京沪高速铁路德禹特大桥钻孔桩

【摘要】在钻孔桩施工中，经常会遇到复杂地质及各种情况，很容易造成质量事故。本文主要介绍钻孔桩施工工艺及施工过程中极易出现问题的预防及处理。

【关键词】钻孔桩；施工工艺；技术措施

一、工程概况

京沪高速铁路德禹特大桥（DK359+000～DK369+000）段，地属冀鲁平原，地形平坦开阔，地面高程15～23m，地势由西南向东北缓倾。地层主要为第四系冲积层、冲洪积层、海积层，一般为黏性土、粉土、细砂。地下水丰富，地下水类型为孔隙潜水，局部具承压性，主要含水层为砂类土、卵石土和圆砾土。地下水位埋深一般在2.0～8.0m。地震动峰值加速度（地震基本烈度）为0.05g。桩基工程主要为：Φ1.0m，L=43～50 m，群桩基础。钻孔桩总数量为2512根，合计116226延米，工程数量较大，地质复杂，施工工艺的选定及措施控制成为确保钻孔桩成桩率的关键。

二、钻孔桩的施工工艺 （一）施工工艺流程图

制作验收钢筋笼 清理、检查 检查孔深、孔径 制作护筒 加工钻头 平整场地 测定桩位 埋设护筒 钻机定位 钻 进 中间检查 终 孔 清 孔 测 孔 吊放钢筋笼 安放导管 二次清孔 灌注混凝土 凿桩头 桩基检测 检查泥浆比重及沉渣厚度 制作混凝土试件，测量混凝土面高度和导管埋深深度 挖泥浆池、沉淀池 泥 浆 制 备 泥浆循环、滤碴、补浆、测指标 测孔深、泥浆比重、钻进速度 测孔深、孔径、孔斜度 注清水、换泥浆、测比重 填表格、监理工程师签字认可 填表格、监理工程师签字认可 （二）施工工艺

1．钻机定位：钻机定位后，底座平整，稳固，确保在钻进中不发生倾斜和位移。 2．埋设护筒：钢护筒，用厚度为10mm钢板焊成整体制成，内径孔径大20～30cm，护筒顶端留有高20cm宽30cm的出浆口，护筒顶面要比原地面高20～30cm。

3．泥浆制备：采用优质泥浆，相对密度1.03～1.10，粘度18s～22s，含砂率＜2%，PH值8～10，胶体率＞98% 。性能指标符合标准方可开钻。

4．钻孔：采用泥浆护壁，选择适当钻头和控制泥浆比重（1.1～1.15）、稠度（16～22s）。钻孔采用旋挖钻成孔，钻进过程中，要注意孔位正确和垂直度。

5．清孔：采用换浆法清孔，最终泥浆比重控制在不大于1.1，含砂率<2%。沉渣厚度小于规范或设计要求，沉渣现场以20cm为控制指标。

6．吊放钢筋笼：采用两点吊，吊入后校正轴线垂直度，勿使扭转变形。

7．安放导管：导管使用前先进行试拼，试压，不得漏水，导管分节组成，节间用法兰螺栓连结可拆卸，放入孔内时不得与钢筋笼相碰，底部距孔底40～50cm为宜。

8．水下混凝土灌注：高性能水下混凝土强度等级比设计强度等级提高1.15倍，坍落度为180～220mm，5～25mm连续级配碎石，砂用级配良好的中砂。水泥用量不小于350kg/m3，初凝时间为3～4h。

9．灌注首批混凝土，其数量经过计算，使其有一定的冲击能量，能把泥浆从导管中排出，并能把导管下口埋入混凝土，其深度不少于1～3m。首批灌注混凝土数量根据导管内混凝土压力与管外泥浆压力平衡的原则进行计算。导管内混凝土必须保持的最小高度为：

