旋挖钻孔水下灌注桩施工工法.docx
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旋挖钻孔水下灌注桩施工工法
旋挖钻孔水下灌注桩施工工法
中铁六局集团有限公司
1.前言
随着我国交通基础设施建设的迅速发展，钻孔桩作为一种基础形式以其适应性强，成本适中，施工简便等特点仍被广泛的应用于桥梁及其他工程领域。
钻孔桩造孔方法有以下三种：
冲击造孔、冲抓造孔、旋转造孔。
其中采用旋挖钻机进行的钻孔桩施工因其机动灵活，施工效率高及多功能等特点已被广泛应用于各种钻孔灌注桩工程。
2.工法特点
2.1采用旋挖钻机可适用于多种地质，如填土层、粘土层、粉土层、淤泥层、沙土层以及含有部分卵石、碎石的地层。
采用岩心钻头，还可嵌入岩层。
2.2旋挖钻机拥有自行底盘，可以自主转移机位，施工效率高。
2.3选择不同的工作附件，便可做到一机多用，。
2.4施工作业范围小，适合工作面狭窄地域施工。
2.5设备先进自动化程度高，成孔质量高。
3.适用范围
地质复杂，作业面狭窄的地域。
适用公路、铁路、桥梁及其他结构物的桩基施工。
4.工艺原理
旋挖钻机的水下灌注砼成桩工艺包括成孔和成桩两大过程。
成孔采用旋挖钻机钻取渣土，泥浆护壁进行施工；成桩利用钻孔灌注漏斗采用快速卡口垂直导管提升法灌注桩身水下混凝土。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
5.2操作要点
5.2.1旋挖钻机成孔施工方法
1、施工准备
（1）技术准备：
按照施工设计图纸的要求，编制施工方案，准备施工机械设备。
清除杂物、淤泥，平整桩基范围内的场地并压实。
（2）施工放样：
复测控制点及控制网和导线，测放墩位和桩位。
（3）场地平整和施工便道：
合理布置施工便道，与钻孔位置保持一定的距离，满足施工需要亦不影响孔壁稳定。
平整墩位处场地，当墩位处于河沟内时，采用尼龙编织袋围堰筑岛。
（4）孔位探测：
首先在孔位处挖2m深的检查坑，检查孔位地下是否有管线、光缆或其他物体，若有，及时通知监理工程师确认，并协商解决办法，进行妥善处理。
（5）检修调试机械设备：
对钻孔机械、泥浆设备、桩体砼灌注设备、砼拌合及运输设备等进行维修、调试。
（6）技术交底：
对参与施工的人员进行环境保护教育及施工技术交底。
（7）材料进场：
各类钻孔桩施工的原材料按要求进场。
（8）试验检验：
完成原材料检验及砼配合比设计及试验等工作。
（9）试验检验：
完成原材料检验及砼配合比设计及试验等工作。
2、筑岛或场地平整
位于河沟的桥墩基础采用筑岛施工，位于陡坎处或坡度较大的地段的钻孔桩，采用半挖半填法平整场地进行施工，岸上其他地段进行场地平整施工。
筑岛施工前清除地表淤泥，岛体填料采用附近土质填料，利用挖掘机和自卸汽车进行，小型设备夯实，岛体外侧采用草袋或尼龙编织袋装土人工围砌。
草袋（尼龙编织袋）围堰尺寸：
围堰顶面高出施工水位0.5m，顶宽2.0m，外侧坡度为1:
0.6，内侧坡度为1:
0.3。
围堰内侧坡脚距基坑顶缘距离不小于1.0m。
围堰填筑前，清理堰底的石块等杂物。
尼龙编织袋内装入松散粘性土，装填至袋容量的60%时，缝合袋口。
按设计要求堆码编织袋，堆码时编织袋平放，互相错缝。
3、护筒设置
护筒采用钢制，钢护筒埋置深度以能隔开流塑状地层为主要原则。
本标段部分地段地下具有承压水，护筒埋设时要高于稳定后的承压水位2.0m以上。
钢护筒分节加工，顶部和底部各1m范围作加强箍。
每节护筒连接采用坡口焊。
护筒埋设前，须对桩位四周埋设十字护桩，十字线交点对准桩位中心。
钢护筒埋设就位后，用十字护桩拉十字线，校对护筒误差。
中心偏差不得大于50mm。
若误差大于50mm，则须重新埋设护筒。
4、钻机就位
液压多功能旋挖钻机就位时与平面最大倾角不超过4°，钻机平台处必需碾压密实。
