旋挖灌注桩成孔工艺与质量控制

摘 要：旋挖灌注桩施工以其环保高效的特点在高层建筑、桥梁工程、市政建设等众多领域得到广泛应用。旋挖灌注桩施工的成孔工艺和质量控制是其关键环节，因此概述了旋挖钻机及工作流程、旋挖灌注桩施工流程，分析了成孔工艺中的钻头形式及钻进参数的选择、护壁泥浆的选择与制备、钻进成孔和清孔４部分，探讨了成孔质量控制措施及常见质量问题的处理。

关键词：旋挖灌注桩；成孔工艺；质量控制

中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）09-0084-03

收稿日期：2024-04-30

作者简介：李华兴（1986—），男，广东茂名人，本科，工程师，从事建筑工程管理工作。

0 引言

旋挖灌注桩是利用旋挖钻机造孔，再放置钢筋笼和灌注混凝土而成的桩。这种桩广泛用于桥梁、市政建设和高层建筑的地基基础处理，其特点鲜明，桩机安装简单，桩位对中容易，施工精度较高，钻进速度较快，噪声低，振动小，地层适应性较强，成孔质量高，是一种环保高效的桩型[1]。成孔工艺与质量控制是旋挖灌注桩施工中的关键环节和重要部分，因此本文对相关内容进行了分析和探讨。

1 旋挖灌注桩施工技术概述

1.1 旋挖钻机组成及工作流程

旋挖钻机是一种复杂的机械设备，由钻头、钻桅、钻杆、卷扬机构、变幅机构、回转平台、操作室、配重、底盘行走机构以及液压系统、电力系统、动力系统等组成。

旋挖钻机多采用履带式底盘，可以适应复杂地形，也有采用轮式底盘形式的桩机，可用于较平坦地形的施工。旋挖钻机中最具特色的部分是钻头，典型旋挖钻头（从下至上顺序）由中心钻头、铲齿（或截齿）、底盘、钻斗体、开合机构、连接方套等组成[2]。中心钻头和铲齿用于切削土层。底盘上有开口和活门。钻进时，被切削下的土屑通过开口进入钻斗体内。钻斗内被土挤满后，反向旋转提升钻头，活门自动关闭。要倒出钻斗体中的土屑，可通过打开开合机构使活门开启。连接方套用于与钻杆连接。

旋挖钻机工作流程[3]如下：①竖起钻桅、安装钻具并调节。桩机运输途中要将钻桅等折叠起来，到达施工现场后再打开、起竖，然后安装钻杆并提升和接入动力头，通过卷扬提起并连接钻头。②钻进成孔。让机器自行运动到桩位，调整钻头对准钻孔位置。对于较软地层，可依靠动力头和钻具自重实施钻孔作业。对于较硬地层，需借助加压缸或副卷扬机构的回转加压钻进。钻进时，被钻齿切下的土会被挤入钻头内部。当钻头内部的土达到一定体积，就需要提起钻具卸土。卸完土，再把钻头放入孔中。钻进-卸土-再钻进-再卸土，如此循环往复，直至达到设计深度。

1.2 灌注桩施工流程

1.2.1 测设桩位

测量人员根据基准点放出桩位线，复查无误，及时护桩。

1.2.2 桩机就位埋设护筒

复核桩机定位准确，钻进开孔。通过人、机配合埋设护筒。护筒底端应穿过填土层，进入黏土层或粉土层中。埋设好护筒，检查护筒中心与桩位中心一致性。

1.2.3 制备护壁泥浆

旋挖成孔一般不设置套管，主要依靠护壁泥浆维持孔壁稳定，可以说护壁泥浆质量决定成孔质量，故应根据地层性质合理配制泥浆。

1.2.4 钻进成孔

旋挖钻机配备有垂直度仪，通过显示屏可显示钻杆两个方向的垂直度，钻进过程中可随时观察钻杆垂直度，若有偏差及时调整。

1.2.5 第一次清孔

钻至设计深度，立即进行第一次清孔，即利用磨盘式钻斗或抽浆泵等设备清除孔底沉渣。

1.2.6 吊放钢筋笼

使用汽车起重机吊起钢筋笼，再将其放入桩孔中。为防止钢筋笼上浮或下沉，复核笼顶标高后，及时固定住钢筋笼。

1.2.7吊放导管

导管用于灌注混凝土。吊放钢筋笼后，随即吊放导管。

1.2.8 第二次清孔

第一次清孔后，吊放钢筋笼和导管又会产生新的沉渣，所以需要二次清孔。

1.2.9 灌注混凝土

二次清孔复核沉渣厚度符合要求后立即灌注混凝土。灌注水下混凝土通常采用水下导管回顶法成桩，利用导管内外压力差冲实混凝土。灌注混凝土高度达到设计高度后，再超灌0.8 m以上，超灌部分在混凝土硬化后凿除。

