基于复杂地质条件下钻孔灌注桩的施工技术及应用

2024-05-21王博宇

中国建筑金属结构 2024年4期

王博宇

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连 116033）

0 引言

钻孔灌注桩施工所面临的复杂地质条件，涉及土质的稳定性、水文条件的影响等多个方面。为了解决这些挑战，本文综合运用了钢筋加工与焊接、泥浆配制、护筒埋设、钻孔与清孔控制等多方面的解决措施。通过对大连长兴岛精细化工园区建设项目的实践应用，验证了这些技术手段的有效性与可行性。在本文的研究过程中，参考了多篇相关文献。高宗文等[1]的研究指出，钻孔灌注桩在淤质土地层中的承载性能具有重要意义；邱堂堂和马雷[2]则着眼于钻孔灌注桩施工技术在公路桥梁工程中的应用；李晓亮等[3]则从建筑工程角度探讨了钻孔灌注桩桩基施工技术的应用；张学林和杜崇磊[4]的研究关注了钻孔灌注桩在桥梁工程中的应用情况；王永全等[5]则探讨了钻孔灌注桩技术在房建工程中的应用。这些文献为本文提供了丰富的理论支撑与实践经验，为本研究提供了宝贵的参考依据。本文的创新点主要体现在钻孔灌注桩施工技术上。通过对复杂地质条件下的实际挑战进行分析，并针对性地提出解决措施，如长护筒、全桩长保护等技术手段，以确保施工的安全与质量。此外，本文还对钻孔灌注桩施工过程中的关键环节进行了详细阐述，为同类工程施工提供了指导意义。

1 工程概况

大连长兴岛精细化工业园区建设项目EPC 总承包—北口标识工程位于大连长兴岛，主要包括标志、挡墙施工等内容。具体范围：（1）标志牌、桩基、短柱、钢结构、景观和照明；（2）挡土墙、桩基、混凝土挡土墙。场地内没有活动断层和岩溶等不良地质现象，也没有自然条件下的滑坡、泥石流、地面塌陷、采空区和液化地层等不良地质现象。

2 施工难点分析及对策

2.1 建设难点

在工程项目中，所面临的场地条件往往复杂多变，尤其是土质方面的挑战。本次建设的场地表面以素填土为主，这种土质结构松散，稳定性差，极易发生塌陷。场地内还含有角砾和砾石，这些颗粒呈棱角状，大小不等，通常在2 ～50mm 之间，其含量占据了场地土质的50%～75%。更为严重的是，地面上还散布着尺寸大于200mm 的石块，这无疑增加了场地处理的难度。此外，场地地下10 余m 以下，存在一层厚度达到2m 的砾石层，遇水后极易发生垮塌，这给支护桩的成孔作业带来了极大的困难。

2.2 应对措施

针对砾石层深度较大的情况，采取长护筒、全桩长保护等措施保证砂砾层不坍塌。对地表面积较大的混凝土块体，通常采用挖土机开挖、置换、下护筒进行浇筑。首先，使用挖土机将混凝土块体周围的土壤挖开，然后进行置换，将原有的土壤替换为更加稳定的材料。接着，在下方安装护筒，以保护孔壁的稳定性。最后，进行混凝土的浇筑。这种方法可以有效地解决地表面积较大的混凝土块体的施工问题，保证工程的质量和进度。

3 钻孔灌注桩施工技术

3.1 钢筋加工

该项目钢筋笼的制造过程是在专门的钢筋笼加工厂中完成的，长度严格按照工程需求进行精确制作。钢筋笼的标准节长度由施工单位根据具体桩的长度进行精确决定。在焊接过程中，为确保结构的安全性和稳定性，同一截面上焊缝的数量被严格控制，不得超过总焊缝数量的50%。此外，两个相邻的焊缝之间必须保持至少1m 的距离，以减小焊接应力，确保焊接质量。

