超大直径扩底钻孔灌注桩施工技术

□文/王稹筠 裴鸿斌

1 工程概况

于家堡站交通枢纽市政配套公用工程土建施工第三标段包括部分Z1线、B2线、社会车停车场、公交中心和地下商业开发空间，占地面积26 780 m2，总建筑面积54 167m2。B2线与社会车停车场地下2层，深16.5 m；Z1线地下3层，深31.5 m；公交中心位于地面；地下商业开发空间地下1层，深10.5 m。框架剪力墙结构，明挖、盖挖相结合的施工工艺。钻孔灌注桩设计有效桩长最长40 m，上部空钻30 m。

地质条件见表1。

2 施工难点

1）单桩承载力大，桩直径为2 200mm，底部扩大为3 200mm，扩大部位的几何尺寸偏差不宜＞20mm；大深度，钻孔深度最深达70 m。

2）地质条件差，上部淤泥质粘土层、粉土层较厚，钻孔灌注桩施工极易造成缩径，大直径扩底钻孔灌注桩施工难度大。

3）基坑开挖深度大，钻孔桩上部空钻最大达30 m以上，为保证基坑底部桩中心尺寸的准确，必须保证桩的垂直度偏差≤1/300，全部基桩的桩底沉渣厚度≯100mm。

4）灌注桩钢筋笼主筋直径大、数量多，采用孔口对接时间长，宜采用受力段全笼吊装与上部简易笼对接的施工措施，全笼吊装长度最长达47.5 m，吊装作业难度大。

3 成孔工艺选择

该地区覆盖层为3 m厚人工杂填土，上部约17 m为淤泥质土、下部60 m为粉砂层。按常规成孔方式施工势必造成工期延长且易发生孔口坍塌、弯孔及掉钻头等事故，甚至造成工程无法进展。针对这种复杂情况，采用埋设护筒穿过人工杂填土层，先用旋挖钻机进行等直径孔成孔，再用专用扩底机械扩底，成功地解决了桩基成孔、扩底难题。

工艺原理为先埋护筒穿过人工杂填土层，保证上部土方不坍塌，用旋挖钻机将等直径桩（成孔）钻到设计深度后，再更换全液压扩底快换魔力铲斗分别下降到桩的顶端、底端，由全液压扩底快换魔力铲斗打开扩大翼进行全液压切削挖掘作业，扩底时使桩底端保持水平扩大。此时按设计要求预先输入扩底数据和形状进行操作。桩底端的深度及扩底部位的形状、尺寸等数据和图像通过检测装置显示在操作室内的监控器上，对施工全过程进行监控，保证施工质量。

4 操作要点

4.1 放桩位线和桩机定位

1）根据桩位坐标数据放出桩位中心，做好保护及复核。

2）桩位中心点处用红漆做出三角标志。

3）桩位放好后及时处理保护，打好十字控制桩并做好保护措施，见图2。

图2 桩位十字线引桩平面

4）钻机定位时，为保证扩底旋挖钻机的稳定性，改善施工作业场地的地质条件，采用25 cm厚钢筋混凝土硬化地面，无硬化地面的，可在钻机履带下垫8 m×2.2 m×30mm钢板2块，增加钻机履带与地面的接触面积，防止施工中土体不均匀沉降而造成钻机不稳。

5）在钻机履带下垫100～150mm厚木垫块塞住履带，防止施工中钻机移动。

6）利用钻机水平装置，调整钻机水平度，保证钻机钻杆的垂直。

7）桩位定位后拉引桩十字线，将钻杆中心与桩位十字线中心对齐，偏差≯20mm。

8）在埋设护筒前，根据钻机自身的垂直仪调整钻杆的垂直度后，再用经纬仪复测钻杆垂直度，保证倾斜度在1/300范围内。

9）钻机在完成定位、水平度和垂直度调整后，对水平度、垂直度、中心位置进行锁定，使桩机达到最佳状态，从而有效地保证成孔质量。

4.2 钢护筒埋设

1）钻机就位后，先钻一个比护筒直径略大的孔，深度比护筒浅50 cm，然后将护筒吊放入孔内采用旋挖钻机将其压入并根据十字线，控制护筒中心位置。

2）护筒采用16～20mm钢板制作，上部做1～2个溢浆孔，埋置深度可根据地表土质特征进行选定，护筒埋置深度≮2.5 m，以达到稳定孔口土体的目的，护筒直径应比桩直径大200mm。

3）埋设护筒顶应比原始地面高出200mm，以达到控制地面渣土及浆液流入孔内目的。

4）埋设护筒后，根据十字引桩复核护筒中心，其中心线与桩位中心线偏差不得＞20mm且护筒与周围垂直，护筒周围应采用粘土夯实。

4.3 钻机等径部分成孔

1）护筒埋设完毕后，用泥浆泵向孔内注入泥浆，以钻杆、钻斗自重并利用液压加压旋转筒式钻头作为钻进压力进行原始土挖掘，当钻斗内装满土后，将钻斗提升，旋转钻机打开钻头斗门卸土到翻斗车上或卸土区内，关闭门将钻头旋转至钻进位置并将机体旋转体的上部锁定住，再下降钻头，反复循环钻至设计深度，边钻进边加注泥浆。

