泵送式正循环施工钻孔灌注桩关键技术研究

杨 峰 鹿森刚 姚治宇

(上海市合流工程监理有限公司，上海 200120)

0 引言

长江入海口处施工钻孔灌注桩，根据设计要求桩端进入⑨层土，此层地质特性以灰色粉砂为主，土质疏松，容易引起孔壁的塌方，孔底沉渣厚度不易控制，垂直度、孔壁稳定性等施工控制难度较大且周边市政管线众多，保护难度大，通过采用泵送式正循环施工钻孔灌注桩关键技术要点控制，桩基质量优良安全可控，具有很大应用前景，本文简述泵送式正循环施工钻孔灌注桩可行性及其实际施工过程中技术控制要点。

1 工程概况

竹园污水调蓄池东西向长229.8 m，南北向宽180.8 m，新建容积约50万m3的污水调蓄池及相应的配套设施；基坑总面积35 317 m2，基坑开挖深度19 m～28 m，采用明挖顺筑法分区开挖施工，围护结构采用0.8 m/1.0 m/1.2 m厚地下连续墙加4道～6道钢筋混凝土支撑体系，主体结构采用现浇钢筋混凝土结构，围护结构地下连续墙与主体结构侧墙采用叠合墙，主体结构内部设置水平框架、竖向板撑、竖向斜抛撑，叠合墙、顶板、底板、内部支撑及框架梁柱共同构成结构受力体系。池底底板下设钻孔灌注桩，兼具结构竖向承载及空池工况下抗浮作用，本场地地貌类型属滨海平原地貌，灌注桩地质土层分布情况如图1所示。

拟建场地内无地表水，⑨层灰色粉砂，分布拟建场地潜水赋存在浅部土层中，③t层为潜水含水层。潜水主要接受地表水和大气降水的补给，多以蒸腾方式排泄，水位受降雨、潮汛、地表水及地面蒸发的影响有所变化，浅部土层中的潜水位埋深离地表面一般为0.3 m～1.5 m，年平均地下水位埋深在0.5 m～0.7 m，设计高水位埋深0.3 m，低水位埋深1.5 m。拟建调蓄池基坑需考虑⑤2,⑦1层(微)承压水突涌问题。

2 灌注桩参数

本工程桩基形式采用钻孔灌注桩，桩径为1 000 mm，现地面标高+5.2 m左右，桩端标高-63.2 m，桩端持力层进入⑨1灰色粉砂，最深钻孔深度68.9 m，有效桩长为50 m,46 m,42 m,41 m 4种，部分为立柱桩兼作工程桩，总数为2 142根，桩身混凝土强度为水下C35，检测桩静载加载的最大压力值为12 143 kN，最大拉力值为6 720 kN，地基基础设计等级为甲级，安全等级为一级，设计使用年限50年，混凝土强度等级水下C35,粗骨料直径不宜大于25 mm，钢筋为HRB400级钢，钻孔桩主筋净保护层为60 mm，水灰比0.55～0.65，垂直度小于1/200，桩位允许偏差±50 mm，桩身成孔直径不得出现负偏差，充盈系数不得小于1.0，也不宜大于1.3，桩顶以上超灌浇筑混凝土高度不应小于1.5 m。

3 泵送式正循环工艺

3.1 泵送式正循环钻孔灌注桩工艺简介

泵送式正循环施工钻孔灌注桩工艺是依靠钻机钻进，泥浆采用原土造浆，泥浆采用泥浆泵加压从泥浆池经泥浆管输进钻杆，由钻头底部的出浆口喷出，钻头钻进时将土层切削成为钻渣被泥浆悬浮，随泥浆上升而溢出，经过沉淀池沉淀净化，再经泥浆泵泵送进钻杆循环使用，废弃泥浆经过沉淀池清除外运，吊车下笼、钻机浇混凝土的施工方法。施工工艺如图2所示。

3.2 正循环泥浆系统

正循环施工过程中泥浆循环至关重要，泥浆必须经过两沉淀一循环方可继续使用，具体循环工艺如图3所示。

正确合适的制备泥浆是成孔的关键，要按照现场实际地质土层的情况调制选用不同指标的护壁泥浆。

1)桩基成孔阶段，进入钻杆的泥浆比重控制在不大于1.15，粘度18 s～22 s；出口泥浆比重不大于1.30，粘度20 s～26 s；

2)钻杆进入⑨层灰色粉砂土层时，相应加大泥浆比重以防止塌孔缩径比重控制在1.15～1.18；

3)在整个成孔施工中，涌出的泥浆先经过混凝土泥浆沟流入集泥坑，再采用小泵抽入一级泥浆池，泥浆经过一级沉淀再涌入二级泥浆池，最后再泵入循环池继续使用；

4)作业中要定时对沉淀池、循环池底部淤积彻底清理，对经检测指标不合格的泥浆(比重大于1.3)要即刻清运，确保成孔护壁泥浆质量达标。

3.3 正循环成孔

成孔过程中钻机参数要把握好，初开孔应掌握“水量小、压力轻、转速慢”，钻至护筒底部附近时要速度减慢，使护筒底部形成一定的泥皮，钻孔过程中最大钻速不大于1 m/min；进入淤泥质粘土层中，控制好压力(粘土10 kPa～25 kPa，砂土5 kPa～15 kPa)和转速(粘土40 r/min～70 r/min，砂土40 r/min)，要尽量少上提钻具，加杆时要轻提慢放防止抽坍孔壁，开孔及进入淤泥层时使用一挡钻进。