3.1.1 钢筋下料

根据施工图纸的详细要求进行精确的材料切割。在下料之前，为提高工作效率和材料利用率，可采用闪光焊机将材料预先焊接为一个整体。随后，依据所需的材料长度，利用钢筋切割机精准地将其分割成所需形状，从而降低生产过程中的废品率。在此过程中，钢筋的种类、规格、数量及长度等必须与设计要求完全一致，以确保施工质量和结构的稳定性。

3.1.2 钢筋笼绑扎

在钢筋笼的绑扎过程中，必须确保绑扎部位具备充足的强度，以满足结构安全性的要求。采用适当的焊接技术，确保钢筋能够稳固地固定在设计指定的位置上。钢筋笼的制作必须严格遵循设计图纸和规范，以保证结构的整体性能，同时确保保护层的厚度。井口焊接的钢筋笼连接处应暂时避免绑扎箍筋，以便后续施工操作。预留的钢筋接头遵循错开原则，确保接头之间的距离不小于1m，下料的长度根据接头的搭接长度进行精确计算。

3.1.3 井口焊接

井口的焊接采取单搭接的方式，焊缝的长度设定为钢筋直径的10 倍，以保证连接部位具备足够的强度。将钢筋头部进行扭弯处理，以确保两根钢筋中心线对齐，从而增强焊接接头的整体稳定性。在执行这一关键工序时，需精选经验丰富的焊工进行操作，以确保焊接工艺的高标准执行，进而保证焊接接头的质量达到最佳状态。

3.1.4 焊接技术要求

（1）搭接焊接规范。钢筋笼的主筋为单侧搭接焊接，且焊接时间不得少于10d，焊条采用E50 型号。选取300 根同种规格的钢筋，将其分成3 组，分别进行拉伸实验。①焊接面必须是平坦的，没有凹陷或焊瘤；②焊缝部位不应出现肉眼可见的裂缝；③焊缝表面无明显裂缝；④横向咬边厚度不能超过0.5mm，对焊接中的气孔、夹杂物要有严格控制，每4cm 的焊缝长度不能超过2 条。图1 为钢筋单面搭接焊示意图。

图1 钢筋单面搭接焊示意图

（2）闪光焊接接头技术规范。由同一名焊工负责焊接300根相同规格和直径的钢筋。若在同一台班中接头数目相对较少，可以在一个星期内对这些接头进行累积计算，以确保焊接质量符合规范要求，少于300 件以同批次计算。选取6 根试件，分别进行三根抗拉实验和三根弯曲实验。①接缝不允许出现横向裂缝；②钢筋与焊条的接触部位不能出现明显灼伤；③接缝弯曲角度不能超过3°；④接头轴向偏差不能超过0.1 倍，并且不能超过2mm。

3.2 钻孔灌注桩施工要点

3.2.1 场地平整

整平场地涉及对地面的测量、挖掘和填充，以确保整个场地的高度、坡度和水平度都符合建筑要求。接下来是清除杂物，这些杂物包括石块、树根、垃圾等，它们会严重影响地面的平整度和稳定性。最后通过使用专业的夯打设备，对地面进行反复夯打和压实，使地面更加紧实、稳定。

为了避免地表径流进入井中，需要在基坑周围设置排水沟。排水沟的设置可以有效地引导雨水和其他水源远离基坑，防止因水浸而导致的工程事故。同时调节地下水位的作用，保持场地的干燥和稳定。

3.2.2 测量定位

GPS 的放样应用。测量、定位、设置护桩，以核对桩位精度，测量完毕后，再进行重新测量，并进行纵向、横向测量，保证测量结果无误，再安装十字型护桩，同时做好标记。放样完毕后，填写《施工放样报告》，交驻地监理小组勘测工程师复核。在埋设护桩时，要用水泥灰浆（或混凝土）包好，标记清楚，钻机安装前仔细检查。

