钻孔灌注桩的成孔方法、施工工艺及其应用

钻孔灌注桩的成孔方

法、施工工艺及其应用

一、说明

近几年来，随着我国西部的大开发，我区的高速公路新建工程迅猛发展，桥梁钻孔灌注桩基础也越来越来。一九九九年十月至二OOO年三月本人参加了石中高速公路南段I合同段的施工，当时已临近冬季，因此，路基工程只进行了软基处理、填前碾压及两板土方的填筑工作，将工作重点放在了桥梁下部结构的施工任务上。全段起点K107+500，终点

K112+615，共有一座中桥，两座分离式立交桥，八座通道桥，均为钻孔灌注桩基础，中桥分离式立交桥桥台桩径φ120cm，桥墩桩径φ150cm，通道桥桥墩，台桩径φ120cm，共228根桩基。设计桩基长度为17m-26m。其地质情况表层为粘土层，5 m往下为细中砂层，12m以下为卵石层。

二、成孔的主要施工方法

钻孔灌注桩的关键是钻孔。钻孔的方法可归纳为三种类型：即冲击法、冲抓法与旋转法。冲击法系用冲击钻机或卷扬机带动冲锥，借助锥头自重下落产生的冲击力，反复冲击破碎土石或把土石挤入孔壁中，用泥浆浮起钻渣，用抽渣筒或空气吸泥机排出而形成钻孔。冲抓法采用冲抓锥靠自重产生冲击力，切入土层或破碎层，叶瓣抓土、弃土以形成钻孔。旋

转法系用人力或钻机，通过钻杆带动锥或钻头旋转切削土壤，用泥浆浮起排出钻渣形成钻孔。每种方法又因动力与设备功能的不同，而分为多种。我们可以根据各种钻孔方法的实用范围和特点，结合机具设备供应情况，设计和工期要求以及土层状况，来选择正确的钻孔方法。近几年在国内，成孔的方法也有好几十种，下面我就简单介绍一下在I合同段钻孔灌注桩施工中所采用的几种钻进方法。

正循环回转法

所谓正循环回转法，就是利用钻具施转切削土体钻进，泥浆泵将泥浆压进泥浆笼头，通过钻杆中心从钻头喷入钻孔内，泥浆挟带钻渣沿钻孔上升从护筒顶部排出至沉淀池，钻渣在此沉淀而泥浆流入泥浆池循环使用。其适合的土层为粘性粉砂、细、中、粗砂，含少量砂石、卵石（含量少于20%）的土、软岩等。当遇岩层时，采用牙轮钻头也可钻进。在实际施工中，K107+507.5分离式立交桥3#台，K109+839.1分离式立交桥0#台共24根钻孔灌柱桩为典型的正循环回转法牙轮三冀钻头钻进施工。其特点是钻进与排渣同时连续进行，在适用的土层中钻进速度较快，但需设置泥浆槽，沉淀池等，施工占地较大，且机具设备较复杂。钻孔时相对其它工艺钻孔工程用水量较大，从施工情况来看，采用正循环回转法牙轮钻头施工还是比较合理的，适合当时的地层情况，且工作效率较高。

反循环回转法

与正循环回转法不同的是反循环回转法是浆泥浆输入钻孔内，然后从钻头的钻杆下口吸进，通过钻杆中心排出至沉淀池内。其适合的土层为粘性土、砂类土，含少量砾石卵石（含量少于20%、粒径小于钻杆内径

3/2）的土、软岩等，当遇岩层时，采用牙轮钻头也可钻进。K108+047.8（2-8+8）m通道桥。K109+839.1分离式立交桥2#墩、3#台共34根钻孔灌注桩为典型的反循环回转法牙轮钻头施工。从施工情况来看，其钻进与排渣效率较高，但接长钻杆时装卸麻烦，钻渣容易堵塞管路，对机械有严重磨耗，这是反循环回转法的缺点。另外，因泥浆是从上向下流动，孔壁坍塌的可能性较大，为此需用较高质量的泥浆，根据地质变化与钻进速度不断调整泥浆比重，保证钻渣的悬浮和孔内护壁。施工中，专门安排了试验工不断地检查钻进的进度及时调整泥浆比重，以防发生意外。从结果来看，这种方法的特点为钻进比较快，机体较轻，便于安装运输。但因其钻进时接长钻杆装卸麻烦，影响钻进速度，且其工程用水及泥浆用量较大，经济效益一般。

冲击锥法

在I合同段中，K107+507.5分离式立交桥0#台、K108+563.3(2-

8+8)m通道桥、K110+256(6-16.0)m惠农渠中桥共74根钻孔灌注桩为典型的冲击锥法钻孔。冲击锥法适用于各类土层，在宁夏地区应用比较普遍。冲击锥法又分为实心锥与空心锥两种，实心锥适用于漂、卵石和软岩层；

