全套管长螺旋钻机与旋挖钻机在钻孔灌注桩施工中的配合使用施工工艺浅析

全套管长螺旋钻机与旋挖钻机在钻孔灌注桩施工中的配合使用施工工艺浅析

赵红光1贾继飞2

1.南京地铁建设有限责任公司210046；2.中铁隧道集团二处有限公司210046

摘要：随着经济发展，钻孔灌注桩在公路、铁路、市政、工业与民用建筑、轨道交通等领域得到广泛应用。传统的灌注桩成孔主要采用冲击钻、正反循环回转钻机、旋挖钻机的形式，但上述设备施工效率低，成孔过程中需要泥浆护壁防止塌孔，存在泥浆排放污染问题；此外还存在桩身垂直度仅为1/150，施工噪音大，易塌孔、扩孔、缩颈、孔底残渣厚等工艺弊病。为了解决上述问题，通过土层采用全套筒长螺旋钻机，岩层采用旋挖钻机配合成孔的施工工艺，可以有效解决上述问题，为钻孔灌注桩施工提供了一种绿色环保、施工效率高、质量可靠、噪声小、节约成本的施工方法。

关键词：钻孔灌注桩；全套管长螺旋钻机；旋挖钻机；环保

前言

本工艺提供了一种全套管长螺旋钻机+旋挖钻机配合成孔施工钻孔灌注桩的施工方法。首先，全套管长螺旋钻机就位，对准桩位，全套管长螺旋钻机的套管和螺旋钻杆同时旋转下沉，成孔，入岩后套管留在孔内，全套管长螺旋钻机移至下一根桩继续成孔作业，旋挖钻机入岩掘进直至设计桩底。同时针对已成孔的套管内壁的粘附土，采用刷壁器进行刷除；再将钢筋笼吊装至孔内；向钢筋笼内灌注混凝土；待混凝土灌注至钢筋笼顶标高后，停止灌注；再将压笼器吊入套管内，再继续灌注混凝土；桩机就位，钻头顶升至压笼器，压住钢筋笼；最后，提升拔除套管，移除压笼器，成桩结束。本工艺提供的方法施工效率高，成桩孔径孔壁形状规整，桩体垂直度高，成桩质量好；无挤土、无塌孔、无振动，施工噪声低；施工过程无泥浆污染，节约泥浆外运费，减少成本，绿色环保。

1项目简介

1.1工程概况

南京地铁1号线北延工程二桥公园站位于太新路以南，大部分站位处于道路南侧拆迁区内，北侧部分结构处于现状道路下方。车站北侧现状为笆斗山古墓葬群（规划为笆斗山主题公园），南侧位于南京宁江化工厂、南京隆燕化工有限公司（现已拆除），西端头位于徐家村拆迁范围。二桥公园站为地下两层（局部三层）岛式站台站，总长度325.5m。车站共设3个出入口，1个消防疏散口，2组风亭，总建筑面积17499.97m2。

车站基坑围护结构采用Φ1000@1400mm钻孔灌注桩（局部为Φ1000@1200mm）,根据长度及配筋不同钻孔灌注桩分为十种桩型，桩芯混凝土均采用强度等级C35水下混凝土。临时立柱基础采用Φ800的钻孔灌注桩，附属结构1号及2车站及附属围护结构均采用钻孔灌注桩+桩间旋喷桩止水+内支撑形式。

1.2工程地质和水文地质概况

二桥公园站总体处于阶地、阶地间坳沟地貌单元，地形起伏较大，整体呈西高东低趋势。基坑开挖范围内地层自上而下为杂填土、素填土、粉质黏土、强风化砂岩、中等风化砂岩。车站基底大多位于中风化砂岩层，局部落于可～硬塑粉质粘土层。工程地质剖面图1所示。

图1二桥公园站地质纵断面图

根据勘察报告，本基坑场区地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水。勘察期间实测场地孔隙潜水初见水位埋深0.60m～8.70m(水位10.25m～16.22m)，稳定水位埋深0.90m～9.20m(水位10.05m～18.00m)。水位主要受大气降水影响较大，年变幅一般在1.5～2.0m左右。

