5全套管钻孔法施工工艺

1、全套管钻孔法施工工艺1 前言全套管钻孔法也称为贝诺特工法， 是钻孔桩基础的主要施工方法之一。 配合这个施工工 艺的设备称为全套管设备或全套管钻机， 由法国贝诺特公司于二十世纪五十年代初开发和研 制。日本从 1954 年引进全套管钻机，并于六十年代初由日本三菱重工业公司开始进行技术 改造，到八十年代形成目前通用的 MT 系列贝诺特全套管钻机。随着液压技术的日臻完善， 全套管钻机的机种和施工均有很大发展。我国于二十世纪七十年代开始引进此类钻机。 2适用范围全套管钻机适用于各类土质， 风化岩层、 卵石层及砂土层中采用相应的钻挖技术， 完成 钻孔桩成孔，但在孤石、 泥岩层或软岩层成孔时， 成孔效率将显

2、著降低。当地下水位下有厚 细砂层（厚度 5m 以上）时，由于摇动作业使砂层压密，造成压进或抽拔套管困难，应避免 在有厚砂层的地层中使用。由于在钻孔过程中采用通长套管，特别适合于城区接近既有建筑地区的施工。3 工艺原理及特点3.1 工艺原理 全套管钻孔法是利用钻机装有液压驱动的抱管、晃管、压入（或拔出）机械，成孔过程 中将套管边晃边压， 压入土中， 同时利用重锤式冲抓斗在钢套管中挖掘取土或砂石， 直至钢 套管下沉至设计深度，成孔后灌注混凝土的同时，逐节将钢套管拔出并拆除。3.2 工艺特点（1）施工无噪音、无震动，钻孔过程中不使用泥浆护壁，避免了泥浆的加工、储存、 运输，施工现场洁净清爽，有利于文

3、明施工。（2）钻孔过程中采用全套管跟进，采用落锤式冲抓斗挖掘，成桩作业速度快，孔壁不 会坍塌，成孔质量高。（3）钻孔过程中不使用泥浆护壁，避免泥浆污染钢筋和进入混凝土的可能，钢筋周围 不会附粘一层泥浆，有利于搞高混凝土对钢筋的握裹力，成桩质量高。（ 4）成孔速度快， 挖掘深度大， 成孔垂直度容易控制， 垂直度偏差小， 可以控制到 3 。（5）成孔直径标准，扩孔率小，与其它成孔方法比较，节约混凝土，清孔彻底，孔底 残渣少，提高了桩的承载力。（6）套管钻机为自行式，现场移动方便。（ 7）可做斜度 15以内的斜桩。4 套管钻机机械设备本节主要以三菱重工的 MT 系列套管钻机为典型，介绍套管钻机的构造

4、。4.1 机械参数表见表 1。表 1 机械性能参数表性能指标日本三菱重工备注MT120MT150MT200钻孔直径（ m）1.01.21.01.51.0 2.0钻孔深度（ m）355040603560作业时外形尺寸（ mm ）长度75801057011020宽度330031803490高度111801606016060运输时外形尺寸（ mm ）长度122501551015920宽度300031803490高度331551805700质量（ kg）240005100054000摇动扭矩（ kNm ）51014801600最大压管力（ kN ）150300350最大拔管力（ kN ）4401180

5、1180上下动时千斤顶能力（ kN）64010001000摇动角度（）151212发动机额定功率（ kW ）125125125发动机额定转速（ r/min ）160016001600卷扬机起重力（ kN ）355050卷扬机提升速度（ m/min ）1208585接地压力（ MPa ）0.080.0940.094爬坡能力（）1915.313.3行走速度（ Km/h ）1.00.730.73适用套管（ m）466液压泵常用输出压力（ MPa）211414液压泵常用输出流量（ L/min ）1001201204.2 主机设备图 1 为三菱重工 MT-150 （ 200）型套管钻机的外观图，它由主机