空心锥（管锥）适用于其它土层。在I合同段冲击锥法施工中全部采用了实心锥。在冲击锥下冲时有些钻渣被挤入孔壁，起到加强孔壁并增加土层与桩间的侧摩阻力作用。但不能钻斜孔，钻普通土层时，进度比其它方法都慢，钻大直径孔时，需采用先钻小孔逐步扩孔的办法（分级扩孔法）。由于设计的钻孔灌柱桩孔径桥台桩为1.20m，桥墩桩为1.5m，所以普通采用二级扩孔法。先是使用1.0m和 1.3m的钻头钻进，再采用1.2m和1.5m 的钻头扩孔，这种方法虽然比正、反循环转法设备、钻架矮小、轻便，但其扩孔时较难掌握，尤其是地层状况不太好的情况下尤为明显，容易造成缩孔或孔内坍孔。所谓的缩孔就是钻孔孔径小于设计孔径，使钢筋笼无法正常下落安放，这就要求作业队无论采用何种钻进方法，在钻孔桩达到设计深度后，一定要先用验孔器进行验孔，达到要求孔径时才能进行清孔工作。有些作业队为了节省工序，而忽略了验孔器验孔工作。当出现缩孔钢筋笼无法下放时，便强行安放，结果造成井壁刮伤，使孔底沉淀厚度大大高于设计要求，钢筋笼保护层厚度不够，并且容易造成坍孔事故。如

K108+563.3通道桥0#台6#桩在施工中就出现了缩孔，作业队为了赶工期，未进行验孔器验孔，即进行了清孔工作，加上现场施工技术员责任心不强，而使钢筋笼下放几米后再也无法下落，被迫进行第二次扩孔，造成极大的返工浪费。

因冲击锥、冲抓锥或掏渣筒的吊绳松放过长，撞击孔壁或其它原因可能会引起坍孔。坍孔的迹象就是孔内水位骤然降落，并冒细密的水泡，长时间内钻进深度很小，钻机负荷显著增加，甚至锥头运输不起来，尤其在砂性土等松散地基中常易发生坍孔。如K110+256惠农渠中桥就因地质及施工不规范而多次发生孔内坍孔事故，其防止措施为，当孔口发生坍塌，致使护筒倾斜，则应及时用粘土回填，扶正护筒，严重时应挖起护筒，重新按要求埋置后再钻孔。当孔内发生坍塌，但情况不严重时，可回填至坍孔位置以上1-2m，并加大泥浆比重继续钻进；情况严重时，应将钻孔全部用砂夹粘土或小砾石夹粘土回填，经3~5天稍密实后，再重新钻孔。

另外，冲击锥法施工时还易出现的问题就是：钻孔虽未出现坍孔事故，但由于在掏渣时冲锥上下来回摆动，撞击孔壁，常常使孔内直径大于设计桩径。这样在灌注水下砼时就出现了超料现象，造成极大的经济损失。在I合同的钻孔灌注桩施工中，凡是采用冲锥法成孔的桩基均出现了不同程度的超料现象，这给施工单位带来了极大的经济损失及负面影响。

冲抓锥法

冲抓锥法是一个由三片~六片可开闭的抓土瓣所组成的重抓土斗，锥头重量一般为1.5~2.8t,冲抓锥在钻机上由带有离合器的卷扬机提升，至一定高度后放松吊绳，锥头借自重坠落。坠落时让抓土瓣合拢，即可冲土；若使抓土瓣张开插入土中，在提升时抓土瓣能自动合拢将土抓起，再

弃于孔外。此法可用于土层较密实，用旋转法效果较差时。但不能钻斜孔，钻孔深度超过20m后，其钻孔进度大为降低；当孔内遇到漂石或探头石时冲抓较困难，需改用冲击锥钻进。K107+507.5分离式立交桥0#台12#桩前期采用的就是冲抓锥法施工。当钻孔深度超过20m后，其速度大大降低，后来又遇到探石头，加之井底有钻落物无法打捞，钻孔已无法继续进行。在承包队资金困难，施工单位又组织不利的情况下，为防止坍孔而被迫撤离钻机，将钻孔重新回填砂夹粘土，经3天后重新换上冲击锥鱼尾钻头进行施工，大大影响了施工进度。当时由于工期紧，任务重，施工单位组织的钻机种类比较多，但成孔的方法基本以正、反循环回转法及冲击锥法三种为主。当然，还有其他成孔方法也逐渐开始在宁夏高等级公路上实施应用，比如人工挖孔桩在2002年中郝高速公路同心境内应用就比较普遍，而且效果相当不错，这里就不另做介绍。另外，国产及国外越来越先进的钻机类型也开始逐渐在宁夏区内推广和应用。二、钻孔灌注桩施工工艺。

