钻孔灌注桩施工技术及质量控制
摘要:钻孔灌注桩施工技术虽然已相当成熟，但相对于其它工程部位来讲，施工过程中仍具有一定的风险。本文根据厦门快速公交系统（BRT）2号线工程实例，着重探讨钻孔灌注桩施工技术及质量控制要点。
关键词:钻孔灌注桩，施工技术，质量控制
钻孔灌注桩基础是我国公路桥梁设计施工中普遍采用的一种桩基础型式，尤其是在陆上和水深不大的大中型桥梁设计中，应用非常广泛，大有取代其它基础型式的趋势。钻孔灌注桩以其承载力高、稳定性好、沉降量小、施工方便等优点。本文对桥梁钻孔灌注桩基础施工技术进行探讨，并详细分析了钻孔灌注桩施工过程中的问题及质量控制。
1工程概况
厦门快速公交系统（BRT）2号线岛西柯至同安段起自滨海大道，沿滨海大道、海翔大道、同集路、同莲路，终于同安枢纽站。线路全长11.993km，全线高架，共设七座高架车站，一座枢纽站。
该合同段里程范围为：K17＋548.62～K18+975.82及K19+277.82～K21＋692.82（含136、273号墩,不含184、193号墩），全长3842.2米。全段共有128个桥墩，（含136号，273号桥墩及基础,不含184、193号墩）；450根灌注桩（其中φ1.2米桩260根、φ1.5米桩68根、φ1.8米桩122根）。
2水文、地质条件
本工程为城市立交桥，桥址处无水塘和溪沟等地表水体。地下水属孔隙、裂隙（基岩区）潜水类型，含水层均属弱透水性，地下水主要靠大气降水补给。
根据岩性判断：填筑土①中塑性亚粘土；②中塑性残积亚粘土；④全风化花岗岩；⑤散体状强风化花岗岩；⑥脉岩残积粘性土、散体状强风化脉岩均属弱透水含水层；粗砂③属强透水含水层，但是该层以透镜体状出现，对地下水含水量影响较小。碎裂状强风化花岗岩⑦弱风化花岗岩；⑧微风化花岗岩；⑨的赋水性及透水性与其裂隙的发育程度及连通性有关，经勘察表明其裂隙多以闭合裂隙为主，层内水量不大。
3钻孔灌注桩施工技术
3.1桩基施工方案
本标段的桩基采用Φ1200mm、Φ1500mm和Φ1800mm钻孔灌注桩，φ1200mm桩10190m，φ1500mm桩2688m，φ1800mm桩5026m，共450根，桩长从15～60m左右不等，钻孔灌注桩混凝土标号为水下C30。根据地质条件钻孔灌注桩施工选用CE-22和CE-30型冲击钻机钻孔，砼采用商品砼，用输送车运输至工作面，砼采用灌注Φ250导管进行灌注。根据施工进度总体安排，计划安排225台CE-22和CE-30型钻机和一台旋挖钻机进场施工。考虑夜间不能施工，部分桩基在土层位置采用护筒全程跟进。
3.2成孔
(1)根据现场地质情况及设计所要求的桩径、桩深，可选用冲击钻孔机。
(2)开钻前弃孔内多放一些粘土，如果岩石不平，加适量粒径不大于15cm的片石，顶部抛平，用低冲程冲砸。
(3)开孔时，为了使钻渣泥浆尽量挤入孔壁，一般不抽渣，待冲砸至护筒下3～4m时，方可高冲程下正常冲进，4～5m后，方可抽渣。
(4)在不同的地层，采取不同的冲程。
a粘土、风化岩，宜采用中、低冲程1～2m。
b基岩层宜用高冲程，冲程3～5m。
c淤泥层及时投入粘土和小片石，低冲程冲进必要时反复冲砸。
d岩石面倾斜较大，或高低不平，最易偏孔，可回填坚硬片石，低锤快打，造成一个平台后，方可采用较高冲程。
e为保证孔形符合要求，钻进中应复核桩位，更换钻头前必须经过检孔，用检孔器检查符合设计要求后，才可放入新钻头。如检孔器不能沉到原来已钻孔到的深度，或钢丝绳的位置偏移护筒中心较大时，则考虑可能发生了弯孔、斜孔或缩孔等情况，应及时采取补救措施。考虑夜间不能施工，部分桩基在土层位置采用护筒全程跟进。