6、、行走装置、套管导 向器、钻架、套管作业装置、落锤式抓斗等部分组成。1中 33）驱4.2.1 走行机构 走行装置为全液压驱动履带式，左右履带各由一低速大转矩液压马达（图 动，经减速器与链条传给驱动轮（图1 中 30），使钻机行走。4.2.2 前后支腿和 臂架导向装置动起着上导向的作用。在前车架下部有 套管下导向（图 1 中图 1 中 13 为前支 架， 21 为后托架。钻 架为一用斜撑支撑的 钢结构立柱，在立柱 上装有可沿导轨滑动 的滑架（图 1 中 7）， 它由副卷扬机提升， 滑架的下部套入套管 的上口，随着滑架滑15），夹卡内装有衬套，它们可分别对应不同的钻孔直径。4.2.3 夹管机构 前

7、车架上套管作业装置， 它们包括由夹卡内套 （图 1 中 14）与夹卡液压缸（图 1 中 38） 构成的套管夹持器，引拔提升液压缸（图 1 中 12）与摇动液压缸（图 1 中 36）。工作时， 由夹持器夹住套管， 摇动液压缸来回摆动， 通过大臂使套管作小幅转动， 再通过引拔提升液 压缸下压或拔出套管。整个机构全由液压油驱动。4.2.4 液压系统 图 2 为 MT-150 套管钻机的液压件位置图，全系统包括摇动回路、前支腿回路、夹卡回 路、引拔提升回路、后支腿回路、斜撑回路、卷扬机刹车离合器回路与排土板回路。4.2.5 操作与控制套管钻机的操作与控制通过钻机所设的液压泵实现，全机共使用 5 个液压

8、泵： P1、 P2 为三菱 FGH50 型柱塞泵，最大压力为 16MPa ，流量 Q=120L/min ，由 6DB 发动机驱动。 P1 泵主要用来供引拔提升液压缸与夹卡液压缸液压油， P2 泵主要用来供摇动液压缸压力油， 这三个工作液压缸是套管钻机工作装置的主要油缸，工作时需要较大的油量，所以由 P1、 P2泵同进供应液压油。 P3、P5 泵为齿轮泵，安装在主卷扬机的减速器上， P3泵供应排土板 压力油，工作压力为 7MPa，P5 泵供应卷扬机操作系统压力油工作压力6MPa，P4泵是叶片泵，额定压力 1.5MPa，它与 P2 泵耦合安装 ,主要供摇动回路先导液压油。见图2。行走马达（三菱 M

9、35 型）为径向柱塞式低速大转矩液压马达，工作压力14MPa，转速为 31r/min ，左右行走马达分别驱动左右履带， 通过操作左右换向阀可实现转弯与就地回转。土层，但抓土量较少。其主4.3 抓斗结构 套管钻机的抓斗为重锤 式抓斗，又称冲抓斗，是开 挖取土的工具。落锤式抓斗 片有二瓣式和三瓣式，二瓣 式适用于土质松软的场合， 抓土较多；三瓣式适用于硬要技术参数见表所示。型号表 2 落锤式抓斗（冲抓斗）主要技术参数表项目GS13GS20挖掘直径（ m）11.11.21.31.51.82.0抓斗瓣外径（ mm ）85095010501150134016101800全长（ mm ）306030903

10、1103110365537553855容量（ m3）0.080.10.120.140.240.290.40自重（ kg）1630184019502030335037503950锤式抓斗的工作过程如下：（1）抓斗在初始状态时，抓斗版呈打开状态。（2）当套管压入土中，卷扬筒突然放松，抓斗以落锤（自由落体）方式向套管内冲入切土。（3）收缩专用钢丝绳，并提升动滑轮，抓斗片即通过与动滑轮相连接的连杆，使其抓 土合拢。（4）继续卷扬收缩，抓斗被子提出套管。（5）松开卷扬筒，动滑轮靠自重下滑，带动专用钢丝绳向下。专用钢丝绳上凸缘滑过 下棘爪斜面，使抓斗松开弃土。锤式抓斗构造如图 3 所示：4.4 套管结构

