超深大桩基钻孔灌注桩质量控制措施

超深大桩基钻孔灌注桩施工技术【摘要】在深大（大于75米）钻孔灌注桩施工过程中，钻孔设备、泥浆护壁、桩底沉渣处理、钻孔垂直度控制及水下混凝土灌注是成桩技术的关键，本文结合具体工程实践，对以上关键技术所采取的措施及工程效果作了较全面地介绍。【关键词】钻机；深桩钻孔；泥浆护壁；垂直度随着城市建设日益向地下和地上空间发展，高层建筑对地基基础承载力要求越来越高，在基础工程实施前期基坑未开挖情况下，需要通过对基础桩的试验桩成桩施工和承载力测试，以确定基础桩成桩施工工艺，取得承载力试验值，为设计和施工提供依据。本文主要介绍某工程试验桩深桩施工方法。1工程概况本工程位于北京，相对标高±0.000相当于绝对标高＋39.00m。本次基础桩施工在地面进行，属于试验桩施工。1.1工程地质概况图1试验桩平面布置图本工程地质情况如下：杂填土①，厚度1.70～6.00m，由砂土及建筑垃圾等组成；素填土②，厚度0.90～2.20m以粉质粘土为主；粉土③，厚度3.00～8.40m；③1粉质粘土，厚度1.10～2.60m；④粉细砂，厚度1.60～5.30m，主要成份为长石、石英，含少量圆砾。⑤圆砾，3.40～5.90m，含卵石10%左右，充填中粗砂30%左右，含潜水。粘质粉土⑥，厚度1.50～6.50m；⑥1粉土，0.50～4.90m；⑦1细砂，2.90～5.20m，主要成份为长石、石英，含少量卵石，含承压水。⑦卵石，4.40～7.400m，成份主要为岩浆岩，承压水分布广泛；⑧粘土，4.90～7.40m，含氧化铁及姜结石；卵石⑨，4.00～6.00m，充填中粗砂；粘土⑩，4.60～5.90m，⑩1粉土，1.20～1.80m，⑾卵石，1.50～4.90m，成份主要为岩浆岩一般粒径为2～6cm，最大达8cm；⑿粉质粘土，最大14.70m，层底埋深大约72m；图1试验桩平面布置图1.2水文地质概况潜水主要埋藏在圆砾⑤层中，该层水位约在-14.00m左右。承压水主要埋藏在细砂⑦及卵石⑦1层中，该层水的水位埋深在-25.1m左右,承压水头约6.00m。1.3钻孔灌注桩设计概况本工程共计有8根桩，其中2根试验桩，6根锚桩，试验桩桩底标高为-75.0m，锚桩桩底标高分别为-75.0m、-53.0m。试验桩桩顶设计标高为-18.50m，锚桩桩顶标高为＋0.50m，桩直径均为1.2m。混凝土设计强度等级为C40。对试验桩进行超声波测试，静载试验，低应变测试。详见表1。试桩设计参数表1组别序号桩号桩径（mm）桩底标高（m）桩顶标高（m）桩长（m）主筋直径(mm)测试方法备注第一组1TP11200-75.0-18.57530Ф28/16Ф28静载试验钻孔取芯超声波低应变不做后压浆2AP11200-53.0+0.553.532Ф32/20Ф32低应变3AP21200-53.0+0.553.532Ф32/20Ф32超声波低应变4AP31200-75.0+0.575.532Ф32/20Ф32低应变钻孔取芯5AP41200-75.0+0.575.532Ф32/20Ф32低应变钻孔取芯超声波第二组6TP21200-75.0-18.57530Ф28/16Ф28静载试验钻孔取芯超声波低应变桩端后压浆7AP31200-75.0+0.575.532Ф32/20Ф32低应变钻孔取芯8AP41200-75.0+0.575.532Ф32/20Ф32低应变钻孔取芯超声波9AP51200-53.0+0.553.532Ф32/200Ф32低应变10AP61200-53.0+0.553.532Ф32/200Ф32低应变2钻孔灌注桩施工2.1施工设备选择本工程成孔深度达75m，地层中卵石层总厚度达23m，详见地质概况，卵石砾径最大达19cm，为此，根据钻孔工艺和钻孔深度，对旋挖钻机，反循环钻机进行了详细的比较，见表2，表3。