钻孔灌注桩施工工艺的要点探讨

文／陈文学 中海油惠州石化有限公司 广东惠州 516086

引言：

近年来，随着我国社会经济发展，石油化工在国民经济中占有重要的位置，在此背景下石油化工项目建设速度加快。钻孔灌注桩是一种广泛应用的基础类型，因施工工序复杂，受到现场环境干扰，很容易出现质量和安全事故，造成人员伤害和财产损失。基于此，对钻孔灌注桩工艺加强研究，明确关键参数设计和施工技术要点，才能保证施工质量，实现安全、进度、成本控制目标。

1、钻孔灌注桩的技术优点和发展趋势

1.1 技术优点

按照施工方法的不同，桩基础主要分为预制桩、灌注桩两大类。其中，灌注桩是在设计桩位上，利用人工或机械进行钻孔，在孔内放置钢筋笼并灌注混凝土。钻孔灌注桩的技术优点包括：（1）适用于各种地基，可穿透软硬夹层，通过扩大桩底发挥出桩身强度和承载力性能。（2）能建造出大直径、大长度的桩基，满足特殊的桩基础施工需求。（3）施工过程中的噪音、震动小，带来的污染少，具有良好的环保性。（4）机械配置较为简单，运输、吊装工作量小，造价比预制桩低30%～60%。

1.2 发展趋势

随着钻孔灌注桩的推广应用，其发展趋势表现为三个方面：（1）尺寸更大。过去因机械设备不足、工艺技术不成熟，灌注桩的尺寸小；如今为满足大型工程的施工要求，灌注桩的尺寸越来越大。国内采用反循环成孔工艺，桩长超过100m，桩径达到10m；国外则出现了桩长100m、桩径超过25m 的钢管桩。（2）成孔质量更高。桩基础施工时，因地质水文条件不同，选择成孔方式是一个重点，决定了成桩质量。在一些复杂的地层中，一般选择简单的冲孔方式，以保证成孔质量。同时，为了满足现场施工要求，机械设备也在同步更新，能适应不同的地质条件，加快成孔速度。（3）污染程度更低。传统钻孔灌注桩在施工环节，泥浆制备和循环容易带来污染。得益于科学技术进步，新型泥浆护壁技术出现，例如全套筒灌注桩施工，解决了泥浆带来的污染问题，具有绿色环保的特点。另外，新材料、新技术的应用，以及现场管理工作的升级，提高了污染防治效果，施工过程造成的污染程度不断减轻。

2、钻孔灌注桩的关键参数设计

钻孔灌注桩设计时，优先保证结构安全性、稳定性，关键参数有桩型、持力层、桩平面布置、桩长桩径、桩基承载力、沉降验算等，简要介绍如下。

2.1 桩型选择

不同桩型有不同特点，应考虑上部结构荷载、地质条件、现场环境、施工造价和工期要求等。选择桩型时，对不同方案进行比选，从经济性、合理性、可行性三个方面进行研究，最终确定最佳桩型。

2.2 持力层选择

持力层选择要满足两个要求：（1）满足上部荷载和沉降变形要求；（2）满足施工性价比要求。一般来说，持力层选择坚硬的岩层上，减小桩基的沉降量，提高承载力。如果不在坚硬的岩层上，就要选择高强度、低压缩性的土层，最大程度上控制沉降量。

2.3 桩平面布置

式中，N 表示作用在承台底面的竖向荷载（kN），[P]表示单桩容许力（kN），μ 表示偏心荷载多桩受力不均匀系数，一般取值1.1～1.2。

2.4 桩长桩径

桩长、桩径的选择，两者互相制约，在满足施工要求的前提下，要考虑成本因素，发挥出桩基的承载力性能。其中，桩长要根据地质勘察结果，选择适宜的桩端持力层，然后确定桩长；桩径要结合施工特点和以往经验确定。

2.5 桩基承载力

确定桩型后，可计算单桩承载力，依据相关规范计算公式是：

2.6 桩基沉降验算

依据《建筑地基基础设计规范》，计算沉降时上部荷载采用的是准永久值。一般情况下，计算得到的沉降量与施工完成后的沉降量，两者差值要在容许值以内，计算方法是：

3、钻孔灌注桩的施工工艺要点

钻孔灌注桩施工工序是：成孔机械选择→钢护筒埋设→钻孔施工→泥浆护壁→钢筋笼制作与吊装→清孔施工→灌注水下砼→基坑支护，工艺要点总结如下。

3.1 成孔机械选择

钻孔灌注桩施工中，常用的成孔机械有三种：回旋钻、冲击钻和旋挖钻，应根据地质水文条件和施工要求进行选择。三种钻机的施工特点见表1。

表1 不同钻机的施工特点

以旋挖成孔法为例，和冲击成孔法相比，施工现场整洁，不会产生较大的噪声，尤其适用于市区中心或居民区附近。和正/反循环成孔法相比，泥浆处理更加简单，不会造成污染，环保性更为突出。

