巨厚砂层中钻孔灌注桩施工关键技术研究

汪银广 翟光耀 姚瑞平 周刘聪

(中国建筑第四工程局有限公司 广东广州 510665)

0 引言

由于钻孔灌注桩具有承载力高、适应性广、工艺简单易于操作等特点，近年来广泛用于高层建筑、特大型桥梁或对承载能力有较高要求的地基基础中。但钻孔灌注桩具有高度隐蔽性，其施工过程无法观察，成桩后成桩质量不易检测，且不同地层之间有不同的工艺参数与控制标准。尤其在穿越巨厚砂层中，由于砂层的内聚力为零，只有内摩阻力来保持稳定。在地下水位较高的地层中，砂层内的内摩阻力与抗剪强度因水层的渗透，均会降低，由此，在砂质地层中钻孔，容易导致孔壁坍塌[1-2]。本文通过工程实例，详细总结巨厚砂层下钻孔灌注桩施工过程的重点控制措施，对其他类似地层中钻孔灌注桩施工提高工作效率、降低施工成本等具有宝贵的借鉴意义。

1 工程概况

该工程位于南京市建邺区河西南版块，友谊街与庐山路交汇处，用地面积约150 000 m2。工程中所使用的桩径φ600，设计有效桩长B区为45 m，C区为41 m，桩端进入含卵砾石中粗砂层持力层≥1.2 m。桩径φ800，设计有效桩长B区为54 m，C区为50 m，桩端进入中风化粉砂质泥岩层持力层≥2.0 m。

勘探深度内揭示的岩土层，分为近期人工堆填物、新近期软弱土体、砂性土、卵砾石、粉砂质泥岩5个工程地质大层。孔灌注桩需穿越的砂层厚度约为43.5 m，卵砾石夹砂层约为11.5 m，如图1所示。

图1 地质剖面

场地钻探深度范围内，地下水类型主要为孔隙潜水及承压水，本场区地下水位最高一般在7～8月份。场地内孔隙潜水：主要赋存上部浅表土层于①层填土层及②层以浅土层中，勘察期间测得孔隙潜水初见水位埋深0.50 m～12.91 m (水位标高3.78 m～4.76 m)，稳定水位埋深0.70 m～13.11 m (水位标高3.58 m～4.56 m)。水位受季节性变化及附近河水位影响较大，年变化幅度一般在3.0 m左右。近3～5年及历史最高地下水位可按室外地面整平标高下埋深0.5 m考虑。承压水：主要赋存于②3层粉砂夹粉质黏土粉土、③1层粉细砂、③2层粉细砂、④层中粗砂混卵砾石中，富水性较好，具有承压性。勘探期间测得承压水稳定水位埋深4.02 m～12.05 m (水位标高3.08 m～3.19 m)。根据调查分析，该拟建场地地下水承压含水层的水位，可能受附近地铁站等地下工程施工降水影响，导致承压水头稍低。该承压水位标高可结合邻近长江水位综合分析确定，设计时应考虑其影响。

2 试成孔试验

试成孔试验位置选择在场内非原位试成孔，靠近现挖泥浆池区域。试成孔深度按设计要求的最深桩底标高控制施工。

试成孔施工的主要目的，是为获取以下信息：①场地岩土工程地质资料复核；②检验所选型号钻机钻进成孔工艺在本场地的适用效果；③检验钻机成孔的施工效率；④测定孔径、垂直度、孔壁稳定和沉渣厚度及随时间的变化曲线；⑤检测成孔时自然造浆护壁是否满足要求；⑥施工工艺和技术要求是否适宜，为该工程提高相应质量提供必要的依据。

该工程根据工程桩性质及场地地质条件，通过合理选择施工机械、成孔过程中的泥浆控制指标参数，对φ600与φ800的桩径试成孔情况汇总，可确定如下几点：

(1)优质的泥浆是保证在巨厚砂层中钻孔顺利的关键。根据该工程的地质条件，钻孔桩需穿越巨厚的砂层地质，钻进成孔过程中容易造成坍孔，选用优质的泥浆护壁，可有效减少砂层地质中坍孔现象的发生。根据试成孔的结论，该工程在钻进中泥浆护壁φ600桩径45 m以上采用原土造浆，进入地下45 m以下采用黄泥造浆，φ800桩径采用黄泥造浆。针对该工程桩基情况，主要施工桩机机械选择为GPS-10、GPS-35回旋钻孔桩机。

