摘要:旋挖钻孔灌注桩施工工法

 前言：旋挖钻机在国际上的发展已经有几十年的历史，在中国也是在最近四五年才被逐渐认识和应用，成为近年来发展最快的一种新型桩孔施工方法，旋挖钻孔灌注桩技术被誉为“绿色施工工艺” ，其特点是工作效率高、施工质量好、尘土泥浆污染少。旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩桩孔的成孔设备，可以实现桅杆垂直度的自动调节和钻孔深度的计量；旋挖钻孔施工是利用钻杆和钻斗的旋转，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、卸土和泥浆置换护壁，反复循环而成孔。吊放钢筋笼、灌注砼、后压浆等同其他水下钻孔灌注桩工艺。
此方法自动化程度和钻进效率高，钻头可快速穿过各种复杂地层，在桩基施工特别是城市桩基施工中具有非常广阔的前景。
1 旋挖钻孔桩的施工特点
1.1可在水位较高、卵石较大等用正、反循环及长螺旋钻无法施工的地层中施工。
1.2自动化程度高、成孔速度快、质量高。
该钻机为全液压驱动，电脑控制，能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度，最大限度地保证钻孔质量。其工效是循环钻机的20倍，最重要的是，工程的质量和进度得到了充分的保证。目前在我国的公路、铁路、桥梁和大型的建筑物的基础桩施工中均有采用。
1.3伸缩钻杆不仅向钻头传递回转力矩和轴向压力，而且利用本身的伸缩性实现钻头的快速升降，快速卸土，以缩短钻孔辅助作业的时间，提高钻进效率。
1.4环保特点突出，施工现场干净。
这是由于旋挖钻机通过钻头旋挖取土，再通过凯式伸缩钻杆将钻头提出孔内再卸土。旋挖钻机使用泥浆仅仅用来护壁，而不用于排碴，成孔所用泥浆基本上等于孔的体积，且泥浆经过沉淀和除砂还可以多次反复使用。目前很多城市在施工中的排污费用明显提高，使用旋挖钻机可以有效降低排污费用，并提高文明施工的水平。
1.5履带底盘承载，接地压力小，适合于各种工况，在施工场地内行走移位方便，机机动灵活，对桩孔的定位非常准确、方便。
1.6旋挖钻机的地层适应能力强旋挖钻机可以适用于淤泥质土、粘土、砂土、卵石层等地层。
1.7在孔壁上形成较明显的螺旋线。
有助于提高桩的的摩阻力。
1.8吊放钢筋笼、灌注砼等施工场地较其他工艺容易布置。
1.9自带柴油动力，缓解施工现场电力不足的矛盾，并排除了动力电缆造成的安全隐患
2 适用范围
旋挖钻机一般适用粘土、粉土、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（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业。根据不同的地质条件选用不同的钻杆、钻头及合理的斗齿刃角。对于具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层的施工。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。
3 工艺原理
主要是其成孔工艺与其它桩基不同，旋挖钻机的钻进工艺旋挖钻机采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺（当然也有干土直接取土工艺，视工地现场地层条件而定），是一种无冲洗介质循环的钻进方法，但钻进时为保护孔壁稳定，孔内要注满优质泥浆（稳定液）。
旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。旋挖钻机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土；遇硬土时，自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关即打开底门，钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。
旋挖钻机行走机动、灵活，终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。
钢筋笼加工制作、吊放，后压浆工艺同其它桩基施工。
4 工艺流程及操作要点
4.1施工工艺流程

4.2施工要点
4.2.1泥浆的配比与制备
4.2.1.1泥浆的配比
泥浆配比中所用材料作用：
水：稳定液的主要成份；粘土、膨润土：稳定液的主要材料；工业用碱：调节泥浆PH值；重晶石：增加相对密度；CMC：增加粘性，增加泥皮强度；渗水防止剂：防止渗水。
①粘土用量：配制1m3泥浆按泥浆比重要求，所需粘土重量q（kg）为

式中 —粘土的比重；