3.3清孔
清孔可分一次清孔和二次清孔，其目的在于控制桩基沉淀层，保证桩基承载力，同时也是为了灌注砼时保证质量，不出故障。清孔时不应过早地稀释泥浆，而应加快泥浆的循环，待测定泥浆指标接近规范要求，才可稀释。孔径为1.8米时，可采用直径为1.0米（或1.2米）的锤头进行低冲程冲击孔底，加大泛浆能力，同时可以破坏沉淀密实层。当导管下放的时间较长时，应同时进行泥浆循环，以确保泥浆的悬浮性。
3.4钢筋笼制作与吊装
(1)钢筋笼成型可采用卡板成型和箍筋成型两种方法。
(2)吊入钢筋笼时，应对准孔位轻放、慢放，若遇到阻碍，可徐起徐落和正反旋转使之下放，防止碰撞孔壁而引起坍塌，下放过程中，要注意孔内水位情况，如发生异样马上停止，检查是否坍孔。
(3)钢筋笼入孔后，要牢固定位，并应采取具体措施防止在灌注水下砼过程中下落或被砼顶托上升。
(4)当砼灌注完毕，桩上部砼初凝后即解除钢筋的固定措施，以便使钢筋笼随同砼收缩避免粘结力的损失。
3.5水下砼灌注：
(1)灌注混凝土前应对刚性导管进行必要的水密、承压和接头抗拉等试验，水密试验的水压小于井孔内水深1.5倍的压力，承压试验时的水压不应小于导管壁可能承受的最大内压力Pmax，可按下式计算：
Pmax=γc•hcmax-γw•Hw
式中：Pmax—导管可能承受到的最大内压力。（Mpa）；
γc—混凝土拌和物的容量（KN/m3）；
hcmax—导管内混凝土柱最大，高度（m），可按导管全长或预计的最大高度计；
γw—井孔内水或泥浆的容重（KN/m3）；
Hw—井孔内水或泥浆的深度（m）
(2)钢筋笼吊装就位后，为保证二次清孔彻底干净，用钢轨焊接成束，下到孔底，高频率轻击桩底，泛起沉渣，利用泥浆循环带出井外。
(3)钻孔桩所需首批混凝土数量应能满足导管初次埋置深度（≥1.0m）和填充导管底部间隙的需要，其所需混凝土的数量可参考下式计算：
V≥(πd3/4)h1+(πD2/4)Hc
式中：
V—首批混凝土所需数量（m3）；
h1—井孔混凝土面高度达到Hc时，导管内混凝土柱需要的高度（m），
h1≥γwHw/γc（见图1）；
Hc—灌注首批混凝土时所需井孔内混凝土面至孔底的高度（m）Hc=h2+h3；
Hw—井孔内混凝土面以上水或泥浆深度（m）；
D—井孔直径（m）；
d—导管内径（m）；
h2—导管初次埋置深度，h2≥1.0m
h3—导管底端至钻孔底间隙，约0.4m；
γw—井孔内水或泥浆的容重（KN/m3）；
γc—混凝土拌和物的容重（KN/m3）；
(4)漏斗底口高出井孔水面或桩顶的必需高度可参考下式计算：
hc≥（P0+γwHw）/γc
式中：
hc—井孔内混凝土面以上，导管内混凝土柱（计算至漏斗底口）高度（m）；
Hw—井孔内混凝土面以上水或泥浆深度（m）；
γc—混凝土拌和物的容重（KN/m3）；
γw—井孔内水或泥浆的容重（KN/m3）；
P0—使导管内混凝土下落至导管底并将导管外的混凝土顶升时所需的超压力，钻孔灌注桩采用100～150kpa，桩径1m左右时取低限，2m左右时取高限。当钻孔桩桩顶低于井孔中水面时，漏斗底面高出水面不宜小于4～6m；当桩顶高于井孔中水面时，漏斗底面高出桩顶不宜小于4～6m时。当计算值大于上述数值时，应采用计算值。
4钻孔灌注桩施工过程中的质量控制
4.1钻孔位置和垂直度偏差过大
钻孔过程中遇到地下障碍物产生孔位偏差；钻机安装就位稳定性差,作业时钻机不稳或钻杆弯曲；地面软弱或软硬不均匀；水上施工平台稳定性差或高低不平；遇斜状变化分布土层或土层中夹有大的孤石或其它硬物等。
