大直径冲孔灌注桩施工技术研究

张书心，庄孝天

（1.山东省环能设计院股份有限公司，山东 济南 250001；2.山东诚信工程建设监理有限公司，山东 济南 250001）

大直径冲孔灌注桩施工技术是桥梁等建筑结构的重要组成部分，其施工质量直接决定着建筑的成功与失败。深孔大直径钻孔灌注桩在施工时有较高的技术要求，且难以控制其施工质量，在具体施工时常会有较多的问题出现，一旦在施工中出现问题，其处理难度也是较大的。

灌注桩施工技术研究的必要性主要源于其在实际施工中的重要性和复杂性，尽管此项技术在建筑工程领域内的广泛应用为行业发展带来了正向影响，但此项技术的应用也具有较强的复杂性、系统性。由此可以证明，此项技术对项目施工整体质量的影响较为直观。针对此项施工技术的研究可以推动建筑施工技术的创新，并在一定程度上带动建筑行业的可持续健康发展。因此，为了确保灌注桩的施工质量，对其施工技术开展进一步研究是非常有必要的。研究可以针对技术实施的各个环节进行深入探讨，明确施工过程中的质量控制方法和要点，以期能够提高桩基施工质量和效率。同时，对于可能出现的施工问题，应提前制定预防和应对措施，以降低施工中可能出现的质量风险。为满足此方面需求，下文将以某具体项目为实例，开展如下所示内容的研究。

1 冲孔灌注桩应用实例

随着现代建筑技术的不断发展，大直径冲孔灌注桩作为一种重要的基础形式，被广泛应用于各类建筑工程中。为实现对此项施工技术的推广，以某工程为例，对其进行冲孔灌注桩的施工。施工前，明确此项目的占地面积约为41 652 m2，总面积为462 594 m2。

掌握工程项目基本构成的基础上，进行施工现场稳定性、适宜性的综合评估。在进行地质勘察后发现，施工区域地形平缓，没有不良的地形地貌，地基稳定。地层上段为小块的素填土，其机械强度很低，而在下段则有很高的机械强度，所以其上段的稳定性不太好，而下段的稳定性比较好。在钻孔深度控制的区域，岩体的稳定性较好。同时，场区内未发现采空区，勘察中未发现明显的断裂带，工程区周边没有中强震活动，也没有大的活动断层，不具备诱发滑坡等重大灾害的地质条件。

试点工程共有31 层，是一座以办公大楼为主的建筑。整个工程地下5 层，地下1 楼和2 楼是商业、商务用房，地下三楼、四楼和五楼是设备机房和地下车库。此建筑为一座超高层建筑，其上部荷载较大，因此，对桩基础的承载能力提出了较高的要求，且单层占地面积较小，为保证其承载能力，需采用大直径钻孔桩，考虑到地下夹层和孤石较多，采用单护筒冲孔成桩技术。施工区域图如图1 所示。

图1 冲孔灌注桩施工区域图

图1 中，外围1～16 是直径为2 400 mm 的灌注桩；中间空白圆圈是直径为1 200 mm 的灌注桩。两种不同直径的灌注桩总数量为32 根。

2 大直径冲孔灌注桩施工

2.1 护筒制作与埋设施工

冲桩前需要设置钢护筒，以确保桩机在施工期间能够竖向冲孔，同时也能有效地避免桩机、吊锤等在孔口周围工作时所引起的载荷和冲击力对孔壁造成塌孔[1]。埋设护筒时，采用挖土机开挖护筒坑，护筒坑深度比护筒大400～500 mm，并在护筒坑的四周和底面用黏土进行回填和密实，以防渗水，护筒埋入1 500～2 000 mm。在桩位开挖时，将护筒埋入坑口，一般30 mm 或1 500 mm 以上，这样就能保证钻孔的泥面在井外的水面或地表之上。护筒中心距桩位中心线的偏差不能超过50 mm。为了防止地层水倒灌，同时也起到了保护套管的作用，在护筒和孔壁之间采用多层的黏土充填[2]。在拆护套管时，要待混凝土强度超过25%，方能拆除钢护筒。