进行桩位放样，将钻机行驶到要施工的孔位，调整桅杆角度，操作卷扬机，将钻头中心与钻孔中心对准，并放入孔内，调整钻机垂直度参数，使钻杆垂直，同时稍微提升钻具，确保钻头环刀自由浮动孔内。
5、旋挖钻机成孔
钻机就位后，应先调试钻机，进行试钻。
钻进过程中，操作人员根据机载装置随时观察钻杆是否垂直，并通过深度计数器控制钻孔深度。
当旋挖斗钻头顺时针旋转钻进时，底板的切削板和筒体翻板的后边对齐。
钻屑进入筒体，装满一斗后，钻头逆时针旋转，底板由定位块定位并封死底部的开口，之后，提升钻头到地面卸土。
开始钻进时采用低速钻进，主卷扬机钢丝绳承担不低于钻杆、钻具重量之和的20%，以保证孔位不产生偏差。
钻进护筒以下3m可以采用高速钻进，钻进速度与压力有关，采用钻头与钻杆自重摩擦加压，150MPa压力下，进尺速度为20cm/min；200MPa压力下，进尺速度为30cm/min；260MPa压力下，进尺速度为50cm/min。
下钻及提钻时，机械应动作轻缓，避免刮蹭孔壁，影响成孔质量。
钻进时，安排专人做好钻孔记录。
记录表见下：
泥浆采用膨润土、火碱以及纤维素混合而制，在泥浆池中用搅浆机将泥浆搅拌好后，泵入孔内，旋挖钻均匀缓慢钻进，这样既钻进又起到泥浆护壁的作用。
钻进时掌握好进尺速度，随时注意观察孔内情况，及时补加泥浆保持液面高度。
泥浆制备应注意两个方面：
一是泥浆的指标问题，其比重一般应控制在1.05～1.2之间，粘度控制在17～20s，砂率控制在4%以内。
常用的泥浆材料，一般使用优质澎润土加烧碱、聚丙稀酰胺或纤维素等配置；二是补浆的速度，泥浆补充一般采用泵送方式，其速度以保证液面始终在护筒面以上为标准。
用捞砂钻头将沉淀物清出孔位。
要求沉碴厚度不大于20cm。
在灌注水下砼前，用高压风（高压水）吹底翻渣，进一步减少桩底沉碴厚度。
钻孔前先用水准仪确定护筒标高，并以此作为基点，按设计要求的孔底标高计算孔深，以钻具长度确定孔深，孔深偏差不短于设计深度，超钻深度不大于50cm；孔径用孔径仪测量，若出现缩径现象应进行扫孔，符合要求后方可进行下道工序。
6、钻孔异常处理
（1）坍孔处理
钻孔过程中发生坍孔后，要查明原因进行分析处理，可采用加深埋护筒等措施后继续钻进。
根据现场情况也可在泥浆中加入大量的干锯末，同时增大泥浆比重（控制在1.15～1.4之间），改善其孔壁结构。
钻头每次进入液面时，速度要非常缓慢，等钻头完全进入浆液后，再匀速下到孔底，每次提钻速度控制在0.3～0.5m/s。
坍孔严重时，应回填重新钻孔。
（2）缩孔处理
钻孔发生弯孔缩孔时，一般可将钻头提到偏孔处进行反复扫孔，直到钻孔正直，如发生严重弯孔和探头石时，应采用小片石或卵石与黏土混合物，回填到偏孔处，待填料沉实后再钻孔纠偏。
（3）埋钻和卡钻处理
埋钻主要发生在一次进尺太多和在砂层中泥浆沉淀过快；卡钻则主要发生在钻头底盖合拢不好，钻进过程中自动打开或在卵石地层钻进时，卵石掉落卡钻等。
埋钻或卡钻发生后，在钻头周围肯定沉淀了大量的泥浆，形成很大的侧阻力。
因此处理方案应首先消除阻力，严禁强行处理，否则有可能造成钻杆扭断、动力头受损等更严重的事故。
事故发生后，应保证孔内有足够的泥浆，保持孔内压力，稳定孔壁防止坍塌，为事故处理奠定基础。
7、终孔及清孔
（1）终孔：
当钻孔达到设计终孔标高后，请监理工程师检查，确定终孔。
（2）清孔：
采用换浆法施工，即向孔内注入经过泥浆处理器处理过的泥浆，换出孔底沉碴及浓度较大的泥浆。
孔内排出的泥浆手摸无2～3mm颗粒，泥浆比重不大于1.1，含砂率小于2%，粘度17～20s。
（3）检孔：
清孔完毕后，即组织监理、主管工程师、质检工程师及值班技术人员共同对成孔进行检查，孔径及孔形检查用检孔器检查，孔深和孔底沉渣用标准测锤检测。
8、钢筋笼的制作与安装
钢筋笼采用在钢结构工厂加工组装，运抵墩位处整体一次性吊放。
（1）钢筋笼制作：
钢筋笼成型采用卡板成型或箍筋成型。
焊接时，主筋与加强箍筋全部焊接，主筋内缘保持光滑，钢筋接头不侵入主筋内净空。
钢筋笼下端垫齐，用加强箍筋封住。
