复杂地质下超大钻孔灌注桩施工关键技术的应用分析

韩 帅 李伟超 苗春林

中国建筑土木建设有限公司 山东 聊城 252400

1 引言

钻孔灌注桩具有承载力高、施工噪音小、钻孔无振动以及无挤土等优势，并且适应性较好，可以解决多种复杂地质施工中的问题，因此被广泛应用于各类工程项目施工当中，尤其是桥梁工程、道路工程以及高层和超高层建筑工程。但是钻孔灌注桩施工过程中也存在相应的问题，比如钻孔施工时孔壁稳定性不足导致塌孔，这不仅会影响施工进度以及成桩质量，甚至还可能威胁施工作业人员的人身安全。基于此，有必要对复杂地质下超大钻孔灌注桩施工关键技术进行分析研究，以充分发挥钻孔灌注桩在工程项目中的应用价值。

2 钻孔灌注桩技术的概述

目前建筑领域当中针对于地下工程最为常用的钻孔灌注桩技术主要包含两种，一种是泥浆护壁施工技术，在具体应用过程需要严格遵守施工标准要求进行泥浆制备，并加强对钻具设备的维修与养护，保障钻具始终处于良好的运行状态，润滑程度符合施工要求，避免在具体施工过程中出现钻孔坍塌等不良现象。另外一种是全套施工技术，在具体施工过程中免除了泥浆制备以及清孔等操作流程，其余操作与泥浆护壁施工技术具有高度一致性。

3 钻孔灌注桩施工流程以及相关技术要求概述

3.1 施工流程

3.1.1 施工前准备

施工前准备环节重点需要做好以下工作：一是场地准备工作，具体包括场地平整、通水、通电以及修建道路等；二是技术准备，具体包括编制施工组织设计、选择钻机型号、施工方式等；三是机械设备准备，具体包括钻机、护筒、运输车辆以及其他机械设备[1]；四是施工材料准备，具体包括各项材料市场调研工作、混凝土配合比设计以及试验等。

3.1.2 钻孔施工

钻孔灌注桩钻孔施工一般采用的是泥浆护壁钻孔施工法，这种方法施工效率高，成孔质量好，而且能够适应多种复杂地质条件。在施工过程中，重点需要注意以下几方面：一是施工场地要进行垫土并作夯实处理，避免施工过程中出现不均匀沉降；二是护筒的埋设与下沉，这是确保孔口稳定性的重要措施[2]；三是泥浆的利用，其不仅可以保护孔壁，而且还可以起到冷却钻头的效果。

3.1.3 清孔

清孔环节主要是抽出并替换钻孔内的泥浆，从而控制泥浆的粘度、密度以及含砂率，同时也要及时清理钻渣，避免孔底沉淀厚度过大。清孔工作事关后续灌注桩施工，因此要高度重视。

3.1.4 混凝土灌注施工

钻孔灌注桩施工中，混凝土灌注施工多采用的是直升导管法，施工时将导管下沉至孔底，从而顶托隔水栓与泥浆上升。需要注意的是，为保证施工顺利，应当严格控制混凝土灌注施工时间，连续施工，确保混凝土灌注施工在首批混凝土初凝之前完成[3]。

3.2 技术要求

3.2.1 施工质量要求

钻孔灌注桩施工对于施工质量要求较高，具体主要包括以下几方面：1）各项单质材料必须符合施工标准，混凝土强度应符合设计要求；2）成孔深度以及孔壁稳定性应符合设计要求；3）钢筋、焊条等材料需要符合设计标准以及相关规定；4）混凝土应严格制定配合比设计，控制好用水量；5）混凝土灌注量不低于计算量。

3.2.2 注意事项

施工过程中要最大限度避免质量通病，比如局部混凝土强度不足、局部混凝土离析、钢筋笼扭曲、钢筋笼焊接质量问题等；制定相关安全技术措施，包括施工作业人员个人安全防护措施、施工中严禁事项等。

4 复杂地质下超大钻孔灌注桩施工关键技术的应用分析

4.1 项目概况

4.1.1 概述

新建郑州至济南铁路山东段站前工程ZJTLSG-2标段六分部管段位于山东省聊城市东昌府区，正线里程DK119+508.91～DK136+452.52，全长16.944km。计划工期2020年6月9日至2021年12月31日，共计18个月。主要施工内容包括：桩基：4757根、24.8万延米；墩身：623个；现浇连续梁：单线5联、双线4联；地基处理：螺杆桩28918延米；路基填筑：基床以下路堤31.06万m³、AB料6.66万m³、级配碎石0.46万m³；管段内共设9处连续梁，其中（40+56+40）m单线连续梁1处，（40+64+40）m单线连续梁4处，（48+80+48）m双线连续梁1处，（60+100+60）m双线连续梁2处，（72+128+72）m双线连续梁1处。