—泥浆的比重；
—水的比重。
②配浆水用量：配制1m3泥浆所需水用量V（L）
    
③加重剂用量：配制加重泥浆时，加重剂的重量W（kg）为：

式中 —加重剂比重；
—加重泥浆比重；
—原浆的比重。
④降底泥浆比重所需含水量X（m2）

式中 —原浆体积；
—原浆比重；
—加水稀释后的泥浆比重；
—水的比重。
4.2.1.2泥浆制备
现场设泥浆池（含回浆用沉淀池及泥浆储备池）一般为钻孔容积的1. 5～2. 0倍，要有较好的防渗能力。在沉淀池的旁边设置渣土区，沉渣采用反铲清理后放在渣土区，保证泥浆的巡回空间和存储空间。
制务泥浆的的设备有两种，一是用泥浆搅拌机，一是有用水力搅拌器。使用粘土粉造浆时最好用水力搅拌器；使用膨润土造浆时用泥浆搅拌机。
护壁泥浆再生处理：
施工中采用重力沉降除渣法，即利用泥浆与土渣的相对密度差使土渣产生沉淀以排除土渣的方法。现场设置回收泥浆池用作回收护壁泥浆使用，泥浆经沉淀净化后，输送到储浆池中，在储浆池中进一步处理（加入适量纯碱和CMC改善泥浆性能）经测试合格后重复使用。
4.2.2埋设护筒
桩基定位后，根据桩定位点拉十字线钉放四个控制桩，以四个控制桩为基准埋设钢护筒，为了保护孔口防止坍塌，形成孔内水头和定位导向，护筒的埋设是旋挖作业中的关键。护筒选用10mm厚钢板卷制而成，护筒内径为设计桩径+20cm，高度2.0m，上部开设2个溢浆孔，护筒埋设时，由人工、机械配合完成，主要利用钻机旋挖斗将其静力压入土中，其顶端应高出地面20cm，并保持水平，埋设深度1.8 m，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm。护筒埋设要保持垂直，倾斜率应小于1.5％。
4.2.3钻孔定位
在桩位复核正确，护筒埋设符合要求，护筒、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位；桩机定位要准确、水平、垂直、稳固,钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。旋挖钻机就位后，利用自动控制系统调整其垂直度，钻机安放定位时，要机座平整，机塔垂直，转盘（钻头）中心与护筒十字线中心对正，注入稳定液后，进行钻孔。
4.2.4钻进成孔
成孔前必须检查钻头保径装置，钻头直径、钻头磨损情况，施工过程对钻头磨损超标的及时更换；根据土层情况正确选择钻斗底部切削齿的形状、规格和角度；根据护筒标高、桩顶设计标高及桩长，计算出桩底标高，以便钻孔时加以控制。
成孔中，按试桩施工确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各种参数，如加钻杆、钻进深度、地质特征、机械设备损坏、障碍物等情况。记录必须认真、及时、准确、清晰。
钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度：由硬地层钻到软地层时，可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时，要减速慢进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。
钻机就位时，必须保持平整、稳固，不发生倾斜。为准确控制孔深，应备有校核后百米钢丝测绳，并观测自动深度记录仪，以便在施工中进行观测、记录。钻进过程中经常检查钻杆垂度，确保孔壁垂直。钻进过程中必须控制钻头在孔内的升降速度，防止因浆液对孔壁的冲刷及负压而导致孔壁塌方。钻进成孔过程中，根据地层、孔深变化，合理选择钻进参数，及时调制泥浆，保证成孔质量。在进入沙层和卵石层时，应适当减慢进尺速度，提高泥浆的稠度，减小每个钻进回次的进尺量，保证孔壁稳定。钻进施工时，利用正铲及时将钻渣清运，保证场地干净整洁，利于下一步施工。钻进达到要求孔深停钻后，注意保持孔内泥浆的浆面高程，确保孔壁的稳定。
孔底沉淤控制。旋挖钻斗的切削、提升上屑的机理与常见回转钻进的正、反循环成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通过钻斗把孔底原状土切削成条状载入钻斗提升出土，后者是通过钻头把孔底原状土打碎由泥浆循环带出土面。前者底部面缓，钻至设计标高对土的扰动很小，没有聚淤漏斗，所以要加强稳定液的管理，控制固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，还要控制终孔前两钻斗的旋挖量。成孔深度达到设计要求后，应尽快进行钻机移位、终孔验收工作；从清孔停止至混凝土开始浇灌，应控制在1.5-3h，一般不得超过4h，否则应重新清孔。
4.2.5钢筋笼制作、吊放
