钻孔灌注桩穿透厚砂层地质施工技术研究

凌汉清，阮茂青，汪盛宇

（中铁北京工程局集团有限公司，北京 102300）

1 引言

随着国家基础建设的飞速发展，钻孔灌注桩基础施工工艺已经十分成熟，但是在穿透厚砂层地质条件下，特别是穿透砂层后又遇到岩层的地质，选择冲击钻或者回转钻将造成工期延长或者增加投入，选择旋挖钻机又极易引起塌孔、沉渣厚的问题，甚至存在钻机因塌孔而沉陷倾覆的危险，因此，对该种地质的施工工艺控制进行研究尤为重要。对此，论文针对该种地质施工过程中可能出现的不良状况进行分析和总结，提出解决措施，为工程项目减少了成本，也为同类工程施工起到很好的借鉴作用。

2 工程概述

徽州大道南延工程地处安徽省庐江县境内，是连接合肥市与庐江县的一条快速通道，设计速度80 km/h，双向六车道。该区域属于圩区，项目桩基体量大，共2 172根钻孔灌注桩，桩长分布在32~40 m，桩径有1.5 m、1.6 m和2.0 m，场地范围内大部分为农田，地势整体较为平坦。根据桥位桩基附近工程地质钻孔资料显示，从上至下依次主要以4~6 m黏土层（含素填土、粉砂、淤泥质黏土等）、10~20 m砂层（包含细砂、中砂、粗砂等）及下层强、中风化砂质泥岩等组成。地下水位高，一般水位在原地面以下约1 m。

3 钻机选择

本标段内小里程桩长范围内的地层分布自上而下为4~6 m黏土层、10~15 m砂层（包含细砂、中砂、粗砂）及下层强风化砂质泥岩组成，强风化泥岩抗压强度≤2 MPa。大里程段范围内依上而下则是4~6 m黏土层、10~20 m砂层（包含细砂、中砂、粗砂）及下层强、中风化砂质泥岩组成，其中，中风化泥岩抗压强度在2~15 MPa。因此，在小里程段钻机选择反循环钻机，大里程段选择旋挖钻机。反循环钻机造价低、成孔速度较快，对孔壁扰动较小，但遇到岩层很难钻进。旋挖钻机成孔快、对泥浆需求量小，能适应软弱岩层钻进，但对孔壁扰动较大。钻机选型效果对比见表1。

4 泥浆指标控制

泥浆性能指标的控制是成孔质量保证的一个重要因素，泥浆指标过小，将难以形成有效泥皮护壁，出现缩孔、塌孔现象，过大又容易造成糊钻，进尺缓慢的情况。为使泥浆满足性能指标，现场采用优质PHP（聚丙烯酰胺不分散低固相）泥浆[1]，配合比见表2，PHP泥浆性能指标见表3。

表3 PHP泥浆性能指标表

通过现场实践，在这种中间夹砂层的地质钻进中，最适宜指标是泥浆比重1.14~1.15 g/cm3，黏度18~20 mPa·s，含砂率＜6%。泥浆储备量应达到桩身3倍体积，各阶段泥浆性能指标见表4。

在钻进过程中应配置滤砂机，在泥浆循环中，要及时过滤钻进中悬浮在泥浆中的砂粒。这是由于砂粒会短暂悬浮于泥浆中，清孔完毕后会很快形成沉渣，造成沉渣过厚，影响桩身质量。

5 施工过程控制

5.1 钻进速率

在砂层段，回转钻机钻进速率应控制在1~3 m/h，在黏土或软岩段，以0.5~1 m/h钻进，现实施工中，往往因疏于管理，在砂层地段钻进过快，极易发生塌孔，一是由于快速钻进加大对孔壁的扰动；二是过快钻进时，钻头处的泥浆尚未对孔壁形成有效的保护泥皮，特别在有地下暗流情况时，极易发生塌孔。不同地层钻进速度控制见表5。

表5 不同地层钻进速度控制表

5.2 水头控制

在这种地下水位高、砂层地质，如再加上地下暗流，泥浆液面高度控制尤为重要。在实际施工时，如地势平坦，作业人员往往图施工简便，疏于水头控制，造成孔内压力不足以抵消孔外水土压力，引起缩孔现象甚至塌孔情况。因此，这种特别地质情况下，必须增加水头高度，因原地面平坦的限制，应增加泥浆循环体系的整体高度，可填土筑岛，确保孔内压力。针对这种厚砂层地质，泥浆水头高度应不低于地下水位高度2.0 m[2]。