上述工程项目1 200 mm 普通直径的桩结构中，护筒采用5 mm 厚度的钢板制作而成，其内径设计为1 300 mm，护筒高度设计为1800 mm。

在2 400 mm 的大直径冲孔中，钢质护壁采用8 mm 厚的钢板，内径2 600 mm，护筒高度2 000 mm，钢护筒上设有两个溢流孔，因为大直径冲孔所用的加固六星冲锤的重量很大，约为8 t，而用于120 mm 的冲孔桩的普通三星冲锤只有3 t 重[3]。由于冲孔桩自重大，在每一次冲桩过程中，对护筒受力都要比一般直径的孔桩大得多，而且护筒容易发生倾斜，甚至掉入孔内[4]。针对大直径桩承台偏位脱落的难题，采用废弃的钢筋端头与钢筒顶端焊合，通过钢筒头部的支承，提高筒身的稳定性，确保套管不会下陷，如图2 所示。

图2 护筒焊接钢筋头

2.2 冲孔灌注桩冲土成孔

在开展冲孔灌注桩冲土成孔施工前，结合地勘资料、超前钻报告，推算得出每一根桩结构的长度，并在完成施工后与实际情况进行对比，得到如表1 所示的结果。

表1 地勘报告、超前钻报告、实际施工情况对比

结合表中记录的内容，在2 400 mm 大直径桩进行超前钻勘探前，需要对3 个及以上点位进行超前钻勘察，提高超前钻的精度[5]。为确保施工质量和安全性，选择泥浆护壁成孔的方式施工。在1 200 mm 的普通直径钻孔灌注桩中，使用3 t 三星锤快速掘进，在砂质黏性土层和全风化片麻岩中，进孔速度为120 cm/h，遇到夹层时进孔速度为6～8 cm/h，遇孤石时进孔速度为3～5 cm/h。直径1 200 mm 的桩，用28 mm 钢丝绳吊运18 根桩，现场用4 台桩机施工，每台钻机4 条，没有一条钢丝绳发生起毛、开裂现象，未更换过钢丝绳。

在实际工程中，我们发现2 400 mm 大直径钻孔灌注桩的钢丝绳更换频率比直径1 200 mm 的钻孔灌注桩要高得多。采用8 t 重锤来施工，平均每完成一根桩就要更换一根钢丝绳，在孤石、夹层较多的地方，更换次数更多[6]。大直径钻孔灌注桩中，钢丝绳的磨耗部位大多位于桩机吊冲锤的拉线部位。在此处增设一皮带轮，使钢丝绳与桩机相连，以减小此处钢丝绳的磨损。

在钻孔进尺作业中，先在孔口埋好护筒，再将钻机安放到位，再用吊绳将钻杆中心与护筒中心对齐，从而决定钻孔的钻孔位置。在进行冲孔时，为了避免冲锤撞击护套，同时要适时地添加泥浆来保护护墙，该工程的土层是砂性黏土。另外，还购买膨润土和红土来配制高质量的泥浆。在钻孔至护筒底部3～4 m 时，应加速冲锤，使其能正常工作，并对泥浆的密度进行测试与控制。

2.3 冲孔灌注桩清孔与浇筑

第1 次清孔以清除孔底大颗粒的碎石和残渣等为主要目的，对泥浆的密度有很高的要求。当冲孔至设计要求的深度时，可以将清孔导管吊起，然后用泵将泥浆加压换浆。钻孔达到规定的深度后，就可以开始一次清孔。第2次清孔在完成对钢筋笼的安装后，当泥浆比重降低为1.1～1.2 时，再进行清孔。第2 次清孔后的30 min 内完成混凝土的浇捣。

在完成清孔后，对沉渣情况进行检测。在1 200 mm 普通直径桩中，可设置5 个监测点，即可实现对整根桩内部沉渣情况的检测。针对2 400 mm 的大直径桩，按照图3 所示设置检测点。