3.2 钢护筒埋设

钢护筒的作用是：保证成孔的垂直度；对桩径进行控制；避免地表水进入孔内，保持孔内静水压力平衡。钢护筒埋设时，工艺要点包括：（1）护筒中心和桩孔中心，两者位于一条直线上。（2）桩孔中心位置偏差≤50mm，护筒倾斜度≤1%，护筒底部和周围使用黏质土分层填筑并压实。（3）护筒埋设后，高度要超过地面30cm；如果孔内有承压水，待承压水位稳定后，护筒高度要超过水位≥2m。（4）结合水文条件和桩基设计要求，对护筒埋深进行适当调整。

3.3 钻孔施工

钻孔施工环节，工艺要点如下：（1）钻孔前，放样桩位点，在桩位周围打下4 根木桩，引出十字线确定桩位中心，以此为依据埋设钢护筒。（2）钻机定位后，检查钻机底部的牢固程度，对钻头的垂直度进行校正，确保钻杆中心、护筒中心和桩孔中心在一条直线上。（3）钻进过程中，动态观察成孔的垂直度，采用人工观察+机械控制的方法。（4）根据地质条件确定钻进速度，地层从硬变软，可提高钻进速度；地层从软变硬，应降低钻进速度；遇到砂层时，提高泥浆黏度和比重，减慢钻进速度。

3.4 泥浆护壁

泥浆护壁适用于砂类土、卵石土、砾石土、黏砂土夹层中，形成一层泥皮可保护孔壁，防止发生坍孔。成孔过程中，要定期复核泥浆性能，如果泥浆出现问题，及时查明原因并调整，以满足性能要求，见表2。

表2 旋挖成孔法的泥浆性能指标

3.5 钢筋笼制作与吊装

钢筋笼制作环节，工艺要点包括：（1）钢筋笼采用加强箍成型法，加强箍筋布设在主筋内侧，并且标注主筋的位置，制作要满足施工图纸和规范的要求。（2）钢筋焊接时，采用单面焊工艺，焊接头的长度＞10d，保证焊接质量，避免出现欠焊、过焊等情况。（3）在钢筋笼外侧设置垫块，用于控制保护层的厚度；顶部设置吊环，方便后续吊装。（4）钢筋笼制作完成，复核直径、间距、垂直度等指标，确保符合设计要求。

钢筋笼吊装环节，工艺要点包括：（1）钢筋笼运输或吊装时，防止发生变形，使用小型机具吊装，例如25t起重机。（2）吊装采用双吊点法，准确计算吊筋的型号、数量，将吊筋布置在加强箍筋上，采用双面焊牢固焊接。（3）向桩孔内吊装钢筋笼，应对准孔位，控制下放速度，不要碰触到孔壁。到达设计位置后进行固定，防止导管安装、清孔、灌注水下砼时导致钢筋笼偏移或上浮。

3.6 清孔施工

清孔施工，主要有正循环、气举反循环、泵吸反循环三种工艺，对比见表3。（1）正循环清孔工艺，优点是施工简单、造价低、较安全，且清孔效果好；缺点是清孔时间长，不适用于沉渣要求高的情况。（2）气举反循环清孔工艺，优点是速度快、效果好；缺点是对清孔设备要求高，适用范围小，且施工成本高。（3）泵吸反循环清孔工艺，优点是速度较快、效果好；缺点是只能用于孔深＜50m 的桩基中。（4）清孔完成后，测量沉渣厚度，常见如测绳法、锤球法、电容法、声呐法等。端承桩沉渣厚度＜50mm，摩擦桩沉渣厚度＜100mm，抗拔桩沉渣厚度≤200mm。

表3 不同清孔方法的效果比较

3.7 灌注水下砼

式中，D 表示桩孔直径（m），d 表示导管内径（m），H表示桩孔底至导管底端间距，一般取值0.3～0.4 m，H表示导管初次的埋置深度（m），h表示桩孔内砼达到埋深时，导管内砼平衡导管外压力需要的高度（m）。