2围护结构钻孔灌注桩成孔方案比选

二桥公园站围护结构主要穿越地层为软塑粉质粘土、可~硬粉质粘土、强风化砂岩、中风化砂岩，其中中风化砂岩岩石强度约45～55Mpa，部分桩体入岩深度达19.6m。具有地层上软下硬，上部土层较软、富水、易塌孔，下部岩层强度高、岩面起伏大、钻孔垂直度难保证等特点。围护结构施工设备选择为本工程施工控制的重要环节。本着技术可靠、经济合理、施工快速、环保的原则，经市场调研初步选定旋挖钻机、冲击钻作为成孔设备，并进行了试桩。第一根试桩采用旋挖钻机（宝峨BG26）干孔施工，孔深26m、孔径1.0m，成孔用时6小时33分，桩成孔过程中出现轻微塌孔，成孔后2小时出现塌孔现象，沉渣厚度约5m左右，在旋挖钻进过程中，通过实测钻杆垂直度发现垂直度有明显偏差；第二根试桩采用旋挖钻机（宝峨BG26）+泥浆护壁施工，孔深24m、孔径1.0m,成孔时间总用时12小时06分，桩成孔后3小时后，测量孔深发现沉渣厚度约6m，在旋挖钻进过程中，通过实测钻杆垂直度发现垂直度有明显偏差；第三根试桩采用冲击钻（CK1500）+自制泥浆护壁施工，孔深24m、孔径1.0m,成孔时间总用时28小时12分，成孔过程中在土岩结合面垂直度出现偏差，通过回填碎石等进行了纠偏，成孔后存在扩孔及超灌量大等问题。通过试桩情况，无论是否采取泥浆护壁措施，均存在成孔时间长、垂直度偏差大、成孔后2~3小时出现严重塌孔（无法实现在塌孔前完成混凝土灌注）、混凝土超灌量大等质量问题和隐患。根据第一次试桩总结情况，项目部经过市场调查比选，采用了全套管长螺旋钻机配合旋挖钻机成孔工艺来组织二桥公园站围护结构的施工，并于进行了第二次现场试桩。试桩采用全套管长螺旋钻机（山河智能SWSD2512）+旋挖钻机（金泰SH36）干孔施工，孔深26m、孔径1m，土层采用全套管长螺旋钻机施工，进入中风化岩后，套管留在孔内，采用旋挖钻机入岩施工。桩成孔过程中未出现塌孔现象，桩成孔后3小时后，孔内地下水位距离孔口6.5m，测量孔深未发现沉渣。在钻进过程中，通过实测钻杆垂直度，垂直度控制较好。两次试桩主要指标见表1。

表1两次试桩情况比较表

通过两次的试桩情况比较，采用全套管长螺旋+旋挖钻配套成孔工艺，在上部土层采用全套管护壁解决了塌孔问题，上部全套管入强风化，同时做为下部硬岩成孔的导向管，保证了垂直度；且钻进成孔功效明显提高；最大限度减少泥浆使用，有利于场地环保、文明施工管理。

3全套管长螺旋钻机+旋挖钻机成孔施工工艺

3.1施工方法

为保证钻孔灌注桩的顺利施工，根据试桩结果，采用全套管长螺旋钻机进行中风化以上土层成孔（优点：速度快，为旋挖钻机功效的2倍左右，且施工过程中不会塌孔；缺点：大于30MPa的岩层无法成孔）。进入中风化岩后则桩机分离套管，套管留入孔内，采用旋挖钻机进行入岩施工。

3.2主要施工工序

1、场地规划及平整

在施工前根据围挡范围、场地大小等情况合理布置，绘制场地平面布置图，确定钢筋笼加工场地和格构柱加工及堆放场地。在桩施工前要先调查钻孔桩施工范围内有无地上、地下管线和构筑物，及时与业主协商。施工时，先清除设计桩位范围内场地的杂物、障碍物，平整施工场地。按文明施工管理的要求，场区经过平整夯实并进行硬化处理，使机械进场顺利和场区行走、搬移方便。同时在施工中确保钻机及其它机械的稳定、安全。

2、机械设备报验及特种工审核

施工机械进场后，项目部组织设备部、安质部等相关人员进行自检验收，主要检查设备合格证、操作人员作业证及机械性能参数能否满足现场施工需要。经自检合格后填写自检记录，并连同合格证、操作证及机械设备性能参数表一同上报监理工程师验收。验收合格后才能使用。特种作业人员必须持证上岗，由项目部安质部对进场特种人员的操作证进行检查核对，并上报监理工程师审核。

3、测量定位

依据控制点坐标进行桩位放线，采用导线与三角测量相结合的方法建立控制网，所有控制网都要填写报验资料，经监理工程师复测，签字同意后方可使用。依据设计图纸计算各桩位的坐标，并确定每个桩孔与相邻控制点的位置关系。经复核无误后，采用极坐标法用TS06型全站仪和跟踪杆来完成，放样点位误差≤±10mm。