图3 沉渣检测点布置示意图

如图3 所示，在一次清孔结束后，进行一次沉渣检查。第2 次清孔结束后，再检查一遍，每次检查13 个点位，各点位的沉渣厚度不超过30 mm，方可继续下一步（设计规范中对沉渣厚度的要求为不超过50 mm）。

在混凝土浇筑时，导管中的混凝土水位一般都在孔中的泥浆表面及孔中的混凝土表面上，并且混凝土的密度要比泥浆容重大得多。这样，管道内部和外部就会产生一种压差，液体就会从高处向低处流动，从而使混凝土被灌入孔中。通过设计，在1 200 mm 直径冲孔灌注桩中将混凝土的初灌量设置为2 m3；在2 400 mm 大直径冲孔灌注桩中将混凝土的初灌量设置为6 m3。

3 检测方法

大直径冲孔灌注桩是指桩径大于等于800 mm的冲孔灌注桩。其施工工艺流程主要包括：准备工作、桩位放样、埋设护筒、冲孔、清孔、水下混凝土灌注等。

为确保项目施工可以达到预期效果，在完成施工后，应根据工程项目的具体需求，采取相应的技术措施，确保成桩质量和施工效率。

3.1 桩身完整性检测

完成施工后，为实现对此项技术应用效果的检验。钻芯法是一种既可以用来测定某一批或某一构件的混凝土强度推定值，又可用来作为钻孔校正间接法测定混凝土强度的方法。该方法在测定混凝强度时具有很小的系统误差，但对于强度样品，其标准偏差则比较大（随机误差是指样品的数量较少）。采用间接检验法可以得到更多的试验资料，而且试样的标准偏差也能更好地反映被试混凝土的强度变化。

在采用钻芯法进行灌注桩的完整性检测时，需要选择部分桩基作为检测对象，检测结果如图4 所示。

图4 基于钻芯法的冲孔灌注桩完整性检测结果

从图4 的结果可以看出，本次检测若干根完成施工的冲孔灌注桩，几乎所有的灌注桩都通过了完整检测，只有一根冲孔灌注桩发生断裂，即未通过检测。

3.2 承载力检测

在完成冲孔灌注桩的完整性检测后，采用单桩竖向抗压静载试验，进行冲孔灌注桩的承载力检测。

该试验是将竖向荷载作用在桩顶，观测桩的沉降量，并根据沉降量和施加的荷载，掌握桩体结构的压力能力，以便于推测其承载力。此试验的目的在于了解桩的工作性能，判断桩的均匀性、大小和变化情况等。

根据1 200 mm 与2 400 mm 桩体的单桩设计承载力，对其进行承载力测试。本次共测试20 根桩体，1 200 mm 与2 400 mm 桩体各10 根，所有桩体均通过了承载力测试。说明本文设计的方法，可以满足大直径冲孔灌注桩的规范化施工。

4 结语

为满足各地城市化建设与发展需求，有关单位在开展研究后，提出将冲孔灌注桩作为建筑基础结构的核心施工方法。在相关工作持续推进的背景下，高层建筑、地铁、桥梁等基础设施建设的需求越来越大，冲孔灌注桩的应用也越来越广泛。未来，随着城市建设的不断发展，冲孔灌注桩的市场需求也将继续增加。冲孔灌注桩施工技术将不断改进和升级，以此种方式，实现对基础桩施工效率的全面提升。

未来的冲孔灌注桩施工设备将更加智能化和自动化，能够提高施工效率和质量。例如，可以开发智能化的冲孔设备，自动监测和控制冲孔深度和角度，减少人为操作失误。随着环保意识的不断提高，冲孔灌注桩这种非开挖技术的应用优势也将越来越明显。未来，冲孔灌注桩施工技术将更加注重环保和节能，减少对环境的影响和资源浪费。例如，可以开发低噪音、低能耗的设备，减少对周围环境和居民的影响。总之，未来冲孔灌注桩施工技术将在设备升级、节能、多元化、定制化、高精度、高质量等方面得到进一步发展和应用，为建筑工程提供更加安全、高效、环保的施工方式。