(2)该工程桩基试成孔确定泥浆的比重、粘度，pH值采用表1数据进行实时控制。

表1 泥浆技术指标表

(3)该工程φ600 mm孔径成孔采用正循环钻机进行施工，采用边钻进边注入泥浆护壁的施工工艺。进入地下45 m以上采用原土造浆，进入地下45 m以下采用黄泥造浆，进入地面45 m以下，钻头进尺速度控制在20 cm/min以内。

(4)该工程φ600 mm的桩成孔结束后，进行第一次清孔，下放钢筋笼，下放导管，再进行第二次清孔。现场φ600的桩径采用正循环清孔。正循环清孔需要较长时间(30 min～90 min左右)；钻进成孔后，经过5次试成孔，沉渣厚度达到设计规定的小于50 mm要求，确定了清孔的数据参数。

(5)该工程φ800 mm的桩径成孔可采用正循环和反循环钻机，反循环清孔时间控制在15 min～20 min，边钻进边注入泥浆进行护壁，采用黄泥造浆。在成孔一清后立即下放钢筋笼，下完钢筋笼二清后，检测成孔垂直度、桩径、沉渣厚度。该尺寸桩径在经过3次试成孔后，沉渣厚度达到了设计要求50 mm以内，在各项指标到达设计要求后，方进行下一步工序施工，成孔后30 min之内浇筑混凝土。

由于该工程钻进中穿越巨厚砂层，钻进过程中泥浆较易携带大量钻渣，钻渣在泥浆循环系统中比较容易沉淀。因此，根据场地情况，适当加长泥浆循环沉淀槽。泥浆池的开挖面积与泥浆池的容积同样必须满足施工要求，泥浆池开挖要满足至少两根桩所需要的泥浆，单个泥浆池内设置两个池，一个为沉淀池，一个为泥浆循环池。科学设置泥浆循环系统同样可使泥浆池含砂率、胶体率等得到进一步优化并重复使用。

3 钻进成孔施工方法

3.1 护筒埋设

由于护筒在钻进成孔过程中具有定位、保护孔口、防止地面石渣掉入孔内、保持泥浆压力、防止坍孔、防止钻进过程中的沉渣回流，同时也可兼做桩顶标高的控制依据。该工程中护筒长度3 m，埋至自然地面以上约 0.3 m，地面以下约2.7 m。局部地质条件较差位置的φ600、φ800的工程桩采用5 mm～6 mm的护筒，护筒直径依据桩径大小确定。钢护筒埋设时应确保钢护筒中心与桩位置的中心重合，其偏差不得大于20 mm，严格控制钢护筒的垂直度小于0.5%。钢护筒调整到位后，周边用黏土均匀对称回填并分层夯实，进行稳固钢护筒。护筒埋设完成后，及时进行复核桩位，若存在误差大于规范要求，则重新进行埋设。

3.2 泥浆循环控制

根据地勘资料显示，该工程场地下有40 m以上的砂层，砂层之间的粘聚力较低，且场地内地下水位较高。在钻进成孔中，砂层较易受到钻机的扰动而出现流沙现象，进而影响到钻孔孔壁的稳定性，严重的将引起坍孔、缩径的情况。为解决这一问题，在钻进成孔中采用优质的泥浆，泥浆护壁有着极为重要的作用。优质泥浆的液浆压力可与地下水压力相平衡，同时可对孔壁产生侧向压力，以维持孔壁的稳定，成为孔壁的一种液态支撑。泥浆中的胶质颗粒可渗入到孔壁中填补较大空隙，进而形成具有一定厚度密实的泥皮，促进孔壁胶结，防止内壁渗水导致流沙引起坍孔。在泥浆控制中泥浆循环过程中，孔内液面高度应始终高于护筒底一定距离，并将泥浆比重控制在规范之内，确保泥浆整体液柱的压力大于孔壁内的侧向应力，以保护孔壁，防止坍塌。由于地层中含有的粉质砂层较厚，钻进过程中泥浆含砂量势必有所增加，优质泥浆能将孔内的粉质砂颗粒携带到泥浆池内，对减少孔底沉渣起到重要作用。因此，在钻进成孔过程中，应严格表1控制泥浆的粘度、比重、pH值等施工参数。当控制参数超过规定范围，应及时进行调整，达到规定要求的参数时方可进行施工。