Ｈｄ=ρｗ·Ｈｗ/ρd

式中：ρｗ—泥浆密度，Ｈｗ—泥浆深度，ρd—混凝土密度。 管中混凝土的体积就应为：

Ｖ1=π·ｄ2·Ｈｄ/4（式中ｄ为导管直径） 管外孔桩中混凝土体积为（按导管埋深1.5m计算）：

Ｖ2=1.2·（1.5＋0.3）·π·ｄ2/4

式中：ｄ—钻孔桩直径，1.2—钻孔桩扩孔系数，0.3—导管底部至钻孔桩底部距离。 灌注首批混凝土体积为：

Ｖ=Ｖ1＋Ｖ2

在整个灌注过程中，导管埋深控制在2～6m。利用导管内混凝土的压力使混凝土的灌注面逐渐上升，直至高于设计桩顶标高0.5～1m。升降导管捣实混凝土及拆卸导管时导管提升高度根据已浇筑的混凝土量进行计算确定，以防止导管下口进水导致出现断桩现象，以及导管埋置过深导致拔管困难。

三、施工过程中的技术措施 （一）钻进中坍孔

在钻孔过程中，如果钻孔内水位突然下降，孔口冒细密的水泡，就表示已坍孔。此时，出渣量显著增加而不见钻头进尺，但钻孔负荷显著增加，泥浆泵压力突然上升，造成憋泵。一旦坍孔，钻孔便无法正常进行，易造成掉钻、埋钻事故。

防治措施：

1．在松散粉砂土或流砂中钻孔时，应选用较大比重、粘度的泥浆。一般选用优质膨瑞土制作合格泥浆，要求膨瑞土中不得含有沙石等杂质，塑性指数大于22。并放慢进尺速度(钻孔进尺的平均速度一般控制在6～7米/h为宜)，也可投入粘土掺片石或卵石，低锤冲击，将粘土膏、片石卵石挤入孔壁稳定孔壁。

2．根据不同地质，调整泥浆比重。确保泥浆具有足够的稠度确保孔内外水位差，维护孔壁稳定。泥浆的比重控制在1.10～1.20左右，数量不少于单桩井孔体积的1.5倍。实践证明：高质充足的泥浆是确保钻孔灌注桩施工质量及进度的关键之一。钻至井孔上段6～7米时，可不必向井孔内输入高压水，使钻碴自然形成浓稠的泥浆护壁，特别是护住最易坍塌的护筒底脚处的井壁。

3．清孔时应指定专人负责补水，保证钻孔内必要的水头高度，中段6～7m可输入高压水承压清孔。下段6～7m输入泥浆，如此作法，既有效地保证了施工质量，又节省了成本较高的膨瑞土用量。

4．发生孔口坍塌时，可立即拆除护筒并回填钻孔，压实后重新放点埋设护筒再钻。坍孔部位不深时，可用加深埋设护筒法，将护筒周围土夯实填密实重新钻孔。

5．发生孔内坍塌时，判明坍塌位置，回填砂和粘土(或砂砾和黄土)混合物到坍孔处以上1～2m。如坍孔严重时应全部回填，待回填物沉积密实后再进行钻进。

（二）钻孔偏斜

现场钻成的桩孔，垂直桩不竖直，斜桩斜度不符合要求的标准或桩位偏离设计桩位等称为钻孔偏斜。钻孔偏斜会使灌注桩施工时钢筋笼难吊入，或造成桩的承载力小于设计要求。造成钻孔偏斜的原因大致有五个方面：一是钻孔中遇到较大孤石或探头石;二是在有倾斜度的软硬地层交界处，岩面倾斜处钻进，或在粒径大小悬殊的卵石层中钻进，钻头受力不均;三是扩孔较大处，钻头摆动偏向一方;四是钻机底座未安置水平或产生不均匀沉陷;五是钻杆弯曲，接头不正。

