潜水抽浆泵(超长钻孔灌注桩施工工艺)

Posted 2023-06-01

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潜水抽浆泵(超长钻孔灌注桩施工工艺)

王岩

中铁十二局沙埕湾跨海公路通道A2合同段

摘要：本文结合福州绕城公路东南段A7合同段琅岐互通工程施工实例，主要介绍海积平原砂、卵砾石地质大直径超长钻孔桩的应用，对海积平原砂、卵砾石地质大直径超长钻孔桩的施工工艺详尽阐述，并对超长钻孔灌注桩桩成桩常见问题及预防措施进行探讨，以供类似工程有所借鉴。

关键词：接力;灌注桩;施工控制;

1 工程概况

福州绕城公路东南段设计为双向六车道，设计速度为100km/h，路基宽度33.5m，全长73.975km。中铁十二局集团有限公司承建的A7合同段里程为K29+410～K33+099，全长3.689km，合同段内有琅岐特大桥1号桥和琅岐互通桥，设计桩基29734m/455根，主要桩径为1.8m，其中桩长超过50m桩基占总桩数的90.8%，桩长超过70m的桩基占总桩数的77.1%。

2 钻机方案比选

钻孔灌注桩施工中成孔设备的选择是比较关键的环节，钻机的选择是否得当，决定了整个桩基础工程的盈利指标。通过对几种常用钻孔机械的技术特点概括、结合我部海积平原砂、卵砾石地层的适应性分析以及技术经济阐述来确定适合我标段的钻机型号。

钻孔灌注桩不受地下水位影响，可以穿越各种土质复杂或软硬变化较大的地层(如各类砂土、粘性土、碎砾石土、卵石层、风化岩及多夹层的岩层)对地基进行加固处理，具有承载力大、施工设备简单、方便快捷、安全性好等诸多优点。我部把桩基础施工部分作为研究对象，钻孔灌注桩施工工艺过程繁多，在整个施工过程中，关键环节是钻孔，钻孔速度的快慢和成孔的质量在整个桩基施工过程中居于主导地位，钻孔机械就是灌注桩基础施工的主导机械，因此对钻孔机械的比选尤为重要。在该地层哪些钻机可以成孔，成孔的效率、消耗如何，只有全面分析各类钻机的性能指标，才能找到该工程最为合适的施工钻机。

2.1 冲击钻

冲击钻机是一种比较传统的钻进机具，依靠冲击锤进行冲砸，泥浆正循环翻渣，上下往复冲击将土石劈裂、砸碎，部分被挤入孔壁之内，普通泥浆护壁。适用于常见的所有填土层、粘土层、密实砂层、圆砾层、卵石层及岩石层，但在大漂石、卵石层及微风化地层中进尺缓慢，且冲击锤容易损坏。冲击钻具有地层适应范围广、施工速度快、场地环境要求小、造价较低等特点。但同时冲击钻劳动强度大，泥浆循环要设立泥浆回流池占地大，产生的泥浆不易外运，施工震动噪音大。

2.2 回转钻机

回转钻机是一种在我国应用时间最长、范围最广、市场保有量最大的成孔机具，该种钻机除在较大的卵石层钻进较为困难外，在其它各种常见地层均有良好的适用性。回转钻机根据排渣方式的不同分为正循环和反循环两种，反循环又细分为泵吸、气举、孔底泵送(射流)三种。在素土层、粘土层及砂土层常采用正循环，在卵石层、砂卵石夹层、岩石层及孔底清渣常采用反循环。根据地层不同，钻头可采用不同形式，特别是在钻进坚硬岩石层时需配置滚刀钻头或牙轮钻头，回转钻机的钻孔直径可达1.5～3m，深度可达百米。正、反循环回转钻机具有应用范围广、护壁效果好、成孔质量高，施工无震动、无噪音、机具操作方便、造价较低等特点。但同时其在复杂地层成孔效率较低，施工现场用水量大、泥浆排放量大，扩孔率较难控制，又很难在较大的卵石、漂石、基岩上施工，特别是在坚硬地层中进度缓慢，施工成本直线上升。

2.3 冲击正循环钻机

冲击正循环钻机是一种将传统的冲击钻机与正循环排渣工艺相结合的新型大孔径钻机。即利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用泥浆泵输送泥浆到孔底正循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外，该种钻法施工成本低、清孔较干净、针对不良地层孔壁保护效果好、广泛适用于各种复杂地层施工。

