基于粉、砂类土质中大直径深孔桩施工技术

赵国英

摘要：依托雄忻高铁五台山机场特大桥桩基施工，针对跨滹沱河连续梁大直径深孔桩在粉、砂类地质环境中的施工以及施工过程中所存在的问题，阐述桩基础施工方法，并对其进行对比及总结，通过对钻孔灌注桩的施工工艺对比、调整护筒长度、问题处理等相关施工成孔技术的归纳，确保施工效率和施工质量，从而为此类地质下大直径深孔桩基础施工提供参考。

关键词：桥梁工程；大直径深孔桩；粉、砂类地质；成孔技术

1   工程概况

五台山机场特大桥全长28569.92m，含双线简支箱梁837榀，涉及跨越既有公路、铁路、河流等特殊结构7处，主要施工内容为桥梁转体、支架及悬臂浇筑。其中跨滹沱河处采用（60+100+60）m双线连续箱梁悬臂浇筑。

2   钻孔施工技术要点

2.1   施工准备

根据平面控制网及高程控制网，对测量基准点进行加密布置，确保施工所用基准点的准确性和便捷性。整平、压实施工现场，根据现场地质条件及有无地表水等情况，采用机械对施工作业所需范围内场地进行平整，使其满足压实标准。

施工范围内作业功能区，按照标准化施工要求划分，进行三级技术交底，针对不同的地质严格要求泥浆制备及施工指标。准备施工现场所需发电机、电焊机、泥浆分离器、泥浆泵、水泵、枕木等各类设备及工具。

2.2   护筒埋设

本工程钢护筒采用1cm厚钢板制作，护筒直径大于桩径20cm（桩直径2.2m），结合现场要求，护筒需深入设计桩顶50cm，地面外露50cm，故按照11～12m制作，或制作为标准节段现场焊接。测放桩位中心，埋设护筒，控制护筒倾斜度≤1%，施作“十字”护桩，随时复测。

2.3   制备泥浆

选合适位置放置成品钢制泥浆箱，减少泥浆对环境的污染。泥浆一次储存量为1.5倍单孔容量。常用泥浆为膨润土参加外加剂配制，特殊地质可采用化学泥浆进行成孔作业。泥浆的配制应在符合规范指标要求的同时满足现场施工，突出泥浆的护壁效果[1]。

2.4   钻孔作业

钻进前调整钻机，使钻杆中心与桩位对正，呈现竖直状态。开始钻孔时应低压、慢钻，以确保孔壁上部形成泥皮，达到泥浆护壁效果。钻进过程中按照18～22r/min进行均匀钻进，且钻杆提升时应缓慢，同时保证钻进时泥浆液面高度，减少钻头在升降过程中扰动孔壁。钻至设计孔底深度附近时降低钻进速度，控制桩基超钻。钻进过程中，根据钻进深度及地质情况及时留取渣样[2]。

2.5   清孔作业

成孔后请监理单位对孔型、孔经、孔深、倾斜度进行验收，验收完成后采用泥浆置换法对成孔作业泥浆进行置换，确保置换后的泥浆指标满足规范及设计要求。

2.6   钢筋笼的制作与吊装

2.6.1   钢筋笼制作

桩基础所用钢筋笼均为厂内集中加工，加工前针对桩长对钢筋笼下料长度进行合理规划，以使原材最大化利用。对于连续梁钢筋笼的焊接，尽量在厂内焊接为成品大节段，以减少孔内焊接作业时间。纵向钢筋接头采用同轴双面焊接，并按批次进行定量抽检，保证钢筋笼焊接质量。一般采用随车起重机进行钢筋笼吊装、运输，针对特殊孔跨大节段钢筋笼，应设计专用炮车进行运输，以减少成品钢筋笼的变形[3]。

2.6.2   钢筋笼安装

钢筋笼的安装主要为人工配合机械进行吊装，现场采用汽车起重机对钢筋笼采取三点起吊，以防止发生较大变形。钢筋笼进行孔口焊接时采用穿筋撑杠，固定于护筒两侧的方形枕木之上，孔口在护筒安装后进行夯实整平。枕木主要用于钢筋笼孔口焊接和灌注混凝土时对钢筋笼进行固定，相较于放置于护筒上，可有效确保钢筋笼的稳定性。

2.7   混凝土灌注

2.7.1   导管选取与安装

常用的导管连接方式主要为搭接式、法兰式、卡箍式，为了实现快速安装，现场导管采用绳卡式连接方式，其较其他传统方法更为便捷、快速。导管直径应不小于300mm，同时可根据现场情况进行导管定制。导管安装后进行水密承压试验，以确保导管能够承受在混凝土灌注过程所形成的负压力[4]。

2.7.2   混凝土灌注

混凝土灌注时配置不小于3m3混凝土料斗。混凝土开始灌注时不停歇补充料斗内混凝土，使混凝土连续灌注不小于7.96m3，保证混凝土首封成功，且导管埋深不小于1m。灌注过程中不断测量导管长度与混凝土顶面高程，确保导管不被超拔、不埋置过深。桩基超灌不得少于80cm且不小于设计要求。

