长护筒旋挖钻干作业成孔灌注桩施工质量问题分析与控制

吴 辉

（湖南星海项目管理有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

目前，旋挖钻孔灌注桩施工工艺已广泛应用于建筑工程桩基施工，其中采用长护筒旋挖灌注桩干作业成孔施工具有低噪音、低振动、扭矩大、成孔速度快、不易塌孔、缩孔、工期短、成本低、无泥浆循环、有利于环境保护等优点，尤其适用于城区作业环境及覆土层较厚的桩基础施工。但干作业旋挖钻法成孔在潮湿多雨季节和地下水发育等环境施工时往往容易出现孔底沉渣厚度难以控制、桩身夹泥等质量问题，需在施工过程中严格控制。本文结合实际案例，对其适用性及施工控制要点进行分析。

1 工程概况

该项目位于西南地区、地处湘江流域，属季风气候的中、北亚热带湿润气候，雨量较丰沛，年平均降水量1361.6mm，雨季大部分集中于4～9月份。拟建场地地貌为低矮山丘夹山间洼地，东南地势较高，北西地势低洼，场地标高70.00～72.00m，周边为工业厂房及市政道路。场地地层按成份、结构、物理力学性质及成因自上而下划分为第四系素填土、硬塑状粉质黏土和白垩系强风化泥质粉砂岩与中风化泥质粉砂岩。场地主要由开挖平整堆填而成，回填覆土层厚度达5～11m，呈红褐、黄褐色、松散-稍密，以黏性土、泥质粉砂岩块石为主，伴有少量建筑垃圾，堆填时间小于5年，未完成自重固结。基础形式设计采用旋挖灌注桩基础，桩径（800～900mm），施工桩长(10～25m)，以中风化泥质粉砂岩作为桩持力层，桩端阻力特征值qpa为2800kPa，要求混凝土浇筑前孔底沉渣厚度不超过50～100mm。

2 施工机具

钻机采用中联重科B-280 型旋挖钻机1 台、山河智能B-300H型旋挖钻机1台、挖机4台、20t汽车吊车1台、25t履带伸缩臂吊车一台、泵车一台、钢筋加工机械1套，电焊机5台等。护筒用12mm厚的钢板制作，筒内径比孔径大200mm，顶端焊两个吊环便于吊放，护筒顶端同时正交刻四道槽，以便挂十字线，以便矫正桩位、验孔之用，在其上部开设2个溢浆孔，便于泥浆溢出，进行回收和循环利用。

3 钻孔施工方法选用

鉴于该项目场地覆土层太厚，未经过夯实碾压，又正值雨季施工，场地长期积水浸泡潮湿松软，设备进出、材料转运都很困难，故采用路基箱铺设临时道路和垫于旋挖机下方作为操作平台。采用路基箱的优点，一是不受场地和天气限制、雨天、积水不会下沉、施工安全；二是可重复利用、灵活方便，根据现场需要随时调整。

3.1 试用泥浆护壁法钻孔

3.1.1 选定桩位

根据设计要求，该项目首先采用泥浆护壁成孔法进行试钻，以确定该施工方法的可行性。选用护筒长度2m,每台旋挖钻机各试钻一个桩孔，分别按不同覆土层厚度选定孔位（SK2；SK4），其中SK2 桩位覆土层厚度12.8m,SK4覆土层厚度4.8m。由于拟建场地岩层中有软弱夹层发育，为探明桩端下3倍桩径且不小于5m范围内有无软弱夹层和保证桩端持力层厚度，在中风化泥质粉砂岩作为桩端持力层的部位，分别进行超前钻岩土工程勘查。

3.1.2 泥浆制备及控制参数

因场地填土为素填土、硬塑状粉质黏土并含有少量建筑垃圾，不适宜制备泥浆，故外购膨润土造浆施工，泥浆比重控制在1.05～1.15t/m3之间，泥浆黏度控制在18～22Pa·s,泥浆pH值控制在7～9之间。

3.1.3 施工工艺流程

施工准备—测量放线定桩位—振动锤埋设钢护筒—钻机就位—钻孔—一次清孔—吊放钢筋笼—安放导管—二次清孔—混凝土灌注—提拔导管—振动锤起拔护筒—成桩保护—桩基检测，放线定位的同时开挖泥浆池制备泥浆。