3.3 钻进成孔与坍孔处理措施

3.3.1 钻机定位

钻机就位时，应确保机架的桩位中心、天车、转盘中心在同一铅垂线上，保证其对中误差不得大于20 mm；钻机就位后，应测量钻机平台标高来控制钻孔深度，避免超钻或少钻，同时填写报验单，并经监理工程师对钻机的对中、钻杆垂直度、平台水平等检查验收同意后，方可开始钻孔施工。正式钻孔前，钻机应预先进行运转试验，检查钻机的稳定性和机器的运行状况，确保后续成孔能连续进行施工。钻机就位前，需根据设计要求对桩位进行确认。对正在成孔的桩位，在周边进行另一根桩成孔时，其间距不得小于8 m。在浇注混凝土完成超过72 h但未到7 d的桩位，在周边进行另一根桩成孔时，其间距不得小于4 m。

3.3.2 钻进成孔

钻孔施工前应先起动泥浆泵，待泥浆循环正常后，再开动钻机慢速回转，下放钻头进行成孔，直至施工到孔底。该工程处于巨厚砂层地质下，钻孔过程中较易出现缩颈现象，因此，钻杆直径应扩大20 mm～30 mm。成孔施工应先轻压慢钻，待钻进到2 m左右时，逐渐加大转速和钻压进行正常钻进。进入地面45 m以下，钻头的进尺速度控制在20 cm/min以内。在钻进成孔施工中过程中，应经常检测钻机钻杆的垂直度、回转平台的水平及成孔泥浆状况，并随时调整、做好详细记录。钻进成孔施工中，应根据不同地勘地层适时调整参数。当钻进成孔施工过程中需要加接钻杆时，应先暂停钻进，将钻头提升距孔底200 mm，并维持泥浆循环不超3 min，以清洗孔底并将管道内泥渣进行排净。加接钻杆时装杆应拧紧，防止工具及钻具掉入孔内。在钻进成孔过程中，应密切关注桩架的稳定情况，检查护筒周围土体是否有下陷情况。

3.3.3 坍孔处理措施

在钻进成孔施工过程中，如出现涌砂、坍孔等异常情况，应立即将钻具提升，并控制泵量，保持冲洗液循环，吸除涌砂和坍落物，同时向孔内输送要求的泥浆，保持水头压力来抑制继续坍孔和涌砂。恢复钻进后，控制泵排量示不宜过大，避免影响吸坍孔壁。钻进达到要求孔深停钻时，应维持正常循环，清洗吸除孔底沉渣至返出冲洗液的钻渣含量小于4%为止。起钻时应注意操作轻稳，并向孔内补入适量冲洗液，用来稳定孔内水头高度。

4 混凝土灌注施工方法

4.1 成孔检查

成孔检查是灌注桩混凝土浇筑的前提，是保证后续成桩质量的关键工序。成孔结束后，采用井径仪对成孔质量进行检测，抽检比例根据设计图纸要求，按照总桩数的10%进行检测，并书面报送设计单位。成孔检查重点为检查成孔的垂直度≤1/200、孔底沉渣≤50 mm、出浆口泥浆相对密度1.10～1.25深度≥设计深度等各项施工参数是否满足规范的要求。

4.2 第一次清孔与沉渣厚度控制

钻孔灌注桩砂层中的清孔应采用两次清孔。第一次清孔在钻孔达到要求深度后，孔垂直度、孔深、孔径等项目检查合格，报送监理工程师检查合格后，方可进行孔底清理，否则重新进行扫孔。第一次清孔：停止钻进后，将钻锥提升起20 cm～30 cm，保持泥浆的正常循环，将泥浆压入孔内，并将钻孔内悬浮较多的泥浆置换掉。该工程中φ600的桩径采用正循环清孔，φ800的桩径采用正、反循环清孔工艺进行清孔。清孔时间按照试成孔结论中的时间进行控制。清孔过程中必须设有专人捞取钻渣，加快清孔的速度，确保沉渣厚度小于设计要求的规定数值。