反循环钻机与旋挖钻机施工工艺对比分析表表2主要设备反循环旋挖GPS系列钻机意大利土力公司系系列钻机成孔原理钻孔时利用砂石泵泵将孔底破碎碎的泥渣从钻钻杆内孔吸出出，泥浆从地地面直接注入入孔内通过大功率电机带带动钻杆旋转转，带动筒状状土斗旋切取取土，再将土土斗提升排土土，泥浆从孔孔口排放进入入护壁，多次次反复钻取，完完成桩孔护壁方式原土造浆，可适当当加红土或澎澎润土澎润土配置泥浆，可可重复利用排渣方式采用砂石泵通过钻钻杆中心孔内内吸取孔底渣渣土，并在沉沉淀池中沉淀淀筒状土斗旋切取土土，提升出孔孔口后，直接接自动打开底底盖弃土清孔方式旋转不进尺放清水水冲洗孔底成孔后沉淀0.55小时左右，然然后用旋挖钻钻斗钻取沉淀淀物。遇卵石层处理方法法卵石层处钻进缓慢慢，大砾径卵卵石不易钻下下，采用卵石石钻头，破碎碎或向下集中中，用冲抓器器抓起卵石10cm以内的可可以很快钻过过去，过大卵卵石用钻头磨磨碎，也易钻钻下去对环境污染泥浆较多，场地内内文明施工差差钻出土及时用铲车车运走，场地地文明施工较较好钻进时间（75m深）5天左右1天左右成孔质量成孔良好成孔良好，垂直度度可以保证旋挖钻机与反循环钻机性能参数表表3性能参数土力R-622HD((旋挖钻机)GPS-20000（反循环钻钻机）最大钻径（mm）25002500最大钻深（m）77100最大扭矩（t·mm）2230最大钻速（转/分分钟）34147主卷扬单绳提拔力力（t）20501辅助卷扬单绳提拔拔力（t）10～14—发动机功率（KWW）30037钻压力（t）27～20—工作重量（t）65～7040通过上面表2、表3看出，旋挖钻机成孔工艺和性能比反循环钻机好，最后决定选用R622HD型旋挖钻机钻孔施工，为了对比成孔施工，其中一根锚桩采用反循环钻机钻孔，反循环钻机选用GPS－2000型钻机。在旋挖钻机和反循环钻机对比后，还考虑了冲击反循环钻机的性能。冲击反循环钻机优点是适用地层广，尤其卵石地层，其垂直度和钻孔都有保证。缺点是钻孔时间长，施工时震动噪音较大，在城市中心地区不宜使用此设备。2.2施工工艺流程（1）旋挖钻机施工工艺：测量放线→安装护筒→泥浆制备→钻头调整对中→钻进至设计桩底→清孔底沉渣成孔→检测孔径→安装钢筋笼→二次清孔底沉渣→安装导管→灌注混凝土成桩。（2）反循环钻机施工工艺：测量放线→挖泥浆坑→埋设护筒→反循环钻机钻头对正桩中心→放水和红土钻进至设计桩底→第一次清孔合格→吊装钢筋笼→下导管→二次清孔底沉渣→灌注混凝土成桩。2.3钻孔灌注桩施工2.3.1钻孔前准备（1）钻机设备的准备：考虑扭矩和最大钻深等参数，施工钻机采用R622HD型旋挖钻机，钻杆采用专用的加长型钻杆。运到现场后组装，对钻机设备进行系统的检查和调试，使设备处于运行最佳状态。对钻头进行加固维修，准备好足够的钻齿。反循环钻机选用GPS－2000型钻机，准备取卵石的冲抓设备，在反循环钻不动时，用冲抓设备抓取卵石。（2）现场场地准备：在施工前，做好场地平整，并进行硬化处理，探明并处理好地下各种管线，防止钻机钻孔施工时产生不均匀下沉。对现场外围的管线，做好标志。图2钢护筒定位（3）埋设护筒：钻孔前在测定的桩位上准确埋设护筒，护筒长度为2m，并确保护筒底端落在原状土层上。