防治措施：

1．安装钻机时要使转盘、底座水平，同时要求起重滑轮轮轴、固定钻杆的卡孔、护筒中心三者在一条竖直线上，并经常检查校正。

2．由于主动钻杆较长，转动时上部摆动过大，必须在钻架上增设导向架，控制钻杆上的提引水笼头，使其沿导向架向中钻进。

3．钻杆、接头应逐个检查，及时调正。如主动钻杆弯曲，要用千斤顶进行调直。 4．在有倾斜的软硬地层中钻进时，应吊着钻杆控制进尺，低速钻进；或回填片石、卵石冲平后再钻。

5．在偏斜处吊住钻头上下反复扫孔，使孔正直。

6．偏斜严重时应回填砂粘土到偏斜处，待沉积密实后再继续钻进； （三）缩孔

产生孔径小于设计孔径现象称为缩孔。缩孔导致钢筋笼的混凝土保护层过小并降低桩承载力的质量问题。产生缩孔主要原因有：一是钻具焊补不及时，严重磨损的钻头钻出比设计桩径径稍小的孔；二是钻进地层中有软塑土，遇土膨胀后使孔径缩小。

防治措施：

1．经常检查钻具尺寸，及时补焊或更换钻齿。有软塑土时，采用失水率小的优质泥浆护壁。

2．采用钻具上、下反复扫孔的方法来扩大孔径。

（四）护筒冒水、钻孔漏浆

护筒外壁冒水，护筒刃脚或钻孔壁向孔外漏泥浆的现象称为护筒冒水、钻孔漏浆。一旦漏浆，护筒内承压水头高并得不到保障，易引发坍孔，也会造成护筒倾斜、位移及周围地面下沉。产生上述现象的原因有：一是护筒埋设太浅，周围填土不密实，或护筒的接缝不严密，

在护筒刃脚或其接缝处产生漏水;二是钻头起落时，碰撞护筒，造成漏水;三是钻孔中遇有透水性强或地下水流动的地层;四是护筒内水位过高。

防治措施：

1．埋设护筒时，护筒四周土要分层夯实，土质选择含水量适当的粘土。外护筒一般采用钢制护筒，内径2米左右为宜，其主要作用是固定桩位，控制孔口有一定的水头，保护孔口塌陷，不穿孔。在旱地上埋设外护筒一般采用挖埋法。埋置深度以2.5米以上为宜，高出地面以20—30CM为宜。并在护筒周围对称地、均匀地回填最佳含水量的粘土（最好选用黄土）分层回填夯实，以达到最佳密实度。

2．起落钻头，要注意对中，避免碰撞护筒。

3．有钻孔漏浆相应情况时，可增加护筒沉埋深度，采取加大泥浆比重，倒入粘土慢速转动，用冲击法钻孔时，还可填入片石、碎卵石土，反复冲击增强护壁。

4．适当降低护筒内的水头。施工中，严格控制好护筒内水位，一般情况下以保护高于筒外施工水位1.5m为宜。水头过高易从护筒底脚处产生空孔现象，水头过低又会减弱井孔内的水压外渗护壁作用。

5．如护筒严重下沉、位移，则应返工重埋护筒。

6．钻孔孔壁漏水，可倒入粘土或填入片石、碎卵石土，以增强护壁。

（五）清孔后孔底沉淀超厚

清孔的目的是抽、换孔内泥浆，降低孔内水的泥浆相对密度。掏渣法、喷射法及加深孔底均未达到清孔的目的，不仅使桩尖承载力降低，且易引起桩身混凝土产生夹泥或有泥层，甚至发生断桩。产生孔底沉淀超厚的原因主要有：一是掏渣法清孔只能去除孔底粗粒钻渣，不能降低泥浆的相对密度，灌注混凝土时，会有部分泥浆沉淀至孔底使桩尖沉淀层加厚;二是喷射清孔时，射水(或射风)的压力过大易引起坍孔，压力过小，又不能有效翻动孔底沉淀物;三是加深孔底不能降低孔内水中泥浆的相对密度，同时加深孔底增加的承载力不能补偿未清孔造成的承载力损失。

