大粒径卵石层条件下长螺旋改进型钻孔灌注桩成孔施工技术研究

张军

摘要：通过对传统双螺旋入岩钻头与施工工艺进行改进，采用改进型双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头进行引孔，穿大粒径卵石层能力强，单桩承载力高、施工效率高，操作简便，既克服了由于地质条件复杂，地下砂卵石粒径大导致钻机无法施工的难题，又避免了因卵石层厚度大、粒径大而无法施工造成的工期延误。成孔后再采用传统长螺旋钻头进行二次清孔并注浆，防止了断桩、缩径、塌孔等施工通病，施工质量容易得到保证。

Abstract： Through the improvement of the traditional double helix rock bit and construction technology， the improved double helix thick blade bullet pick bit is used for the pilot hole， which has strong ability to wear large particle size pebble layer， high bearing capacity， construction efficiency and simple operation， and overcomes the problem that the drilling machine cannot be constructed due to the complicated geological conditions and the large particle size of the underground sand pebble， and avoids the delay of construction due to the large thickness of the pebble layer and the large particle size. After the hole is formed， the traditional long spiral drill bit is used for secondary clearing and grouting， which prevents the common construction problems such as broken piles， reduced diameter and collapsed holes， and the construction quality is easily guaranteed.

關键词：双螺旋；厚叶片；合金截齿；引孔；大粒径卵石层；效率高

Key words： double helix；thick blade；alloy pick；lead hole；large particle size pebble layer；high efficiency

中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0129-05

1 研究背景

随着国民经济的飞速发展，现代城市建设日新月异，在这场大的建设热潮中，总会遇到各种各样的的地质条件情况，这就要求在遇到复杂地质情况施工中桩基成桩形式与地基处理方式的选择尤为关键。结合汝州市重点工程汝州市煤山街道洗耳河片区赵庄城中村改造工程的地质情况，从施工难度、安全风险、设备资源、工效、塌孔、缩径、漏浆、噪音、泥浆污染、成本、现有设备市场拥有量十一个方面对上述工艺进行分析、比较。

最后认为适宜的施工方案为：长螺旋钻孔成孔、冲击钻成孔。我部对这两种方法进行了反复比较，冲击钻机施工进度慢、成本高、对周边环境污染较大，但对地层的适应性较强。传统长螺旋钻成孔施工速度快，对周边环境污染较小，但对地层的适应性较差，粒径超过80mm卵石钻进困难。根据我们对周边地层的调查，及对地质资料的分析，我们进行了工艺性试桩。并对传统螺旋钻头进行了改良，由于要穿过约5m厚的粒径为30-200mm的卵石层，甚至有少数200-400mm的扁平漂石，成孔非常困难，耗费时间太长，钻头损耗严重，甚至不能成孔。最后我们对螺旋钻头进行了二次改良克服了这些困难。通过比选，最终确定改进型长螺旋钻机成孔为主要施工方案，冲击钻成孔施工方案为替补施工方案。

2 改进型钻孔灌注桩成孔施工工艺特点

2.1 可操作性强，在大粒径卵石层运用该施工技术进行长螺旋钻孔灌注桩施工，施工操作简单，施工速度快，桩尖无虚土，成孔后再采用传统长螺旋钻头进行二次清孔并注浆，防止了断桩、缩径、塌孔等施工通病，施工质量容易得到保证；解决了传统的长螺旋钻机施工对地层的适应性较差，粒径超过80mm卵石钻进困难，遇到较大粒径的卵石层或漂石层无法施工的难题。

2.2 施工效率高，对厚度约5m的大粒径卵石层采用改进型双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头进行引孔，穿大粒径卵石层能力强，单桩承载力高、施工效率高，操作简便；低噪音、不扰民、不降水、不挤土、不用进行泥浆护壁，施工现场整洁文明。

2.3 经济效益高，通过对传统长螺旋钻机钻头和施工工艺的改进，并加强钻机的电动功率，投入小，但大大增大了桩基成孔的效率与速度，节约了整体工期，节省了采用冲击钻需进行泥浆护壁等成本。