4.3 钢筋笼与导管安放

4.3.1 钢筋笼制作

该工程内钻孔灌注桩深度较大，钢筋笼较长属于超长钢筋笼，在加工、存放或者运输中容易受力弯曲，致使钢筋笼受力变形影响，钢筋笼的垂直度不易于一次加工成型。因此，钢筋根据9 m长定尺钢筋采用分节制作，并预留一定搭接长度，搭接接头间距长度应满足设计大于等于1.2 m的要求。为达到控制保护层厚度目的，在钢筋笼主筋上沿长度方向每隔9 m设置一道定位块，沿钢筋笼周围对称布置4个定位块。在钢筋笼内预置注浆管：注浆管选用Q235级钢内径57×3.2的钢管(兼作声测管)，其他不安装声测管桩采用内径不小于25 mm，壁厚不应小于3.2 mm，Q235钢管，且应与钢筋笼加强筋焊接牢固，下部伸出钢筋笼底部以下250 mm。

4.3.2 钢筋笼连接

钢筋笼分节制作并采用焊接连接。钢筋笼主筋连接按设计要求进行，采用焊接连接，在焊接过程中应及时清渣。相邻两根主筋接头间距≥1.2 m，在同一截面上接头面积率应不大于50%，焊缝应满足规范要求。对焊缝要求：该工程主筋连接采用焊接连接，单面焊接长度大于12 d，加强箍筋连接采用长12 d单面满焊。钢筋笼制作采用螺旋箍筋与主筋点焊，主筋与螺旋筋全部交点必须50%焊接牢固(间隔呈“梅花状”进行点焊)；加强箍筋与主筋交点必须全部进行焊接，保证牢固。从事钢筋安装的所有人员需进行技术交底与施工前培训，从事钢筋焊接的焊工必须持有焊工考试合格证，且在施工前经技术交底与施工培训后才能上岗操作。大风天气和雨天不宜现场施焊，若须施焊时，应采取有效遮蔽措施。焊机应经常维护保养和定期检修，确保正常使用。

4.3.3 钢筋笼吊放

钢筋笼吊放按照表2步骤进行。钢筋笼吊放完毕后允许偏差。经检查需符合钢筋笼中心位置偏差不超过±10mm；钢筋笼高偏差不超过±100mm。

表2 钢筋笼吊装步骤

4.3.4 导管安放

导管是灌注混凝土的重要工具。导管埋入混凝土内的深度将直接影响灌注桩的最终成桩质量，因此导管需严格要求。该工程中导管的安放选用Φ260 mm灌浆导管，导管须内平、笔直，必须对导管进行检查，不符合要求的不得使用。导管长度按实际孔深而定，下管前清点根数，检查联接处密封情况，每节导管密封好，保证良好的密封性能，严防泥浆渗入管内。孔口连接时，在丝扣处涂抹机油，便于拧卸，严禁使用铁锤打击导管，防止变形。导管下放深度以出浆管底距孔底30 mm～50 mm为宜。

4.3.5 钢筋未安放到位处理措施

该工程中由于钢筋笼较长，在吊放钢筋笼过程中，桩位较易受到干扰，导致钢筋笼安放不到位。当钢筋笼下放未到位时，应将钢筋笼重新用机器提起。在提起过程中，及时进行纠偏且尽量保证钢筋笼在提起过程中不触碰孔壁的原则，直至纠正到位后，在按原定方案下放钢筋笼。当钢筋笼下放到指定位置后再重新检查直至合格，并重新进行清孔，确保孔内沉渣厚度小于50 mm等施工参数合格后，再进行下道工序混凝土的灌注。