护筒直径大于设计桩径10cm，即直径1.3m，确保筒壁与水平面垂直。护筒定位前应先对桩位进行复核，然后以桩位为中心，定出相互垂直的十字控制桩，并用十字线控制桩中心，挖护筒孔位，吊放入护筒，用十字线校正护筒中心及桩位中心，使之重合一致，并保证其护筒中心位置与桩中心偏差小于图2钢护筒定位2.3.2钻机钻进钻机就位，将钻头对准桩位，复核无误后调整钻机垂直度。按照设计孔深钻孔，并准确控制钻进深度。钻进过程中注意不要碰撞护筒，开孔和孔上部要缓慢钻进，控制垂直度，在不同地层调整不同的钻速。2.3.3垂直度控制在钻机站位处地面硬化找平，钻进过程中，采用两台经纬仪和工程检测尺随时观测检查垂直度，配合钻机驾驶室内的控制垂直度仪表调整和控制钻杆垂直度；边钻进边补充泥浆，同时及时清理钻出的渣土。在钻孔过程中，为确保钻孔垂直度，采取以下措施：（1）地面场地平整压实，防止钻孔过程中钻机基础变形；（2）施工前对钻机的钻杆垂直度进行校正；（3）钻机对位时，通过钻机立杆上面的两个方向水泡及钻机驾驶室内的水平居中电脑显示器调整垂直度；（4）在开钻前，用经纬仪在相互垂直的两个方向检查钻杆的垂直度，并随时在钻进过程中进行检查。（5）钻机在钻到卵石地层时，要掌握好进尺速度，尤其注意钻到卵石地层和粘土层交界位置，严格控制钻机进尺速度，防止钻头偏向软层；（6）在钻机移位后二次钻孔时，要仔细对中，调好垂直度后才能开始钻进；（7）在钻孔过程中，如果出现偏差，则提出钻头，旋转钻头向下缓慢回转钻进，进行修正，直到合格为止。2.3.4护壁泥浆由于本工程地质条件比较复杂，钻孔要多次穿过砂卵石层，泥浆的质量关系到钻孔的成败，因此必须对泥浆进行仔细研究。根据本工程地层条件，砂卵石层比较厚，卵石地层泥浆漏失较大，成孔深度大以及施工时间比较长，要求泥浆护壁功能良好，确保卵石地层长时间不塌孔，采取以下针对性措施。（1）针对本工程最容易坍塌的砂卵石层，反复进行泥浆配比试验，选择最优配方；（2）及时对泥浆质量进行监测，及时反馈，以便调整泥浆性能，保证质量；（3）对孔内排出的泥浆，及时进行除砂处理，以保证重复利用；（4）当泥浆性能变坏时，要及时废弃，更换优质泥浆。（5）在施工前要储备足量的泥浆，确保孔内泥浆漏失时得到及时足量的补充。（6）为保证护壁质量，现场准备膨润土，采用钠膨润土，掺加外加剂护壁泥浆。新鲜泥浆配合比为膨润土：3%～10%；纯碱：1%；CMC：0.1%。（7）泥浆搅拌水用自来水；膨润土采用钠膨润土；增粘剂为羟甲基纤维素CMC，易溶高粘。（8）泥浆主要性能测试指标及测试方法见表4。泥浆主要性能测试指标表表4序号项目性能指标测试方法1比重1.05g/ccm3～1.2g/ccm3泥浆比重称2粘度19～25秒500cc/7000cc漏斗斗法3含砂量<4%含砂量仪4PH值7～12PH试纸（9）在测定泥浆材料性能的基础上，及时试配泥浆的最佳配合比。成孔后在泥浆面以下取样一次，清孔后测一次，新制配泥浆应测试合格后方可使用。（10）在钻孔过程中，到砂卵石层时要随时检测泥浆质量，进行调整。（11）反循环原土造浆反循环钻机开始钻孔前需要挖好泥浆池，尺寸为5m×7m×2m，在泥浆坑内提前储备清水。泥浆坑周围打好围护栏杆，安装好泥浆循环泵，挖好泥浆排放沟；在钻进过程中适当加入一些膨润土或红土调节泥浆粘度，并保证孔内泥浆液面保持稳定。在成孔过程中，倘若泥浆漏失量过大，应及时用稠泥浆或投入粘土钻进，来封堵孔隙和漏失通道。泥浆池内的沉淀物及时用挖土机清理，清除的渣土放在指定地点。