3 改进型钻孔灌注桩成孔工艺适用范围

长螺旋改进型钻孔灌注桩成孔施工工艺适用于施工场地较大，可容纳大量机械运转，水位较深，地质稳定、无地下空洞，砂卵石地层分布厚、粒径大（粒径要求在400mm以下）的卵石层下的钢筋混凝土灌注桩、CFG桩的施工。

4 改进型钻孔灌注桩成孔工艺原理

4.1 砂卵石层中，卵石密度较大，且存在部分200-300mm，甚至超过400mm的的大块漂石，但漂石普遍存扁平、细长状，而且含量较小，通过加厚双螺旋钻头的叶片与增加螺旋钻头合金截齿数量与密度，将钻头阀门与钻头满焊封闭，增加了对大粒径卵石的抓力，通过此改进型钻头进行穿卵石层引孔，在钻进时钻头会破碎部分扁平漂石，并通过螺旋钻杆引出地面，此改进型螺旋钻头能够成功进行钻进成孔。

4.2 加大长螺旋钻机动力头的扭矩配合改进型双螺旋钻头，可以大大提升钻机钻进效率与速度，提高动力头的扭矩对钻进速度与大粒径漂石的提取起着重要作用，通过试验与比选，我们确定了动力头电机功率为90×2kW，动力头最大扭矩200kN·m以上的长螺旋钻机较为适合大粒径卵石层成孔。

4.3 采用改进型双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头引孔完成后，更换带活动阀门普通螺旋钻头进行清孔，并达到设计桩底，停止钻进，泵送混凝土，当钻杆芯充满混凝土后开始拔管，混凝土的泵送量与拔管速度相匹配，拔管速度控制在1.5-1.7m/min左右，注浆完成后进行后压钢筋笼，防止了断桩、缩径、塌孔等施工通病。

5 工艺流程及操作要点

5.1 钻孔桩工艺流程

钻孔桩工艺流程见图1 长螺旋改进型钻孔灌注桩施工工艺流程。

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

施工现场内道路应符合设备运输车辆和汽车吊的行驶要求，保证运输安全。清理整平原地面，是钻机能稳定摆放，并做好排水工作。设备组装时设立隔离区，专人指挥，严格按程序组装，非安装人员不得在组装区域内，以杜绝安全事故。安排材料进场。对全体施工人员进行质量、安全技术交底和质量、安全教育。

5.2.2 场地平整

人工配合挖掘机将施工场地推平并碾压密实，防止钻机进场后因场地问题发生倾斜或移位产生安全质量事故。

5.2.3 测量定位

①测量定位选用高精度的全站仪和检测合格的钢卷尺丈量，工程测量基准点用混凝土浇筑固定，并安置防护标志，防止重车碾压和重物碰撞而产生的位移，基准点安设要在视线范围内不产生变形的位置，或设点浇注混凝土加保护。②在测定桩位前，先复校建筑物基点，闭合测量，待基点与轴线关系符合误差要求，再进行桩位测定。③测定桩位分三次，在桩基定位前测量一次，在桩基定位后复侧一次，并做好桩位标志。做好测量记录。第三次是钻机就位垂直校准。

5.2.4 钻机就位

移动钻机就位，用塔机塔身前后左右的垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，确保对中误差不得大于1cm。

5.2.5 调平机身

钻头对准桩点，校正机身水平，通过桩机大臂上浮标，使钻杆垂直地面。垂直度允许偏差为1%。

5.2.6 钻机采用改进型合金钻头引孔至设计标高

①钻进成孔。

桩位验收后，钻机就位并调整机身，应用钻机塔身的前后垂直标杆检查导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，以保证桩身垂直度偏差不得大于允许偏差，更换钻头阀门与钻头满焊的改进型双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头。移动钻杆使钻头触及地面，启动马达先慢后快钻进，减少钻杆摇晃，检查钻孔的偏差。在成孔过程中，发现钻杆摇晃或难钻砂卵石石，可放慢进尺，避免导致桩孔偏斜、位移，甚至是钻杆、钻具损坏。