3.4 正循环清孔

当钻进至设计标高后，应停止钻进，并进行一次清孔，泥浆循环不断地进行，适当延长一清时间，一清出口泥浆比重应为1.20～1.25,粘度20 s～24 s，沉渣不大于100 mm，含砂率小于3%，孔深符合要求，清孔时间2 h～3 h，一次清孔即可结束，清孔后将钻具提出孔外实测孔径及孔斜；二清出口泥浆比重应为1.15～1.18，粘度18 s～22 s，沉渣不大于50 mm，手触泥浆无颗粒感觉，含砂率小于3%，清孔时间20 min～30 min。

4 正循环施工技术控制要点

4.1 埋设护筒

护筒内径比钻孔桩直径大100 mm，护筒埋设应埋入原土200 mm，若遇地下障碍物，清除后采用素土回填，并采用长护筒，护筒长3 m，避免在正式钻孔施工时因地下障碍物而影响正常施工，护筒必须进入原土，回填必须对称进行以免护筒跑位。

4.2 钻机就位开孔、成孔检测

钻头选择对成孔质量至关重要，采用双腰带钻头，可增强泥浆与孔壁的黏聚性吸附性增厚泥皮，减少成孔过程的塌孔缩径等质量通病，有效保证成孔垂直度、成桩混凝土充盈系数等符合设计及规范要求，钻头如图4所示。

1)成孔过程应一次性不间隙的进行不能随意停钻，防止时间过长孔壁土质性能出现变化，成孔过程中从下钻头开钻、中间加接钻杆、清孔提钻、下笼浇筑等每一步骤机长及技术人员必须如实填写成孔原始记录，同时进入钻杆泥浆需要依靠泥浆泵加压方能顺利从钻头底口喷出，此压力随着钻进深度增大而减小，所以泥浆泵选择是影响成孔质量的关键因素，本工程选择3PNL型泥浆泵进行泥浆加压进杆循环。

2)为确保桩孔垂直度小于0.5%，施工中首先要使铺设的基础水平、坚实，并在钻机上设置导向，开钻是使用水平尺打好钻机平台水平，并使用水准仪校准，钻进过程中要使钻机顶部滑轮组、回转器、钻头位于同一垂线上，并在钻进过程中应随时检查机架水平度及调整其水平。

3)安放钢筋笼之前应使用自制检孔器对成孔质量进行检测，检孔器使用28螺纹钢筋制作，钢筋数量8根长度不少于6 m，直径比桩径小5 cm，下放检孔器使用钻机下放，必须下放至成孔孔底，从实测钻机钢丝绳下放长度推算，如不能顺利下至孔底或下放后不能提起，则证明孔径存在缩径或塌孔，应采取相应处理措施，避免安放钢筋笼过程出现拔笼质量事故影响成桩质量。

4.3 导管选择安装及二次清孔

1)混凝土灌注拟采用内径25 cm导管，使用前应准确实测导管总长度，确保二次清孔时导管底口距实际孔底不大于20 cm，混凝土浇筑时导管底口距实际孔底不大于50 cm，导管应配备标准节、加长节、调整节。

2)导管使用前应检查导管的密封性能，即检查导管有无漏水，试验压力P可按下式计算：

P=γchc-γwHw。

其中，P为试验压力，kPa；γc为混凝土的容重，取24 kN/m3；hc为导管内混凝土柱最大高度,m，以导管预计的最大高度计；γw为孔内泥浆的容重，kN/m3；Hw为孔内泥浆的深度，m。

经计算P=24×69-15×68.3=631.5 kPa，水密性试验压力为1.3倍P，即0.82 MPa。

选择平整密实的试验场地，把灌注用的导管按照从下至上顺序编号，并按此顺序连接导管，对导管两端采用试压套封闭，每一节导管采用管箍卡住腰部，并在相应位置打地锚角钢固定连接，以防止打压过程出现意外，严禁使用打气压力试验，试验用水宜采用自来水或无污染自然水，加水至导管内水量达6/10以上，用空压机往导管内打压0.82 MPa保持压力20 min，检查各接头处有无渗漏，松开固定管箍反转导管180°，令原来顶面朝下进行重复以上步骤进行试验。

3)二次清孔的泥浆比重控制在1.15～1.18间，粘度18 s～22 s，沉渣厚度不大于50 mm，时间控制在30 min内，对于桩较深，桩径较大的孔在清孔时应适当增加清孔时间，以保证孔底淤泥有效清除。