φ1.5m以及长度大于或等于50m的φ1.0m和φ1.25m钻孔桩，在每个钢筋笼安装3根φ57mm的声测钢管，作为桩检用。
（2）钢筋笼焊接：
采取遮蔽措施，避免雨雪大风天施焊。
焊后热处理完毕，让其自然冷却。
（3）钢筋笼保护层：
在钢筋笼上、下端及中部每隔一定距离于同一横截面上对称设置四个钢筋“耳环”，确保钢筋笼与孔壁保持设计保护层距离。
（4）钢筋笼下放：
制作好的钢筋笼稳固放置在平整的地面上，防止变形。
起吊钢筋笼采用扁担起吊法，起吊点设在钢筋笼箍筋与主筋连接处，且吊点对称并一次性起吊。
钢筋笼设置4-6个起吊点，以保证钢筋笼在起吊时不变形。
吊放钢筋笼入孔时应对准孔位，保持垂直，轻放、慢放入孔，不得左右旋转，若遇阻碍应停止下放，查明原因进行处理，严禁高提猛落和强制下入。
下放钢筋笼时要求有技术人员在场，现场测护筒顶标高，准确计算吊筋长度，以控制钢筋笼的桩顶标高及钢筋笼上浮等问题。
9、二次清孔
钢筋笼安装完毕，检查孔底沉淀情况，为了满足客运专线对桥梁基础沉降的严格要求，我们将控制本试验段全部钻孔桩在桩身砼浇筑前孔底沉碴厚度不超过100mm。
若孔底沉碴厚度不满足这一要求，利用水封导管采用气举法进行二次清孔。
5.2.2水下混凝土灌注成桩施工
1、灌注桩身混凝土
利用钻孔灌注漏斗采用快速卡口垂直导管提升法灌注桩身水下砼。
（1）导管试拼：
使用前试拼、试压，并用油漆在导管两侧做好刻度标记。
试压压力为孔底静水压力的1.5倍。
（2）导管下放：
导管拼好并试压后，利用汽车吊机吊放，导管位置居于孔中，轴线顺直，稳步沉放，导管底口距孔底0.3～0.4m。
（3）标高测量：
导管入孔后值班技术人员做好测量标记并对测量孔深。
（4）砼灌注：
灌注前，须再次复测沉渣厚度。
若沉渣超标，须进行清孔。
灌注首批砼前，先配置0.1～0.3m3水泥砂浆放入滑阀以上的导管和漏斗中，然后再放入砼，确认首批砼量备足后，即剪断铁丝借助砼重量排除导管内的水，使滑阀留在孔底，灌注首批砼。
（5）导管埋深：
导管初埋深不小于2.0m，其后按2.0～6.0m掌握，由专人用测砣测量埋入深度，并作好记录。
每根桩应连续灌注，不得中断
（6）排浆：
孔内溢浆通过泥浆处理器处理后回收利用。
（7）成桩：
砼灌注面高出桩顶设计高程0.5～1.0m，封桩完成。
（8）全桥选用高性能砼配合比配置高性能桩身砼。
（9）砼灌注过程中控制坍落度损失，保证整根桩砼浇筑完成时砼有足够的流动性，确保灌注顺利。
（10）专人进行灌注记录，并保证灌注记录的实时、真实。
灌注记录表如下：
2、桩检
长度小于50m的φ1.0m和φ1.25m钻孔桩采用小应变方法进行桩身无损检测，φ1.5m以及长度大于或等于50m的φ1.0m和φ1.25m钻孔桩利用桩身内预埋的3根Φ57mm声测管进行超声波检测，检测由专业检测机构进行。
3、桩头处理
采用人工配合风枪凿除。
5.2.3监测技术与分析
确保工程建设安全、质量的关键是对旋挖造孔及水下混凝土灌注的全过程监测，及时测量各主要工序施工阶段的各种数据，并与分析计算值比较，及时反馈指导设计和施工。
主要的监测内容参见表5.2.5。
表5.2.3监测项目汇总表
序号
监测项目
监测仪器
监测频率
监测目的
1
泥浆比重
泥浆比重计一套
每桩钻孔前
掌握泥浆粘稠度防止坍孔
2
护筒标高
苏光DSZ-1水准仪，
铝合金塔尺
护筒就位后
计算控制钻孔深度及吊筋长度
3
成孔深度
测绳
每桩成孔后
复核钻孔深度及测量沉渣厚度
4
导管砼下埋置深度
测绳
砼灌注时随时测量
防止脱管断桩
5
混凝土顶面高度
测绳
砼灌注完成后
测量是否达到设计桩顶高程
5.3劳动力组织（见表5.3）
表5.3劳动力组织情况表
序号
单项工程
所需人数
备注
1
管理人员
2
2
技术人员
3
3
旋挖钻造孔
12
4
钻孔灌注桩施工
24
5
钢筋加工
30
6
杂工
5
合计
76人
6.材料与设备