11、全套管钻机用的套管一般分为第一节和标准节， 第一节一般长为 1.8m，标准节 2m 、3m、 4m、6m 等不同长度，施工时根据桩的长度进行配套使用。因套管进入土层的过程中承受较大的扭矩， 故套管一般均为双层结构。 套管由上下接头 和双层卷管焊接而成。 上下接头均为经过精确加工的雌雄接头， 便于套管准确连接， 并且有 互换性。套管之间的连接借助于内六角螺栓，下接头孔眼为光孔，上接头孔眼为螺纹孔。在第一节套管的端部连接一段带有刃口的短套管， 这些刃口都用硬质合金组成齿状的端 部，短套管的直径比标准套管大 20 40mm，在下沉过程中以减小上部标准套管与孔间的摩 阻力。表 3 套管尺寸参数表钻孔直

12、径（ mm）1000110012001300150018002000套管外径（ mm）980108011801280148017801980套管内径（ mm）89099010901190139016901890套 管 质 量 （kg）6m 管30603370410044005160788088104m 管20902300280030203510537060003m 管15801740210022802650408045502m 管11301240148016101870285031901.8m 管（第一 节）11701290142015401780259029105 施工准备5.1 技术准备（

13、1）熟悉桩基工程施工图纸，编制桩基施工组织设计或施工方案。（2）进行施工现场调查，弄清施工场地和邻近区域内的地下管线、地下构筑物等的调 查资料。（ 3）进行桩基施工所需水泥、砂石、钢筋等材料进场试验检测。5.2 现场准备（1）进行场地平整，对局部松软、淤泥进行换填夯实处理，保证钻机位置处平整、夯 实，避免在钻进过程中钻机产生机械倾斜，致使成孔偏心；清除杂物， 清除施工范围内的电 线、电缆、地下水管及其它障碍物；雨季施工应做好排水措施。（2）对于施工场地相邻的施工管线、建筑物等采取相应的隔离和保护措施。（3）场地平整后进行桩位放样，桩位采用全站仪测设，桩位放出后，钉好十字护桩， 做好测量核工作。

14、5.3 劳动力准备（ 1）对施工人员进行技术交底，将技术标准、施工方法、工艺要求、技术措施和必要 的操作规程、注意事项及安全、质量、工期要求等向施工人员进行交底并讨论清楚。（ 2）配备相应的桩基钢筋笼制作人员， 保证桩基钢筋笼的制作供应满足桩基施工进度。（3）配备混凝土搅拌及运输人员，保证桩基混凝土供应。6 全套管钻孔法施工工艺流程图图 4 全套管钻孔法施工工艺流程图7 全套管钻孔施工7.1 施工步骤见图 5。图5 施工步骤图7.2 基本原则（1）钻机就位后应将钻机用水准仪校正找平，成孔机具中心必须与桩中心一致。（ 2）压入第一、 二节套管必须竖直， 这是决定桩孔垂直度的关键。 在套管压入过程

15、中， 应用经纬仪不断校核垂直度。当套管发生倾斜时应拔出来重新埋设。（ 3）根据地质情况，确定套管刃尖与挖掘底面的关系。7.3 设备安装、运输与走行7.3.1 安装要点（1）将前车架吊放在一平整坚实的平地上，用专用长高压胶管把前支腿与后车架上的 油管连接起来。（2）主机慢慢地向前车架靠拢，垫块可先用螺栓固定在前车架上，用支腿液压缸调整 前车架的高度，对齐前后车架的螺栓孔后，将它们连接起来。（3）用前支腿液压缸与引拔提升液压液压缸调整夹卡的高度，使摇动大臂与摇动液压 缸相连。（4）平着吊起立柱，用卡瓦将立柱液压缸与立柱连在一起。立柱顶部落在车后的托架 上。（5）用立柱液压缸将立柱顶起竖直，安装斜撑