水下砼灌注工艺要点包括：（1）一次性浇筑完成，除非有特殊情况，中途不能停工。（2）采用测绳法，确定砼的灌注深度，及时提升导管，确保导管埋深是合理的。（3）提高施工效率，尽量缩短每根桩的灌注时间，防止孔底沉渣过厚造成坍孔。（4）窜动导管能加快下批砼的灌注速度，并提高密实度、单桩承载力指标，在非连续灌注时采用。（5）灌注结束后，桩顶标高应超过设计值1m 左右，方便后续桩头处理。

4、工程案例分析

4.1 工程概况

某桩基础工程项目，为化工联合装置桩基工程。桩基采用旋挖钻孔灌注桩，桩径分为800mm 和1000mm 两种，砼强度等级为C35P8，水下砼掺加抵抗Cl、SO腐蚀的复合型外加剂，共计砼灌注工程量为16780m。

4.2 旋挖钻孔灌注桩施工方案

本次钻孔灌注桩施工采用旋挖钻，配置TR250 型旋挖钻机2 台，工艺流程是：桩位放样→埋设护筒→钻机就位→旋挖钻进→一次清孔→成孔质量检查（孔深、沉渣等）→吊装钢筋笼→下设导管→二次清孔→沉渣厚度检查→灌注水下砼→拔除导管、护筒→完工验收。施工工艺要点不再重复介绍。成孔验收指标如下：①桩位允许偏差满足设计要求；②桩径允许偏差≥0；③孔深≥设计深度；④垂直度允许偏差＜1%；⑤沉渣厚度≤50mm；⑥进入持力层深度：直径800mm 桩≥2m，直径1000mmm 桩≥2.5m。

4.3 质量通病的防治措施

结合以往经验，针对钻孔施工中的质量通病，包括坍孔、孔位偏斜、钢筋笼上浮、断桩等，明确原因并制定防治措施，总结如下。

4.3.1 坍孔

坍孔原因主要有：在松软砂层中进尺过快；下放钢筋笼时碰触孔壁，清孔时间过长。采取的预防措施有：（1）在松散的土层钻进时，快转速慢进尺。（2）下放钢筋笼时，对准桩孔中心竖直缓慢插入，避免触及孔壁。（3）钢筋笼安装时间不能过长，缩短清孔时间，及时浇筑水下砼。

4.3.2 孔位偏斜

孔位偏斜原因主要有：钻进时遇到孤石或探头石；有软硬地层的交界处；钻机底部发生不均匀沉陷。采取的预防措施有：（1）钻机就位后，确保安装平稳，底部水平度达标。（2）钻进时，钻杆一定要调直，设置导向杆防止摆动幅度过大。（3）遇到硬物时，使用冲抓锥排除障碍。（4）在软硬交界地层处，缓慢下钻、进行扫孔。

4.3.3 钢筋笼上浮

钢筋笼上浮的原因主要有：砼灌注速度过快；导管提升操作不当。采取的预防措施有：（1）砼灌注初期，钢筋笼埋设2m 之前，适当减缓浇筑速度。（2）导管提升时，注意观察导管的位置，避免和钢筋笼钩挂。（3）在钢筋笼顶部，与护筒对称焊接固定。

4.3.4 断桩

断桩原因主要有：砼量计算错误；导管破损导致泥浆进入管内；灌桩时间过长或中间引起卡管。采取的预防措施有：（1）安排专人测量孔内砼深度，计算导管埋深。（2）导管在使用前，检查导管的密封性，出现损坏的不能使用。（3）确保砼供应及时，严把砼的质量关。

4.4 施工成果

本项目施工期间，开展全过程质量监控，主要内容包括：材料进场进行性能检测，开工前进行技术交底，每道工序落实三检制度，实行工班长负责制，仪器仪表和设备进行标定，施工资料分类归档管理等。结果显示，旋挖钻钻孔灌桩桩在规定时间内完工，期间未发生严重的质量、安全事故，不仅造价控制在预算范围内，而且顺利通过了质量验收，取得良好的综合效益。

结语：

综上所述，钻孔灌注桩因具有多种技术优点，在工程中得到广泛应用。文章从桩型、持力层、桩平面布置、桩长桩径、桩基承载力、沉降验算等方面指出关键参数的设计，从机械选择、钢护筒埋设、钻孔施工、泥浆护壁、钢筋笼制作与吊装、清孔施工、灌注水下砼等方面总结了施工工艺要点。希望通过本文，为类似工程的施工提供借鉴，切实提高工程质量。