通过钻机上的电流表摆动情况、钻机钻杆抖动情况与钻头与卵石摩擦产生的声音来调节钻机钻进速度，砂卵石层漂石密度较大时，放慢钻进速度，增加研磨时间改进型双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头会破碎部分偏平漂石，破碎后随螺旋钻杆排出地面，严格按照设计桩长施工。

②拔钻。

钻到桩底标高后，开始拔钻，拔钻应缓慢均匀，并保持桩机机身水平，钻杆垂直地面，防止钻杆碰到孔壁。

③成孔验收。

验收时主要采用测绳检查孔深，利用探孔器检查孔的倾斜度。检孔采用自制笼式探孔器，探孔器采用鋼筋制作，外径为570mm，长度为3m，吊入孔内检测。探孔器能垂直放入孔底，且上下顺畅无挂绊，即表示钻孔孔径、孔形、倾斜度符合要求，否则还要进行扫孔。成孔验收合格后采用定制封孔盖将桩孔封好，为节省时间和灌注混凝土达到一定量后再统一浇筑，待成孔6-10处后再进行下一步程序。

5.2.7 钻机采用传统螺旋钻头清孔、灌注混凝土

①清孔。

成孔6-7处后，准备进行灌注混凝土，钻机就位并调整机身，应用钻机塔身的前后垂直标杆检查导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，以保证桩身垂直度偏差不得大于允许偏差，更换传统活动阀门螺旋钻头。

开钻前，先将混凝土泵的料斗及管线用清水湿润，润滑管线，防止堵管，然后搅拌一定的水泥砂浆进行泵送，并将所有砂浆泵出管外。关闭钻头阀门，开动钻机旋动钻头。缓慢匀速进入已成孔的桩孔孔底，起到清孔的作用。

②灌注及拔管。

钻头到达设计桩底，停止钻进，泵送混凝土，当钻杆芯充满混凝土后开始拔管，不可先拔管后泵料。混凝土的泵送量与拔管速度相匹配，拔管速度控制在1.5-1.7m/min左右。

5.2.8 后压钢筋笼

钢筋笼的制作应提前完成。混凝土灌注到桩顶后，马上进行后压钢筋笼。吊入钢筋笼时，要对准孔位，吊直扶稳，先依靠钢筋笼与导管的自重缓慢插入，当依靠自重不能插入时，由起重机吊装振动锤挤压钢筋笼使钢筋笼缓慢下沉，避免碰撞孔壁，使钢筋笼上部直锚钢筋全部进入混凝土既设计标高时停止下沉。

6 主要施工机械设备

长螺旋改进型钻孔灌注桩主要施工机械设备见表1 主要施工机械设备表。

7 质量控制

7.1 实行规范化管理，保证工程在安全、质量、工期、环保、文明施工上创一流水平。成立以项目经理为首的质量管理小组，在施工过程中，项目经理进行全面协调、指挥。项目主管工程师对长螺旋钻孔灌注桩施工各工序进行全面监控，并做好记录。

7.2 项目部按日安排具体施工进度计划，做到以日保旬，以旬保月，确保总工期按计划完成。管理人员坚持每天下班前一小时开现场生产碰头会，小结当天工作情况和存在的问题，布置第二天的工作，及时解决施工过程中矛盾，凡受客观因素影响工程进度时，必须采取有力措施，及时进行纠偏。

7.3 项目部下设桩机施工架子队，架子队按照"管理有效，监控有力，运作高效"的原则组建。架子队设置专职队长、技术负责人，配置技术、质量、安全、试验、材料、领工员、工班长等架子队主要组成人员。各岗位要明确职责，落实责任。

7.4 架子队建立和实行技术交底制度，技术负责人就工程作业工序和环节向领工员、工班长进行书面技术交底，书面技术交底资料均归类存档备查。领工员、工班长均在实施作业前对班组作业人员进行安全和技术交底。