反循环泥浆性能技术指标见表5。清孔后泥浆性能技术指标表5项次项目技术指标1泥浆比重≤1.20g/ccm32粘度17s-18s3PH值8～104含砂量≤3%图3图3旋挖钻机挖出的卵石本工程钻孔施工中将穿透三层卵石层，卵石层厚度最大达8m以上，卵石砾径与地质勘探报告有很大变化，见图3。不论对于反循环钻机还是旋挖钻机，当钻进深度过大以及在穿透卵石层时，都存在由于扭矩过大造成钻杆扭断、钻头被卵石卡住等问题，因此对施工中遇到的问题采取以下措施。（1）钻到卵石层时采用低速挡，卵石层钻速以钻杆不发生跳动为准。（2）机械钻进破碎：采用硬质合金钻头回转挤压，将大粒径卵石破碎成小块，然后由钻斗带上来。（3）抓取：反循环钻机钻进时，频繁上下活动钻头，将少数大卵石一直向下集中，然后换用冲抓器抓出卵石，直到符合设计孔深要求，此方法钻孔施工速度较慢。（4）在钻进过程中，保持孔内泥浆液面，确保泥浆护壁质量，防止塌孔。2.5在成孔施工中旋挖钻机和反循环钻机的比较在钻孔施工中，主要采用旋挖钻机成孔，钻机型号为R-622HD，钻孔设计深度75m，直径1.2m，成孔时间12h，能够挖取直径18m～20cm的卵石，通过井径仪测试钻孔在不同深度下的直径和垂直度，效果好，钻孔最深时达到76m。施工时采用反循环钻机成孔，设计深度54m，反循环钻机型号为GPS-2000，由于卵石较大，并且密集，在钻到30m深时，用15天时间处理卵石层，钻进十分困难，只得换用旋挖钻机钻进剩余的24m孔深，快速达到设计深度，卵石层对旋挖钻机钻进的速度影响不大。通过钻孔施工对比看出，从钻孔时间上，旋挖钻机比反循环速度快；从钻孔穿越卵石层上，旋挖钻机占据较大优势，能够顺利穿越卵石层；从工期上旋挖钻机可保证工期；从成孔质量上看，旋挖钻机和反循环钻机都能保证质量；由此看出，采用旋挖钻机成孔是施工最佳选择。2.6第一次清孔图4超声波井径仪测出的孔壁图钻孔深达到设计规定后，孔内泥浆静止0.5h至1.0h，泥浆中的杂质沉淀后用旋挖钻机进行第一次清孔，清孔后沉碴厚度不大于100mm，泥浆指标达到要求。清孔时，孔内水位应保持在护筒下图4超声波井径仪测出的孔壁图2.7成孔检验在清孔完毕后，吊装钢筋笼之前，检查成孔质量，见表6。钻孔作好钻进施工记录和泥浆质量检查记录，用井径仪测试钻孔在不同深度下的直径，见图4。井径仪采用KE-200型超音波侧壁测定仪，据此分析孔壁在任何深度的偏差，到达孔底后测出总偏差，直接得出孔的偏差值。通过测试，结果垂直度偏差都在孔深的1/%之内，垂直度全部合格。表明采用旋挖钻机钻75m深的孔，其垂直度控制很好，成孔是成功的。成孔后质量控制值表6项目孔径孔深垂直度桩位泥浆指标测试孔底沉渣厚度允许偏差±50mm+500mm<1%L50mm比重<1.2gg/cm3，粘度19～25s，PH值7～12<100mm2.8钢筋笼吊装桩钢筋笼长75m，分成三节加工，每节长度为25m，钢筋笼上下两节连接采用帮条焊焊接，钢筋笼吊装采用50t履带吊和40t履带吊起吊，下节钢筋笼首先下放至护筒口，然后再吊起上节。由于钢筋直径大，焊缝长，根数多，每根桩焊接钢筋笼的时间长达6～8h，随时间增长，孔底沉渣厚度加大，在钢筋笼焊接完毕入孔后，灌注水下混凝土之前，需要对孔底进行第二次清孔。2.9第二次清孔第二次清孔在钢筋笼安装完成之后进行。由于成孔后钢筋笼安装时间比较长，孔内沉渣厚度和下部泥浆会超过质量控制标准，需要进行第二次清孔。清孔采用方法有正循环换浆方法和反循环换浆方法。