3   施工常见问题及处理

3.1   卡钻

3.1.1   原因分析

粉土中砂类颗粒含量较高，其地质及力学特征接近于砂土性质。其黏性土颗粒含量较高时，其地质及力学特征接近于黏土性质，因此具有砂土和黏性土的双重特性。钻头进入黏土层时，其钻头上下范围段落地质主要呈现黏土性质，通过土体内部结合水作用呈现软塑状态。大直径深桩基础底部孔壁外部壓力大，且由于孔径较大孔壁稳定性差，导致其形成初步孔壁缩径。

钻头与孔壁粉土（体现黏土性质）及黏土摩擦力增大的同时，进一步形成封闭界面。加之操作手施工经验不足，暂停之后急于提升钻头，导致钻头下方形成压力差，即会发生黏吸卡钻现象。发生卡钻后由于现场处理不及时，机械对孔内土体扰动时间长，造成孔内局部坍塌。长时间泥浆未循环引发沉砂、钻头上部覆土，最终导致钻机无法转动和提升[5]。

3.1.2   处理措施

根据现场情况，在既有孔内下放导管，利用气举反循环原理进行覆土清除及泥浆护壁。但清孔效果不佳，且伴随局部小型塌孔。

重新测定泥浆指标，具体指标如下：泥浆比重为1.24g/cm3，含砂率为0.5%，粘度为24s。循环泥浆浆液，同时在泥浆中增加纤维素、石灰粉进行调整，以减少泥浆含水率，增强泥浆整体稳定性。经过调整泥浆比重为1.29g/cm3，含砂率为0.3%，粘度为30s。

调整泥浆后，采用正循环进行钻头顶部覆土清理。清理过程中孔内孔壁稳定性较好，未发生新的塌孔，但整体施工速度较慢。现场研究，决定采用正循环和气举反循环同时进行清孔。此次两种方式的结合带来了很好的清孔效果，通过不断清孔，完成钻头顶部覆土清理。

此时钻头虽能转动，但仍无法提起钻杆。采用500t起重机配合钻机进行提钻，效果仍不理想。通过分析认为，无法提钻仍存在上下空间压力差。现场在气举反循环的导管端部增设圆形钢筋导向环，通过进一步循环钻进，清理钻头周边土体，。持续3h后钻机恢复正常转动和升降功能。

3.1.3   预防措施

满足规范要求的同时，对泥浆指标进行模拟试验。在指定压力状态下确定泥浆的比重、黏度、PH值、泥皮厚度及失水量，进而在原有基础之上突破规范取值范围，寻求与地层相适应的合理泥浆指标，增加泥浆整体稳定性、护壁能力的同时，提升其悬浮砂粒的能力，减缓沉砂速度。在粉、砂土质下进行大直径深孔桩钻孔过程中，需不停活动钻具，防止沉砂过快产生卡钻。同时减慢该地层中的钻进速度，在钻头产生轻微阻力时缓慢转动，对孔壁进行上下扫孔，避免形成黏性吸钻。

旋挖钻在黏土质粉土中钻进时，要充分考虑地层段缩径现象，通过增大泥浆比重调整孔内压力，同时每钻进一段进行一段扫孔作业，确保施工孔径。

3.2   孔口或孔壁溜塌

3.2.1   原因分析

孔口或孔壁溜塌的原因如下：一是桩基处于地表水及地下水位较高地质时，孔外静水压力较大，由于孔内泥浆比重和泥浆水头高度不足，造成孔壁内外压差，导致孔口或孔壁坍塌。二是由于初始钻进速度过快，泥皮厚度不足，未能形成有效护壁效果，造成粉、砂层地质渗水较大，导致孔壁溜塌。三是孔口周边布置不合理，大型机械振动干扰大。四是钻机操作不当和钢筋笼对地层扰动较大，孔壁发生坍塌。

3.2.2   处理及预防措施

合理规划场地布置，重型机械及较大动荷载远离桩基础布置。在粉、砂地质中增加护筒防护长度，或采用护筒嵌套施工，同时对护筒周边填土进行夯实和防水处理。合理调配泥浆，满足规范要求的同时，针对地质特点调整泥浆指标，适当突破规范值范围。及时补充孔内泥浆水头高度，确保孔内压力。

孔口作业时，放慢钻进速度，反复旋转钻头，确保泥皮厚度，以保证孔口护壁效果。减少钻机升降和钢筋笼下放时对孔壁的碰撞和扰动，同时做好资源调配工作，缩短工序时间。

3.3   导管混凝土堵塞

3.3.1   原因分析

导管混凝土堵塞的原因如下：导管距孔底的距离过小，混凝土无法顺利上翻，导致混凝土堵塞导管。灌注作业时，导管长时间未进行上拔取节，导致埋深过大，导管内混凝土无法压入孔内，造成堵管。混凝土施工配合比未进行合理调控，材料质量参差不齐，导致混凝土和易性差，流动性小，现场灌注时混凝土离析。大直径深桩未清孔或未进行泥浆置换，灌注作业时泥浆比重过大，混凝土压力不足无法压入。孔口处的空桩较长，导管内外压力差较大，混凝土体量不足以上浮泥浆，造成导管堵塞。导管接口密封不严，管内进入泥浆，混凝土发生离析，产生堵管。