16、杆。（6）下套管时，斜撑处于后倾斜状态，挖掘时，斜撑处在竖直位置，连接抓斗钢丝绳 套，吊起抓斗后便可进行挖掘了。7.3.2 长距离运输由于全套管钻机的尺寸及重量均相对较大， 如 MT-150 型套管钻机长度近 11m，重量约 为 50t ，转场时进行长距离运输时需采用大吨位的拖车运输。运输时制定详细的装卸、加固 等技术方案和操作规程，并严格执行，确保合理装载、加固牢靠、安全装卸。运输时在钻机 最长、最宽、最高部位悬挂明显的安全标志，白天行车时，悬挂标志旗；夜间行车和停车休 息时装设标志灯，以警示来往车辆。7.3.3 场内运输及走行全套管钻机在施工场内短距离走行时可依靠走行装置驱动履带，钻机自行

17、移机就位。MT-150 型套管钻机每小时可行走 700 米左右。7.4 钻孔施工7.4.1 不同地质地层的开挖方法（ 1）软土地层作业（标贯值 N 小于 5）。对于软弱土层（标贯值 N 小于 5），应使套管超前下沉，可超出孔内开挖面1.0 1.5m，使落锤抓斗仅在套管内挖掘取土， 这样可以很好的控制孔壁质量及开挖方向。 若由于地下水 压力使砂粒从孔底向上隆起， 可向孔中投入比重较大的粘土以阻止砂土的上翻。 如图 6 所示。2）普通土层作业（标贯值N 小于 6-12 ）。对于一般土层（标贯值 N 小于 6-12 ），开挖时应使套管超前下沉 0.3m 左右，这是全套管钻 机最标准的开挖的方法。如图

18、 7 所示。（ 3）坚实砂地层作业。对于坚实砂地层， 由于在这种地层中套管的下沉是非常困难的， 应使用落锤抓斗超前下 挖 0.2 0.3m，尤其是对于地下水位以下的的坚实砂层，钻进中应将超前挖掘量控制在最小 量。 如图 8 所示。（ 4）碎石地层作业。 对于碎石地层，由于地层中存在碎石，应使用落锤抓斗超前下挖0.3 0.5m，否则套管下压过程中可能出现套管倾斜，不易控制套管的垂直度。如图 8 所示。（5）坚硬土层作业。 对于坚硬土层，应先利用“十字冲击锤”将硬土层击碎，再利用落锤抓斗将土块孔外。 此时也采用抓斗超前下挖的方法，而且超挖深度相对较大，但不宜超过十字锤本身的高度， 否则会影响孔壁质

19、量。如图 9 所示。7.4.2 钻孔开挖中的操作注意事项（1）钻机脚下地基须平整、稳固，一般铺设厚钢板或枕木，以满足地基应力的要求。（2）开孔下压套管，起始钻进速度宜慢，并反复校正套管，对其垂直度取决开挖后的 5 6m 深，否则再深就难以校正。（3）在掘进过程中应随时检查钻机的水平情况及时调整。在调整时应特别注意前支腿 的操作要求， 即必须抱管装置抱紧套管后， 才能收前支腿， 并在前支腿落实后才能松抱管器， 以免造成机身突然向前方倾斜及引起机身的平面移动。（4）一般情况下，开挖过程中途不允许间断，必须连续开挖。如果由于某一不可避免 的原因必须中断开挖时， 应继续摇动套管， 防止套管外侧土壤因重

20、塑固结而将套管夹紧， 给 后续施工带来困难。（ 5）如地下水位以下有超厚的细砂层，特别是层厚超过5m 时，若采用抓斗施工困难的，宜采用高压射水吸泥下沉并辅以套管驱压。（ 6）如地下有承压水的存在时，在承压水段开挖时不能超挖，严格保证孔内水头，特 别是在承压水又处于砂层中更应特别注意，否则可能出现孔底涌砂现象。（7）套管起吊时，应使用专用工具吊装，避免损坏套管螺纹。（ 8）抽拔套管困难或不能拔出的原因、措施和对策（见表4）。表 4 抽拔套管困难或不能拔出的原因、措施和对策序 号原因措施处理对策1套管周围摩擦力 大于机械抽拔能 力时（ 1）拔出困难时必然也 摇动困难， 故应先使其处 于容易摇动的状

