反循环回旋钻机在滨海粉黏土地区钻孔灌注桩中的应用

李 凤 东营职业学院讲师

钻孔灌注桩是指在施工现场通过机械钻孔的措施在地基中形成桩孔，并在其内部放置钢筋笼、灌注水下混凝土而形成结构物基础的一种工艺[1]。该工艺具有施工简单、可机械化施工、承载能力大以及适应性强等突出特点，在桥梁基础工程中得到广泛应用[2]。下文结合某工程实例，对钻孔灌注桩的施工技术展开研究。

1 工程概况

某工程中桥梁工程地处滨海地区，地形地貌特征为冲积平原，土质为黏土、粉土以及粉黏土等。根据本工程的特点及施工条件，桥梁基础采用钻孔灌注桩。下面将结合施工现场的水文地质条件选择合适的钻机钻孔方式，并分析该桥梁钻孔灌注桩基础的施工技术。

2 钻孔灌注桩常用的钻孔方法

钻孔灌注桩钻孔方法根据钻孔设备以及钻进方法的不同有以下几种，如旋挖钻机成孔、冲击钻进成孔以及回旋钻孔成孔等[3]。其中，回旋钻机根据泥浆压入和钻渣排出方式的不同又分为正循环和反循环两种。

旋挖钻机是利用钻斗和钻杆的旋转使土屑进入钻斗，土屑装满钻斗后，提升钻斗出土而成孔。其特点是施工震动小，噪声低，最适宜硬度黏土中干钻，机械安装简单，施工场地移动方便，钻进速度快，施工占地少。钻进时要保证孔内泥浆高度并适当增大泥浆比重，以保持孔壁稳定。

冲击钻孔是将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层，然后用掏渣筒来掏取孔内的渣浆。开始钻进时速度不宜过快，钻进过程中注意校正垂直度。特点是泥浆护壁是冲击钻成孔的关键因素，要求泥浆含砂率一定要小。

正循环回旋钻孔是将泥浆池中制备的泥浆通过钻杆中心输入，从钻机钻头处喷入钻孔内，而挟带钻渣的泥浆随钻机作业沿钻孔上升到钢护筒顶部的排浆孔，由此排出至沉淀池。钻渣沉淀后，泥浆流入泥浆池再次循环利用。反循环回旋钻孔与正循环相反，将泥浆池中制备的泥浆输入孔内，而挟带钻渣的泥浆通过钻杆中心由真空泵或吸泥机向上吸出，并排出至沉淀池，钻渣沉淀后，泥浆流入泥浆池再次循环利用。与正循环回旋钻孔相比，反循环回旋钻孔法的钻进速度快，排渣效率较高，对周边结构物影响小，但要注意在有卵石的土层中容易堵塞钻杆管路。由于带钻渣的泥浆是从钻杆底口吸进，从钻杆中排出，其抽渣速度较块，孔壁塌陷的可能性较正循环法的大，所以需要较高质量的泥浆。

该工程地处滨海地区，地质为黏土、粉土以及粉黏土等，结合施工现场水文地质条件以及对钻进设备和钻进方法的分析对比，最终选择反循环回旋钻钻孔方式进行钻孔灌注桩桩基成孔，下文为本工程主要的施工技术要点。

3 反循环回旋钻机钻孔灌注桩施工技术要点

3.1 场地准备

桩基施工前首先平整场地，清除桩基施工范围内的杂物、树木以及植被，树根挖除完成后修筑施工便道。粗略放出桩位，确定钻机工作位置、泥浆池和沉淀池开挖位置以及钻机成孔施工顺序。对场地进行平整、压实，确保场地的平整度和承载能力，以保证钻机设备安全作业。等钻机设备进场，再次对桩位坐标精准放样，并引出4 个保护桩，经监理复测合格后转入下道工序。

3.2 钢护筒埋设

本工程地处滨海地区，地势低平，地表层的土质较差，由于海水浸渍，多为湿洼地，土壤盐渍严重，高盐渍会使混凝土结构受侵蚀。因此为防止钻孔过程出现塌孔问题，且能起到防腐作用，工程设计考虑采用永久钢护筒作为桩基，最终采用18 m 的钢护筒，分为上部3 m 临时护筒+下部15 m 永久护筒。临时钢护筒上部有20 cm×20 cm 的溢浆孔，钢护筒在工厂用钢板加工，内径大于桩径200 mm。该工程采用的钢护筒由于长度较长，容易发生变形，所以采取在上、中、下端的外侧各焊加劲肋，在竖向则采取槽钢加固的方式，增强钢护筒整体的刚度，保证下压过程不变形。