1.2.10 拆卸导管和护筒

随着混凝土面上升，相应地提高导管，孔外导管可以逐级拆除。浇灌完混凝土，拆卸剩余导管，即可拆除护筒。桩机移动到另一桩位，开始新一根灌注桩的施工。

2 旋挖灌注桩成孔工艺研究

2.1 钻头型式及钻进参数的选择

旋挖钻机可穿越黏性土、非自重湿陷黄土、淤泥及淤泥质土、粉土、砂土、填土层，以硬黏性土、粉土、砂土层为持力层。部分含卵石或碎石（石最大尺寸不超过10 cm）的土层也能应用旋挖钻机。现实中的地层条件复杂多样，旋挖钻机厂家也为适应不同地层条件开发了多种类型与规格的钻头，施工时应根据地层条件选择适宜钻头类型及规格。

对于不含地下水的松软地层，可采用钻进土层的单头螺旋钻头或单层底盘带活门的旋挖钻斗，如果土层有一定胶结可采用双头双螺旋钻头。根据相关资料[2]，钻进压力可采用0～50 kN，回转速度控制在20～50 r/min。如果松软地层中含有地下水，可选用双层底盘旋挖钻斗，对于淤泥层或流沙层，如果地层有一定胶结也可选用双头双螺直型螺旋钻头。

对于泥岩、页岩、泥页岩、粉砂岩、泥质砂岩等软岩，可交替采用钻进岩层的螺旋钻头和旋挖钻斗。先利用螺旋钻头破碎岩石层，再通过旋挖钻斗捞出岩屑，捞完岩屑再使用螺旋钻头破碎岩石，之后仍采用旋挖钻斗捞屑，循环往复进行下去，使岩石层高效成孔。螺旋钻头应选用锥型头，旋挖钻斗切削齿采用直径大、体型长、耐磨的中等硬度硬质合金截齿。钻进压力宜选择50～100 kN，回转速度采用20～30 r/min。对于卵石层和卵砾石地层，可选用卵砾石层旋挖钻斗，切削齿可选择直径大、齿形长、布齿均匀的截齿。钻进压力选择0～50 kN，回转速度选择10～20 r/min。

2.2 护壁泥浆的选择与制备

使用泥浆的主要作用是保持孔壁的稳定，同时也有悬浮土渣和冷却润滑钻具的功能。泥浆可以在孔壁上形成泥皮，泥皮能阻止孔壁的土、砂剥落。泥浆的主要成分是黏性土和水，根据对泥浆性能的需要也可添加一些化学处理剂。若孔壁土自稳性好且桩径不大（<2 m），可直接采用场地中的黏土和水或再添加一定量的膨润土配制而成。若土层自稳性差、桩径大（≥2 m），可在黏土和水以外添加羧甲基纤维素钠（CMC）、纯碱等物质。CMC用作增稠剂，可增加泥浆黏度，添加量为0.03%～0.1%。纯碱用作分散剂，添加量为0.5%～1.0%。此外，还可添加加重剂（如重晶石、铁砂、方铅矿粉）、防漏剂（如锯末、稻草、水泥）以提高泥浆的稳定性，防止泥浆漏失在孔壁空隙中。

制备泥浆应使用功率强大的搅拌机，搅拌叶转速需>200 r/min，以保障泥浆供应的可靠性。制备泥浆的下料顺序关系到能否尽快将各种原材料混合成均匀稳定的泥浆，可按照水→膨润土→CMC（预先用清水配制成1%～3%的溶液）→分散剂（纯碱）→其他外加剂的次序加料。

新鲜泥浆应搅拌5～10 min。配制好的泥浆应贮存24 h以上再使用。泥浆质量主要通过比重、黏度、pH值、含砂量、稳定性等指标控制。因为测比重非常方便，工程上常用比重控制泥浆质量。例如普通直径旋挖桩（桩径<2 m）地层为填土层和砂层时，采用黏性土+膨润土+水配制，新鲜泥浆比重为1.10～1.20 g/cm3。大直径旋挖桩（桩径≥2 m）地层为黏土层，采用黏性土+膨润土+CMC+纯碱+水配制，新鲜泥浆比重为1.05～1.15 g/cm3[4]。

2.3 钻进成孔

钻进前，应对钻头保护装置、钻头直径及磨损情况进行细致的检查，如果钻头磨损程度超出规定应予更换。应按试生产确定的施工参数施工，并记录施工中的重要参数，例如加钻杆、钻进深度、各地层地质情况、设备故障等。

根据桩径大小、钻斗长度、地层特点等控制进尺深度。开始钻进时转速要慢，放斗要稳。钻进过程中要监控钻杆垂直度，如有偏差及时纠正。根据地质情况控制进尺速度，从硬地层切入软地层，可适当加快钻机速度；反之，由软地层钻入硬地层，应减速慢进。在易缩颈地层中钻进，应增加扫孔次数。

