浅谈水利工程旋挖钻孔灌注桩施工工艺

杨金红

(浙江省第一水电建设集团股份有限公司，浙江 杭州 310051)



浅谈水利工程旋挖钻孔灌注桩施工工艺

杨金红

(浙江省第一水电建设集团股份有限公司，浙江 杭州 310051)

扩大杭嘉湖南排杭州三堡排涝工程采用了旋挖钻孔灌注桩施工工艺，该工艺施工速度快、成孔质量高、操作灵活方便、安全性能高、适应能力强，是一种理想的施工工艺；与传统的回旋钻机钻孔工艺相比具有较多优势，节约了施工成本，取得了良好的社会效益和经济效益。图1幅。

旋挖钻孔灌注桩；施工工艺；操作要点

1 工程概况

扩大杭嘉湖南排杭州三堡排涝工程位于浙江省杭州市江干区三堡村三堡二线船闸西侧，工程任务以防洪、治涝为主，结合改善水环境等综合利用。施工范围主要包括：进水口(桩号泵0-626.26～拦污栅桥)～前池工程、泵站、出水池、4孔排水箱涵(桩号泵0+090.753～泵0+443.80)和新开河排水箱涵。本工程为Ι等工程，设计最大泵排流量为200 m3/s。泵站主机段、安装场及副厂房基础采用DN1000C30混凝土灌注桩，泵站前池、出水池基础、进水口挡墙、导航架采用DN800C30混凝土灌注桩，进水口拦污栅桥基础采用DN800C25混凝土灌注桩。

该工程合同总造价20 395万元，钻孔灌注桩1 131根，工程量18 290 m3。灌注桩全部采用旋挖钻机成孔，大大缩短了工期，泵区932根桩2台钻机施工仅用了2个月，平均每台每天完成7～8根。基坑开挖后进行了100%基桩低应变动力检测，检测结果桩身完整性均较好，均为Ι类桩。灌注桩混凝土充盈系数控制在1.05左右，相比传统的回旋钻节约了混凝土。

2 工艺原理

旋挖钻孔灌注桩成孔是通过旋挖钻机底部带有活门的桶式钻头回旋钻破土层，并直接将其装入钻斗内，仪表自动显示桶满时，钻斗底部关闭，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土。这样循环往复，不断地取土卸土，直到钻至设计深度；钻孔挖出的土方卸载在钻机两侧，由挖机清理堆放并及时通过铲车运走。旋挖钻机行走机动、灵活，终孔后能快速移位至下一桩位施工。钢筋笼在钢筋厂制作成型后采用汽车起重机整体吊装到孔内，混凝土灌注采用直升导管法施工(见图1)。

3 操作要点

3.1 泥浆制备

根据旋挖钻钻速快的特点，泥浆原材料采用优质膨润土造浆或外购泥浆。膨润土泥浆采用圆筒式搅拌机拌制，其配比为：水∶膨润土∶粘土∶NaOH=1 000∶100∶60∶1.5，泥浆可循环使用，必要时作净化处理；主要性能指标：相对密度<1.25，粘度<28 s，含砂率≤6%。

如泥浆有损耗、漏出，应及时补充，采用泵送方式，其速度以保证液面始终在护筒面以上为标准；否则有可能造成塌孔，影响成孔质量。另外，应按时检查泥浆指标，遇土层变化应增加检查次数，并适当调整泥浆指标。

图1 工艺流程

3.2 钻机就位及护筒埋设

(1)钻机就位

钻机就位后，通过水平仪进行钻机水平校正，然后要对桅杆进行调垂。在调垂过程中，操作人员可通过显示器的桅杆工作界面实时监测桅杆的位置状态，使桅杆最终达到作业成孔的设定位置。

(2)护筒埋设

旋挖钻机钻头对准中心线，下部钻进，下部扩孔，扩孔至1.0～1.2 m时，把钢护筒吊放进孔内，找出钢护筒的圆心位置，然后移动钢护筒，使钢护筒中心与钻机钻孔中心位置重合。同时，用水平尺或垂球检查，使钢护筒竖直，然后用钻杆和加压油缸同时加压，直至护筒顶距地面高大于30 cm。

