钻孔灌注桩施工技术及质量控制措施

摘 要：本文着重介绍了钻孔灌注桩在各类土木工程中广泛应用，具有抗震性好、承载力大、施工噪音小、可以解决特殊地基沉载力等诸多优点。目前在国内地基基础工程领域中钻孔灌注桩基础已占据了重要地位，但灌注桩地下施工不可预计因素多，施工工艺比较繁琐，工程质量较难控制；桩基施工既有机械操作，又有钢筋加工、混凝土拌制和灌注等多种工作，工序种类繁多，影响因素多，水下混凝土施工要求严格，稍有不慎，就可能出现孔底沉泥、缩颈、夹渣、断桩等质量事故，因此，施工中从测量放样开始，每道工序、每个环节都必须严格监管。 　
要确保钻孔灌注桩施工质量，首先要有一套完善的施工技术和措施来保证，编制详细且符合施工现场实际，具有针对性的施工组织设计；其次是有一支丰富经验和过硬技术的施工管理团队，加强过程质量验收和控制，采取有效措施，严把施工质量。
由于钻孔灌注桩施工的隐蔽性和不可预见性，施工工艺复杂，质量较难控制，文章以中国杭州人寿大厦桩基工程为实例，结合钻孔灌注桩采用的正、反循环施工工艺和技术措施特点，详细分析和论述了施工工艺技术及质量控制要点。

关键词： 钻孔灌注桩  施工工艺  技术措施  质量控制

一、前 言

现在钻孔灌注桩在工程被普便使用，特别是在高层建筑的基础施工中，因其在同等地质条件下，可通过加大桩端的接触面，大幅提高桩的承载力，相应地可大幅减少工作量，降低工程成本而被逐步推广应用。而在施工过程中要确保钻孔灌注桩的施工质量，首先要有一套完善的施工技术和措施，本文就结合中国杭州人寿大厦桩基工程为实例，采用钻孔灌注桩施工中的有关实际应用进行详细分析和论述。

二、正、反循环回转钻进施工工艺

（一）正循环回转钻进施工工艺技术措施
GPS-10型钻机施工主要采用“自打自灌”的方式进行，即由该设备完成从成孔、清孔、下钢筋笼、下导管、灌注成桩和设备移位等全面工作。
1、设备参数
（1） GPS-10型正循环回转钻机
1）底座通孔直径1米
2）钻孔深度（米）：100
3）钻盘最大扭矩（千牛.米）：8
4）转盘转速（转/分）：正反44、77、139
5）主卷扬机单绳提升能力（千牛）：30
6) 副卷扬机单绳提升能力（千牛）：20
7）钻塔额定负荷（千牛）：180
8）钻塔高度（米）：9
9）钻机功率（千瓦）：37
10）主机外形（工作状态）（米）：5*2.93*10.3
11）主机重量（吨）：6.47
12）行走方式：走管式
（2） 施工工艺流程

图1 正循环钻孔灌注桩施工流程图
测量定位：测量定位选用高精度的全站仪和钢卷尺，工程测量基准点用混凝土浇筑固定，并安装防护标志，防止重车辗压和重物碰撞而产生的移位，基准方位安设在视线范围内的不产生变形物上，或设点加以混凝土保护。
在测定桩位前，先复校建筑物基点，闭合测量。搞清基点与红线关系，符合误差允许要求后，再测定桩位。
测定桩位分三次，第一次测量主要根据钻孔桩的特点放出基准桩位轴线和桩孔位置；第二次在埋放护筒时测量一次，确保护筒中心与桩位偏差不大于50mm，并做好桩位标志，然后用水准仪测量护筒标高，做好测量记录；第三次测量，在钻机就位前进行，并检查钻机是否对准桩心标记。
埋设护筒：护筒作用为保护孔口，隔离上部杂填松散物，是防止孔口塌陷的必要措施，也是控制定位，标高控制的基准点。因此，每根桩施工前必须埋设护筒。护筒选用大于桩径10cm的钢制护筒，埋入深度以满足隔离杂填土，防止孔口塌陷为准，护筒外周间隙用粘土回填并捣实，以确保护筒稳定牢靠。
钻机就位：钻机就位时，转盘中心对准桩位中心标志，偏差应小于10mm，用水平尺检查转盘水平度，并做到天车中心、转盘中心与桩位中心（三心）成一垂线。
成孔：本工程成孔采用正循环钻进施工工艺，钻头均选用三翼条形刮刀钻头（工程桩施工采用“超前式”筒式钻头），机上钻杆安装导向钢丝绳，减轻机上钻杆在回转时的幌动，并在钻头上部约1.5米处设扶正器，以增加钻头在孔底回转时稳定性，使钻进平稳，孔壁完整，钻孔垂直。
正循环钻进参数控制范围如下:钻压6-15kN，转速47-108r/min，泵量75m3/h。
施工中应根据地层情况，合理选择钻进参数，一般开孔宜轻压慢转，正常钻进时钻进速度控制在6m/h以内，临近终孔前放慢钻进速度以便及时排出钻屑，减少孔内沉渣。
护壁：钻孔形成时，由于受地层覆盖土压力的作用，使自由面产生变形，泥浆使用得当可以抑制变形的产生。根据本工程地质岩土物理性能，选用原地层自然造浆，局部加膨胀土调浆施工，以改善泥浆物理性能，确保护壁质量。
泥浆：根据本工程的地质情况，泥浆使用的基本原则为孔内自造浆加人造泥浆施工，选用不同的泥浆性能参数，来平衡地层的侧压力，以抑制孔壁的缩颈、坍塌。
泥浆性能参数指标控制范围如下：漏斗粘度：18～20s、泥浆比重：1.15～1.30、含砂率： 4～8％。
持力层的确定：施工时应结合设计孔深要求对照工程地质报告和上返岩样及进尺速度等确定入持力层的深度，并按设计要求确定终孔深度（抗拔桩以桩长控制，抗压桩进行(14)2≥7米）。
清孔：是钻孔灌注桩施工重要的一道工序，清孔质量的好坏直接影响水下砼灌注施工、桩身质量与承载力的大小。在钻进将至终孔深度时，减缓钻进速度，使土层颗粒充分水化分散，为清孔的顺利进行，作好必要的前期准备。第一次清孔利用成孔结束时不提钻慢转清孔，调制性能好的泥浆替换孔内稠泥浆与钻屑，时间一般控制在30分钟左右。第二次清孔是在下好钢筋笼和导管后进行，利用导管内通孔输送大泵量泥浆清孔，清孔时，经常上下窜动导管，以便能将孔底周围虚土清除干净。每次清孔后沉渣均达到设计要求，并在第二次清孔后立即灌入第一斗混凝土。

