钻孔灌注桩长螺旋钻机成孔先灌混凝土后插筋施工技术*

褚聚敏

(中铁十四局集团第五工程有限公司，山东 济宁 638100)

0 引言

钻孔灌注桩长螺旋钻机成孔先灌混凝土后插筋技术是利用长螺旋钻机预先旋挖成孔并压入超流态混凝土，形成素混凝土桩后插入钢筋笼形成钻孔灌注桩的方法，由于施工时成孔和混凝土浇筑同时进行，且不使用泥浆护壁，具有高效成孔、环保无污染、地层适应性广等优点，在工程中使用较广，特别是在工期紧张、场地狭小的情况下，具有较好的经济效益。国内诸多研究表明，长螺旋钻机成孔先灌混凝土后插筋技术在中小桩径的施工中具有良好适用性，但仍需对该工法的施工经验进行进一步总结和丰富。

1 工程概况

山东高速绿城兰园项目三期二标段位于济南市长清区大学科技园核心区，如图1所示。工程桩共约120根、桩径500mm，采用钻孔灌注桩先灌混凝土后插筋工艺，保护层厚度50mm，桩端持力层为⑤碎石层，桩端进入持力层≥0.5m，有效桩长≥20m，预估单桩竖向承载力特征值为1 500kN。

图1 拟建项目平面位置

场区勘察显示孔最深为37m，未揭露岩层，地质条件较差，表层覆盖杂填土层，其余为第四系沉积层，根据地质成因和工程特性大致分为以下6层：①1杂填土 杂色，松散，以粉细砂为主，全场区皆有分布，厚0.4～1.0m；②2-1粉砂层 灰黄色，松散，湿，厚2.5～5.0m；②2-2细砂层 灰黄色，稍密，湿～饱和，厚3.0～5.4m；③1中砂 灰色，中密，饱和，局部夹粉砂及黏土，厚5.0～7.0m；④粗砂 灰白色，中密～密实，饱和，分选性一般，次磨圆状，厚2.0～3.5m；⑤碎石层 灰白色，密实，饱和，分选性一般，粒径1～2cm，未揭穿。

场区地处闹市区、无地表河流、未揭示有地下暗河，但紧邻济南国际园博园长清湖，地下水受湖水和降水补给，季节性变化波动较大，勘察期间实测混合稳定水位约为地表以下1.5m。

2 长螺旋钻机成孔先灌混凝土后插筋成桩机理

成桩机理如下：钻机钻至预定深度→混凝土通过钻杆内腔压灌至孔底，边灌边提升钻杆→将钢筋笼振入或压入混凝土内→振捣成桩。长螺旋钻机成孔利用大扭矩动力设备带动具有螺旋叶片的中空钻杆旋转，钻孔中的土体大部分被输送到螺旋钻杆叶片上，仅有小部分土体被挤压，螺旋钻杆叶片上的土体随钻杆旋转不断上升，并被挤压致密，土体与钻杆形成密实柱状体，密实柱状体与设计钻孔间仅几毫米，类似于长活塞。密实柱状体由于与设计钻孔间隙微小，即使地层存在地下水，钻孔速度快，钻孔内渗出并积存的水很少，且密实柱状体为钻孔孔壁提供被动土压力，保证孔壁稳定，使钻孔在提钻前不坍塌。

钻孔至设计孔深后，混凝土输送泵由高压管路与长螺旋钻杆相连，当螺旋钻杆停止回转时，将混凝土泵中储存的超流态混凝土以30kPa的压力通过中空螺旋钻杆压至钻头底部，再打开钻头单向阀，超流态混凝土压出并推动钻杆上升，随着钻杆密实柱状体的上升，孔内压满超流态混凝土，由于孔内积聚高压和钻杆的抽吸作用，软地段混凝土会因充盈作用形成扩径桩，提高桩的承载力。

超流态混凝土浇筑完成后，将钢管插入制作完成的钢筋笼内，钢筋笼和钢管上端连接振动锤，如图2所示。初次插入钢筋笼时利用钢筋笼自重压至无法压入时，启动振动锤压入钢筋笼，为防止振动锤振动导致钢筋笼发生轴向偏移，应控制插入速度为1.2～1.5m/min，压至设计标高后成桩。

图2 振动锤与钢管及钢筋笼的连接

3 桩基施工工艺及控制要点

3.1 桩基施工工艺流程

桩基施工工艺流程如下：测量放线→定桩位、桩位复核→钻机就位→钻至设计深度→浇筑混凝土→清土提升钻杆的同时浇筑混凝土至设计桩顶上500mm→起吊钢筋笼及振动锤→下插钢筋笼→启动振动锤→钢筋笼插至设计标高→转移钻机到下个桩位→成桩。