3.2.3 护筒的制造及埋设

钢护筒由A3 钢制成，其厚度大于10mm，内径宜大于桩径0.2 ～0.4m。钢护筒应分段制作，长度一般为2.5 ～4m。在护筒的上部留有1 ～2 个溢流孔，溢流孔高度高出地表0.25 ～0.35m。钢护筒的埋设要精确，上、下端位置偏差不超过5cm，倾角不超过1%。测量、定位后，将护筒的中心和桩心对齐。为了避免钢筋笼偏位，在埋设钢护筒时，应在护筒四角对称布设定位筋，并在护筒四周进行分层夯实。护筒的深度与桩的长度相等，护筒整体下压至桩底。测量无误后，在周围回填粘土，并进行分层夯实。护筒在距地表0.5m 处，并用十字线固定。对接吻合完成后，再进行焊接。焊接宽度不能少于8mm，焊接高度不能少于4mm。护筒下入后，采用线锤观测或计量器具对护筒垂直度进行检验。钢护筒内侧要确保接头圆顺，外侧采用φ20 mm 钢筋对帮焊接补强，同时要满足刚性、强度和防漏要求。钢护筒分段焊接必须满足规范，钢护筒下放和下放后各项技术参数均不能超过设计和规程所规定的容许偏差。

3.2.4 钻机就位、校正

施工过程中，要保证钻机的稳定，不能有倾斜、移位，为了精确地控制钻孔深度，支架上要做好刻度，便于观察和记录。

3.2.5 钻孔

首先，将护筒埋入泥浆中，随后进行钻进。在钻进过程中，初始阶段应使用低速慢钻，直至护筒以下1m 深度。随后，将转速调整至正常水平。在钻进过程中，务必对岩渣进行取样，并严密监控泥浆的各项指标。同时，要特别关注地层变化，根据实际情况，灵活调整钻进速度、钻压以及泥浆比重等参数。对于易坍塌的砂土或软黏土，建议采用低档慢速施工方式，并适时提升孔内水头，增大泥浆密度，以确保施工的安全与稳定。当钻孔达到设计高程，并用岩样证实到位后，就可以停钻了。

3.2.6 验孔

在钻孔作业达到既定深度后，需对孔深、孔位、孔径、孔形以及倾斜度进行全面检查，并将检验结果详细记录在终孔检查表中。在此过程中，需运用检孔器对孔内孔径、孔形和倾角进行精准测量。此外，利用测绳（锤）来测定孔深和虚土层，虚土厚度的计算方式为钻孔深度与实测深度之差，其值应严格控制在100mm 以内。在确保所有参数均符合设计要求后，应立刻填写终孔检查表，并提交给监理工程师进行签字确认。只有当得到监理工程师的同意后，方可进行钻孔底部的清理工作，并浇筑水下混凝土。在完成当前桩基的成孔检测后，钻机需移至下一个桩位，同时填写钻孔施工日志，覆盖孔罩，设置警告标志，并撤离钻机。

3.2.7 清孔

通过捞砂斗来清除孔内的砂土和残渣，确保孔壁的清洁和稳定。根据地质条件、孔深、孔径等因素合理调整捞砂斗的工作频率，捞砂斗的工作频率不应低于2 次。配合其他施工设备和工艺，如旋挖钻机、泥浆护壁等，共同实现孔内清砂的目的。

3.2.8 安放钢筋笼

钢筋笼加工完成并由监理验收合格方可下入桩孔。下放钢筋笼的过程中，必须保证钢筋笼中心与钻孔中心对齐，可采用浮筒对中。钢筋笼的高度必须得到精确控制，其底面高度的允许误差为±5cm，顶部高度的允许误差为+2cm。在钢筋笼的堆放、运输、吊装以及下孔等作业过程中，必须严格遵守相关的作业规程，以确保作业的安全性和有效性。在施工过程中，要对施工人员进行技术交底，并采取相应的质量控制措施，以防止钢筋笼发生变形。钢筋笼吊装时，应对好孔位，起吊平稳，沉放速度慢，防止与孔壁发生撞击。钢筋笼就位后，必须及时进行固定。为了保证加固部位的准确定位和保护层的厚度，必须用焊接连接。