4.1.2 施工难点

本项目中施工难点主要有以下几方面：1）国内外目前在富水含砂复杂地质条件下采用超大钻孔灌注施工的桥梁工程极为少见，根据相关资料显示，在类似地质条件下，仅有一些中小型桥梁工程有成功的经验，因此可供参考和借鉴的施工经验以及相关资料较少。2）在施工过程中，钻孔灌注桩沉降以及变形问题控制难度较大，同时还要考虑水流冲刷作用的影响。3）本项目所处自然环境复杂，地质条件特殊，需要在强潮涌条件下开展施工作业，因此施工组织设计以及具体施工的开展难度极大。

4.2 复杂地质下超大钻孔灌注桩施工关键技术

4.2.1 搭设钻孔平台

搭建钻孔平台需要注意两方面，一是应根据施工区域的地质条件、水文条件等合理设计平台结构以及功能分区，确保平台能够满足钻孔施工的各项要求。二是钻孔平台结构设计必须符合稳定性、安全性、经济性以及实用性等要求。本项目中，钻孔平台的规格为30×20m，分为材料、半成品存放区、设备停放区以及起吊设备作业区三大功能分区。平台上部结构采用的是双层贝雷桁架主桁结构，基础采用钢管桩基础。

4.2.2 钢护筒设计与施沉

1）钢护筒设计

结合本项目的实际情况，钢护筒顶面标高为2.1m，底面标高为-39.9m，钢护筒长度为42.0m，考虑施工过程中最高水位可能达到5.9m，再保留一定余量，因此钢护筒顶面标高设定为10.0m，钢护筒最终长度为50.0m。根据《公路桥涵施工技术规范》中的相关要求，钢护筒的内径设计为4.2m。钢护筒整体选用Q345C钢板制作，分为两部分，上部35.0m筒壁厚度为2.5cm，下部15.0m筒壁厚度为3.0cm。考虑到钢护筒施沉过程中受阻力以及其他因素的影响，可能发生变形，因此在底部增设刃脚，高度为0.5m，同时在底部两侧焊接厚度为2.0cm的钢板。

2）钢护筒施沉

本项目中钢护筒施沉流程如下：①设备选择，本项目中振动锤选择的是DZ-150加强型双联动振动锤；起吊设备选择的是300t汽车吊，其作业半径可以达到10.0m，单次最大吊重为79.0t，本项目单次最大吊重为72.0t，符合施工要求。②钢护筒制作与运输，本项目中由于施工现场自然条件复杂，场地有限，因此选择工厂化加工，采用分节制作的方法，运输至现场后进行拼接。制作完成的钢护筒单节最大重量为48.0t，因此运输车辆选用50t平板车。③钢护筒施沉，钢护筒运输至现场并完成拼装后，采用履带吊与汽车吊同时吊装，汽车吊勾住钢护筒顶部，履带吊勾住钢护筒底部，将钢护筒竖立起来，其中履带吊的拉力一直控制在35t，钢护筒竖立后松下履带吊，依靠汽车吊将钢护筒与孔口对接。施沉过程中在相互垂直的两个方向采用全站仪进行观测，确保钢护筒的垂直度，发现偏差及时进行纠正。首节钢护筒施沉到位后，在钢护筒顶部布设12块规格为50×20×18mm的限位钢板，次节钢护筒下沉后要精准卡在钢板内，然后采用全站仪进行观测，确认无误后开始对接缝处进行焊接。

4.2.3 钻孔施工

本项目中钻孔施工流程如下：1）钻机型号选择，根据相关资料显示，目前国内外适用于超大直径钻孔灌注桩施工的钻机主要是德国与国产两种，结合国内类似工程的施工经验，本项目中决定采用国产的KTY4000钻机。2）钻头型号选择，结合本项目的地质条件、水文条件，选择了两种型号的钻头，分别是单环四翼刮刀钻头与滚刀钻头，前者适用于圆砾、砂以及土等地质，后者适用于岩层。3）泥浆配置，通常情况下钻孔灌注桩施工中采用的泥浆包括粘土浆、水泥砂浆、石灰浆、化学浆以及水泥浆等。本项目中考虑到施工区域的地质条件因素，选择PHP泥浆，其具有低固相、不分散以及高粘度的特性，主要原材料包括碳酸钠、加重剂、膨润土、FCI、CMC以及PHP等。4）钻孔，本项目施工区域为富水含砂地质，其中粉沙与细砂层较厚，钻进时圆砾、砂以及土等地层采用单环四翼刮刀钻头，岩层采用滚刀钻头，排渣采用泵吸与气举反循环的方式。5）成孔检测，钻孔施工完成后采用超声波反射技术对钻孔进行检测，检测结果显示孔底标高为-108.5m，钻孔垂直度为0.5‰，钢护筒垂直度为0.4‰，均符合设计标准。

4.2.4 钢筋笼制作

钢筋笼安装筋接头采用墩粗直螺纹连接器连接形式，每根主筋直接采用墩粗直螺纹连接器连接。在绑扎和焊接钢筋笼时，位移棒外护管、声测管、压浆管连接用套筒围焊同时安装。其中位移棒以丝扣连接，并和钢筋笼绑扎在一起，避免出现渗泥浆的情况。为确保桩身的混凝土保护层厚度符合要求，在钢筋笼上间隔4.0m均匀布设6处钢筋。钢筋笼上共设置4处吊点，吊点位置采用钢板与主筋满焊。