3.3 钻进成孔

钻孔时先将钻斗着地，同时用显示器上的清零按钮进行清零操作，记录钻机钻斗的原始位置。此时，显示器显示钻孔当前位置的条形柱和数字，操作人员可通过显示器监测钻孔的实际工作位置、每次进尺位置及孔深位置。开孔时，以钻斗自重并加压作为钻孔动力，一次进尺短条形柱显示当前钻斗的钻孔深度，长条形柱动态显示钻斗的运动位置，孔深的数字显示此孔的总深度。当钻斗内挤压充满钻渣后，将其提出地表，卸渣完毕后，通过操作显示器上的自动回位按钮自动回到钻孔作业位置或使用机械手动回到钻孔作业位置。

在钻进过程中，根据地质情况的变化，放慢、减缓钢丝绳速度，调整钻机的加压油缸压力。在淤泥层钻进时，钢丝绳不宜下放过快，应适当吊住钻斗，防止钻斗对孔壁造成破坏。在粘土层、砂层钻进时，钻具有自动浮动工艺，应通过钻具的自身重量下放；强风化、弱风化岩层采用加压钻进法，通过钻杆，把油缸的压力传送到钻头，从而加大钻头的摩阻力，提升钻机速度。在整个钻进过程中，钻头钻杆的提升和下降要慢上慢下，严禁出现因速度过快引起的过激振荡。

成孔达到设计标高后，对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查，不合格时采取措施处理。孔深直接采用测绳进行量测，孔径通过探孔器检测，垂直度由于在钻进过程中对钻杆的垂直度进行了严格控制，所以在成孔后检验钻机的水平程度即可。

3.4 清孔

清孔是保证成桩质量的重要一环，通过清孔可确保桩孔的质量指标、孔底沉渣厚度、循环泥浆中含钻渣量等是否符合质量要求。

旋挖钻机成孔后，自然沉淀20～40 min，然后用捞砂斗进行清捞，清捞完毕后，采用泥浆泵泵入性能指标符合要求的泥浆，直到清除孔底沉渣且使泥浆含砂量小于4%为止。

3.5 钢筋笼制作与安装

(1)钢筋笼制作

根据设计施工图、施工工艺和规范要求，在钢筋加工场地加工钢筋笼，分节长度控制在9.0～17.0 m范围内。吊点位置用短钢筋焊接加强，钢筋笼加工完成后待专职质量员、监理检验合格后运送到桩基现场。运输过程中要轻起轻放，防止引起钢筋笼的变形。

主钢筋笼主筋连接采用直螺纹连接，加强箍筋与主筋之间采用焊接，螺旋钢筋箍筋采用点焊。保护层采用垫筋，垫筋规格为φ12钢筋，按设计图结构制作，每2 m设置1组，每组4道，垫筋焊接在钢筋笼主筋上。

(2)钢筋笼安放

钢筋笼利用吊机整体吊装到孔内，钢筋笼上口到达护筒口上方时，用型钢扁担将钢筋笼搁置在护筒上。由于钢筋笼较长，且要求在孔口分两节焊接成型，所以必须考虑到起吊和移位时的钢筋笼变形控制。

为了保证钢筋笼起吊时不变形，宜用两点吊。第一吊点设在骨架的下部，第二吊点设在骨架长度的中点到上三分之二点之间。起吊时，先提第一吊点，使骨架稍提起，再与第二吊点同时起吊。随着第二吊点不断上升，慢慢放松第一吊点，直到骨架与地面或平台垂直，停止第一吊点起吊，用劲形骨架固定。

吊放钢筋笼入孔时应对准孔位轻放、慢放入孔，入孔后应徐徐下放，若遇阻力应停止下放，查明原因并处理，严禁高起猛落、碰撞和强行下放。

在钢筋笼外周采用焊接钢筋耳环或绑扎与桩基混凝土同标号预制块形式进行控制。

桩身混凝土灌注完毕，达到初凝后即可解除钢筋笼的固定措施。

3.6 混凝土灌注

(1)导管安放

安装导管前对导管进行水密试验，认真检查各接口橡胶垫圈，确保防水密封。导管的安放采用吊车进行，安装时要求垂直快速并同时保证接头要上紧。导管标高要求控制在桩底标高30～50 cm处。

(2)水下混凝土灌注

灌注水下混凝土是成桩的关键工序，在钢筋笼沉放结束经检查符合要求后即进行水下混凝土灌注工作。

混凝土灌注采用直升导管法施工，导管在孔位附近先分段组拼，再逐段用吊机起吊，在孔口拼装，沉入钻孔内。导管吊入下沉时，应保持位置居中，防止卡入钢筋笼碰撞孔壁，导管内径为φ300。