本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6。
表6机具设备表
序号
设备名称
设备型号
单位
数量
用途
1
旋挖钻机
台
3
钻孔桩施工
2
漏斗及导管
套
3
水下砼灌注
3
钢护筒
个
6
钻孔桩施工
3
装载机
台
2
清运渣土
4
汽车吊
台
3
钢筋笼吊装
5
泥浆泵
台
6
泥浆循环
6
钢筋弯曲机
GW40
台
1
钢筋加工
7
电焊机
BX-300
台
4
钢筋加工
8
钢筋切割机
GJ40
台
1
钢筋加工
9
搅浆筒
台
3
制备泥浆
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
表7.1.1钻孔桩钻孔允许偏差表
序号
项目
允许偏差
1
护筒
顶面位置
50mm
倾斜度
1%
2
孔位中心
50mm
3
倾斜度
1%
钻孔桩钢筋骨架允许偏差见下表：
表7.1.2钻孔桩成桩允许偏差
序号
项目
允许偏差
1
钢筋骨架在承台底以下长度
±100mm
2
钢筋骨架直径
±20mm
3
主钢筋间距
±0.5d
4
加强筋间距
±20mm
5
箍筋间距或螺旋筋间距
±20mm
6
钢筋骨架垂直度
1%
7.2质量保证措施
7.2.1泥浆比重严格根据现场土质进行配比，保证泥浆能够起到护壁作用。
7.2.2钻孔前每根桩都要专业人员测量护筒标高，并计算钻孔深度，防止出现短桩。
7.2.3成孔后直至灌装前随时测量孔深，查看孔深有无变化，防止沉渣量超标。
7.2.4成孔后仔细计算需要混凝土灌注量。
防止因补灰时间过长引起的埋管或断桩事故。
7.2.5仔细计算首盘混凝土灌注量，确保首盘混凝土能够封住导管口。
7.2.6下钢筋笼应缓慢进行，防止刮碰孔壁，水下混凝土应一次灌注成桩。
7.2.7水下混凝土灌注桩施工必须按隐蔽工程要求做好施工记录。
8.安全措施
8.1认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全用电负责人参加的安全生产管理网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。
8.2施工现场按符合防火、防风、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。
8.3对成孔处及时增设警示标志。
并用细钢筋焊成三脚架，用红白相间的油漆涂刷，扣在孔口上
8.4在旋挖钻机旋转区域设置警戒线，防止碰伤。
8.5旋挖钻成孔的泥渣应及时清理、外运。
8.6吊放钢筋笼时，钢缆必须由专业人员系绑。
8.6氧气瓶与乙炔瓶隔离存放，严格保证氧气瓶不沾染油脂、乙炔发生器有防止回火的安全装置。
8.7电缆线路应采用“三相五线”接线方式，电气设备和电气线路必须绝缘良好，场内架设的电力线路其悬挂高度和线间距除按安全规定要求进行外，将其布置在专用电杆上。
8.8室内配电柜、配电箱前要有绝缘垫，并安装漏电保护装置。
8.9对将要较长时间停工的开挖作业面，不论地层好坏均应作网喷混凝土封闭。
8.10建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。
9.环保措施
9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。
9.2将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。
9.3对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施，加强实施中的监测、应对和验证。
同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。
9.4设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。