冲击正循环钻机与回转钻机各有各的优点，一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时，回转钻机要比冲击正循环钻机施工快1.1～1.3倍，且成本消耗较低。但在较大卵砾石层及基岩施工中，冲击正循环钻进明显比回转钻进要快2～3倍，尤其在一些砂、卵石地层，冲击正循环在施工复杂地层即卵石层及卵砾夹石层时成孔速度优越性更加显着，在成本消耗方面在卵、砾石层，漂石，基岩施工中，冲击钻进效率高，而回转钻机钻进速度慢，成孔周期长，成本比冲击钻进大3倍以上，如遇大漂石、大块石、硬度较高的花岗岩回转钻机很难钻进，只能用冲击正循环钻机来完成。

但同时冲击正循环钻进振动对周围环境影响很大，特别是冲击下部坚硬基础岩面时，冲击振动对周围产生很大噪音，另外钻机功率大、耗电量高、结构复杂、体积大、搬迁运输成本也较高。

2.4 旋挖钻机

旋挖钻机是近年来发展最快的一种新型桩基成孔施工方法，它通过钻杆和钻斗的旋转，以钻斗自重并加液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土，通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆护壁，反复循环而成孔。旋挖钻机适用于各类粘土、粉土、密实砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地层，借钻具自重和钻机加压力，耙齿切入土层，在回转力矩的作用下钻斗同时回转配合不同钻具，适应于干式(螺旋)、湿式(回转斗)的成孔作业。目前，旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m(主要集中在40m以内)，最大钻孔扭矩620kNm。旋挖成孔的施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔效率高、适应性强等特点，大大缩短了工期，废浆少，低噪音，污染小保护了环境，克服了机械成孔时孔底沉淤土多、桩侧摩阻力低、泥浆管理差的缺点，极大地提高了施工质量。但其缺点是对于厚度较大的松散砂层在钻进时易塌孔，在卵石含量较大的卵石层钻进时速度慢，不适用于坚硬岩石层入岩施工。旋挖钻机一次投入费用较大，但成孔费用消耗等经济技术指标比其他方法成孔费用低，应结合工程规模、工程量和施工进度综合考虑。

3 地层适应性的应用比选

由于地质情况复杂多变，不同地区间地层差异很大。所以在具体工程确定后，通过实地踏勘结合岩土工程勘察报告对所要施工地层的地质年代构造和岩性做到详细了解，并详细分析各种土工试验指标，从而做到准确地对钻机进行初步适应性选型。

根据地层特点和各类钻机的特性，我们可作出如下比选:

(1)对于填土层、粘土层、粉土层和密实砂层，可选用冲击钻机、正循环回转钻机和旋挖钻机;

(2)对于粘土层、较松散砂层、淤泥质土层，可选用正循环回转钻机和旋挖钻机;

(3)对于砂层、砾石层、砂砾夹层和卵砾夹层，可选用冲击钻机、反循环回转钻机、冲击正循环钻机和旋挖钻机;

(4)对于密实砂层及卵石含量大于2O%粘土层或粒径大于25cm的漂石地层及超过20cm的卵砾夹层，可选用冲击钻机或冲击正循环钻机;

(5)对于软岩、强风化岩、破碎岩，可选用冲击钻机、正循环回转钻机;

(6)对于弱风化、微风化及坚硬岩石的入岩，可选用实心锤冲击钻、回转钻机(配牙轮或滚刀钻头)。

本合同段桥梁沿线存在大面积软土地层，表层局部为素填土及粉质粘土，厚度一般为1～2m;其下为海积成因的淤泥，多呈流塑状，含水量约为34%～71%，天然孔隙比约1.583～1.993，压缩系数为0.65～1.50MPa-1，一般厚度约3.00～15.80m;下部为含泥量高的稍密～中密粉细砂，厚度6.10～64.20m不等，厚度变化大。工程地质条件差，砂质长桩基施工成孔难度较大，个别桩基底部卵石粒径较大。通过对本合同段桩基地质层深度及类型的分析，初步选定上部淤泥、细砂及砾石层可用回旋钻反循环施工工艺，能较快钻孔，防止长时间施工孔壁坍塌，底部较大卵石层采用冲击钻正循环，利用高质量泥浆护壁加固孔壁，确保长时间钻孔不发生缩颈或坍塌。