3.3.2   处理及预防措施

作业前对导管进行水密承压试验，合格后进行混凝土灌注。导管安装时检查安装效果，同时根据实测孔深计算导管安装长度，确保导管底部距离孔底距离不小于0.3m且不宜超过0.5m。灌注作业时，及时进行混凝土顶面量测，计算导管埋置深度，及时进行导管提升和取节。首封混凝土导管埋深不小于1m，正常灌注段落保持导管埋深2～6m，特殊情况不得超过8m。施工过程中严控混凝土原材料质量，同时及时完成班前原材料检测，动态调整施工配合比，确保混凝土施工和易性差，保证混凝土质量。成孔完毕后，根据地质情况及时进行清空作业，确保泥浆比重不影响混凝土灌注，同时计算空桩范围内泥浆压力，适当提高桩头高度。

3.4   导管卡死

3.4.1   原因分析

导管卡死原因如下：桩基深度较大，导管安装不平顺，导管倾斜后与钢筋笼卡死。进行灌注作业时，长时间未进行拔管，导管埋深较大。

3.4.2   处理及预防措施

钢筋笼安装要定位准确，导管安装时检查安装效果，确保导管安装紧固、竖直、居中。灌注作业时，及时进行导管埋设深度计算，正常灌注段落保持导管埋深2～6m，特殊情况不超过8m，同时在作业过程中小幅度抽拔导管。大直径深桩施工前优化资源配置，保证混凝土供应速度，缩短浇筑作业时间。

3.5   缩径

3.5.1   原因分析

粉、砂類桩基缩径问题主要发生在粉质地层，粉土本身具有黏土性质，在一定的条件下产生较大的塑性变形。当孔内泥浆比重不足以抵抗孔外土体压力，且成孔时间较长时，土体膨胀便发生缩径。

3.5.2   处理及预防措施

调配泥浆指标，增加泥浆泥皮厚度，同时增大泥浆比重，加大孔内压力。钻进作业时对缩径地层段进行反复扫孔，确保孔径。各工序间衔接有序，缩短桩基作业时间。

3.6   断桩

3.6.1   原因分析

断桩的原因如下：混凝土施工配合比不准确，混凝土质量不稳定。混凝土顶面测量不准确，导管埋深计算错误，导管拔出混凝土面。混凝土灌注过程中，发生孔内局部坍塌，土体进入混凝土内部形成断桩。

3.6.2   处理及预防措施

动态监测混凝土原材料试验指标，及时调整混凝土施工配合比，提高混凝土拌和质量，确保现场混凝土有良好的施工和易性。灌注混凝土设专人带班作业，准确测量混凝土顶面深度，准确计算导管埋置深度，控制拔管长度。控制清空后泥浆指标和泥浆水头高度，确保孔内压力。缩短成孔、钢筋笼安装及混凝土灌注作业时间。

4   结束语

应用旋挖钻能够快速完成粉、砂类地质中的大直径深孔桩基成孔作业。粉、砂类地质中大直径深孔桩，对于泥浆指标要求较高，施工时除了满足规范要求外，还应通过试桩或模拟试验适当调整泥浆指标，确保粉、砂类地层中形成较厚的泥皮，减少失水。同时可通过纤维素等外加材料，提高泥浆胶体率和其稳定性。对于粉、砂类地质发生的埋钻问题，可采用小型正循环钻机配合气举反循环能够有效完成孔内覆土清理。对于大直径深孔桩在粉、砂类地质中的施工，必须从管理上高度重视，优化设计方案，做好技术培训工作，配足资源储备，紧密衔接工序，缩短各个工作时间，从而快速完成大直径深孔桩的灌注施工，減少长时间作业带来的各种施工风险。

参考文献

[1] 安熊.超长大孔径钻孔灌注桩气举反循环成孔工艺探析[J].

佳木斯职业学院学报，2018（6）：491-492.

[2] 王家斌.粉土的工程地质特征及承载力特征值的确定[J].西

部探矿工程，2004（11）：8-9.

[3] 孙伟.高速铁路桥梁工程中钻孔灌注桩施工技术及质量控

制要点分析[J].广东建材，2021，37（7）：78-80.

[4] 大直径钻孔灌注桩施工技术及控制要点[J].交通世界，2020，

（18）：80-81.DOI：10.16248/j.cnki.11-3723/u.2020.18.038.

[5] 王运连.公路工程钻孔灌注桩施工的常见问题及改进对策

[J].交通世界，2020，（24）：101-102.DOI：10.16248/j.cnki.11-

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