4.4 钢筋笼加工安装

4.4.1钢筋笼加工

为确保桩基钢筋轴心受力同心一线及钢筋笼制作垂直度顺直度和钢筋接头机械连接质量，灌注桩钢筋笼采用特制胎架制作，胎架内齿板采用2 cm厚钢板，外框采用10号槽钢，具体见图5～图7。

钢筋笼采用螺旋箍筋与主筋点焊形成，主筋与螺旋筋的全部交点必须焊接牢固(全部点焊)，钢筋笼制作前，按有效桩长及配筋构造进行纵向受力钢筋分节下料，底笼和顶笼分别综合钢筋定尺长度及设计规定的接头率及错开长度(35d)下料,上下钢筋笼对位主筋(2根)上使用红漆标记，以免套筒丝扣错位。

4.4.2钢筋笼安装

1)因现场场地受限，机械设备多且机械布置密度大，再加上单节钢筋笼重量较轻，向桩孔内下钢筋笼拟采用单台吊机、两点起吊、单点入笼的操作方法。钢筋笼起吊时，一端(副钩)挂在钢筋笼的下端，另一端(主钩)挂在钢筋笼上端2/3处。上端(主钩)钓点处为双点用卸扣从钢筋内侧向外卡在主筋上。起吊时，先抬升吊机大臂，将钢筋笼提离地面1.5 m高左右，然后起吊上端主钩至钢筋笼垂直，将下端钓点副钩解除。副钩在此主要是作为避免钢筋笼下端拖地蹭伤丝口和主钩工作时的安全辅助作用。

2)向桩孔内安装钢筋笼时，在每一节钢筋笼的最顶一道加劲箍下口穿两根自制的横梁(采用□40×60×4方管，两侧各绑焊一根28钢筋)将方管搁置在桩机平台上。为了保证钢筋笼严格保持加工时的状态，方管必须垫片，保证其上口与加劲箍接触面水平。当上笼就位后，找准红漆标记2根主筋对位起始，将螺纹套筒拧紧，然后逐一核对上下笼其余钢筋的对接严密性。若发现有主筋对接处露出间隙，则调节下方方管的高度，直到所有的钢筋接头均严密对接为止。

3)上下节钢筋笼主筋连接时，每一个接头均用力矩扳手检查拧紧度，力矩控制值不小于300 N·m。

4)所有的钢筋笼安装完成后，在钢筋笼4根延伸主筋(吊筋)的顶部焊接吊耳，吊耳呈倒“U”形，与吊筋绑焊，吊耳焊接标高根据桩位室外自然地面标高+固定横梁高度确定。每根桩钢筋笼顶部均穿两根自制横梁，每根横梁穿两根吊筋。为了防止横梁倒伏，在横梁两端设置槽钢卡座，若地面不水平则在槽钢底部垫铁楔进行微调。

4.5 水下混凝土施工

1)桩基混凝土要严格要求级配及和易性，坍落度控制在180 mm～220 mm，初凝时间要求在6 h～8 h，每根桩的混凝土随车必须携带混凝土级配单，现场技术员认真检查实际配合比与设计配合比符合情况，发现级配、和易性存在问题应及时解决并上报技术总工，坍落度每车进行实测，发现坍落度不符合要求混凝土要求退场。

2)灌注混凝土应在二次清孔后30 min内开灌，对未在30 min内灌注的应再测沉渣厚度，如孔底钻渣过厚则安排清孔。

3)为确保桩机成桩质量，混凝土初灌方量至关重要，初灌方量太少混凝土重力不能克服孔内浮力有效冲起孔底浮浆实现封底，桩底混凝土容易形成夹泥等质量缺陷，初灌方量太大必须制作更大料斗改造钻架宽度，增加施工难度，所以适宜的混凝土初灌量至关重要，首灌混凝土的数量应能满足导管首次埋置深度不小于1.0 m，如图8所示。

混凝土初灌量计算：

经计算：h1=(68.3-1.5)×1 150/2 400=32.01 m；

V=(32.01×π×0.252)/4+(1.1×π×12×1.5)/4=1.571+1.295=2.866 m3。

φ1 000 mm桩初灌量不小于2.9 m3。

制作不小于3方的初灌大料斗，从罐车放混凝土前先使用带提手的自制堵板封住大料斗底口，提手长度比料斗长1 m左右，堵板为圆形外径等于料斗底口内径，待斗内混凝土放满后突然提起堵板混凝土瞬间下落，利用初灌斗内混凝土重力势能克服孔内浮力实现混凝土封底。

5 结语

通过以上泵送式正循环施工软土地层灌注桩工艺及质量控制，后期桩基抗压及抗拔承载力检测合格，全部灌注桩超声波检测结果无Ⅲ类桩，Ⅱ类桩比例2.8%，说明此工艺施工长江下游软土地层灌注桩具有可操作性强，技术简单，质量优良，安全可控，节约成本，减少泥浆排放，保护自然环境，具有很好工程经济性，适合大面积推广应用。