21、态。 使用操纵转换， 开始用较 小的角度转动， 随着阻力 的减小再逐渐慢慢地恢 复正常状态， 然后再行拔 出 （2）不能拔动时，可考 虑其它方法如用油压千 斤顶等拔出。如强行摇 动，由于机械后部滑动使 机械处于不稳定状态， 担 心会导致摇动装置出现 故障和保险销的损坏等 情况发生。 如处于可拔出 状态时， 应做出连续拔出 的准备。（ 1 ）套管刃脚磨 损，使其与套管外 径之差减少时为了修正套管外径与其刃脚外径问合理的关系尺寸，必须对刃脚进行堆焊（ 2 ）周围地质的 摩阻力很大时反复上拔难以拔动时， 应重新考虑在施工方法的选择 上是否有问题（ 3 ）挖掘方法不 当时在粘性土，粉细砂等易于挖掘的土

22、层中下套管也要恰当，应使抓斗与套管刃脚大体保持在同一深度处挖 土，挖土时要对套管的摇动与上下移动反复进行。（ 4 ）混凝土灌注 方法不合适，致使 套管内侧受过大 的附着力时（1）勿使混凝土在竖向上与套管刃脚重叠部分过长。（2）套管上部使用条形板设备在灌注开始时，宜用 少量的混凝土，以能使其顺利地拔动、卸下为宜。（3）拌和之后历时较长的混凝土，在投入之前应对 其性质进行必要的检验。2机械能力不能充 分发挥或机械效 能下降时在施工开始前， 尤其在灌注混凝土前， 必须进行摇动 上拔使机械方向与套管方向 一致地朝向正确方向拔 动。此时如套管倾斜时， 应使 机械的状态与此相应适 应的进行校正。（ 1 ）

23、套管倾斜与 机械方向不一致 时不论哪种情况， 都应使机械的上拔方向与套管拔出方 向互相靠拢， 这时的拔出阻力将明显增大。 因此安装 机械的地基应保证足够的坚固，机械要正确的安装， 同时必须保持套管要有垂直度。（ 2 ）安置机械的 地基不好，或由于 安装不良，引起机 械的倾斜与套管 方向不一致时8 混凝土灌注施工8.1 混凝土灌注施工工艺参见“钻孔桩水下混凝土灌注工艺”。8.2 注意事项混凝土灌注时抽拔套管应注意以下事项： （1）灌注水下混凝土前，应对套管进行摇动及必要的上下移动，务必使套管处于易于 拔出的状态。（ 2）刚开始灌注混凝土时，套管应勤拔， 套管内混凝土的高度不得大于 6m，以策套管

24、 的可拔性。（3）采用双钩起重机进行拆除套管和导管的作业，用大钩吊住套管，小钩吊住导管， 上拔套管，确认钢筋笼未上拱后，拆除一节套管。（4）上拔套管需左右摇动，以便混凝土流入套管所占空间。（5）套管分开后，下节套管头用卡环保险以防套管下滑。根据测量混凝土面高度决定 拆除导管长度。 拆完导管后吊机一并将套管、 导管移开， 继续灌注混凝土， 进行下一个工作 循环。（6）混凝土的供应速度与拆除套管和导管的时间相匹配。9 质量控制9.1 成孔质量控制（1）桩位控制。用全站站仪精确测设桩中心位置， 钻机就位后用测量仪器校正找平， 确保钻机抱管器中 心与桩位中心一致。（ 2）垂直度控制。1）套管的顺直度检

25、查和校正。钻孔咬合桩施工前， 在平整地面上进行套管顺直度的检查和校正。 首先检查和校正单节 套管的顺直度，然后将按照桩长配置的套管全部连接起来，套管顺直度偏差控制在1 2。检测方法为：在地面上测放出两条相互平行的直线，将套管置于两条直线之间，然后 用线锥和直尺进行检测。2）成孔过程中桩的垂直度监测和检查。地面监测： 在地面选择两个相互垂直的方向， 采用经纬仪全过程监测地面以上部分套管 的垂直度， 发现偏差随时纠正。 这项检测在每根桩的成孔过程中应自始至终进行， 不能中断。孔内检查：每节套管压完后，安装下一节套管之前，都要停下来用 “测环 ”或“线锥”进行 孔内垂直度检查。不合格时应进行纠偏，直