根据上述工艺流程，在两个桩位钻进过程中，多次出现塌孔、缩孔，甚至一直将泥浆浓度提高到1.2～1.5t/m3，依然无法控制，多次回填钻进，仍然难以成孔。分析认为，因场地地处低洼地段，且覆土层较厚，加之正值雨季施工，场地积水难以排出，场地事先未进行强夯振压密实，就算勉强钻至设计孔深，一旦拔出钻头、钻杆停止转动，孔壁周围含水较大的松软土体并同时向孔内挤压，单靠提高泥浆浓度来稳定十多米深的自重固结回填土不塌孔非常困难，故该项目排除了采用泥浆护壁成孔方法施工。

3.2 选定施工方法

该项目为工业厂房，地处城市工业园区，若采用“注浆加固法”或“反压混凝土法”，一是工期长、二是泥浆的制备和排放运输会造成环境污染，很不利于项目施工作业和进度推进。根据设计文件说明“钻孔时根据实际情况对于塌孔采用泥浆护壁、机械干作业成孔、振动锤下钢护筒护壁等方法处理”。经五方责任主体共同商议，最终决定采取埋设长钢护筒干作业旋挖钻法施工。

4 长护筒干作业成孔法钻孔成桩

长护筒干作业成孔法钻孔成桩施工工艺流程：场地平整、定位→旋挖钻孔至孔深1～2m→振动锤下埋长钢护筒→正常成孔至桩底标高（终孔）→清孔验孔→（二次清孔）钢筋笼安装→灌注混凝土→拆除钢护筒→回填土体→桩体保护。

4.1 测量定位、场地平整、钻机就位

测量定位，采用挖机进行场地平整、铺设路基箱，路基箱要铺设大致水平，并利用挖机自重在其上面反复行走压实。旋挖钻机就位后，调平钻机，保持钻机垂直稳固，钻头中心与桩位中心误差控制在10mm内，在回转半径内不应有障碍物。开钻前将钻头着地，进尺深度调整为零，钻进时原地顺时针旋转开孔，然后以钻斗自重、钻杆自重加以液压力作为钻进压力，初钻压力控制在90k Pa左右，钻速先慢后快，钻至1～2mm,停止钻进，移开钻杆及钻头，埋设长钢护筒。

4.2 长钢护筒的制作与埋设

根据前面采用泥浆护壁成孔得出的有关数据，塌孔均出现在回填黏土层和软弱夹层厚约4～15m 范围内。钢护筒长度按最不利地质条件控制，护筒长约5～15m，钢护筒壁厚δ=12.5mm的钢板，在厂家用机械集中卷制加工制作，焊缝全部为双面坡口。实际施工时参照地勘资料和回填土层厚度，先正常旋挖钻进至孔深1～2m位置处，采用550系列振动锤将钢护筒打入土层，直至穿过塌孔位置并进入强风化泥质粉砂岩层50～100cm左右，筒口离地面预留30～50cm左右。为保证埋设钢护筒的垂直度和护筒中心与桩位中心的偏移量，钢护筒的埋设选择在白天进行，便于发现问题及时处理和校正。同时现场专人指挥，指挥及作业人员必须远离振动机械作业范围，防止出现钳口松动护筒脱落倾倒的安全事故。

4.3 钻头的选用与钻进成孔

通常不同地质条件要采取不同类别的旋挖钻机钻头进行施工：细砂、中砂、砾砂、角砾土、圆砾土及强风化层可采用筒式钻头；对于强度不均匀地质、易偏孔地质以及风化、中风化岩层采用短螺旋嵌岩钻头，岩层软硬不均、存在孤石及抗压强度较高的岩石地质采用筒式嵌岩钻头。

因该项目地质构成主要为素填土、粉质黏土，以及强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩构成，故施工过程中主要采用短螺旋嵌岩钻头进行钻进，因该钻头出渣能力有限，出渣时换用筒式钻头。钻进过程中每进尺5m左右深度对桩位重新校核，并根据地勘超前钻孔成果，对每根桩进入中风化岩层标高，进入砂岩标高，岩层厚度等指标分别进行了记录，以指导钻孔时确定孔底标高，标高均以绝对高程控制。钻至设计标高后用带有活门的筒形钻（平底钻头）清理沉渣，即一次清孔。清孔后提出钻头，由质量员和工程监理进行孔径、孔深、垂直度、孔底沉渣检测验收，验收合格后，移走钻机，盖好盖板，进行下道工序施工。