4 钻机选型配置

本合同段共有桩基455根(端承桩86根、摩擦桩369根)，总桩长29588(端承桩4087m、摩擦桩25501m)，结合项目部桩基6个月的施工工期，通过以上比选我标段拟采用冲击钻机24台，用于施工端承桩和摩擦桩大直径卵石地层;回旋钻机8台，用于施工摩擦桩上部淤泥、细砂及砾石层。

根据地质资料和设计桩长等因素，钻孔灌注桩施工采用回转钻进、泵吸反循环为主的成孔工艺，1座HZS180拌和站拌和混凝土，4台罐车进行水下混凝土灌注。

钻机的扭矩是影响工程施工进度的关键因素，根据本工程的地层情况和钻孔深度，选用邯郸市田野机械集团有限公司生产的FXZ-400型反循环钻机，同时选用泵吸反循环排渣组件，以提高效率。中风化及卵石层选用徐州海格力斯机械制造有限公司厂生产的HCZ-8型正循环冲击钻，钻机参数如下:

邯郸田野FXZ-400型钻机:FXZ-400型钻机为龙门桁架结构双层滑橇式底盘转盘类工程钻机。机械驱动转盘，液压驱动卷扬，积木机构分体运输，滚轮移机。配置相应反循环组件可实现泵吸反循环排渣钻进。

5 钻孔灌注桩施工工艺

5.1 施工准备和护筒埋设

5.1.1 施工前的准备

根据设计图中经校核无误的桩位座标用全站仪精确放样，并在四周定出四根不易受到破坏的护桩，以进行护筒精确定位。修建循环泥浆池，以供泥浆循环使用，同时修建蓄浆池存放泥浆，以免多余泥浆溢出而污染环境或农田等。

5.1.2 护筒埋设

护筒直径为2.2m，长3.0～6.0m，护筒高出地面30cm或水面1.0～2.0m。埋设护筒时，先将护筒底用粘土填筑，进行夯实处理，将护筒垂直放入坑中，并根据四周的栓桩将护筒对中定位。护筒四周用袋装土分层填筑夯实，以免钻孔过程中护筒发生偏移、下沉现象。

5.2 钻进成孔

5.2.1 开钻

淤泥、砂质及卵砾石层采用泵吸反循环工艺成孔。开钻时，为防止堵塞钻头的吸渣口，将钻头提高距孔底约20～30cm，将真空泵加足清水(为便于真空启动，不得用脏水)，关紧出水控制阀和沉淀室放水阀使管路封闭，打开真空管路阀门使气水畅通，然后启动真空泵，抽出管路内的气体，产生负压，把水引至泥石泵，通过沉淀室的观察窗看到充满水时关闭真空泵，立即启动泥石泵。当泥石泵出口真空压力达到0.2MPa时，打开出水控制阀，把管路中的泥水混合物排到沉淀池，形成反循环后，启动钻机慢速开始钻进。

5.2.2 接长钻杆

当一节钻杆钻完时，先停止转盘转动，并使反循环系统延续工作至孔底沉渣基本排净(约需1～3分钟)，然后关闭泥石泵，接长钻杆;在接头法兰盘之间垫3～5mm厚的橡皮圈，并拧紧螺栓，以防漏气、漏水;然后继续钻进。

5.2.3 控制钻速

在护筒内钻进时钻机的转速控制在14转以下，使进尺速率保持在0.8～1.2m/h之间，特别是在开孔钻进时控制在0.8m/h以下;在钻头出护筒至粉砂层钻进时，在保证悬吊钻进的前提下保证孔底有最大的钻压，粉细砂层的转速提高到21r/min，在含砾中粗砂层和下部的粉质粘土中钻进时，一定要防止钻具产生较大的晃动，以免扩孔，同时根据孔内泥浆性能的变化不断进行补浆调整。

5.2.4 防止孔斜措施

钻机就位时，应严格保证钻塔天车、转盘中心、桩孔中心三者在同一铅垂线上。为防止因地层软硬不均出现的孔斜事故，钻进过程中，在配备足够钻头配重压力的同时，采用“减压钻进”以保证钻孔垂直精度。