控制方法:钻孔施工选用冲抓钻机,利用冲击功能将石块等障碍物击碎,并抓出块石碎体；陆上场地夯实、整平,轨道枕木均匀着地；水上施工平台确保排架稳定,平台顶面标高不受高潮位影响；安装钻机时要求转盘中心与钻架上的起吊滑轮在同一轴线,钻杆位置偏差不大于200mm；在不均匀地层中钻孔时,选用自重大、钻杆刚度大的钻机；进入不均匀地层或碰到孤石时,钻速要放慢档；安装导正装置防止孔斜；如遇钻孔偏斜,可提起钻头,上下反复扫孔几次,以便削去硬土,万一纠偏无效,应在孔内填粘土至偏孔处500mm以上,重新钻孔。
4.2孔壁坍陷
土质松散、泥浆护壁不好、护筒周围未用粘土紧密填封、护筒内水位不高等是孔壁坍陷的主要原因。另外,钻进速度过快、空钻时间过长、成孔后待灌时间过长也会引起孔壁坍陷。
控制方法:在松散易坍的土层中,适当加大护筒埋深；用粘土密实填封护筒四周；使用优质的泥浆,提高泥浆的比重和粘度,保持护筒内泥浆水位高于地下水位；钢筋笼搬运和吊装过程防止变形,安放时要对准孔位,避免碰撞孔壁；钢筋笼接长应加快焊接时间；成孔后待灌时间一般不大于3小时,并控制混凝土的灌注时间,在保证施工质量的前提下,尽量缩短混凝土的灌注时间。
4.3缩颈
缩颈造成原因主要是塑性土膨胀。
控制方法:采用优质的泥浆,泥浆的比重要加大,降低失水量；成孔过程加大泵量,成孔速度要加快,在成孔一段时间内,孔壁形成泥皮,则孔壁不会渗水,亦不会引起膨胀；如出现缩颈,可采用上下反复扫孔的办法扩大孔径。
4.4孔底沉渣厚度过大
清孔不干净或未进行二次清孔；泥浆比重过小或混凝土注入量不足而难以将沉渣浮起；钢筋笼吊放过程中未对准孔位而碰撞孔壁使泥土坍落孔底；清孔后待灌时间过长,致使泥浆沉积。
控制方法:成孔后,钻头提高孔底100～200mm,保持慢速空转,维持循环清孔时间不小于30分钟；采用性能较好的优质泥浆,控制泥浆的比重和粘度；吊放钢筋笼时,钢筋笼的中心与桩中心保持一致,避免碰撞孔壁；钢筋笼对接可采用钢筋冷压接头工艺加快对接速度,减少空孔时间,从而减少沉渣；钢筋笼就位后,检查沉渣量,如果沉渣量超过规范要求,则利用导管进行二次清孔,直至孔口返浆比重及沉渣厚度均符合规范要求；开始灌注混凝土时,导管底部至孔底的距离以30～40mm为宜；混凝土的储备量要足够,使导管一次埋入混凝土面以下1.0m以上,利用混凝土的巨大冲击力溅除孔底沉渣,达到清除孔底沉渣的目的。
4.5成孔质量检测
全桥钻孔灌注桩成孔质量检测均采用KE-400型超声波测壁仪进行，该仪器利用带有4个方向的传感器依靠超声波测定钻孔桩孔壁条件，包括孔的垂直度、孔径、孔壁塌陷、桩长等，它具有如下特点：
(1)检测、打印、控制高度一体化，尤其是绞车和传感器的一体化，使操作简单方便。
(2)内置电脑，各种信息(日期、孔径、深度、孔径偏差、横向与纵向距离刻度线等)均可现场打印在记录纸上，非常便于现场特殊问题的分析。
(3)采用4个方向传感器，可通过控制检测孔内2个或4个方向的断面情况。
(4)特殊情况下，可用来探明孔的异常情况，如钻头或钻杆掉入钻孔中的位置、导管断入钻孔中的情况、钢筋笼在钻孔中的情况等。
采用超声波测壁仪检测钻孔灌注桩成孔质量，非常有效、直观而且方便，同时更有助于成孔的完善，如钻孔出现的错台、缩颈、垂直度的偏离等情况均可根据图像有效地直观处理。
5结束语
经验表明,无论是陆上还是水上进行混凝土钻孔灌注桩作业,大部分都是在水下进行施工,施工过程无法观察,成桩后也难以进行开挖验收。因此,对混凝土钻孔灌注桩施工过程容易出现的质量问题进行分析,并总结出相应的对策及控制措施,有利于保证工程质量,控制好工程进度和造价。
参考文献：
[1]段新胜,顾湘.桩基工程[M].北京:中国地质大学,2003.