9.5定期清运弃渣，做好弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。
弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。
9.6优先选用先进的环保机械。
采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。
9.7对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。
10.效益分析
10.1本工法中钻孔技术核心是采用大扭矩旋挖钻机。
旋挖钻机因其具有装机功率大，输出扭矩大，轴向压力大，机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。
近年来，北京地铁、环线路网建设、特别是青藏铁路、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中，旋挖钻机高效、环保、效益高的优势得到公认。
10.2 随着改革开放的逐步深化，国内市场经济的需求，使得铁路公路水路交通、城市公共设施和工业民用建筑、水利电力设施、港口码头机场的建设全面飞速发展桩基础施工机械潜在的巨大市场已经出现。
仅铁路建设方面，到2020年铁路建设总投资要超过2万亿元。
今年数条高速客运专线，如武大、郑西、石太、京津等相继开工，高速客运专线有60%以上为桥梁，桥桩的直径大多适合旋挖钻机施工，这将是继青藏铁路以后旋挖钻机有铁路建设中更大规模的应用。
11.应用实例
北京南站西咽喉凉水河中桥桩基施工
11.1工程概况
凉水河中桥新建工程是北京南站改扩建工程的一项重要配套工程，是连接站场西咽喉与主站场的枢纽。
凉水河中桥位于原永丰线跨凉水河铁路桥与京山线跨凉水河铁路桥之间，是由16座连续刚构桥组合成的综合工程。
京沪高速、京津城际、京山改线共24股道通过中桥跨越凉水河，跨河桥东西向占凉水河河道共长220米左右。
本次采用单线桥9座，双线桥6座，三线桥1座。
由东到西分为京津城际车场、京沪高速车场和京山普速车场。
城际车场包括2座15-16-16-15和1座16-16-16-16桥；高速车场包括3座15-16-16-15、2座15.2-16-16-15.2、1座15.4-16-16-15.4和2座16-16-16-16桥；普速车场包括1座16.06-18-18-16.14、1座16.61-18-18-16.48、1座17.6-18-18-17.8和2座17.2-18-18-17.2桥。
本桥平面布置见下图：
凉水河中桥采用摩擦桩低桩承台基础，桩长13—23米，共需要钻桩657根，总桩长11833米，桩身钢筋用量1013吨，C30砼9293立方米。
全部达到基本承载力σ0=500的细圆砾土层。
桥主梁与桥墩整体相连，而两端与桥台简支，形成边跨简支于桥台的刚架桥结构。
凉水河桩基示意图
11.2施工情况
进行1、2、3号承台钻孔桩施工时，由于桩位处于河道内，上层土质多为细砂、黏土及小粒径卵石组成，钻进速度较快，1小时左右便能进尺16米。
因土质较为松散，为防止坍孔，泥浆比重调制的较大，在1.20-1.35间，并随时保持泥浆液面高度。
随时监控泥浆含砂率，若含砂率较大，经由沉淀池过滤，再使用。
当钻机钻至16米以下时，遇到卵石土层，无进尺时。
钻头换为短螺旋钻头，将原状土钻为扰动土，使土层松动后，再换为普通旋挖斗继续钻进。
使用旋挖斗配合螺旋钻头钻进加快了钻进速度，提高了施工效率。
11.3工程监测与结果评介
凉水河中桥桩基采用旋挖钻机施工，在施工中严格控制质量节点：
泥浆比重、护筒标高、钻孔深度、钢筋笼吊筋长度以及水下混凝土灌注时导管的埋置深度，在地质环境复杂、施工区域狭窄的情况下保证了施工进度及质量，为凉水河中桥的总体完工打下了坚实的基础。
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