长螺旋钻机成孔采用JZB 90型螺旋钻机，功率110kW，扭矩为48kN·m，高压泵送的超流态混凝土具有高流动性，成桩密实且均匀，通过振动锤将钢筋笼振动至设计标高，振动锤功率为15kW。具体施工工艺流程如图3所示。

图3 施工工艺流程

3.2 桩基施工控制要点

3.2.1长螺旋钻机成孔

本项目采用长螺旋钻机进行成孔，钻机就位后，首先进行预检，控制钻头中心与桩位偏差<20mm，若偏差不满足要求将调整钻机位置，采用双垂球双向控制法控制钻杆垂直度直至满足精度要求。当钻头初次接触地面时，应先关闭钻头进行封口，再缓慢钻进地表土层。钻进过程中，控制正常钻进速度为1～1.50m/min，当遇到卡钻、偏移、钻机摇晃等现象时，应立即停钻查明原因，采取纠正措施后方可继续钻进。钻孔深度可通过钻杆上的孔深标志进行控制，钻至设计要求深度时，通过现场监理验收方可浇筑混凝土。长螺旋钻机成孔质量控制标准如表1所示。

表1 成孔质量控制标准

3.2.2超流态混凝土浇筑

浇筑混凝土时，地泵安放在合理位置，混凝土需符合设计和规范要求，混凝土坍落度控制在180～220mm，且具有较好和易性，进场后需现场检验混凝土坍落度。应连续泵送混凝土，地泵料斗内的混凝土高度需>40cm，从而防止吸进空气造成堵管。提升钻杆接近地面时，放慢提管速度并及时清理孔口渣土，以保证桩头混凝土质量。钻进时观察泵压与钻机提升情况，提升钻杆的速度与泵送速度相匹配，浇筑提升速度控制在2.5m/min，严禁先提钻后灌料，确保成桩质量，混凝土必须浇筑至地表，并高于设计桩顶标高50cm以上。

超流态混凝土配合比中，水泥、细砂、粗骨料、粉煤灰、水、外加剂分别为390，660，1 154，150，160，13kg/m3。取桩身混凝土试件送检，测量立方体抗压强度。桩顶标高超出设计桩顶≥1.0m，充盈系数为1.05～1.2，并检查每根桩的实际浇筑量。

3.2.3钢筋笼制作及下插

制作钢筋笼前，所有规格钢材必须附有出厂合格证，按规定抽样进行复检，复检合格后方可使用。使用前清除钢筋表面污垢和锈蚀，并调直主筋。制作钢筋笼时，主筋于场外水平放置，分2段制作，接头均采用搭接焊或闪光对焊连接，双面焊搭接焊缝长度≥5d，单面焊搭接焊缝长度≥10d。加劲箍采用双面搭接电弧焊，焊缝长度≥5d，加劲箍设于主筋外侧，螺旋筋采用电弧焊满焊。

长螺旋施工浇筑与下放钢筋笼需一体化，为减少时间差和降低插笼难度，混凝土浇筑后3min内立即开始插钢筋笼。长螺旋钻机成孔、浇筑混凝土至地面后应及时清理地表土方，再插钢筋笼。将检验合格的钢筋笼套在钢管上，上部采用钢丝绳设置于法兰钩上。因钢筋笼较长，下插钢筋笼必须进行双向垂直度监测，将双向线垂成垂直角布置，当垂直度偏差过大时应通知操作手停机纠正，下笼作业人员应检查钢筋笼是否对准桩位，出现偏差时扶正钢筋笼对准已浇筑完成的桩位。下笼过程中先利用钢筋笼自重压入，当压至无法压入时再启动振动锤，防止振动锤振动导致钢筋笼偏移，插入速度宜控制在1.2～1.5m/min。钢筋笼下插到设计位置后关闭振动锤电源，然后摘下钢丝绳，将钢管和振动锤提出孔外，提出过程中每提3m开启1次振动锤，以保证混凝土密实性。钢筋笼制作、安装质量标准及检测方法如表2所示。

表2 钢筋笼制作、安装质量控制标准

4 结语

长螺旋钻机成孔利用大扭矩动力设备带动具有螺旋叶片的中空钻杆旋转，土体被挤压致密，与钻杆形成密实柱状体，钻孔至设计孔深后，混凝土输送泵通过高压管路与长螺旋钻杆相连，超流态混凝土压出中空螺旋钻杆并推动钻杆上升。超流态混凝土浇筑完成后，使用振动锤及利用自重插入钢筋笼，压至设计标高后成桩。