钢护筒埋设施工时，为方便埋设，钻机成孔的孔径要大于钢护筒的外径，根据钢护筒埋深，预留1 m 深度不钻孔。把钢护筒吊放入孔，18 m 钢护筒需要用两节9 m 长钢护筒焊接，焊接接头要密实饱满。焊接完成后继续下放，采用场地准备时做好的4 个保护桩引线的方法，确定桩位中心位置，吊机吊起护筒，使钢护筒中心与桩位中心重合时下放钢护筒，并保证偏差不超过规范允许偏差值，否则需要重新调整钢护筒的位置。护筒定位后采用压重的方法将剩余1 m 长度压入，注意控制标高，保证钢护筒的顶面在地面0.3 m 以上，接着对称均匀的回填黏土，并压实到规定的压实度。

3.3 泥浆制备

根据桩位和现场的施工条件，在合适位置挖设泥浆池和沉淀池，泥浆池的尺寸为长×宽×高=10 m×10 m×2 m，并确保泥浆容量能满足钻孔需要方可开钻。施工时，采用循环沉淀的方法沉淀泥浆，排出孔外的泥浆先排到沉淀池，泥浆经沉淀后流入泥浆池，循环使用。施工过程中需特别注意做好泥浆池防护工作。泥浆池防护采用格栅式护栏，高度为1.2 m，护栏实施安全可视化，挂设警示牌，夜晚设置太阳能警示频闪灯。此外，由于本工程土质为黏土、粉土以及粉黏土，因此为确保泥浆质量，可按易坍地质层的指标进行配置泥浆。

3.4 钻机钻进成孔

首先检查钻孔前的各项准备工作，包括主要机具设备的检修，作业平台的平整度和稳定性等。然后调整钻机钻杆的竖直度，并保证钻机稳固，按照从4 个保护桩引出的十字线校正钻头与桩位中心的偏差，调整完毕后请监理现场检验，合格后方可钻进成孔。钻机钻进时根据地层和钻孔深度的变化，选择合理的钻进参数，并及时调整泥浆比重等指标，确保桩基成孔质量。钻进时严格控制开孔的尺寸，保证孔壁圆顺、垂直，以防钻进方向偏移。

钻进过程中随时监测，遇到地层变化处应取渣样处分析土层性质，记入钻进记录表与地质柱状图核对，并根据土层情况调整钻进的速度。整个钻机成孔过程宜一气呵成，以免中途停钻引起塌孔。操作人员执行岗位责任制，随时填写钻孔记录。孔钻至设计标高后，检查成孔孔径、孔深以及倾斜度等，填写终孔检验记录。

3.5 清孔

钻机成孔后必须清孔，主要目的是除去孔底的沉渣和泥浆，以保证后序水下混凝土的灌注质量。当钻机钻到设计标高，钻机停钻，检查孔深、孔径以及倾斜度，并报监理验收。孔深采用钢丝测绳进行测量，孔径和倾斜度采用直径与桩径相同、长度为设计孔径4 ～6倍的探孔器进行检查，探孔器主筋采用Φ25的钢筋制作。提升、拆卸钻杆，拆卸完成后下探孔器检测桩径、桩长、倾斜度是否符合要求。符合要求则进行钢筋笼吊装，不符合要求的部位进行扩孔处理，当孔检验合格后方可进行清孔作业。

清孔方法要根据土质情况、设计要求、钻机设备以及钻孔方法来选择，常见的清孔方法有掏渣法、换浆法和抽浆法3 种[4]。清孔过程一定注意桩孔内的水头高度，以免塌孔。清孔后，保证孔深、泥浆比重、含砂率和泥浆稠度等指标符合规范与设计要求。本工程中最终清孔标准如下，相对密度＜1.06，粘度为18 ～24 Pa·s，含砂率＜1.5%。

3.6 钢筋笼制作、运输与吊装

3.6.1 钢筋笼的制作及运输

钢筋笼集中在钢筋加工场下料加工，用人工胎架制作。按照设计图纸及施工规范要求进行钢筋笼的制作，主筋钢筋直径大于25 mm 均用剥肋滚压直螺纹连接，直螺纹连接丝头提前加工，钢筋笼分节制作。为防止钢筋骨架在存放及吊装过程变形，将每隔一定间距临时设置十字加劲撑。钢筋骨架焊接采用CO2保护焊进行梅花形点焊，同时焊接箍筋，从而形成钢筋骨架。

本工程中桩基础钢筋笼的保护层厚度控制采取混凝土圆饼形垫块，考虑到滨海地区桩基钢筋易受海水腐蚀，保护层厚度取不小于70 mm，纵向每隔2 m 设置，混凝土垫块沿圆周方向对称设置，每道应不少于4 块。