防治措施：

1．清孔应根据设计要求、钻孔方法、机具设备条件和土层情况选定适应方法，达到降低泥浆相对密度、清除钻渣、清除沉淀层或尽量减少其厚度的目的。

2．对于各种钻孔方法，采用抽浆清孔法清孔最彻底。清孔中，应注意始终保护孔内流水头，以防坍孔。

3．清孔后，应从孔口、孔中部和孔底部分提取泥浆，测定要求的各项指标。这三部分各项指标的平均值，应符合质量标准的要求。

4．柱承桩清孔后，将取样盒吊到孔底，灌注水下混凝土前取出样盒检查沉淀在盒内的渣土，其厚应不大于设计规定。

（六）钢筋笼上浮

造成钢筋笼上浮的主要原因有：一是当混凝土灌注至钢筋笼下时提升导管，导管底端距离钢筋笼仅有1m左右的距离时，由于浇注的混凝土自导管流出后冲击力较大，推动了钢筋笼上浮；二是由于混凝土灌注时钢筋笼和导管埋深较大时，其上层混凝土因浇注时间较长，已近初凝，表面形成硬壳，混凝土与钢筋笼有一定握裹力，如果此时导管底端未及时提到钢筋底部以上，混凝土在导管流出后将以一定的速度向上顶升，同时也带动钢筋笼上移。

防治措施：

1．灌注混凝土过程中，应随时掌握混凝土浇注标高及导管埋深，当混凝土埋过钢筋笼

底端2～3m时，应及时将导管提至钢筋笼底端以上。

2．当发现钢筋笼开始上浮时，应立即停止浇注，并准确计算导管埋深和已浇混凝土标高，提升导管后再进行浇注，上浮现象即可消除。

（七）断桩与夹泥层

造成断桩与夹泥层的主要原因有：一是泥浆过稠增加了浇注混凝土的阻力、泥浆比重大且泥浆中含较大的泥块，因此在施工中经常发生导管堵塞、流动不畅等现象，甚至灌满导管还是不行，最后只好提取导管上下振击，由于导管内储存大量混凝土，一旦流出其势甚猛，在混凝土流出导管后，即冲破泥浆最薄弱处急速返上，并将泥浆夹裹于桩内，造成夹泥层；二是灌注混凝土过程中，因导管漏水或导管提漏而二次下球也是造成夹泥层和断桩的原因。导管提漏有如下四种原因：

（1）当导管堵塞时采用上下振击法，使混凝土强行流出，但如此时导管埋深很少，极易提漏。

（2）在测量导管埋深时，对混凝土浇注高度判断错误，而在卸管时多提，使导管提离混凝土面，也就产生提漏，引起断桩；

（3）灌注时间过长，而上部混凝土已接近初凝，形成硬壳，随时间增长，泥浆中残渣将不断沉淀，从而加厚了积聚在混凝土表面的沉淀物，造成混凝土灌注极为困难，造成堵管与导管拔不上来，引发断桩事故；

（4）导管埋得太深，拔出时底部已接近初凝，导管拔上后混凝土不能及时冲填，造成泥浆填入。

防治措施：

1． 认真做好清孔，防止孔壁坍塌。 2．尽可能提高混凝土浇注速度：

（1）开始浇混凝土时尽量积累大量混凝土，产生极大的冲击力克服泥浆阻力。 （2）快速连续浇注，使混凝土和泥浆一直保持流动状态防导管堵塞。

3．提升导管要准确可靠，灌注混凝土过程中随时测量导管埋深，并严格遵守操作规程。 4．灌注水下混凝土前检查导管是否漏水、弯曲等缺陷，发现问题要及时更换。

四、结束语

德禹特大桥钻孔桩基础施工从2008年4月开工，到2008年11月顺利完成主体工程。由于在施工中采用了切实可行的施工技术及措施，克服了诸多困难，目前为止，我施工管段安全、优质并高效地完成施工了大部分的任务，上述经验及浅述可供今后从事类似工程的各界同行共同讨论学习。