混凝土配合比在浇筑前先进行室内试验，设计混凝土坍落度控制在18～20 cm，并报监理工程师审批，确保现场施工时混凝土合格率为100%。

混凝土运输：采用商品混凝土，由混凝土搅拌运输车运送，通过料斗、导管送入桩孔内。

混凝土浇筑：根据公式计算首批混凝土浇筑量。导管距孔底30～50 cm，首批混凝土保证导管埋深1.0 m以上。首批混凝土数量:孔径100 cm的2.0 m3,孔径100 cm的1.6 m3。首批混凝土浇注隔水措施用投球法，即在漏斗颈部设置1个隔水混凝土球，下面垫1层塑料布，混凝土球用8号铁丝系挂在横梁上。当首批混凝土备足开始灌注时，即把铁丝铰断，此时混凝土压着球塞，与水隔离通过导管挤走导管内的水，保证水下混凝土的质量。首批混凝土灌注完成后立即探测混凝土面高度，计算出导管埋深，符合要求后，继续灌注。

水下混凝土的开浇和连续浇灌均按规范进行，开浇混凝土量保证一次排清导管内的泥浆并封底，浇筑中途不得停顿。灌注过程中应注意观察管内混凝土下降和孔内泥浆液面的升降情况，及时测量孔内混凝土高程，正确指导导管提升和拆除，保证导管埋入混凝土深度不小于2 m，不大于6 m。

混凝土升到钢筋笼下端时，为防止钢筋笼被混凝土顶托上升，应采取以下措施：在孔口吊筋固定钢筋笼上端；灌注混凝土的时间尽量加快，以防混凝土进入钢筋笼时其流动性减小；当孔内混凝土接近钢筋笼时，应保持埋管较深，并放慢灌注进度；当孔内混凝土面进入钢筋笼1～2 m后，应适当提升导管，减小导管埋置深度，增大钢筋笼在下层混凝土中的埋置深度。

为确保桩顶混凝土质量，钻孔灌注桩浇筑顶高程比设计桩顶高程高1.0 m左右，待土方开挖后再凿至设计顶高程。在灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减少，超压力降低，而导管外的泥浆稠度增加，相对密度增大；这种情况可在到孔内加水稀释泥浆，并掏除部分沉淀土，使灌注工作能顺利进行。

4 质量控制

4.1 塌孔及处理措施

在旋挖钻机施工中，塌孔是最容易出现的事故，在施工中出现塌孔的原因有：钻头钻杆提升速度过快，导致在钻头下端造成真空状态，从而使孔内压力骤然减小，引起塌孔；泥浆性能达不到要求，导致泥浆护壁能力差，引起塌孔；钻头钻杆在提升和下降过程中产生晃动，刮破泥浆护壁；下完钢筋笼后由于意外情况导致混凝土灌注时间推迟。

预防措施与处理方法：严格控制钻头、钻杆的提升速度，慢上慢下；对泥浆进行严格控制，随时检验泥浆的性能，确保泥浆的质量和护壁能力，及时加注泥浆，使泥浆的表面始终保持在距护筒顶80～100 cm之间。另外，应尽可能减小下钢筋笼和混凝土灌注之间的时间，一旦发生塌孔，要及时回填，以免波及到附近其他孔位。

4.2 钻孔漏浆及处理措施

产生原因：护筒埋设太浅，回填土不密实或护筒接缝不严密，在护筒接头处漏浆；水头过高使孔壁渗浆；遇到透水性大的土层。

预防措施与处理方法：根据土质情况决定护筒的埋置深度；加稠泥浆或倒入粘土，慢速转动，增强护壁。

4.3 钻孔偏斜及处理措施

产生原因：钻孔时遇有倾斜度的软硬土层交界处，钻头所受阻力不均而偏位；钻孔时遇较大的孤石、探头石等地下障碍物使钻杆偏位；钻杆弯曲或连接不当，使钻头、钻标中心线不同轴；工作平台不平或不均匀沉降使钻机底座倾斜。