8 安全措施

①建立健全安全生产责任制，做到安全文明施工，杜绝发生意外事故。②各操作人员必须了解，熟悉本岗位的安全操作规程，机械构造原理的操作方法，施工时全体人员要密切配合。③施工人员要经常检查吊、索具及各种钢丝绳，发现磨损过大应及时更换，机械操作人员经常检查良好情况，每天上、下班时应进行机械运转，下班时要切断电流。上、下接班时要做好接班交底。④所有电器设备要通过配电箱，箱内必须装置漏电保护器材，用电设备要接零接地，经常检查是否正常。电缆、电线工作前严格检查，确保绝缘要良好。⑤施工现场必须戴好安全帽，爬高2米以上空中作业要系好安全带，并钩好带钩，严禁酒后作业等不符合安全操作规章制度。⑥在施工中做好防雨防潮工作，各种电机设备要装置漏电保护装置，非电工人员不得乱动电器设备。⑦特殊工种者必须经过专门培训，考试合格取得操作证才能上岗工作。⑧机电设备基础必须稳固，转动部位要设防护装置。⑨机电设备不准带病运转或超负荷作业，检修设备时必须切断电源，并挂牌告示。⑩机电设备必须配漏电保护器，钻机移位时必须切断电源，注意保护过路电缆。？輥？輯？訛电焊场地周围应清除易燃易爆物品或进行覆盖隔离。？輥？輰？訛焊钳和手把线必须绝缘。？輥？輱？訛夜间施工必须有足够的照明。临时照明电线和灯具应高出地表2.5m。？輥？輲？訛桩机移位时，枕木应铺平，受力位置准确，同时严禁人员进入机架内，保持桩机的平稳度。？輥？輳？訛施工区域严禁非施工作业人员进入，对成孔的桩孔应进行防护，防止人与物体掉入桩孔。？輥？輴？訛全体施工人员对质量、安全意义和规章制度要必须牢记，树立“质量第一，安全第一”的观念。接受建设单位、监理、质监、公司及工程项目部有关人员意见和监督检查，保质保量完成施工任务。

9 节能环保措施

①选择环保性能好、噪声低的机械设备，设备使用上，限制噪声，如将金属敲击手段的操作改在白天进行。现场建立文明施工与环保管理工作责任人。合理安排施工时间，尽量将必须产生噪音的工序与周围居民正常的休息时间错开，不打扰周围居民的正常生活秩序。②现场出入口设置洗车池，运输车辆出场均要检查车轮，做到不将泥土带离施工场地，污染城市道路。保证施工现场干净、清洁、卫生，保持良好的场地容貌。③配置喷雾降尘设备，防止运废碴土、垃圾使尘土飘散飞扬，并尽量安排在晚间进行，施工完成后，及时对施工现场进行清理，多余材料及建筑垃圾清运出场。④施工完毕后，及时对现场的材料、机具等进行清理，建筑垃圾集中外运到当地政府指定的建筑垃圾存放地。⑤保持施工区域和生活区的环境卫生，及时清理生活垃圾，将其运至指定地点并按规定处理。⑥加强环保意识，使每一施工人员都认识文明施工的重要性、环境保护的必要性，人人都做文明施工的模范。

10 效益分析

10.1 经济效益

汝州市煤山街道洗耳河片区赵庄城中村改造工程，占地约128亩，地下两层，地上二十三层，总建筑面积292674.32m2。分4#与5#两个地块，在17#楼钻孔灌注桩施工过程中成功采用了大粒径卵石层条件下长螺旋改进型钻孔灌注桩成孔施工技術，采用改进的合金钻头施工，克服了由于地质条件复杂，地下砂卵石粒径大导致钻机无法施工的难题，避免了因卵石层厚度大、粒径大而无法施工的发生，节约了工期约25天。

施工中通过对本工程所在地实际地质情况分析，通过改进长螺旋钻机的合金钻头与施工工艺，确保了桩基施工的安全与质量，圆满顺利地完成了17#楼复杂地质情况下钻孔灌注桩的施工。该技术的成功应用，降低了直接施工成本、间接费用及工期折算费用共计20万元。