钻进时注意要点:(1)在护筒上做好标记，保证整个钻进过程中钻机转盘中心、护筒中心和钻尖在同一铅垂线上;(2)始终保持减压钻进，保证成孔垂直度，采用拉力计进行自控;

(3)注意粉砂层和亚粘土层钻进中钻机的回转数和进尺速度，粘土层中保持低转速快进尺，粉砂层要造好浆备用，所以保持低转速慢进尺;(4)钻杆螺栓要紧固并拧好锁紧螺帽，防止螺栓脱落、造成掉钻头故障。(5)要随时注意护筒口泥浆面的标高，如果发现泥浆面逐渐下降时，要立即用水泵补水入护筒，以免因水头不够而发生坍孔事故。

5.3 接力施工

在钻进过程中，应注意地层变化，当反循环钻机钻至大粒径卵砾石地层时，钻进速度十分缓慢，决定采用冲击钻机钻孔，冲击钻就位复测同时进行，冲击钻冲击出的渣样要靠大比重的泥浆带出孔外，泥浆造浆材料可选用优质粘土和膨润土，必要时再掺入适量CMC羧基纤维素或Na2CO3纯碱等外加剂，保证泥浆自始至终达到性能稳定、离析极少、护壁效果好和成孔质量高的要求。

钻孔施工中，一般在较硬卵砾石地层时每小时纯钻进尺小于5～10cm，松软地层每小时纯钻进尺小于15～30cm时，应进行取渣。或每进尺0.5～1.0m时取渣一次，每次取4～5筒，或取至泥浆内含渣显著减少，无粗颗粒，相对密度恢复正常为止。取渣后应及时向孔内添加泥浆或清水以维护水头高度，投放粘土自行造浆的，一次不可投入过多，以免粘锥、卡锥。

每钻进1m掏渣时，均要检查并保存土层渣样，记录土层变化情况，遇地质情况与设计发生差异及时报请设计及监理单位，研究处理措施后继续施工。

钻孔作业应连续进行，因故停钻时，必须将钻头提离孔底5m以上以防止坍孔埋钻。在取渣后或因其他原因停钻后再次开钻，应由低冲程逐渐加大到正常冲程以免卡钻。

整个钻进过程中，应始终保持孔内水位高出地下水位(或施工水位)至少0.5m，并低于护筒顶面0.3m以防溢出。

5.4 成孔检查与清孔

成孔后检测成孔的桩径、桩长、孔倾斜度和孔底沉淀厚度。

清孔的目的是抽换原钻孔内泥浆，降低泥浆的相对密度、粘度、含砂率等指标，满足施工规范要求。清除钻渣、减少孔底沉淀层厚度，防止桩底存留沉淀过厚而降低桩的承载力。同时为灌注水下混凝土创造良好条件，使测探准确灌注顺利。施工中采用二次清孔法:第一次清孔是在钻进达到设计孔深以后，将钻头提高孔底20cm左右，利用泵吸抽浆清孔，用泥浆泵抽新低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆;第二次清孔是在钢筋笼下设完毕以后，用空压机通过导管进行再次清孔。同样用泥浆泵抽取低浓度泥浆或清水补充孔内泥浆，直至合格。二次清孔可以有效控制沉淀层厚度，保证钻孔桩的成桩质量。

5.5 成孔质量保证措施

(1)钻孔施工所用的护筒必须有足够的强度和刚度，保证施工时不会产生变形。

(2)认真熟悉设计提供的地理资料，结合实际情况确定每节护筒的开挖深度。

(3)钻孔过程中，注意孔内水面变化情况。

(4)遇到孔身倾斜，应分析原因，及时处理后方可继续钻孔。

(5)钻进过程中，要随时对钻渣取样，核实地质情况。

6 水下混凝土浇筑过程控制

6.1 导管法水下灌注混凝土质量难以控制的主要原

(1)不能象上部结构施工那样逐层振捣;

(2)由于导管埋在泥浆和混凝土中，混凝土的灌入阻力是相当大的。要克服很大的灌入阻力保证混凝土桩身质量，必须有相当大的冲击力，冲击力越大，完成混凝土灌注的时间越短，混凝土桩身越均匀。由于混凝土是由水泥、砂、石子配制的混合料，不同材料、不同粒径则摩擦系数不一样，因此仅靠静力平衡产生的超压力缓慢流淌，则易造成混凝土粗骨料在桩芯堆积，随半径增大而递减。桩身不匀，则影响桩身混凝土的抗压强度和桩的承载能力。