（二）反循环回转钻进施工工艺
本工程承压桩拟采用反循环施工工艺，施工设备采用GPS-20型钻机，采用大泵量泵吸反循环钻进，钻机施工主要采用“自打自灌”的方式进行，即由该设备完成从成孔、清孔、下钢筋笼、下导管、灌注成桩和设备移位等全面工作。其施工工艺过程基本和正循环成孔工艺相同。
1、设备参数
（1）GPS-20型工程钻机
1）钻孔直径 (mm)：2000
2）钻进深度 (m)：80
3）转盘扭矩 (kn.m)：30
4）转盘转速（正转和反转） (r/min)： 8.14.18.26.32.56
5）功率 (kw)：30
6）砂石泵配套及功率 (kw)：8BS砂石泵（55）
7）钻塔有效高度(m)：8.5-10.5
8）钻机功率 (kw)：37
9）主机外形尺寸（长×宽×高）：工作状态(mm) 5670×2400×9350 运输状态 (mm) 9800×2400×2520
10）主机重量（吨）：13
11）行走方式：轨道式
2、 施工工艺流程
（1）测量定位
同正循环施工。
（2）埋挖护筒
采用泵吸反循环回转钻进施工方法，对孔口保护及护筒的埋设要求较高，一般要求埋设深度为2米，护筒必须有足够的强度和刚度，保证施工中不会发生变形。
（3）钻机就位
基本同上控制措施；GPS-20型采用轨道上行走或者采用吊车直接就位，钻头采用三翼刮刀钻头。
（4）反循环泥浆池布置
反循环施工时，其泥浆循环系统与正循环施工工艺不同，泥浆必须在施工现场形成自然回流，不足部分才采用泥浆泵孔口补充；具体如图2所示。

图2 反循环泥浆系统图
（5）反循环施工
GPS-20型钻机反循环参数控制：扭矩30 KN·m，转速 32-56 r/min，砂石泵排量360m3/h。
GPS-20型钻机采取反循环钻机施工工艺，在0～4m段应采用正循环钻进倒方式，然后再转入反循环的施工。
开钻时，为防止堵塞钻头的吸渣口，将钻头提高距孔底约20～30cm， 将真空泵加足清水(为便于真空启动，不得用脏水)，关紧出水控制阀和沉淀室放水阀使管路封闭， 打开真空管路阀门使气水畅通，然后启动真空泵，抽出管路内的气体，产生负压，把水引至泥石泵， 通过沉淀室的观察窗，看到充满水时关闭真空泵，立即启动泥石泵。当泥石泵出口真空压力达到0.2Pa时，打开出水控制阀，把管路中的泥水混合物排到沉淀地，形成正循环后，启动钻机慢速开始钻进。在护筒内钻进时，GPS-20型钻机应维持在低转速8～14转以下钻进，使进尺速率保持在0.8～1.2m/h之间，特别是在开孔钻进时控制在0.8m/h以下；在钻头出护筒至地层钻进时，在保证悬吊钻进的前提下保证孔底有最大的钻压；反循环施工钻进时，一定要防止钻具产生较大的晃动，以免扩孔或者孔壁坍塌，同时根据孔内泥浆性能的变化不断进行补浆调整。
当一节钻杆钻完时，先停止转盘转动，并使反循环系统持续工作至孔底沉渣基本排净(约需1～3 分钟)，然后关闭泥石泵，接长钻杆；在接头法兰盘之间垫3～5mm厚的橡皮圈，并拧紧螺栓，以防漏 气、漏水；然后继续钻进。
（6）反循环施工泥浆参数调整
在反循环钻进过程中，泥浆比重控制在1.10-1.25，使泥浆具有一定的液柱压力，以达到平衡孔壁外围地层压力，稳定孔壁，满足反循环施工工艺的要求，粘度控制在20～25秒，以满足钻进护壁和二次清孔的 要求；PH值维持在8～9左右，使泥浆处于碱性状态，提高粘土的分散度。泥浆性能指标选择，如表1所示。