10.2 社会效益

本施工工艺的应用对于大粒径卵石层长螺旋钻孔灌注桩施工及类似工程的施工提供了宝贵的经验。采用改进的合金钻头施工，既克服了由于地质条件复杂，地下砂卵石粒径大导致钻机无法施工的难题，又避免了因卵石层厚度大、粒径大而无法施工造成的工期延误，在保证施工质量和安全的同时，提高了工作效率，缩短了施工周期，有效保证了工程质量和安全，采用此工艺施工，具有积极的推广意义，受到了设计单位、监理单位及政府相关部门的一致认可和高度评价。具有显著的社会效益。

11 工程应用

11.1 工程概况

汝州市重点工程汝州市煤山街道洗耳河片区赵庄城中村改造工程，占地约128亩，地下两层，地上二十三层，总建筑面积292674.32m2。分4#与5#两个地块，其中17#楼与18#楼为钻孔灌注桩，设计有效桩长为13m，17#楼桩基施工于2017年9月30日开始，2017年11月5日完成，为相同地质情况的18#楼桩基的施工与5#地块CFG桩的施工积累了丰富的经验，效果显著。

11.2 地层地质概况

本工程场区范围内地貌单元属汝河冲积平原，地貌形态单一，地层依次为杂填土层、粉质粘土、卵石层、粘土、泥质砾层、粘土层，卵石层大部分粒径在100-200mm。详见图2工程地质剖面图。

11.3 试桩记录

11.3.1 图3为1#试桩钻出卵石层样本，1#试桩记录：0-5m土质为粘土，5-10m土质为粘土与卵石（粒径为30-200mm），10-16.5m土质为粘土与鹅卵石，粒径为200-400mm（见图4长方向300mm的漂石），甚至有超过400mm的大块漂石（见图5长方向超过400mm的漂石），成孔用时2小时50分。

11.3.2 2#试桩记录：0-5m土质为粘土，5-7m土质为砂卵石，粒径为50-180mm（见图6粒径在100-200mm的卵石），7m后下降缓慢，成孔用时2小时08分。

11.3.3 3#试桩记录：0-5m土质为粘土，5-10m土质为砂卵石（粒径为50-150mm），10-16m土质为黄粘土，砂土，成孔用时2小时15分。

11.4 工程特点和难点

通过对地质报告分析与现场3根试桩的采样，在距离地面5-10m范围内分部这一层砂卵石层，大部分卵石粒径在100-300mm之间，存在少数粒径单方向超过400mm的漂石。钻桩难度极大，耗费时间较长。通过分析我们制定了先引孔，再灌注混凝土，后插钢筋笼的施工方案。

我部对现有设备进行了改进，详见图7双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头。采用双螺入岩钻头，将活动阀门与钻头满焊，在钻尖增加截齿，采用双螺旋厚叶片，并增加截齿结构。截齿采用图8所示的FT-25A进口25合金硬崖地层子弹头。

11.5 工程施工与建设成果

长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩施工技术的应用越来越广泛，和传统的灌注桩施工技术不同，长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩施工技术的特点在于先进行混凝土的压灌，再进行钢筋笼的插入，其中差别非常显著。利用这种技术进行施工，可以减少泥浆护壁等环节，降低施工污染和噪音，提高施工效率，对提升建设工程整体效益和质量具有积极作用。

本工程是长螺旋钻孔灌注桩施工过程中遇到地质情况复杂，砂卵石粒径较大，且卵石层较厚，通过采用改进型双螺旋厚叶片子弹头合金截齿钻头进行引孔，效果显著，不但提高了施工效率，节约了时间，还保证了桩基施工质量，桩基施工完成后，桩基承载力检测均满足设计要求，低应变桩身完整性测试结果显示桩身完整性均满足设计要求，为建设单位早日完成赵庄城中村改造与类适地质情况桩基施工提供了强有力的技术支持和施工经验。

参考文献：

[1]JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[2]DG/TJ 08-202-2007，钻孔灌注桩施工规程[S].

[3]JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范[S].