钢筋笼制作完成后采用履带吊吊装至平板车上，以拉锁进行固定，运输过程中全程保持匀速形势，避免因碰撞导致钢筋笼变形，运输至施工现场后应吊放在指定区域并注意做好保护措施。

4.2.5 混凝土灌注施工

1）混凝土配合比设计

本项目中，单桩混凝土灌注方量为1485m³，灌注施工时间较长，因此对于混凝土初凝时间有特殊要求，需要控制好混凝土和易性，结合国内相关工程的经验与项目实际情况，本项目混凝土配合比设计如下：（1）混凝土配合比设计遵循耐久性、经济性、工作性以及力学性四项原则，根据水灰比法则、最小水泥用量法则以及最小单位用水量法则等确定混凝土最佳参数，包括砂石比、水胶比以及浆集比。（2）关于混凝土原材料的选择，水泥选用硅酸盐水泥，粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰，矿粉选用S95级矿粉，砂选用天然河沙，碎石采用5~25mm连续级配碎石，外加剂选用缓凝高效减水剂，水选用饮用水。

2）混凝土拌和

本项目中混凝土用量较大，并且要求连续施工，因此选择在施工场地现场拌和混凝土。混凝土拌和设备选用中联120型强制搅拌机，配备全自动计量系统，拌和混凝土时除水以体积计量外，其他原材料全部按照质量计量，其中水泥、矿粉、粉煤灰、水、外加剂允许误差不超过1%，砂、碎石允许误差不超过2%。

3）混凝土灌注施工

本项目中混凝土灌注施工采用导管法，进行混凝土灌注施工前，首先需要对成孔质量进行检查，若孔底沉渣厚度超过200mm以上，则需要重新清孔，直至符合混凝土灌注施工要求为止。同时要对泥浆进行检测，要求含砂率不超过2%，粘度在17~20s之间。比重在1.0~1.1g/cm³之间，PH=10。混凝土运输至施工现场后，应检测坍落度，要求为180~220mm，若坍落度不符合施工要求，不能进行灌注施工。

灌注首批混凝土时采用大料斗，2台泵车同时供料，首批混凝土灌注完成后，将料斗更换为小料斗，灌注施工过程中注意控制泥浆高度，使其与孔外的水位差在2m以上，同时要将钢筋笼与钢护筒焊接起来，避免灌注混凝土时钢筋笼上浮。待混凝土灌注到设计标高时缓慢拔出导管，避免在桩内形成空洞，考虑到本项目为超大直径钻孔灌注桩，浮浆层厚度会略大，为确保桩身质量，混凝土灌注标高应高出设计标高1.0m左右。需要注意的是，在混凝土灌注施工过程中，必须保持连续施工，不能间断，提升导管时要稳定、缓慢，避免触碰到钢筋笼，以免影响灌注施工质量。

5 复杂地质下超大钻孔灌注桩施工质量控制

5.1 对钻孔灌注桩施工质量进行全面验收

为了最大限度地保障超大钻孔灌注桩施工技术的应用效果，施工单位应当对施工现场各个环节进行综合而系统的监督与分析，并着重加强质量验收工作，避免存在安全隐患问题，影响超大钻孔灌注桩整体施工质量。在具体施工过程中应当严格遵守施工标准尽量避免桩高存在较大的误差现象，并针对具体情况积极采用无损检测技术对重要桩体以及重要施工环节进行质量检测。若是施工人员对桩体施工质量存在疑问，应当及时进行检测，并找出其中存在的问题，必要情况下还可以按照施工标准要求采用钻取岩样法进行质量检测，一旦在检测环节中发现桩体存在瑕疵，应当立即进行返工处理，积极提升超大钻孔灌注桩施工质量，只有保障此环节桩体质量全部合格后方可开展下一环节的施工操作。

5.2 原有地下结构增层改造的大承载力钻孔桩施工

地下连续墙止水帷幕施工操作结束后，施工单位应当做好以下几方面工作：其一是各种便于施工作业的排架措施进行拆除；其二受到支撑栈桥硬度满足施工标准要求后，应当将既有地下室至地下2层的施工工程桩进行拆除；其三，在完成上述施工操作后，施工单位应当积极采用中100mm水钻机沿线并排钻孔切割地下室底板，在此过程中应当尽可能降低对原有工程桩的碰撞以及接触，除此之外，为了完成不同高度空间范围内超大钻孔灌注桩施工要求，施工单位还应当积极采取有效的措施，例如低净空区域采用改制桩架方法等。

6 结语

文章对钻孔灌注施工流程以及相关技术要求进行了简要阐述分析，结合工程项目施工经验重点对富水含砂地质条件下超大直径钻孔灌注桩施工关键技术进行了研究，包括钻孔平台搭设、钢护筒设计制作、钻孔施工、钢筋笼制作运输以及桩身混凝土灌注施工，验证了超大直径钻孔灌注桩施工技术，为类似工程施工提供了一定的依据。