4.4 钢筋笼的制作及安放

4.4.1 钢筋笼制作

该工程钢筋笼采用现场制作，现场制作垂直运输距离短，极大地减少了钢筋笼的变形。由于桩长度较大，采取分节制作，分节长度为钢筋直条原材料长度9m，接头处错开设置，根据各桩的总深度与9m钢筋笼的整倍数相减后，剩余长度的钢筋笼单独制作。钢筋笼接长采用焊接连接，主筋接头在同一截面内的钢筋接头数按不得多于主筋总数的50%进行控制，相邻两个接头间的距离不小于主筋直径的35倍，且不小于500mm，主筋点焊绑扎搭接长度根据设计要求不小于主筋直径的35倍，箍筋的搭接采用绑扎，绑扎长度根据设计要求不小于300mm。

4.4.2 二次清孔安放钢筋笼

因采用干作业成孔，无泥浆循环，所以在钢筋笼吊运到位后，再次利用平底钻头进行二次清孔并检测孔底沉渣厚度满足设计要求后立即下放钢筋笼。钢筋笼采用大吨位起重机分节吊装，吊入孔时应慢慢下放，严禁摆动碰撞孔壁。将第一节钢筋笼临时支撑于护筒口，再起吊第二节钢筋笼，使上下两节骨架位于同直线上进行焊接。焊接完成后经监理工程师或业主现场代表对连接、焊接质量及该段箍筋绑扎情况进行检查，验收合格后再将第二节钢筋笼放入孔内。

4.5 导管安装

该工程混凝土导管采用直径250mm无缝钢管导管，连接方式采用法兰连接，最下端一节导管底部未设法兰盘，以钢板套圈在外围加固，导管连结处设置“○”型密封橡胶圈，以保证导管密封性良好。导管底部距孔底（孔底沉渣面）高度，以能放出隔水塞及首批混凝土为度，实际控制在300～500mm，导管顶部设置漏斗，漏斗与储料斗用4～6mm钢板制作，不漏浆及挂浆，漏泄顺畅彻底。储料斗容量（即初存量）根据桩径大小确定，初灌量必须保证能将导管一次埋入混凝土内1.0m以上。

4.6 混凝土灌注

4.6.1 混凝土配合比

该工程施工过程中混凝土严格按配合比报告进行配料，选用商品混凝土，设计强度等级为C30自密实水下混凝土，为保证施工质量，实际提高一个强度等级按C35进行灌注。设计坍落度为180～220mm，根据现场实测，坍落度均在200～210mm左右，满足设计和规范要求。

4.6.2 混凝土灌注

确认初灌量，按首批灌注混凝土数量能满足导管埋入混凝土中至少1.0m 以上备足后，迅速提出料斗口堵板，灌入首批混凝土。首批混凝土灌注正常后，泵车连续供料，连续灌注，中途无长时间间隔停工。每根桩的灌注时间均按初盘混凝土的初凝时间进行控制，混凝土灌注的上升速度不小于2m/h。该工程因采用12.5mm厚钢护筒成孔，所以延米体积相应增加，考虑钢护筒拆除过程中对水下灌注桩混凝土的影响，其混凝土充盈系数按1.35倍进行计算。最后一次混凝土灌注量严格按超灌高度为0.8～1.0m控制，为减少凿出浮浆的工作量，在混凝土凝固前安排专人将混凝土上部的浮浆清除，清除浮浆后混凝土的高度高于桩顶标高约50cm左右。

5 桩基检测结果及质量问题分析

5.1 检测要求和结果（以17号桩为例）

根据设计要求，桩基工程应进行桩身完整性检测和竖向承载力检测，每根桩应进行低应变动测，桩身检测低应变100%，钻芯法检测数不得少于总桩数的10%，且不少于10根，承载力检测1%，不少于3根。

检测报告显示：17 号桩竖向承载力检测合格，低应变检测合格，桩身端部局部夹泥，混凝土离析分散，钻头穿过桩身呈急速下落15cm左右进入持力层（说明孔底沉渣约15cm厚，不符合设计要求）。根据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106-2014）[1]初步判定该桩为Ⅳ类桩。再结合本规范第3.4.4条有关规定：“单孔钻芯检测发现桩身混凝土存在质量问题时,宜在同一基桩增加钻孔验证,并根据前、后钻芯结果对受检桩重新评价。”于是对该桩另一部位重新进行了二次抽芯检测，抽芯结果显示，桩身完整，未出现夹渣现象，说明该桩只存在局部位置夹泥、混凝土离析（见图1），经检测单位和设计单位一致认定，重新判定为Ⅲ类桩。