三、钻孔灌注桩施工工艺

1、钻孔准备

平整场地，整修道路。根据自然地面高程，桩顶设计标高来保证钻孔各种设备、材料的摆放。搭设钻孔灌注桩工作平台应满足以下要求：

、钻孔灌注桩位于旱地时、应清除杂物，换除软土，整平夯实。

、钻孔灌注桩位于斜坡时，可用枕木、型钢反搭工作平台。

(3)、钻孔灌注桩位于浅水时，宜采用围堰筑岛法施工，且岛面须高出水位1.2-1.5米为宜，并保证工作平台牢固稳定，承受工作时动荷载与施工机械的安全进出。

2、桩位复核

根据设计图纸的测量坐标，用全站仪和经过检验的钢尺在平整夯实的工作平台上按设计桩位定出桩位中心，并用十字垂直线固定延长护桩不少于四根，护桩上钉上铁钉并用混凝土灌注保护，经监理工程师复核认可后，交钻进班组保护现场桩位。

3、护筒埋设

钻进工班根据测定的桩位中心，埋设护筒程序及满足要求如下：

（1）、留桩挖护筒：护筒采用0.5-0.8厘米厚的钢板制做，护筒内径大于桩径30-40厘米，护筒长度2-6米。

（2）、安装护筒：护筒下沉采用吊车进行，护筒就位按十字垂直线方向检查并在护筒口用漆标点，以便随时检验钻孔偏位情况。埋设好的护筒平面位置的偏差不大于5厘米，护筒垂直度的偏差不大于1%。护筒埋设长度根据地质应在2.0-6.0米范围，以保证不塌孔为宜。护筒位于旱地时顶端高度高出地面30厘米，并高出地下水位1.0-1.5米。

（3）、挖掉中心留土。

（4）、在井口5m以外开挖泥浆池和沉淀池，在护筒缺口和泥浆池之间用泥浆沟连接起来。

4、泥浆

（1）、钻孔灌注桩成孔采用泥浆护壁，材料用塑性指数大于15以上的优质红粘土、膨胀土与外加剂组成。冲击钻成孔应在孔口备足红粘土待用，旋转钻成孔应准备1座以上沉浆池，每座泥浆池内有泥浆泵，并备足粘土等待用。

（2）、对孔内泥浆或池内泥浆随时检验其比重、粘度、含砂率、失水率，根据试验结果不断及时调整孔内泥浆稠度等。

5、钻具及配套设备

无论采用何种钻孔方法，如回旋钻或冲击钻，须具备钻头两个，另外要有配套的发电机两台，强制式砼搅拌机一台，滚筒式搅拌机一台，12吨以上吊车一辆。

6、钻前准备

（1）、钻机就位前，应对钻机的各项准备工作进行检查，包括场地布置与钻机座落处的平整和加固，主要机具的检查，安装与调试，配套设备的就位及水电供应的接通等。

（2）、钻机就位时，底座和顶端应平稳，在钻进和运行过程中不应产生位移和沉陷。回旋钻机顶部的起吊滑轮线、转盘中心和桩位中心三者应在同一铅垂线上，其偏差不得大于2厘米。

7、钻进

（1）、始终保持孔内水量，以维持护筒内应有水头压力，根据地质变化与钻进速度不断调整泥浆比重，保证钻渣的悬浮和孔内护壁。

（2）、注意钻杆接头的紧固密封，防止漏水和钻杆的松脱。

（3）、钻机运转时，随时检查孔径和钻孔倾斜度，做好钻孔记录与交接班记录。

8、成孔检验与清孔

（1）、钻孔桩达到设计深度，对孔径、孔位、孔深和倾斜度进行检查验收并填写详细的终孔记录。

（2）、对检查验收合格的孔即可进行清孔，清孔方法有掏渣清孔法、抽（换）浆清孔法。掏渣清孔法适用于冲击钻孔的初步清孔，掏渣前可投入水泥1-2袋，再用钻头冲击数次，使孔内泥浆、钻渣和水泥形成混合物，然后用掏渣筒掏渣。抽（换）浆清孔法适用于循环钻孔，将相对密度较低，（1.1-1.2）的泥浆压入，把孔内的悬浮钻渣和相对密度较大的泥浆换出。清孔排渣时必须连续不断补水，始终保持孔内水头，防止塌孔事故。不得用加深孔底深度的方法代替清孔。

（3）、灌注水下砼前，孔底沉淀厚度不大于设计要求，超过时必须重新清孔。经监理工程师检查确认桩孔满足图纸设计要求即可进行浇注水下砼的准备工作。

9、水下砼的的浇注

（1）、对检查验收合格已清好的孔即可进行钢筋笼的安放焊接。在骨架上端，要根据护筒顶标高与骨架顶标高并考虑焊接的搭接长度设置吊环和固定杆并牢固定位。骨架吊装前须对骨架进行全面的检验，骨架的检验必须满足设计图纸的质量要求，骨架接头的焊接、搭接长度符合规范要求，骨架吊装用吊车进行，安放时必须保持骨架的垂直度。