3.2.9 下导管

经过慎重考虑和精确计算，决定选用直径为φ300mm、壁厚为6mm 的无缝管作为导管。每节导管的标准长度为3m，底部特殊设计为4m，以满足工程需求。此外，还需配备2 节1m 和2 节1.5m 的短管，这些短管可根据实际需要灵活组合，用于调整导管的总长度和漏斗的高度，确保施工过程的顺利进行。

导管的连接方式为螺纹型，双法兰间加4 ～5mm 的橡胶密封圈。在安装导管之前，应先检查管道有无破损、密封环、卡口是否完好、管道内壁是否平滑、连接处是否紧实，并做抗拉、防漏等测试，测试结果合格后方可使用。安装时，每一处都要涂上黄油，并用螺丝固定，以免在浇筑过程中，发生断裂，在浇筑混凝土之前要做提升测试，使位置对中，轴线平直，稳定下放，防止夹持钢筋骨架与孔壁的撞击，通常情况下，导管下端至钻孔底部的间距是25 ～40cm。

3.2.10 浇注混凝土

在钻孔桩施工中，混凝土灌注是一个非常关键的过程，要对成桩质量进行检验（包含泥浆指数、沉积物厚度测试等内容），检查合格后才能开始灌注，一旦发现沉淀量超出规定标准，必须立即重新清理孔洞。在此过程中，必须特别关注孔壁的稳定性，以防止出现任何形式的塌孔。灌注在混凝土初凝时间2.5h 之内完成。首次浇筑混凝土量要确保导管的初埋深度大于1m，并浇筑到导管底部，首次浇筑完成后需进行连续浇筑，施工期间导管埋深要控制在2 ～6m。混凝土搅拌车在运输过程需要检测密实度和塌落度，不合格的要重新拌和，二次拌和不合格的不得采用。首批混凝土注入孔底后，即刻对勘探孔内混凝土面高度进行测量，并据此计算导管埋深，满足要求才可正常注入。自混凝土浇筑开始，必须保持紧密且连续的作业，不得出现任何中断。

浇筑过程中，应避免混凝土混合物从漏斗口落入孔内，引起水泥的粘稠凝固，影响测量精度。在施工中，要密切关注混凝土下落及钻孔内水位的上升与下降，随时观测钻孔混凝土液面的高低，以指导导管的吊装与拆除。导管起吊过程中，要保证轴线垂直，定位对中，然后逐级抬升，如果要清除钢筋骨架，则可以将导管移至钻孔中央，将其从钢筋框架中分离出来。当导管被抬升至暴露在孔上方法兰连接点的某一水平时，可以拆卸1 节和2 节导管。此时，应暂时中止灌注工作。首要任务是撤离漏斗，并确保井口导管稳固固定。随后，紧固导管的连接螺栓，并将起吊导管的吊钩悬挂在待拆导管的上部吊环之上。当所有螺栓均已拆除后，应缓缓吊起待拆卸的导管，并小心将其降落。接下来，将漏斗重新插入井口导管内，调整至适当位置，继续灌注流程。拆管过程需迅速进行，通常不会超过15min。为预防螺栓、橡皮块及工具落入井中，必须格外谨慎。一旦导管接头被拆卸下来，应立即进行清洗，并按既定规范妥善码放。

灌注时，如管内混凝土未充分充入气体，则要缓慢灌入混凝土，料斗及管路不宜整筒灌注，为避免管道内部产生过高的气压而形成气囊，进而压迫管节间的橡皮衬垫，导致管路发生渗漏。为确保桩顶施工的质量，应在预先设计的桩顶标高位置进行混凝土的灌注。具体的灌注位置可依据钻孔的深度、方式以及清孔的方法等因素进行精确确定。通常情况下，灌注位置位于地下0.5 ～1m 的范围内，对于较深的桩孔，灌注位置则设定为1m 处。只有当混凝土的抗压强度达到5Mpa 的要求后，才可进行地下保护筒的拆除工作。