2）钻进中根据不同地质条件合理调整钻进速度，一般最快不超过10 m/h，松散地层控制在3 m/h，严格控制泥浆的质量，及时向孔内注入泥浆使孔内水位高出钢护筒底部2 m以上。

3）钻孔过程中，经常检查钻机本体内的垂直仪或用经纬仪双向随时检测钻机钻杆的垂直度，当钻孔有倾斜时，可往复进行扫孔修正，直至垂直度符合要求。

4）轻度塌孔应加大泥浆密度和提高水位；严重塌孔应用回填粘土，待一定时间后采用低速钻进。

5）钻孔时经常检查泥浆的性能，当各项指标超过上下限时，应及时调整。

6）发生漏浆可适当加稠泥浆或倒入澎润土、粘土，慢速钻动；护筒周围及底部接缝用土回填密实，适当控制孔内水头高度，不要使压力过大。

7）等径部分成孔达到设计标高后，旋挖钻机更换扩底魔力铲斗进行扩底成孔作业。

4.4 扩底成孔作业

旋挖钻机更换扩底魔力铲斗进行扩底成孔作业，本工程扩底钻孔灌注桩为φ2 200mm扩至3 200mm。扩底施工时，先在电脑上设定扩底参数，在电脑自动管理中心的指挥下进行扩底施工，通过影像监视系统及时监测扩孔情况，确保扩底成孔质量；回转扩底魔力铲斗在进行旋转中，铲斗的倒排镶嵌钛合金，被平均分成2份或4份进行砂砾的切削挖掘，实施水平扩孔作业，扩孔作业产生的砂砾被铲斗所容纳，收回铲斗将砂砾带出地面。

4.5 成孔护壁泥浆

1）旋挖扩底钻孔灌注桩护壁采用人造泥浆，考虑本工程地质条件较差，泥浆密度应控制在1.35 kg/m3以内并有以下性能。

（1）由膨润土、水、CMC为主要材料，可使碎屑的沉降缓慢，清孔容易。

（2）使孔壁表面在钻孔开始、完成，钢筋笼下放到混凝土灌注完成时保持长时间稳定。

（3）具有与混凝土相混合的特性，利用亲液胶体性质，能够被混凝土代替而排出。

（4）人造泥浆灌入孔中，在成孔过程中渗入土层中，能够增加地基的强度，防止地下水流入孔内。

（5）由于扩底旋挖钻机是原始土挖掘钻进，然后灌入泥浆，属静态泥浆，通过浇注混凝土将孔内的泥浆排出，经过泥浆旋流净化除砂装置，使泥浆中分离砂砾后能重复使用。

2）泥浆配制采用膨润土、CMC（纤维素）、烧碱、水按一定比例配制而成，一般配合比为水∶膨润土∶CMC（纤维素）=1 000∶110∶1，烧碱根据调配后的泥浆酸碱性掺入，一般pH值控制在7～9之间。增加泥浆密度时可在泥浆中加入适量的粘土或重晶石。

3）配制泥浆的主要技术指标见表2。

表2 泥浆主要技术指标

4.6 扩底钻头进行一次清孔

清孔时将扩底魔力铲斗放至孔底，通过铲斗旋转钻进渣土达到清孔目的。

4.7 钢筋笼吊放

1）采用双机抬吊，分5～6个吊点，以150 t履带吊为主吊，主吊点位置在上端2.5 m处，50 t抬吊，抬点位于下端3个点。

2）钢筋笼分2节吊放，上部孔钻段简易钢筋笼与下部钢筋笼焊接连接。

4.8 安装导管和二次清孔

1）安装导管

（1）安装钢筋笼完成后，应尽快安装导管并严格控制孔底沉渣。

（2）采用φ300mm导管，使用前须经过压水试验，试水压力为0.6～1.0 MPa，导管接头用螺纹连接方式并加“o”型密封圈，各接头必须扭紧严防漏气、漏水，用完后要清洗干净，丝扣要上油。

（3）吊放导管应位置居中，稳步沉放，防止卡挂钢筋笼，导管底距孔底300～500mm。

2）气举反循环清孔

气举反循环清孔适用于第二次清孔；气举反循环清孔的主要设备机具包括空气压缩机、出水管、送气管、混合喷射器等，见图3。设备机具规格一般应根据孔深、孔径等合理选择。出水管可利用灌注混凝土导管。

图3 气举反循环

4.9 灌注混凝土

清孔结束后必须在30 min内灌注混凝土，否则必须重新清孔；水下强度等级为采用C50的混凝土，加外加剂，考虑上部插入钢管柱的工艺要求，混凝土的初凝时间控制在36～40 h，单桩浇筑混凝土时间应控制在4 h内；混凝土初灌量不应小于计算初灌方量，必须连续灌入，严禁将导管拔出，严格检查坍落度及和易性，坍落度一般控制在18～22 cm；灌注时，提升导管要慢并平稳提升，严防碰撞钢筋笼。

5 结语

本工程地质条件复杂，单桩承载力高，采用扩底灌注桩代替传统的等直径灌注桩，有效地提高了桩的承载力，缩短了桩长。通过严格控制施工中的各工序，对质量控制要点严格把握，经过超声波检测、低应变检测及静载试验检测，扩底钻孔灌注桩全部符合设计要求。