（2）、导管吊装采用吊车进行，（对第一次使用的导管必须做水密性试验），导管接头密封圈安放牢固、正确，并涂满黄油保证其不漏水、透水。

（3）、第一批砼浇注按要求计算须有一定的储量，砼拌合运至浇注点时，应防止其离析结块，检查其均匀性和坍落度（坍落度不小于18cm 和不大于21cm），导管内砼必须保证无汽泡和水泡的情况下充满底部，导管在砼中埋深不小于2.0m且不大于6.0m，随时测量并记录导管的埋置深度和砼表面高度，导管每次拆除后必须将导管安放桩孔中心，防止提升导管时骨架上升与影响砼的浇注质量。

（４）、钻孔桩水下混凝土浇注应连续进行，并配备浇注混凝土时所用全部电量的发电设备，配备混凝土运输设备及其它相应设备待用，防止因停电或其它设备事故使浇注中断时间过长造成混凝土浇注质量事故。每桩砼浇注完成后，桩顶砼标高必须高出设计桩顶的50-100cm以上，其高度可于砼强度达到5Mpa以后凿除一部分，但须保留不少于高出桩顶10cm 以上，以保证桩顶砼质量，钻孔桩施工完成后即可填写成质检验收报告。

（5）、钻孔灌注桩水下混凝土配制中的水泥用量、含砂率、水灰比、坍落度均满足设计图纸要求或桥梁施工规范规定的要求。混凝土的含砂率宜采用40%-50%，水灰比采用0.5-0.6，坍落度为18-20cm。

（6）、灌注首批砼时，应注意下列事项：a、导管下口至孔底的距离一般宜为25-40cm。b、导管埋入砼中的深度不得小于1米。

（7）、灌注砼途中发生下列故障时，在可能的条件下及时进行处理：a、首批砼灌注后导管进水时，应将已灌注的砼吸出，重新进行灌注。b、在砼面处于井孔水面以下不很深的情况下导管进水时，可采用底塞隔水的方法，并外加一定压力重新插入导管，恢复灌注。

（8）、处于地面及桩顶以下的护筒，应在灌注砼完后立即拔出；处于地面以上的护筒，待砼抗压强度达到5Mpa后方可拔出。

四、钻孔施工中的注意事项

１．钻孔是施工中的一道重要工序，是高质量、高速度的关键。用旋转锥钻孔，初钻时应用卷扬机吊住钻具，控制钻进速度，并经常检查钻具是否垂直。在施工中的钻进速度还应按地质情况加以控制，防止钻机负荷超载、钻杆摆动、钻孔偏斜及卡钻等情况发生。例如用反循环旋转锥钻孔时，若为粘土层，应中速钻进，泥浆宜稀；对孔壁易坍塌的砂性土和软土，应低速钻进，泥浆比重应大些；对粉砂土层，更应注意控制钻进速度，以防坍孔；如遇亚粘土并夹有卵石、砾石时，可能会出现钻杆跳动、大摇摆和偏移的况象，故宜低速慢进。

用冲抓锥或冲击锥钻进，开始时进度不宜太快，应当用小冲程，一般提锥高度为0.4-0.6m，每分钟冲击20-25次，防止锥头撞击护筒，进钻到一定深度后，孔壁起导向作用，起、落钻锥速度要均匀。一般用中冲程（提锥高2~3m）,但在砂土层中冲抓时，宜用0.5~1.0 m的较小冲程。如钻机良好，土层坚硬，可用4~5 m的较大冲程，以便把卵石、岩石击碎。当钻到接近孔底标高时，要特别谨慎小心，防止发生坍孔意外事故。

２．注意钻杆接头的紧固密封，防止漏水和钻杆的松脱。

３．钻机运转时，根据地质变化与钻进速度，适当调整钻杆压力与锥头补焊，随时检查孔径和钻孔倾斜度，做好钻孔记录与交接班记录。

４．在整个钻孔过程中，根据钻孔方法、地质变化与钻进速度不断调整泥浆比重（各项泥浆性能指标见下表），以保持钻渣的悬浮和孔内护壁。始终保持孔内水位高于孔外1.0-1.5m，以保持护筒内应有水头压力。

泥浆性能指标

５．当钻到设计标高时，一般要再下钻0.1-0.3m，经现场检查确认孔底土质已符合设计要求，应立即进行下一遍工序－清孔。清孔的目的是把沉淀在孔底的钻渣和泥浆尽量清除掉，以免影响混凝土的质量和桩的承载力。清孔排渣时必须连续不断补水，始终保持孔内水头，防止塌孔事故。不得用加深孔底深度的方法代替清孔。