5.3 钢筋笼下放

钢筋笼下放时，应避免下放时钢筋笼触碰孔壁造成破坏干扰塌孔，需要着重控制好吊放时的垂直度，要求吊放钢筋笼时必须增加顶部扁担的方法，严禁直接将吊钩扣在钢筋笼上，横向扁担两边的吊点距离等于钢筋笼直径，保证钢筋笼基本竖直下放。同时，钢筋笼存放和起吊时要确保不发生变形，钢筋笼变形势必导致下放式剐蹭孔壁。

要尽可能缩短钢筋笼下放时间，减少工序衔接时间，一方面减小塌孔发生率，另一方面避免沉渣厚度过大。可采取的措施有钢筋笼节段加工时尽可能减少分段数量，钢筋笼连接避免采用焊接连接方式，采用机械连接方法，如直螺纹套筒、冷挤压套筒等工艺，大大缩短工序时间。

5.4 水下灌注

在砂层地质钻进中，由于悬浮砂颗粒会短暂悬浮后沉底，因此，在二次清孔及沉渣检测后，应及时进行灌注。导管进场后，需试拼试压，不得漏水。导管组装后轴线偏差不超过钻孔深的0.5%且不大于10 cm，试压力为孔底静水压力的1.5倍，导管底部距孔底有30~40 cm。封底混凝土量根据计算确定，保证封底完成后，埋入导管1 m左右。随混凝土灌注高度提升而拔管，过程中保证导管埋深2~6 m[3]。灌注混凝土应具备良好的流动性，坍落度宜控制在18~20 cm，控制好灌注速率，因为混凝土较硬或者灌注速度过快都会造成浮笼情况发生，这不仅会导致钢筋笼上浮，也会造成钢筋笼上浮时扰动孔壁，造成砂层孔壁坍落现象，引起混凝土夹层，造成桩身质量问题。

首批混凝土灌注前，必须做导管的过球和压水试验，确保无漏水、渗水现象，验收合格后方能使用，接头连接处须加密封圈并上紧丝扣，导管下完后，还须进行第二次清孔，在灌注混凝土前，再次量测孔深、孔底沉渣厚度。

首盘混凝土灌注量与泥浆至混凝土面高度、混凝土面至孔底高度、泥浆的密度、导管内径及桩孔直径有关。首灌混凝土量应根据孔径进行计算，保证首灌埋管深度＞1 m。首灌混凝土量根据式（1）计算：

式中，V为灌注首批混凝土灌注量，m3；ρ为混凝土密度，t/m3；D为桩孔直径，m；H1为桩孔底至导管底端间距，取0.4~0.5 m；H2为导管初次埋深不小于1 m；d为导管内径，m；Hw为泥浆的深度，m；γw为泥浆的重度，取12 kN/m3；γc为混凝土拌和物的重度，取24 kN/m3。

孔径越大，首批灌注的混凝土量越多，由于混凝土量大，因此可能出现离析现象，首批混凝土在下落过程中，由于和易性变差，受的阻力变大，常出现导管中堵满混凝土甚至漏斗内还有部分混凝土的现象，此时应加大设备的起重能力，以便迅速向漏斗加混凝土，然后稍拉导管，若起重能力不足，则应用卷扬机拉紧漏斗晃动，使混凝土顺利下滑至孔底，下灌后，继续向漏斗加入混凝土，进行后续灌注。另外，拔管不要太快，否则易导致浇空造成断桩。

6 结语

1）反循环回转钻机适用于含砂地层的成孔，但不适用于非软弱岩层的情况；旋挖钻机适用于非坚硬岩层的桩基成孔，在砂层地质钻进时，对孔壁的扰动相对较大，易引起扩孔、塌孔现象。在穿透厚砂层地质后遇到非坚硬岩层时，优选旋挖钻机成孔，但要在泥浆、钻进速率等方面加以控制。

2）穿透厚砂层地质的钻孔桩泥浆指标控制尤为重要，经过实践发现，该种地质的泥浆指标为密度1.14~1.15 g/cm3，黏度18~20 mPa·s，含砂率＜6%时，在防塌孔和保证桩身质量上最为适宜。

3）穿透砂层地质时钻进速率要相对缓慢，速率应控制在1~3 m/h较为适宜。

4）泥浆液面的高度应高出地下水位2.0 m以上。

5）为减少钢筋笼剐蹭孔壁，可以采用扁担梁吊装的方法确保垂直度，施工过程中应尽可能减少工序时间，可以采用机械连接替代焊接的方法。

6）水下灌注时，要保证混凝土坍落度和流动性，注意灌注速度，避免浮笼情况的发生。

徽州大道南延庐江项目采用6台反循环回转钻和4台280型旋挖钻机，通过对泥浆性能指标和钻进速率等的过程控制，采用PHP泥浆并可循环利用，减少了施工成本。成孔检测结果表明，垂直度均＜1/300，扩孔率＜3%。成桩后检测桩基完整性良好，I类桩达到98%。