旋挖钻机的一个显著优点就是成孔快，且成孔后孔底沉渣很少。所以只要在钢筋笼制作、安装上采取合理措施，避免安装时钢筋笼刮伤孔壁，就可以大大地降低沉渣厚度，有效防止塌孔的发生。
4.2.5.1钢材规格、材质、焊条型号符合设计和规范要求，进料要有材质单、合格证。
4.2.5.2钢筋连接采用剥肋直螺纹连接，为了保证接头套丝质量，钢筋采用剪切机下料，剥肋滚压直螺纹机加工丝头，使用螺纹环规进行检测，用力矩扳手拧紧。接头质量、性能符合Ⅰ级接头的性能要求，制作好的丝头要用钢筋保护帽进行保护，防止螺纹被碰伤或被污物污染。
4.2.5.3钢筋笼制作允许偏差：
主筋间距±10mm，箍筋间距±20mm，直径±10mm，长度±100mm。
4.2.5.4主筋保护层50mm，用钢筋耳控制，允许偏差±20mm，要确保钢筋笼居于钻孔中间；沿钢筋笼每隔2m放置一组，每组设置4个，按90°均匀安放，既可避免笼体碰撞孔壁，又可保证混凝土保护层均匀及钢筋笼在桩体内的位置正确。
4.2.5.5钢筋笼存放、运输、吊装时，要谨防变形。
4.2.5.6通长钢筋笼采用一次吊放。钢筋笼起吊及运输过程中用一台履带吊和一台汽车吊六点起吊法起吊，应保证整体、平直起吊。钢筋笼扶直过程中使用两台吊车，笼子吊离地面后，利用重心偏移原理，通过起吊钢丝绳在吊车钩上的滑运并稍加人力控制，实现扶直，起吊转化为垂直起吊，以便入孔。用吊车吊放，入孔时应轻放慢放，人孔不得强行左右旋转，严禁高起猛落、碰撞和强压下放。钢筋笼安装完毕以后，必须立即固定；笼子到位（孔底）时要复核笼顶标高。
4.2. 6 安装导管
安放前认真检查导管，保证它有良好的密封性。试验水压为 1Mpa，不漏水的导管方可使用。导管要定期进行水密性试验，下导管前要检查是否漏气、漏水和变形，是否安放了“O”形密封圈并涂抹润滑油等。
利用吊车将导管放入，导管直径、长度应与孔深配套（距孔底0.5m左右）；全部下入孔内后，应放到孔底，以便核对导管长度及孔深，然后提起30～50cm，进行二次清孔。初灌量应保证混凝土扩散后，导管埋入深度不小于0.8m，为防止混凝土与稳定液混合，在灌注混凝土前，用充气球胆浮于管内。下放导管时，丝扣要对正、扭紧，不得碰撞钢筋笼，导管直径300 mm，标准节长3 m，调整长度0.5m、1.5m、2.0m各一节。 
4.2.7水下浇注混凝土
水下混凝土浇筑是最后一道关键性的工序，施工质量将严重影响灌注桩的质量，所以在施工中必须注意。
4.2.7.1灌注前首先检查漏斗、测试仪器、量具、隔水塞等各项器械的完好情况。
4.2.7.2采用商品砼，强度等级为C40，粗骨料最大粒径不得大于25mm，坍落度200±20mm，扩散度为34cm～45cm。
4.2.7.3导管埋深：要保持在2-6m，严禁导管提出砼面，设专职人员测量导管内外砼高差，确保灌注连续并填写水下砼灌注记录。
4.2.7.4在确认初存量备足后，即可开始灌注，借助砼重量排除导管内的泥浆，首次浇灌时，初灌量应将导管底端能一次埋入0.8～1.2m并且导管内存留的混凝土高度，足以抵制钻孔内的泥浆侵入导管。
4.2.7.5在实际浇灌混凝土过程中，经常检查导管埋置深度。要连续浇灌混凝土，不得中断，导管埋置深度最小不得小于2m，最大不得大于8m，超过8m容易造成钢筋笼上浮，堵管、埋管、挂钢筋笼等现象发生，造成质量事故；起拨导管时，应先测量混凝土面高度，根据导管埋深，确定拨管节数；要勤检查，均匀拨管，保持埋深在2～6m。
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于中并及时清洗干净；混凝土升到钢筋笼下端时，为防止钢筋笼被混凝土顶托上升，应采取以下措施：在孔口吊筋固定钢筋笼上端；灌注混凝土的时间尽量加快，以防砼进入钢筋笼时其流动性减小；当孔内混凝土接近钢筋笼时，应保持埋管较深，并放慢灌注进度；孔内混凝土面进入钢筋笼l～2m后，应适当提升导管，减小导管埋置深度，增大钢筋笼在下层混凝土中的埋置深度；在灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，压力差降低，而导管外的泥浆及所含渣土的稠度和比重增大，如出现混凝土上升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，用泥浆泵抽出部分沉淀物，使灌注工作顺利进行。
混凝土灌注过程中，应始终保持导管位置居中，提升导管时应有专人指挥掌握，不使钢筋骨架倾斜、位移，如发现骨架上升时，应立即停止提升导管，使导管降落，并轻轻摇动使之与骨架脱开；混凝土灌注到桩孔上部6.0m以内时，可不再提升导管，直到灌注至设计标高后一次拔出。灌注至桩顶设计标高后必须多灌一倍桩径长度，以保证凿去浮浆后桩顶混凝土的强度。