4、钻机就位及垂直度调整

（1）钻孔机就位时，必须保持平稳，不发生倾斜、位移。

（2）钻机就位调平，测量地面标高，确定钻孔深度。钻头对准点位，中心误差控制在2cm范围内，测量系统调整归零。

（3）安装抱闸，用全站仪测量套管垂直度，根据测量结构进行调整，确保其垂直度小于0.5%。

（4）钻杆3m半径范围外设移动式防护栏杆或防护挡板，半径范围内严禁站人，防止土块掉落伤人。

5、螺旋钻机钻进

钻机启动，先钻进0.5～1.0m,检查一切正常后，再继续钻进，套管和螺旋钻杆同时旋转下沉，土块随螺旋叶片上升后排出孔口，钻进过程中，排出孔口的土及时清除运走，排土口下方搭设可移动式围挡控制下落土体扩散。钻至中风化岩，钻进困难，驾驶员停机，由质检员测量套管标高，根据测量结果计算旋挖钻进深度。

6、旋挖钻机钻进

根据地质特点，钻机在成孔时，不同的地层要求采用不同的进尺。根据施工工程地质、水文条件，施工中密切注意各土层的变化，及时调整施工进尺。钻机施工区域地基应有相适应的承载力，保证钻机在钻进过程中稳定，使钻杆在钻进过程中不左右摇摆；施工中钻杆中心、钻头中心、套筒中心三者应在同一铅垂线上，及时调整钻进垂直度，并用测锤及经纬仪在相互垂直的方向上进行检测，以保证钻进的垂直度。

7、终孔验收

当钻孔深度达到设计孔深时，现场自检合格后，报请监理工程师验收成孔深度、成孔垂直度及成孔直径。检验完成后，方可进行下一步施工，否则须进一步处理。

8、钢筋笼制作与安装

钢筋笼采取在钢筋笼加工厂采用半自动滚笼机集中加工，用平板拖车运送至施工场地。钢筋笼制作时注意预留与冠梁相接的锚固筋，钢筋锚固长度大于等于35d且不小于500mm（钢筋直径大于25时，锚固长度大于等于40d)。钢筋笼主筋采用接驳器连接，螺旋箍筋与主筋梅花形布置点焊连接。HPB300级钢筋采用E43系列型焊条，HRB400级钢筋采用E50系列型焊条。

9、钢筋笼吊装

钢筋笼吊装使用履带吊，采用三点起吊法，利用小钩和大钩配合慢慢竖起钢筋笼，之后将钢筋笼放入孔中。钢筋笼吊装时，第一道加强箍筋吊点处需采取加强设置，吊点处焊接L型筋将加强箍圈与主筋焊接连接。

10、桩体混凝土浇筑

钢筋笼吊装完成后，进行混凝土浇注导管安装。采用φ250导管，导管间用丝扣联结牢固，并加设密封圈。导管安装前应作水密封试验，试验压力不得低于0.6MPa。安装时导管距孔底距离为300～500mm。

待混凝土灌注至钢筋笼顶标高后，停止灌注；再将压笼器吊入套管内，再继续灌注混凝土；桩机就位，钻头顶升至压笼器，压住钢筋笼；最后，提升拔除套管，移除压笼器，成桩结束。

4、全套管长螺旋钻机+旋挖钻机配合钻孔施工中需注意的问题

4.1钢套管内壁粘附土处置

成孔后，针对钢套管内壁可能存在的粘附土，采用刷壁器进行刷除，并夯实套管底部沉渣，刷壁次数≥2次。刷壁器第二次下沉刷壁应旋转90°，均匀刷除套管内壁泥皮，确保泥皮厚度≤5mm。

刷壁器由刮泥刀1-1、伸缩杆1-2、收泥兼配重桶1-3、链索1-4、挂环1-5等组成。在刷壁桶外周均匀布置有伸缩杆1-2，伸缩杆1-2外端固定有刮泥刀1-1。刷壁桶下方布置有收泥兼配重桶1-3，刷壁桶通过链索1-4与收泥兼配重桶1-3连接。挂环1-5布置在刷壁桶上方，也通过链索1-4与刷壁桶连接。收泥兼配重桶1-3的直径大于刷壁桶，便于接收刮泥刀1-1刮落的泥。伸缩杆1-2内部设有用于调节伸缩杆长度的弹簧1-6。弹簧1-6处于自然状态时，刷壁桶包含其外周的伸缩杆1-2和刮泥刀1-1的总体直径大于套管内径。当刷壁桶及伸缩杆1-2伸入套管内部时，弹簧1-6自动收缩，使刮泥刀1-1顶住套管内壁。刮泥刀1-1、伸缩杆1-2、收泥兼配重桶1-3、链索1-4、挂环1-5均为钢结构构件。