泥浆使用的基本原则为孔内自造浆和结合人工造浆施工，同时针对反循环钻机施工和复杂地层的施工，采用膨胀土造浆配以化学浆液调节性能，具体实施如下：
1）泥浆配方
①水。
②膨润土粉或粘土：水重量的7％。
③纯碱：膨润土粉或粘土重量的5％。
④Na-CMC：泥浆重量的0.1-0.2%。
2）配制泥浆
①将CMC配成浓度为2～3％的Na-CMC水溶液备用。
②搅拌筒内先加规定数量的1／2的水，开动搅拌机再继续加水至规定数量的同时，加入纯碱和膨润土粉，再搅拌数分钟，然后加入Na-CMC溶液，继续搅拌数分钟，过筛倒入泥浆池中。
③配制的泥浆静置24小时后才能使用。
3）泥浆性能
比重1.05～1.10%，粘度18～20s，含砂量≤4％，胶体率大于95％。
4）泥浆性能调整
①开孔，比重1.2～1.3，粘度20～25s，含砂量小于5％，胶体率大于95％。
②砂质粉土、粘质粉土，比重1.10～1.15，粘度20～22s，含砂量小于5％。
（7）采用反循环应注意的几个问题
1）采用GPS-20型反循环施工,应密切注意孔口护筒的埋深和孔口泥浆液面的变化,如不能及时补充孔口泥浆,易造成孔口液面下降至护筒以下,造成对孔壁的冲刷,引起钻孔坍塌,造成埋钻或者充盈系数偏大等质量事故.
2）采用反循环施工，在启动反循环工艺前，应采用正循环施工方法先补浆，然后启动反循环泵，以防不能实现真空抽吸，从而影响正常施工。
3）应密切注意反循环泥浆管、钻杆和反循环的密封情况，及时更换易损坏的止水片、水泵叶片等机械配件，确保正常有效施工。
4）应注意泥浆的补充和配比，及时补浆，以防泥浆过厚，影响泵吸反循环的功效。
5）应对施工钻杆、钻头经常性检查，以防钻具脱落掉在孔内不能施工而造成废桩的出现。
（8）清孔
清孔分二次进行，一般采用反循环成孔施工的钻孔桩孔底沉渣较小，一般情况下免去第一次清孔；二次清孔在下完钢筋笼和混凝土灌注导管后进行，利用导管通孔进行清孔。第二次清孔将采用泵吸反循环清孔工艺，清孔时，经常上下窜动导管，以便能将孔底周围虚土清除干净。在清孔后沉渣均达到50mm之内，并在第二次清孔后立即灌入第一斗混凝土。

三、水下砼灌注施工工艺措施

本工程钻孔灌注桩灌注水下混凝土主要采用“自打自灌”方法进行施工，即利用钻机自身下钢筋笼、下导管和灌注水下砼。

（一）钢筋笼制作
1、钢筋选用具有质量保证书、并通过抽样复检合格的钢筋
钢筋笼由专职钢筋工和持证电焊工上岗制作，并对钢筋搭焊质量抽样送检，抽样数量为每300个焊接接头做一组试验。钢筋笼在预制模中点焊成型，做到成型主筋直、误差小、箍筋圆、直观效果好。钢筋笼的制作偏差范围如表2：

2、钢筋笼保护措施
为了保证钢筋笼主筋不产生露筋现象，工程采用4Φ100×50砼块在钢筋笼上设置，每3米一组，对称设置，详见图3钢筋笼保护措施图。
3、水下砼灌注
1）浇注前准备工作
①根据设计砼强度要求供应商做好砼级配测试报告。
②满足砼级配要求原料：水泥、砂、石子，严格按级配要求和规范要求进行验收，一定要复检合格方可使用。各种材料按级配配料，要求砼搅拌工严格控制好搅拌时间及坍落度，并制作试块进行28天后测试。

图3 钢筋笼保护措施图