

施工方根据建设单位提供的监测要求，定出监测点的位置，进行编号并做好保护措施。监测点不能定位在河流、道路等位置。要定期监控监测点，如果监测点遭到破坏时应重新测定并做好保护措施。施工现场需要用到精度较高的水准仪和全站仪。先利用CAD 软件上的坐标法确定桩芯的X、Y 坐标，再通过测量仪器确定桩芯的位置，插入钢筋并喷漆标识。监测点和水准点定位的精度关系到后期的施工质量。

2.2.2 制作泥浆

在松散土层钻孔时泥浆能保护孔壁。施工前应在现场开挖足够容积的泥浆池和沉淀池，保证泥浆制作满足钻孔的需求。目前最常用的泥浆为膨润土混合浆，混合浆由优质膨润土、纯碱和纤维素混合搅拌而成。根据地层特点和以往的施工经验选择合适的泥浆配合比。泥浆用料简单，配制搅拌速度快，进入孔里能快速在孔壁上形成保护层。新拌泥浆的各项指标例如黏度、含砂率、pH 值、比重等应满足规范要求。携带碎渣的泥浆经过沉淀后，需测试各项指标，合格后才能再次使用。当泥浆的黏度、含砂率、pH 值和比重等各项指标都不合格且无法通过沉淀再次利用时，废浆应用泥浆罐车外运到指定的泥浆回收点。

选择高效、高速、低噪音的搅拌机拌制泥浆，制浆能力要满足钻孔的需求。泥浆面应高于地下水位但低于护筒顶面，防止泥浆外溢。孔底泥浆各项指标不合格证明孔底的碎渣较多，要再次清孔使孔底泥浆指标达到标准后才能浇筑混凝土。废浆废渣应运至指定处理站，不得随意丢弃，以免污染环境。

2.2.3 钢护筒埋设

护筒不仅能为钻具起到导向作用，还能防止地表水渗漏和孔口塌陷，在吊放钢筋笼时也能起到固定作用。护筒具有一定的强度，还要能隔水防渗，钢材质的使用效果好且能重复利用。护筒长度为3～4.5m，厚度为10mm，护筒的直径是根据钻孔桩的直径而定，一般比桩径大0.2～0.4m。根据桩位确定矩形顶点位置埋设护筒。护筒中心和桩芯的允许偏差不大于50mm，护筒埋设时应控制筒身的垂直度和水平度，埋深过浅的话会影响护筒的稳定性。需要注意的是，施工前应对场地进行有效调查，以免出现护筒下沉问题[5]。

2.2.4 钻孔清孔

桩位复核无误且埋好护筒后，钻机就位将钻具中心位置对准桩芯，保证导杆、回旋盘与护筒的中心线均在一条竖向直线上。钻孔前应根据地层特点选择合适的钻头，并检查钻头规格及磨损情况。钻孔时应记录成孔的各项数据资料，如钻头转速、桩顶标高、设计桩长、护筒标高等。如果地下地层比较复杂时，钻孔的参数要随着地层和孔深的变化及时调整泥浆配合比。钻孔速度控制在0.15m/min 左右，钻至设计孔深后进行孔底清淤，不得通过超钻代替清孔，清孔后再次检测泥浆的指标，终孔验收合格后吊放钢筋笼，最后浇筑水下混凝土。

钻孔操作不当容易出现塌孔现象，常见的塌孔成因有：施工场地地质条件不佳，地下存在易下陷的流砂、砂砾层；施工期间由于部分因素所致的水头损失，泥浆配合比不符或质量不达标等。

2.2.5 下放钢筋笼

如果钻孔深度较大，钢筋笼长度也应随之增大，可以采用分节依次吊放的方式下放钢筋笼。钢筋笼过长时要进行分段，如果将整段钢筋笼直接吊入桩孔，容易导致钢筋笼变形或者钢筋保护层不足。常见的单根钢筋长度为9m 和12m，其中施工最常用的钢筋为9m。根据钢筋笼和单根钢筋的长度进行合理分段，分段的原则是节省钢筋用料。吊放前应验算整段钢筋笼的重量以便选择满足吊装要求的吊机。

制作钢筋笼时应将箍筋与主筋焊接牢固，单面焊缝不小于10D，双面焊缝不小于5D，控制加强筋的间距，在钢筋笼的加强筋上绑扎垫块以防钢筋裸露在混凝土外。吊放速度不能太快，以免碰撞使钢筋笼变形，分段部位用钢筋套筒连接，钢筋笼顶端焊接光圆吊筋并固定在护筒上。