6.2 最常见水下混凝土灌注法的缺点

(1)混凝土料落入导管中不连续，形不成较大的冲击能量，使混凝土没有足够的力量向四周挤压、扩散，桩的摩阻力严重降低。此外，还容易使桩身不均匀。

(2)混凝土料绝大多数要经过反弹再落入导管，容易造成混凝土离析和堵管。

(3)吊臂上下移动速度慢，产生不了大的加速度，因此混凝土料的下落没有足够的超压，造成混凝土料的导管附近堆积成钟形断面。由于不能将隔浆层水平顶升，在钟形断面塌落时容易裹入泥浆，造成夹泥芯。

(4)由于导管上下移动次数过于频繁，使得泥浆不断沿导管壁渗入混凝土中，影响桩身混凝土质量。

6.3 大体积混凝土冲击灌注法注意事项

(1)必须注意排气技术，防止形成气堵，使混凝土料灌不下去。

(2)混凝土料最好通过网筛(网眼8～10cm左右)进入料斗，防止夹杂大直径块石、水泥块等造成卡管。

(3)混凝土和易性要好，如混凝土离析，则容易在料斗下部和出料口处形成堆积，导致出料困难，同时也容易堵塞导管。

(4)混凝土灌注时，吊车司机的配合也至关重要。当打开活门混凝土料下落时，必须随混凝土料的下落不断向上提动导管，提动量要小，注意掌握时机。

(5)当混凝土灌注到桩顶部位时，为了保持足够的冲力，必须注意导管要留有一定的长度，一般为10m左右，灌注时及时上拨，保证高度产生冲力，使桩头部分的混凝土质量不至降低。

6.4 水下混凝土灌注注意事项

(1)混凝土灌注前，要办好隐蔽工程施工各项检查签证，施工过程中要认真填写施工记录表和施工记录。

(2)混凝土灌注工作应连续不间断进行，一旦发生混凝土灌注中断，应根据导管的埋置深度，间断、少量提升导管使导管内混凝土慢慢流出，以防凝结。并立即组织人员排除故障，尽快恢复浇注。

(3)首罐时应注意导管底部提离孔底300～500mm，以便冲击沉渣。

(4)施工过程中注意安全，带好安全帽。严格按照操作规程操作。

(5)水下混凝土灌注是一个完整、连续、不可间断的工作，灌注工作开始前，机械管理人员和负责司机应对混凝土灌注所使用的全部机械进行维修、保养，保证机械在施工过程中正常运转。

(6)灌注过程中应防止异物掉入导管中，必要时在储料斗中部设置钢筋焊成的间距8～10cm的方型格栅。

(7)混凝土灌注工作是桩基施工的关键工序，应有专人指挥、协调。内容包括:

混凝土搅拌开盘时间及方量，混凝土运输车次、车序，道路交通畅通情况，提前预算最后补方数量等等。要充分考虑周到，排除一切干扰，保证混凝土顺利灌完。

(8)水下混凝土灌注完毕，对混凝土的拌和、运输、灌注等所用设备进行清点和清洗，并妥善保管使用。

(9)施工完成后，要做好孔口保护，有一定强度即回填土处理，同时防止人员落坑。

7 结语

以福州绕城公路东南段A7合同段琅岐特大桥1号桥及琅岐互通桥钻孔桩施工为背景，针对本合同段地质资料，保证成桩质量的前提下，对国内常用的冲击钻、回旋钻、旋挖钻机进行对比分析，选定最经济且能确保施工质量和进度的钻孔桩成桩钻机，即回旋钻(淤泥、砂层、砾石层)与冲击钻(大直径卵石)接力配合成孔。根据选定的钻机类型，对全砂、卵砾石地质资料的大直径超长钻孔桩施工工艺研究分析，总结出防止塌孔、确保成桩质量的各项施工技术参数，用以指导后期淤泥砂质地层大面积桩基施工;针对本项目桥梁钻孔桩混凝土方量较大，灌注时间长的特点，研究确保混凝土和易性、流动性的施工控制措施及试验参数。同时为今后施工海积平原砂、卵砾石大直径超长桩基施工提供施工方案参考。

参考文献

[1] 福州绕城公路东南段A7合同段招投标文件和施工图纸．

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