4.2.7.6混凝土浇筑应做混凝土强度试块，每根桩留设一组标养试块，试块应养护好，达到一定强度后立即拆模送往养护室标准养护；混凝土施工完毕后，及时收集混凝土出厂合格证、混凝土强度报告。
4.2.7.7断桩的预防措施
首先混凝土配比严格按照有关水下混凝土的规范要求配制，并经常测试坍落度，防治导管堵塞；钢筋笼主筋要焊平，以免提升导管时，挂住钢筋笼；提拔导管时要经过测算，防止导管脱离混凝土面；浇筑混凝土前应使用经过检漏和耐压试验的导管；浇筑混凝土要连续浇筑，供应混凝土不得中断时间过长。
4.2.8后压浆的施工
后压浆是灌注桩的辅助施工方法。固化桩端沉渣和桩侧泥皮；对桩周土有渗入胶结作用；对桩端有扩底、扩径作用，能显著提高单桩承载力特征值。
设计要求桩侧压浆管两根，桩端压浆管一根，正三角形设置，一根在桩端1/ 3 处，一根在桩端2/ 3 处，一根在桩端，三处钢管下端用塑料管绕钢筋一圈，管上按间距4cm 设置出浆口，为防止混凝土将其口堵死，下笼前应在塑料管外包裹一保护层。成桩后48h 开始压浆，先压深管，注浆完后6h 再将剩余浆压入浅管。
压浆要求。压浆所用材料必须过筛，为保证浆液均匀，浆液搅拌时间不少于5min。注浆前先注入清水，将压浆管开通，再灌砂浆，压力应控制在1. 2MPa内。单桩压浆量设计值需要通过现场实验验证，如果通过几根桩的试压均达不到设计值，其设计压浆量根据试压值调整。压浆控制标准是将规定的压浆量全部压进，可通过一次压浆或二次压浆达到进浆量的目的。就是说第一次压浆如果压力达到1. 2MPa 而压浆量达不到规定停止压浆，停12h 后进行第二压浆；如果达到规定要求，则停止压浆；如果仍达不到规定，则压力达到1. 2MPa 时即可终止压浆。 
5 主要材料
膨润土、火咸、纤维素、钢筋、焊条、商品混凝土、柴油、润滑油、液压油、钢丝绳等。
6 主要机具设备
NR2003旋挖钻机两台；磨阻式五节钻杆（5节×14.5米），有效钻深70米，两根；吊车、电焊机、泥浆泵(排污) 、砂石泵(清孔) 、搅浆桶、压浆泵、混凝土输送泵、铲车(泥渣外运) 、运浆车(泥浆外运) 、导管、扩筒等。
7 劳动组织及安全
7.1劳动力组织
机手1名/机 台班：旋挖机的操作、维护；
小工6名/机 台班：泥浆制作、灌注砼、吊放钢筋笼；
电焊工1名/机：维修旋挖钻斗；
机管员1名/机：旋挖机的是常维护，零部件的采购；
钢筋工：加工制作钢筋笼；
注浆工：后压浆施工。
7.2安全注意事项
7.2.1地面条件。由于旋挖机的自重大，应平整场地，清除杂物，换除软土或铺垫钢板，钻机履带不宜直接置于不坚实填土上，以防不均匀沉降。
7.2.2钻机施工现场的地上、地下管线，包括市政、自来水、天然气管道、电力、电讯等部门的各种地下管线应及时弄清并排除。
7.2.3钻机施工场地坡度不应大于2。，地耐力不小于100kPa，若是地面松软，要平整压实或垫枕木、垫板，确保场地坚实，场地内要有较好的排水条件。钻机5m风无高压线，泥浆池、桩孔等作业区要有明显标志及护栏，夜间施工要有足够的照明。
7.2.4卷扬机的钢丝绳应排列整齐，不得挤压，启动后应仔细检查液压系统、油管接头是否漏油，有无异常，当确认无误后方可正式作业。
7.2.5如遇大雨、雪、雾和六级以上大风等恶劣气候，应停止作业。风力超过七级或有强台风警报时，应将钻机顺风向停置，并将立柱下降至地面，动力头降至最底点，雷电天气，人员要远离钻机。
7.2.6保持孔内水头压力，维持孔壁稳定，防止埋钻事故发生。
8 质量要求
本工法必须遵照执行下列标准、规范：
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）；
《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）；
《钢筋焊接及验收规程》(JGJ18-2003、J253-2003)；
《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)；
《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106-2003)；
《钢筋机械连接通用技术规程》JGJ107-2003。
9 效益分析
旋挖成孔灌注桩的施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔率高、适应性强大大缩短了工期，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。尽管一次投入费用较大，但成孔费用消耗等经济技术指标比其他方法成孔费用低，是一种理想的施工工艺，同其它工艺相比综合考虑是降低了成本。从目前看该工艺有着相当可观的经济效益和社会效益。