4.4 二次清孔

现场施工过程中采用二次清孔，现场φ600的桩径可采用正循环清孔。正循环清孔需要较长时间(30 min～90 min且应继续清孔至混凝土到场为止)；φ800的桩径可采用正循环清孔和反循环清孔，反循环清孔时间较短(控制在15 min～20 mim且应继续清孔至混凝土到场为止)，确保现场沉渣厚度。第二次清孔结束后，泥浆指标应在1.10～1.25范围之内，孔底沉渣厚度应小于50 mm要求，并会同监理单位进行验收，验收合格后及时进行下道工序——混凝土灌注工作。

4.5 混凝土灌注

混凝土浇筑前，到场混凝土应首先检查混凝土的配比单、塌落度、和易性等是否满足图纸的要求，在检查合格的基础上留置一组标养试块。混凝土初灌是水下桩灌注的关键环节，不同桩径应分别计算，采用不同的初灌斗进行灌注，因此应严格计算好初灌量。混凝土灌注时，应具有一定的冲击能量，能把导管下沉渣挤出，初灌后导管埋深应满足≥0.8 m。首次浇筑采用混凝土隔水板，隔水板用直径φ6钢丝悬吊在混凝土漏斗下口，当混凝土装满漏斗下放后，打开隔水板排开泥浆进行浇筑，尽可能将孔底沉渣冲开，以减少桩基后续的沉降。混凝土浇筑过程应连续进行，随浇随拔管，尽量避免浇筑混凝土过程中的停顿，以免中途停顿造成断桩。在整个浇筑混凝土过程中，导管需在混凝土中埋深2 m～6 m，利用导管内外混凝土的压力差，使混凝土的浇筑面不断上升，并控制好上升速度不低于2 m/h，直至高于设计标高，且超灌高度不小于1 m。在浇筑混凝土过程中，应防止混凝土拌和物从漏斗顶部溢出，或从漏斗外掉入孔底，使泥浆内含有水泥而变稠凝结，致使测探数据不准确。导管提升时，应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升，浇筑中导管需有被卡后的处理措施。在浇筑混凝土接近结束时，应在孔内注入适量清水，使槽内泥浆稀释并将泥浆排出槽外，并使管内混凝土有一定的高度。浇筑完毕后，计算出灌注桩的充盈系数是否满足1.05～1.3的设计要求。

混凝土灌注堵管处理措施：在进行首批混凝土灌注时，有时也会遇到各种原因导致混凝土无法下放。当混凝土浇筑不多时，时间不长，且在混凝土初凝前，堵管强度不高的情况下，可采用冲震法，即在不拔出导管的情况下，用施工机械提拔导管夹板冲震导管，通过冲震力解除堵管，此方法中需注意不能将导管底部拔出混凝土原灌注面。当混凝土浇筑较多时，且配料不合理引起的堵管可采用三快一冲法。即当浇筑过程中发生堵管，可通过快速拔管，快速清理，快速下管，并用泥浆冲洗原浇筑混凝土面，同时应将导管插入原混凝土面1 m左右，在按原定的初灌次序浇筑混凝土。

5 钻孔灌注桩后注浆

钻孔灌注桩后，注浆主要是对桩端持力层进行加固，提高单位面积抗压端承载力值，减少桩基沉降的一种技术措施。此技术是在混凝土桩身达到一定强度后，通过在桩内预埋的注浆管道，采用机械设备灌注水泥浆，从而减少桩基沉降提升桩基承载能力，进一步提升桩基附近局部位置的土体强度。该工程注浆浆液采用P042.5级普通硅酸盐水泥，浆液水灰比取0.6，配置好的浆液通过滤网过滤。在灌注桩成桩后的7 h～8 h，采用清水进行开塞。开塞压力0.8～1.2 MPa，开塞后应立即停止压力。在每个承台最后一根桩成桩5 d后开始注浆作业，注浆过程中控制好注浆压力和注浆速度。当注浆量达到设计要求后，即可停止注浆。

6 结语

从该工程的施工经验得出，对较厚砂层下的灌注桩施工，具有一定的特殊性。针对较厚砂层中的灌注桩施工，应严格按照施工步骤提前做好准备，通过采取一定的控制措施，控制好桩位、桩径、孔深、沉渣厚度、泥浆指标、混凝土灌注程序等一系列重要施工参数，减少施工过程中砂层对桩基施工的影响，进而提高巨厚砂层中灌注桩施工成桩质量。