26、至合格才能进行下一节套管施工。3）纠偏。成孔过程中如发现垂直度偏差过大， 必须及时进行纠偏调整。 如果偏差不大或套管入土 不深（ 5m 以下），可直接利用钻机的两个顶升油缸和两个推拉油缸调节套管的垂直度。如 果入土 5m 以下发生较大偏移，可先利用钻机油缸直接纠偏。如达不到要求，可向套管内填 砂或黏土， 一边填土一边拔起套管， 直至将套管提升到上一次检查合格的地方， 然后调直套 管，检查其垂直度，合格后再重新下压。（ 3）套管压入与取土控制。套管压入与抓斗取土是咬合桩成孔的主要工序， 二者应同步进行， 在摇摆、 下压套管的 同时，用抓斗从套管内取土，达到成孔的目的。针对不同的地质，应采取不同的

27、开挖方式， 避免出现坍孔、涌砂、缩径等事故，影响成桩质量。（4）清孔。灌注混凝土前应检查孔底沉渣， 沉渣厚度超标应进行二次清孔。 清孔可采用潜水泵吸出 了空所吸泥机吸出进行清孔。潜水泵固定在距孔底 30cm 以上的高处，在吸水的同时，不断 供水，使套管中的水面大致保持不动。9.2 成桩质量控制（1）套管埋置深度控制。在混凝土灌注过程中， 需及时测量混凝土面高度， 掌握套管的埋置深度， 同时全套管钻 机应不停地做摇摆和少量上拔套管的动作。 防止因孔内混凝土高度不足， 而不能抵抗周围地 层压力，造成桩体缩颈（或素桩混凝土流入钢筋桩内），同时防止套管埋置深度过深，使套 管因内外管壁摩阻力过大而不能拔

28、出。套管埋置深度一般应控制在 2 5m，埋深达到 4m 时应立即提升套管。（2）钢筋笼上浮控制。混凝土灌注过程中， 由于套管内壁与钢筋笼外缘之间的空隙较小， 在上拔套管时， 钢筋 笼可能被套管带着一起上浮。预防措施主要有：1）适当调整桩基钢筋笼的主筋净保护层，一般不小于8cm，保证套管内壁与钢筋笼外表之间的距离不小于混凝土中粗骨料最大料径的两倍。2）仔细检查制成的钢筋笼尺寸，钢筋笼搭接时不应有弯曲的现象。3）钢筋笼制成后，在其底部焊上十字型钢筋，将预制混凝土板放置于交叉的底部上， 由导管灌注的混凝土积压在预制板上作为坠重压载。4）随时检查套管尺寸，灌注混凝土后，用水彻底清洗套管内部。5）重复地

29、夹持和松开套管夹紧装置， 使套管摇晃使其向同一方向转动12 次，以消除摩擦阻力。 灌注混凝土前， 使套管来回摆动并上下移动， 以检查钢筋笼是否与套管卡在一起。6）混凝土灌注必须按操作规程进行，混凝土坍落度、和易性必须达到设计规范要求。10 安全控制（1）建立健全安全管理体系，成立安全管理机构，制定切实可行的安全管理措施及操 作规程。（ 2）配备专职安全员，加强安全教育，贯彻 “安全第一、预防为主 ”的方针 ,岗位分工明 确，不准混岗作业，特殊工作须持证上岗。（ 3）安装钻机前，应掌握地质勘探资料，并确认地质条件符合该机的要求，地下无埋 设物， 作业范围内无障碍物， 施工现场与架空输电线路的安全距离符合要求。 钻机安装场地 应平整、夯实，能承载该机的工作压力；当地基不良时，钻机下应加铺钢板防护。（4）安装钻机时，应在专业技术人员指挥下进行。安装人员必须经过培训，熟悉安装 工艺及指挥信号，并有保证安全的技术措施。（5）作业前应进行外观检查并