（1）正循环压浆换浆方法：安装完钢筋笼后，立即安装导灰管，在导管上端加一个封口帽，帽顶部连接一个接口管，另一端接通泥浆泵。由于导灰管密封不漏水，因此用泥浆泵通过导管向孔底部压入新泥浆，吹起底部沉淀物，孔口用泵向外抽出旧泥浆，这样底部的沉淀物悬起来上升，随着泥浆抽出孔外，同时孔内底部补充新鲜泥浆，达到沉渣厚度不大于100mm，泥浆质量达到要求标准。这种置换泥浆和清孔方法需要1.5～2h即可，在置换完泥浆后，导管内需要消除压力差，让导管内的泥浆面和孔内泥浆面相平，静止后量测孔底沉渣不大于100mm，立即灌注混凝土成桩。见图5。图5正循环换浆法示意图图6反循环换浆法示意图（2）气举反循环换浆法：安装完钢筋笼后，在孔口安放卡子，用吊车吊起换浆管安装，换浆管每节6.0m，直径120mm，同时安装送气管，安装好后，一端接空压机，用空压机向铁管内压气，孔底泥桨和沉渣通过铁管被吸出孔外，同时从孔口补充新泥浆，这样，把孔底沉渣吸净，换成合格的泥浆即可。整个换浆过程时间较长，需要8h左右，但换浆比较彻底，能够保证在混凝土灌注之前沉渣小于100mm图5正循环换浆法示意图图6反循环换浆法示意图通过施工验证，这两种二次清孔方法都取得良好效果。2.10水下混凝土灌注钢筋笼安装完成，孔内沉渣清理完毕后，立即灌注水下混凝土成桩。水下混凝土灌注是成桩的关键，导管必须密封不漏水，混凝土必须达到技术要求，在深孔情况下做好安装导管和拆除导管记录。导管技术要求（1）选择导管直径为25cm。（2）导管组装时接头必须密合不漏水，要求加密封圈，黄油封口。（3）在第一次使用前应进行闭水压力试验，试水压力0.6～1.0Mpa，不漏水为合格。（4）导管底端至孔底标高上50～60cm。水下灌注混凝土（1）对混凝土的技术要求：混凝土强度为C40，水灰比不得大于0.55；每立方米水泥用量不得少于500kg/m3；粗骨料（碎石）最大粒径不得大于25mm，塌落度180～220mm，扩散度为34cm～45cm，采用普通硅酸盐水泥，可适当掺加高效减水剂，掺量根据试验确定。不允许任何含有氯化钙的外加剂用在混凝土配合比中。配制的混凝土应该密实，具有良好的流动性和和易性。试配成的混凝土强度应比设计桩身强度提高20％左右。（2）混凝土必须有配比单，混凝土配合比设计应在灌注混凝土施工前14天提交，以供审批。所有出厂商的物料质量证明书存放工地备查。包括原材(水泥、砂、石、外加剂)出厂合格证、原材试验报告。（3）混凝土灌注前，委托有资质的试验室在具有认可专业资格的工程师监督下进行指定的有关实验。（4）混凝土骨料测试骨料来源及供应批准后，对骨料进行以下试验。颗粒分析，土的含量，有机物的测试分析，含盐量，重量比，吸水量，有效直径等，将这些测试结果提交有关单位审批。（5）混凝土灌注前必须重新检查成孔深度并填写混凝土浇注申请，合格后方可浇注。（6）混凝土灌注前必须检查混凝土塌落度、和易性，混凝土运到灌注点不能产生离析现象。（7）导管内使用的隔水塞球胆大小要合适,安装要正,一般位于水面以上。灌注混凝土前孔口要盖严，防止混凝土落入孔中污染泥浆。在漏斗内加装网格篦子，防止混凝土中的大石块落入导管内堵塞导管。（8）首灌量应灌至导管下口2m以上。混凝土灌注时，导管下口埋入混凝土的深度不小于1.5m，不大于６m，设专人及时测定，以便掌握导管提升高度。每次拆卸导管，必须经过量测，计算导管埋深,然后确定卸管长度,使混凝土始终处于流动状态，作好水下混凝土灌注施工记录。混凝土灌注必须连续进行，中间不得间断。拆除后的导管放入架