刷壁器的具体使用方法如下：

1、待套管下沉至桩底标高，螺旋钻杆提升取土完毕后；采用履带吊吊住挂环5，将刷壁器垂直吊入套管中，弹簧1-6自动收缩，使刮泥刀1-1顶住套管内壁。

2、垂直下落；通过刮泥刀1-1将套管内壁残留的粘附土部分刮落，被刮落的粘附土掉落在收泥兼配重桶1-3内；

3、提升刷壁器；

4、将刷壁器旋转90度，再次垂直下落；通过刮泥刀1-1将套管内壁残留的粘附土全部刮落；

5、再次提升刷壁器，刷壁清土结束。

刷壁器具有如下有益效果：

构造简单：通过可伸缩刮泥刀、收泥兼配重桶的配合，即可将套管内壁残留的粘附土完全清除；操作便捷：整个工序过程时间仅2~3分钟；成本低廉：钢结构构件，可自行加工；使用稳定：经反复测试，使用效果良好。

图2刷壁器构造示意图

图中：1-1刮泥刀、1-2伸缩杆、1-3收泥兼配重桶、1-4链索、1-5挂环

4.2拔出钢套管时钢筋笼抗浮措施

结合图11，压笼器由中心柱2-1、护筒2-2、十字翼板2-3、起吊孔2-4、底盘2-5、吊筋槽2-6等组成。中心柱2-1同轴位于护筒2-2中心，且中心柱2-1外壁与护筒2-2内壁通过多组十字翼板2-3焊接固定。中心柱2-1比护筒2-2长，中心柱2-1露于护筒2-2外的部分上也焊接有十字翼板2-3，且该十字翼板2-3上开有起吊孔2-4。护筒2-2底部焊接有底盘2-5，底盘2-5可以使混凝土穿过，底盘2-5边缘的圆环上设有能使待压钢筋笼的吊筋穿过的吊筋槽2-6。底盘2-5包括一带有一定厚度的圆环，圆环焊接在护筒2-2底部，圆环上对称开有两个槽，作为吊筋槽2-6；圆环与中心柱2-1之间通过十字连接板焊接，该十字连接板与十字翼板2-3位置对应，，但比十字翼板2-3厚度大一些。所有十字型结构从上至下同轴设置。

压笼器的具体使用步骤如下：

1、使用吊机，将吊机挂钩挂于压笼器的起吊孔2-4内，将压笼器吊入套管内，护筒2-2沿套管内壁下放，底盘2-5安置于钢筋笼之上，钢筋笼的吊筋穿过底盘2-5上的吊筋槽2-6；

2、向护筒2-2内继续灌注混凝土；

3、桩机就位，桩机螺旋钻头顶升至中心柱2-1顶部，将钢筋笼吊筋固定在桩机螺旋钻头上，螺旋钻头顶升至压笼器，使压笼器压住钢筋笼；

4、桩机连接套管，并提升套管；

5、套管提升完毕后，在桩机螺旋钻头上解除钢筋笼吊筋；

6、吊机移除压笼器，成桩结束。

压笼器具有如下有益效果：

1、采用全套管长螺旋钻孔灌注桩工艺施工钻孔灌注桩、咬合桩时，套管提升过程中，能够避免带动钢筋笼上浮，从而避免二次返工，在保证施工质量的同时，有效提高了施工效率；

2、构造简单：由导管、护筒、翼板、底盘等简单结构组成；

3、操作便捷：安装工序仅1~2分钟；

4、成本低廉：采用钢管及铁板等经电焊加工而成；

5、使用稳定：强度可靠，经反复测试，能有效控制钢筋笼顶标高。

图3压笼器构造示意图

图中：2-1压笼器由中心柱、2-2护筒、2-3十字翼板、2-4起吊孔、2-5底盘、2-6吊筋槽

参考文献

[1]丁士昭.《市政工程管理与实物》：建筑工业出版社，2012年1月：第31页.

[2]《市政工程管理与实务》.

[3]浅谈桥梁钻孔灌注桩低应变检测.中国检测网.2012-01-10[引用日期2013-05-09].