图1 17号桩第一次抽芯

5.2 质量问题原因分析

5.2.1 气候、场地、及清孔影响

该项目场地地处低洼地段，覆土层较厚，加之雨季施工，地表积水严重，虽然采用长护筒有效防止了塌孔、缩孔及成孔后孔壁砂石泥块坠落，但未植入长护筒的强风化和中风化泥质粉砂岩孔段，由于大量地表和地下水的渗入冲刷，在清孔完毕下放钢筋笼、安放导管以及等待混凝土进场的过程中，孔内仍沉积了大量泥浆和细颗粒状砂石。由于是采用干作业成孔且桩孔直径较小，下放钢筋笼之后未再次检查清孔，直接灌注混凝土。（若要再次采用钻头清孔，必须将钢筋笼拔出，工序相对繁琐，施工中忽略了这一过程）。

因此，雨季施工场地积水渗漏，孔底沉渣未清理干净并直接浇灌混凝土是造成沉渣过厚的主要原因之一。

5.2.2 导管内未设置防水塞或滑阀

因地表渗水严重，虽然是干作业成孔，实则钻进和清孔过程中由于钻头的反复搅动，孔内已形成了3～4m深的泥浆和孔底沉渣，单靠钻头清孔根本不能将泥浆排出，特别是安放导管时只在漏斗口设置了堵板未设置防水塞，导致首盘混凝土浇灌时，孔内泥水直接与混凝土混合，从而导致桩身下部位置出现夹泥、离析、沉渣过厚等质量问题。

5.3 质量问题处理措施

鉴于桩竖向承载力全部合格，桩身局部夹泥，二次抽芯桩身完整，根据《建筑地基基础工程施工质量验收标准》（GB50202-2018）[2]第5.1.5条有关规定，“对不满足要求的工程桩，可采取补强或补桩措施。桩身完整性应至少满足II类桩的评价要求，II类桩的分类原则为桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥。”经设计、勘查部门现场勘查和五方责任主体一致同意，最终采取注浆加固方案对桩身进行补强、孔底沉渣进行清孔注浆处理。注浆处理后再次抽芯检测，结果达到了Ⅱ类桩的质量要求，见图2（注：图片来源于该工程桩基检测报告）。

图2 17号桩注浆加固后抽芯

6 结束语

综上所述，在覆土层较厚的松软底层采用长护筒旋挖法施工，能有效防止塌孔、缩孔等施工质量问题，即使在潮湿多雨的季节施工，也能顺利成孔。特别是城区房屋建筑工程桩基施工，由于桩位较密，场地有限，环境保护要求高，泥浆制备运输及易污染施工场地，采用加长护筒施工能很好地提高工作效率、缩短工期、保护环境。但若在雨季和地表水发育的低洼地层施工时，钻头搅动孔内地表水形成比重较大的泥浆和孔底沉渣清理仍然是施工中的重点和难点，一旦施工过程控制不严、处理不当，极易造成桩身夹泥和孔底沉渣过厚等质量问题。在此，结合本文工程案例，提出如下建议以供参考：

（1）对于覆土层较厚的松软地层若采用干作业旋挖法施工，采用加长护筒直接穿过覆土层可以有效控制塌孔、缩孔等施工常见质量问题。

（2）在雨季或地下水发育的潮湿地区用干作业法施工，仅靠钻机自带的平底钻头清孔很难保证达到理想状态，应采用专用工具进行孔底沉渣清理或采用吸泥泵将泥浆排出，也可根据钻头形状自行加工清渣钻头进行清理。

（3）灌注混凝土时，导管内务必设置球形隔水塞或滑阀，可有效防止混凝土进入导管后与导管中的泥水混合，造成桩身夹泥、混凝土离析等质量问题。

（4）吊放钢筋笼之前和之后应采用专用设备和规范操作检查孔底沉渣厚度，不能仅依靠重锤触底人为手感的常见错误操作进行判断。如果发现沉渣厚度大于设计要求，在无专用工具时，必须把钢筋笼吊装出桩孔，重新机械清孔至合格为止。在灌注首批混凝土之前最好配制约0.1～0.3m3水泥砂浆放入滑阀（隔水塞）以上的导管和漏斗中，然后再放入混凝土。

（5）对于桩端局部桩身夹泥和孔底沉渣过厚质量问题，可根据二次抽芯结果并结合现场实际采取注浆加固进行处理，以减小补桩带来的工期延长和经济损失。

（6）进行桩身完整性检测时，为确保检测结果的准确性，应尽量采取两种以上方法进行验证。