要根据地层地质变化，及时调整泥浆比重和黏度，例如在砂层中钻进不但要减速慢进，还要调大泥浆比重和黏度，以防塌壁。钻头切削的土屑难以完全提出孔外，会有少部分留在孔中，与泥浆混合后使泥浆性能发生改变，所以钻进过程中要监控进、出口泥浆指标，发现偏差超出规定，及时调整。

随着钻进深度的增加，及时向孔内补浆，以维持孔内泥浆面始终高于护筒底部及地下水位2 m以上。带料升降钻斗速度要慢，防止快速升降钻斗带动水流冲刷孔壁以及在钻斗下方形成负压使孔壁坍塌。空钻斗升降时泥浆会进入钻斗内部，对孔壁的不利影响小，对此可适当加快升降速度。终孔的判别可根据设计桩长、返渣样来确定，实际孔深应不小于设计深度。

2.4 清孔

清孔可采用换浆、抽浆、淘渣等方法。换浆即将孔内不合格的泥浆置换成合格泥浆，通过持续向孔底压入纯正泥浆，使浮渣较多的泥浆被置换。但这种方法清孔速度较慢。抽浆一般使用空气吸泥机、真空吸泥泵、潜水吸泥泵等设备，将孔底沉渣及淤积物抽出。抽浆清孔虽速度较快，但易引起塌孔。淘渣是采用磨盘式钻斗或淘渣筒等工具一次或多次将沉渣捞起清出。一次清孔可采用淘渣法，二次清孔采用抽浆法或换浆法。

3 旋挖灌注桩成孔质量控制

3.1 成孔质量控制

在施工准备阶段，若对地层土质情况掌握不充分，也不太了解地下障碍物情况，易出现盲目施工现象，进而产生质量问题。因此，在正式施工前，必须认真组织设计交底，让施工技术人员全面掌握地层土质、地下障碍等情况。根据设计图纸及相关文件内容合理制定施工方案，并根据施工方案对施工人员进行技术交底。对成孔过程的各种参数要详细记录。详尽、客观的记录不仅可以真实反映施工进程，而且通过记录可以分析施工中问题，找出影响成孔质量的因素，从而有针对性地制定解决措施。工程所使用的材料要有检测报告或产品合格证。

在成孔施工阶段，要重视护壁泥浆的配制。一些工程在成孔施工时出现孔壁坍塌事故，其中一个重要原因就是泥浆配制不好，导致孔壁上不能形成完整的泥膜或泥皮容易脱落，所以应根据不同地层地质情况合理配制泥浆。

在钻进施工过程中，应根据不同地层地质情况备好泥浆材料，例如膨润土、CMC等材料应有所准备，免得施工时因材料不足而陷入困境。

根据地层地质条件、桩径大小及深度合理选择桩机机型、钻杆及钻头类型、规格。钻进过程中加强对垂直度的控制。成孔阶段应安排技术人员使用仪器观测钻杆垂直度，发现偏差及时通知桩机操作人员调整和纠正。遇到特殊地层应采取专门措施，例如遇到溶洞，应加设护筒防止钻偏。根据不同地层地质情况调整钻进速度和钻压。

成孔后对孔的中心位置、孔径、孔深、垂直度、沉渣厚度、清孔后泥浆指标等进行检查，不达标必须处理。

3.2 常见质量问题的处理

3.2.1 孔壁坍塌

钻进过程中泥浆突然流失，很可能发生了孔壁坍塌。主要原因包括护筒埋设在沙土层、泥浆护壁不好、钻进速度过快、成孔后待灌时间过长等。处理措施：①护筒贯入黏土中0.5 m以上，并夯实桩周土。②配制优质泥浆，适当提高泥浆比重和黏度。③成孔后尽快灌注混凝土，减少待灌时间。

3.2.2 钻孔偏斜

主要原因包括桩机安装不稳、钻杆立架弯曲、地层软硬不均、地层中夹有孤石等。处理措施：①夯实场地。②控制钻杆垂直度偏差不大于1%。③在不均匀地层钻进减慢速度。④在偏斜处反复扫孔以削去硬土。

3.2.3 缩颈

在塑性土层中钻进，土吸水膨胀使孔径缩小。处理措施：①配制优质泥浆，降低泥浆失水量。②在易缩颈地层加大转速快速通过，反复扫孔扩大孔径。

4 结束语

随着旋挖灌注桩应用日益广泛，其优点已获得各领域工程的认同，然而在工程中也暴露出成孔工艺及质量控制中的一些不足，本文对这两方面的内容进行了细致的分析，希望能对相关领域的施工技术人员有所帮助。

参考文献

[1] 杨浩.旋挖成孔灌注桩的设计、施工及应用研究[D].南昌：南昌大学，2018.

[2] 刘三意.多工艺旋挖钻进技术研究[D].北京：中国地质大学，2008.

[3] 韩晓明.XR220D型旋挖钻机结构分析及优化[D].秦皇岛：燕山大学，2018.

[4] 李京屹.建筑工程大直径旋挖桩施工技术研究[D].广州：华南理工大学，2018.