砂卵石地层钻孔灌注桩成孔施工工艺概述

砂卵石地层钻孔灌注桩成孔施工工艺概述

董攀

中国水利水电第三工程局有限公司陕西西安710000

摘要：本文就较厚砂卵石地层钻孔灌注桩成孔时碰到的塌孔、缩孔、钻机移位、地下水透析等施工难点问题进行解析，主要通过顶部换填红粘土固化土体、加长钢护筒、改良并加大泥浆比重、合理选用钻进器具并分层钻进的措施来改善施工工艺，有力的促进了在建工程进度，保障了工程质量，降低了工程成本。

关键词：砂卵石地层；钻孔灌注桩；成孔；施工工艺；

一、工程概况及地层特征

北拒马河暗渠防护加固工程北支防冲护砌透水防冲墙（地下连续钻孔灌注桩）总长276m，单桩设计直径1.5m，桩中心间距为2.0m，桩边净距为0.5m，桩顶标高54.0m，桩底标高31.0m，设计桩长为23m，混凝土强度等级为C30W6F150，数量138根；钢筋笼主筋采用HRB400EФ36，钢筋笼总重10.975t。

北支防冲护砌处于有丰富的松散砂卵石的北拒马河北支河道干枯河床上，原地面高程约为64~65m，覆盖层表层为第四系全新统上部冲积卵石层，厚3.0~5.0m，向下为第四系全新统下部冲洪积层卵石层，岩性为厚层卵石，阶地上地表为薄层壤土、砂壤土，上部壤土厚0.5~2.0m，下部卵石厚度较大，约至标高33.0处，具明显的双层结构。另下游不足100m处盗采砂石坑长约400m，宽300m，因北京房山“7.21”特大暴雨及洪涝灾害，施工时坑内水面高程为47.6m，水深约33m，地下水源丰富。

图2：松散的表层土体

图3：下部出现孤石后导致孔口坍塌

2.2施工措施

针对以上施工困难，结合现场实际情况研究决定，经成功试桩后，主要采用以下施工措施：

1、采用顶部换填红粘土固化土体和加长钢护筒的方法防止护筒周边的坍塌、钻机偏移和缩孔情况；

2、加大泥浆比重并在内加入纯碱等（玻璃胶和普通硅酸盐水泥）改良泥浆的方法在孔内形成不透水混合泥皮薄膜，阻止泥浆大批量渗入周围土体中，并借用泥浆的静水压力阻止地下水渗入孔内与泥浆混合，从而达到促进孔壁稳定性的作用；

3、对在钻进过程中碰到的孤石、超大粒径卵石和基岩的情况，合理选用钻进器具（斗齿直形螺钻斗、锥形螺旋钻头、双层底的旋挖钻斗、截齿筒式取心钻头、牙轮筒式取心钻头等），并采用分级钻进的方法进行钻进。

三、施工工艺和方法

4.1施工程序

考虑到本项目地层、工期的特殊性，并根据北支防冲护砌防冲墙直线布设的形式特点，施工决定采用多方向直线延伸方式进行，采用逐区、逐段施工，为后续施工创造有利条件。施工程序见下表：

4.2施工操作要点

4.2.1场地平整、换填

平整：桩基钻孔前将范围内场地整平，清除杂物。场地的大小要满足钻机的放置、泥浆循环系统及混凝土运输车等协调工作的要求。

换填：根据防冲墙轴线位置，确定防冲墙顶部换填范围，挖设基坑，基坑范围尺寸及换填深度应根据桩径、钻机底座平面尺寸和周边地层松散情况确定。

换填材料采用红粘土混合5~20mm碎石或砾石，回填到地表并压实，以便于发挥固化上部松散地层的作用，从而有效遏制因地基不稳产生钻机倾斜、孔斜偏大、桩偏心等问题的不良影响。（红粘土含水率为10％左右，孔隙比为0.5～0.7，干容重为16～17kN/m3，塑性指数为11～16，和黄土相比，红粘土没有湿陷性，且压实后水稳性较好、强度较高，较适宜于固化地层）

为了达到良好换填效果，避免钻孔过程中孔口部位出现塌孔现象，提高成孔率，施工时应注意以下几个方面：

1、换填范围：根据灌注桩桩位布置及钻机底座平面尺寸，确定换填范围（本项目经考虑研究后确定，换填宽度为3m，换填长度为沿防冲墙轴线通长换填）。

2、换填深度：根据钻机钻进过程中的冲击力及钻机自重等因素，换填深度宜为3~5m，且为防止扰动地基，基坑底部高程往上约20~30cm采用人工清理。并在换填完成后、开始钻进前，将换填部位顶面压实，防止沉陷。

图4：灌注桩施工工艺流程

图5：表层施工范围内土体置换

4.2.2护筒埋设

根据本工程地层及设计情况，项目部选用整体式钢护筒，壁厚10mm，直径1.6米，长度为6米4个，8米2个，10米1个。

此外为增加刚度防止变形，在护筒上、下端口外侧各焊一道加劲肋。施工中，护筒的埋设采用吊车配合振动桩锤，并结合旋挖钻机静压来完成。

首先使用旋挖钻机对中孔位中心钻入土体约1.5m，成孔直径比桩径略大5~10cm，然后利用55T履带吊配合振动锤将钢护筒吊放到位,再使用旋挖钻杆配合施工人员调整护筒平面位置及垂直度，检测合格后开始锤击埋设护筒，当护筒顶部与地面距离约1m时，停止锤击，使用旋挖钻机静压来完成护筒埋设。埋设完成后，护筒四周用红粘土回填夯实，准备开始钻进施工。