2.2.6 下导管及二次清孔

钢导管下放前进行外观检查，还要做密闭实验，查看管身是否弯曲漏水。导管之间采用法兰盘螺栓连接，下放深度不得高于孔底0.5m，也不得低于孔底0.3m，防止混凝土堵塞导管，孔底沉渣厚度不得超过5cm，二次清孔验收合格后即可灌注混凝土。

2.2.7 灌注混凝土

第一次灌注混凝土的高度不得小于1m，根据桩径计算出第一车混凝土的方量以保证导管底部埋入深度在0.4m 以上，防止导管内流入泥浆或地下水。为了确保成桩质量，浇筑前应做好混凝土浇筑计划，保证钻孔桩能连续灌注混凝土。灌注时应及时提升导管并保证埋入的混凝土深度在2～6m 之间，灌注完成后及时清洗导管，堆放至指定位置以便下次使用。

选择具有良好的抗渗抗压性能的高强混凝土，灌注时应超灌且高度不得小于1m，根据钻孔桩灌注方量确定试块组数，试块制作后放置在标准养护室进行精心养护，灌注28 天后应测试抗压抗渗强度是否达标。

3 钻孔桩施工要点

3.1 施工质量控制

作业人员的质量安全意识直接决定了钻孔灌注桩施工的质量，开工前应对进场人员进行安全技术交底培训，钻孔灌注桩施工前应做好图纸技术交底工作，做好现场作业人员的质量技术交底并形成书面文件。施工时应严格按照设计图纸和施工规范要求完成每道工序，实行“三检制”，强化质量的检查力度，未验收合格前不得进入下一道工序，钢筋笼分项工程属于隐蔽工程，未经监理工程师检验合格不得灌注混凝土。

桩孔位置和桩身标高应进行复核，钻机就位后调整导向架的垂直度以保证桩身的垂直度，如果桩身出现偏斜易出现塌孔现象。钻机施工时对周边土层有扰动作用，要实时监控周边的监测点及地面沉降情况，严格控制桩身的垂直度和孔底废渣的厚度。如果钻孔桩的数量众多，施工完成后须再次核查桩位桩号以免错位漏桩。混凝土灌注完成后应进行养护工作，养护时间不少于1 周，灌注28 天后将试块送至检测单位进行抗压强度实验，抗压强度满足设计要求后才能进行凿除桩头作业。

灌注混凝土时应控制拔除导管的速度，保证导管埋深于混凝土内2～6m，留意导管的堵塞现象以保证混凝土的连续灌注。护壁泥浆应现拌现用，较长时间未使用时应再次搅拌均匀并检测各项指标，泥浆过稀则无法在孔壁形成有效的保护层。成孔后及时将钻头提升至地面，以免钻头掉入孔底。清孔时间如果过短则无法将孔底废渣清理干净，清孔时间过长则容易塌孔，一般控制在2h 左右[6]。

3.2 原料质量控制

钻孔桩施工所用的原料主要有混凝土、钢筋、膨润土和纤维素。钻孔桩埋于地下会受到地下水的侵蚀，因此灌注的混凝土应具有良好的抗渗性能和抗压强度，浇筑前核对商品混凝土的出厂合格证和配合比，检测坍落度是否在标准区间内。如果浇筑前出现离析现象应及时采取补救措施，再次检验质量合格后才能灌注。

根据场地面积和工序安排，规划好钢筋的堆放区和加工区。钢筋在潮湿的环境中容易生锈，钢筋堆放区应尽可能搭设钢棚遮挡雨雪。做好钢筋的用料计划并控制钢筋的进场数量。未使用的钢筋应及时做好覆盖防潮工作，严禁直接将钢筋堆放在地面，可用钢架将钢筋抬离地面至少20cm，且堆放数量不宜过多，以免钢筋变形。

施工中合理安排各道工序，避免原料的浪费。钢筋加工的先后顺序可根据以往施工经验确定，长短搭配加工能减少钢筋废料。混凝土超灌在1～1.5m 之间，超灌过多会增加商品混凝土的用量。原料应由专人专场管理，集中保存堆放，膨润土受潮易变质，应保持材料管理仓库的干燥整洁，避免原料变质或生锈。

4 结语

钻孔灌注桩作为道路桥梁工程中重要的承重基础，施工环节众多且细节要求严格，作业人员不仅需要提高自身的质量安全意识，还需要提升施工的专业技术水平。只有严格按照施工流程进行标准化施工，把好施工质量关，将验收工作落实到位，才能将钻孔灌注桩在道路桥梁工程中的价值充分发挥出来，从而为我国的道路桥梁事业贡献一份力量。