预防措施与处理方法：在倾斜状的软硬土层处钻进时，应控制进尺速度并以低速钻进。探明地下障碍物情况，并预先清除干净。钻杆、钻头应逐个检查，及时调整，弯曲的钻杆要及时更换。钻孔过程中随时检查钻机水平度，若发现因钻机振动引起的钻机下沉，应及时调整桅杆和角度，控制变幅角度，以免发生歪孔、斜孔。在桩孔偏斜处，上下反复扫孔，使孔校直。在桩孔偏斜处回填砂粘土，待沉积密实后再钻。

4.4 防止水下混凝土浇注出现堵管、断桩的措施

堵管现象主要分为两种，一种是气堵，当混凝土满管下落时，导管内混凝土(或泥浆)面至导管口的空气被压缩，当导管外泥浆压力和混凝土压力处于平衡状态时就出现气堵现象。解决气堵现象的措施有：首批混凝土浇注时，在泥浆面以上的导管中间要开孔排气，当首批混凝土满管下落时，空气能从孔口排掉，就不会形成堵管。首批过后正常浇注时，应将丝扣连接的小料斗换成外径小于导管内径的插入式轻型小料斗，使混凝土小于满管下落，不至于形成气堵。

另外一种堵管现象为物堵，混凝土施工性能不好，石子较多，或混凝土原材料内有杂物等，在混凝土垂直下落时，石子或杂物在导管内形成拱塞，导致堵管。物堵现象的控制为：由于孔深约达40 m，混凝土自由落至孔底时速度较大，易形成拱塞，要求混凝土有较好的流动性、不离析性能和丰富的胶凝材料，同时加强现场物资管理，使混凝土原材料中不含有任何杂物，并在浇注现场层层把关，确保混凝土浇注顺利。

断桩主要是导管埋置深度不够，导管拔出了混凝土面(或拔断)，形成了泥浆隔层。防止措施为：对导管埋深进行记录，同时用搅拌站浇注方量校核测深锤测得混凝土面标高，始终保持导管埋深在2～6 m，同时对导管定期进行试压，并舍弃使用时间长或壁厚较薄的导管，确保导管有一定的强度。

4.5 防止钢筋笼上浮的措施

在钻孔灌注桩施工过程中，由于钢筋笼在桩孔内处于悬挂状态，浇灌水下混凝土时经常会发生钢筋笼上浮，从而引起桩身配筋发生改变，影响钻孔灌注桩施工的顺利进行和质量。

防止钢筋笼上浮的措施有：

(1)浇筑混凝土前，将钢筋笼与钢护筒顶口连接并焊接牢固。

(2)在混凝土灌注前，应先通过置换孔内泥浆来进行清孔作业,使孔内残留的钻渣能够尽量随泥浆排出孔外，以免在混凝土表面形成“垫层”，从而避免托起钢筋笼上浮。

(3)调整好混凝土的塌落度。浇注桩基的混凝土塌落度应控制在18～20 cm，浇筑桩基的混凝土都要求有很好的和易性与流动性，以此来保证混凝土在浇注的过程中能有很好的“泛浆”，否则混凝土的和易性和流动性不好；先浇筑的混凝土已经快要凝固成整体，而将钢筋笼整体托起，从而引起其上浮。

(4)浇灌混凝土时，合理控制导管埋置深度，导管埋置深度过大将导致钢筋笼上浮。灌注混凝土时，应随时掌握混凝土浇注的标高及导管埋深，当混凝土面于钢筋笼底端2～3 m时，应及时减缓混凝土灌注速度，待混凝土埋过钢筋笼底端4 m后，方可恢复正常灌注速度，并根据导管埋至深度，适当提升导管，以避免钢筋骨架上浮。导管的埋置深度一般控制在2～6 m较好，小于2 m易产生拔漏事故，大于6 m易发生导管拨不出。当发生钢筋笼上浮时，应立即停止灌注混凝土，并准确计算导管埋深和已浇混凝土面的标高，提升导管后再进行浇注。

5 结 语

扩大杭嘉湖南排杭州三堡排涝工程采用旋挖钻孔灌注桩施工工艺，施工速度快、成孔质量高，操作灵活方便，安全性能高、适应能力强，与传统的回旋钻机钻孔工艺相比具有较多优势。

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责任编辑 吴 昊

2014-08-04

杨金红(1978-)，女，工程师，主要从事水利工程施工建设管理工作。 E_mail：yjh19781224@163.com