4.2.3泥浆制备及护壁

泥浆具有稳定护壁的作用，在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，起到凝胶作用，阻止泥浆渗透至周围土体中或地下水侵入孔体内与泥浆混合；并对地下水产生超压力，起到稳定平衡作用。

本工程选用膨润土和纯碱（必要时合理加入少量玻璃胶和普通硅酸盐水泥）制备泥浆并结合抛填红粘土的方法进行护壁。

膨润土具有密度低、粘度大、含砂量和失水量少、固壁能力强、稳定性强、钻具回旋阻力小、造浆能力大等特点；为提高膨润土的造浆率，除去其中的钙离子，增加钠离子含量，使土粒子水化作用增强，膨润土分散更细，故在其中加入适量的纯碱，使得泥浆粘度增大，流失量降低，防止塌孔。

在钻进过程中，泥浆数量有耗损，密度和粘度以及PH值等各项指标也相应的发生变化，需及时补充、调整泥浆的各项指标。另在钻进过程中，如果泥浆流失速度过快，应及时抛填适量塑性红粘土维护孔壁，封堵地下泥浆流失孔洞。

根据上述配合比，泥浆应达到的性能指标如表1-2。

为更好的防止塌孔现象，增大泥浆粘度，降低流失量，泥浆制备过程中应注意一下几点：

1、配置泥浆用膨润土，选用优质钠基膨润土，其造浆率应不低于10m3。

2、泥浆内加入纯碱的过程中，如果随着纯碱加入，流失量反而增大，这说明纯碱加入过量，应适量减少纯碱加入量。（另在有些地层或粘土中只加入纯碱还不能达到理想的效果，需要再配合加入一些烧碱，其作用是把粘土中的氢质土转化为钠质土）

3、储浆池内泥浆应经常搅动，保持指标均一，避免沉淀或离析。

4、配置好的泥浆需存放24小时以上（非静置），使膨润土充分水化后方可使用。

5、在施工过程中，每班检验泥浆性能频度确保不少于二次。各项指标须符合设计的泥浆质量标准。

4.2.4钻进施工

钻孔是一道关键工序，在施工过程中必须严格按照操作规程及技术要求操作，才能保证成孔质量。首先要注意钻机就位时对中中线和垂直度，并埋置好护筒，其次要在施工过程中注意不断添加或调整泥浆进行护壁，另外还要随时检查成孔是否有偏斜现象。最重要的是在钻入护筒下地层遇见较大孤石时，应合理抛填塑性红粘土后，选用筒式钻头夯实后，换用锥形螺旋钻头将露出的孤石挤入周边土体内后正常钻进，在进入基岩层时，应减缓钻进速度，并合理选用钻进器具，切记在砂卵石地层钻进时，振动过大，影响下部地层稳定性。

另在施工过程中，一旦发现孔口有塌孔现象，应及时采取措施填堵，并加长护筒或更换大长度护筒。这大多是由于红粘土换填层下部砂卵石地层浸水后的不稳定性造成的。所以在钻孔过程中要勤检查护筒稳定情况（是否发生偏移和下沉等），发现问题及时研究，及时处理，防止发生次灾害和连锁反应。其次在施工过程中钻孔的顺序也应事先规划好，既要保证下一根桩的钻进不影响上一根桩的施工，又使钻机移动的距离不会过远或相互干扰。

4.2.5钢筋笼下放及混凝土灌注

在钻孔结束、清孔完毕后应及时下放钢筋笼，进行混凝土浇筑施工，混凝土浇筑施工时，首先要对浇筑时使用的混凝土导管进行气密性试验，并在单桩首罐混凝土浇筑时使用较大漏斗、投放隔离塞，保证桩身质量。

五、施工工艺评述

北支防冲护砌在试桩过程中第一根桩采用旋挖钻持续5天却仍未钻进至设计高程，在这过程中我们大胆尝试了多种施工工法，但还是无法避免孔壁塌陷5次，钻机纠偏频繁，孔口塌陷9次，护筒掉落1次的悲惨结局。

图7：旋挖钻机配备的钻进设施

而后，我部联合多家单位及人员充分分析原因，确定依据此工艺进行施工，终于克服了孔壁大面积坍塌，钻机频繁纠偏，孔口坍塌，护筒掉落的施工难题，并历时40天完成了北支防冲护砌138根灌注桩的施工任务，日均成桩达3.45根。经质量检测公司对桩的完整性检测，结果均为Ⅰ类桩，满足设计及规范要求。

参考文献

[1]《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）.

[2]《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10415-2003）.

[3]《公路桥涵施工技术规范》（JGJ041-2000）.

[4]《公路桥涵施工技术规范实施手册》（刘吉士人民交通出版社2002）.