运输过程中要捆绑结实，行走平稳，安放时垫木保持在理论支撑线上。为防止钢筋笼在运输及起吊的过程中发生变形，可在加强箍位置处增设三角支撑，三角支撑设计为可重复利用型，在钢筋笼下放过程中取出。

3.6.2 钢筋笼的吊装

钢筋吊装采用四点起吊底节骨架，用钢管或型钢临时担在孔口，再起吊底部第二节骨架，对正进行套筒连接，必须使用扭矩扳手，以保证连接牢固，逐段放入孔内至设计标高，最上面一节钢筋笼顶端焊接吊筋固定于孔口。

第一吊点设在距钢筋笼骨架底部0.1L 处（L 为钢筋笼骨架长度），第二吊点设在距钢筋笼骨架底部0.4L 处，第三吊点设在距钢筋笼骨架顶部0.4L 处，第四吊点设在距钢筋笼骨架顶部0.1L 处。第三吊点和第四吊点通过扁担梁与主钩相连，第一吊点和第二吊点通过扁担梁与副钩相连。钢筋笼吊装时，先由主副钩同步起吊，起吊到一定高度后，副钩配合主钩进行钢筋笼吊装回直。

3.7 导管拼装并二次清孔

本工程中导管为无缝钢管，内径选用30 cm，丝扣接头。为保证导管口连接处严密，采用螺栓连接，并垫橡胶垫圈。导管在使用前要进行试拼和试压试验，以防导管漏水、漏气，试验合格后方可用于灌注混凝土施工。安装完成的导管底至孔底距离控制在0.3 ～0.4 m。

桩基灌注前，由于从提钻到导管安装完成时间较长，必然会使第一次清孔后的沉渣增加。另外，在提钻、吊装钢筋笼入孔内固定以及安装导管过程中，难免会碰擦孔壁，使孔壁上的泥皮等刮落孔底。为避免因沉渣过多引起桩基的承载力减弱，因此必须高度重视灌注前的二次清孔工作。二次清孔后，重新检测桩孔的各项指标，符合规范和设计要求后进行水下混凝土灌注作业。

3.8 水下灌注混凝土

混凝土由拌合站生产供应，运输车运输。灌注前要根据孔深考虑充盈系数，合理计算所需混凝土方量。混凝土运至现场后，要检查其和易性和坍落度，确保坍落度控制在180 ～220 mm。

为了保证将导管内的水压出，并封堵导管底口，隔绝桩孔内水的影响，并保证后序混凝土能连续不断地灌入，首批混凝土灌注量的计算非常重要。由导管底口至桩孔底端的间距控制在0.3 ～0.4 m，且满足导管初次埋置深度不小于1.0 m，本工程取1.2 m。以桩基设计直径为1.6 m，桩长为50 m 为例，计算得此桩基最大首灌混凝土的方量约为4.38 m3，所以需备制1 个能容纳4 m3以上的储料斗，此料斗底部混凝土出口设计阀门。在储料斗中准备足够数量的混凝土，打开阀门，首批混凝土入孔后，要紧凑、连续地进行灌注，严禁中途停工。为确保混凝土灌注作业连续进行，现场至少有两车混凝土等候灌注。

灌注过程随时测量和记录孔内混凝土灌注高程和导管入孔长度，以控制和保证导管埋入孔内混凝土有适当深度[5]。导管的埋置深度控制在2 ～6 m，专业工程师要随时测量孔内混凝土的灌注高度，以便指导导管的提升和拆除。如导管卡住钢筋骨架，可顺着导管安装的方向正向转动导管，使其脱开钢筋骨架，移到钻孔中心。拆除导管时，动作要快，拆下的导管及时冲洗干净，并堆放整齐。灌注的桩顶高程要比设计高程高出0.5 ～1 m，以保证桩头强度。灌注结束拔底节导管时速度要慢，防止沉渣挤入形成夹心。灌注过程中试件留存，每根桩基试件制作4 组，试件标明工程名称、施工部位、混凝土标号及试件制作日期内容。

4 结语

在公路工程中，钻孔灌注桩作为一种桥涵使用的深基础，具有能适应各种地质条件、强度刚度大、承载力高以及桩身变形小等优点，被广泛应用于桥梁工程的基础工程。但是钻孔灌注桩作为隐蔽工程，由于施工程序复杂，受到水文地质等施工环境影响因素多，容易产生钢筋笼上浮，桩头浮浆、缩颈、扩径和断桩，桩身混凝土质量差，出现蜂窝、空洞、夹泥层或级配不均现象等缺陷。这些缺陷影响桩身基础，使桥梁结构存在安全隐患，因此有必要加强钻孔灌注桩施工技术的研究，针对不同的工程地质情况，提出施工过程中质量的控制要点，可加快施工进度，保证施工质量与安全，对实际工程有着重要的指导意义。