水下混凝土灌注桩冲孔法成桩施工工法.docx

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水下混凝土灌注桩冲孔法成桩施工工法

水下混凝土灌注桩冲孔法成桩施工工法

混凝土钻孔灌注桩，因其承载力高、适应性强、造价较低，广泛用于路桥、港口、水电及高层建筑等建筑工程中。

混凝土灌注桩冲孔法成桩系采用冲击式钻机或卷扬机悬吊冲击钻头（又称冲锤）上下往复冲击，将硬质土或岩层破碎成孔，部分碎渣和泥浆挤入孔壁中，大部分成为泥渣，用掏渣筒掏出或泥浆泵抽浆换浆清孔，然后再灌注混凝土成桩。

一、特点及适用范围

混凝土灌注桩冲孔法成桩的特点是：

设备构造简单，适用范围广，操作方便，所成孔壁较坚实、稳定、坍孔少，受施工场地影响小，噪声和振动影响小等，因此被广泛地采用，但存在掏渣及清孔较费工费时，成孔速度较慢，泥浆污染环境，孔底泥渣难以掏尽，使桩的承载力不够稳定等问题。

冲孔法成桩适用于黄土、粘性土或粉质粘土和人工杂填土层，特别适于有孤石的砂砾石层、漂石层、坚硬土层、岩层中使用，对流砂层亦可克服，但对层厚较大的淤泥及淤泥质土则要十分慎重。

二、机具设备

冲孔法成桩的主要设备为冲击钻机，它由简易的钻架、冲锤、卷扬机（带离合器）、转向装置等组成。

冲锤有十字、米字、圆型等多种，冲锤和钻架用钢丝绳连接，冲锤直径60～200cm。

配套的设备有用于掏渣清孔的泥浆泵、掏渣筒、钢护筒等。

三、施工工艺流程图

场地平整

↓

桩位放线

↓

探孔←砌筑泥浆池

↓

护筒制作修整→埋设钢护筒

↓

监理复核

→钻机就位、校正←桩位复测

↓

泥浆循环→冲击造孔，掏渣

↓

监理验收终孔情况

测量孔深、垂直度、直径→达到终孔条件，清孔←

↓

→

监理验收钢筋笼

安装钢筋笼←钢筋笼制作

↓

钢导管试压→安装钢导管

↓

监理验收清孔情况

第二次清孔

↓←

制作混凝土试件←灌注水下混凝土

↓

成桩养护，拆护筒

四、主要施工程序

1、水下混凝土灌注桩冲孔法成桩施工工艺流程是：

场地平整→桩位放线→探孔，砌筑或开挖泥浆池→钢护筒制作，埋设钢护筒→冲击钻机就位，孔位校正→冲击造孔，泥浆循环，清孔换浆→终孔验收→下钢筋笼和钢导管、清孔→灌注水下混凝土→成桩养护。

2、场地平整

在陆地上施工时，平整桩基范围内的场地，清除杂物、淤泥并压实。

在水上施工时，需搭设施工平台。

场地为浅水时，可采用筑岛法施工。

筑岛的技术要求按照有关规范的规定执行，筑岛面积应能满足钻机大小、泥浆池布置、安装钢筋笼等要求，筑岛的高度应高于最高施工水位0.5～1.0m。

场地为深水时，可采用钢管桩施工平台、双壁钢围堰平台等固定式平台，也可采用浮式施工平台。

平台须牢靠稳定，能承受工作时所有动、静荷载。

水上平台的设计与施工可按照有关规范的规定执行。

3、造孔

（1）在陆地上施工时，开孔前根据测量放线的桩中心位置及设计的桩径或钢护筒直径的大小进行探孔，宜用人工开挖探孔，挖孔深度不小于3m，确认没有地下管线，然后埋设钢护筒。

钢护筒的作用是保护孔口、防止坍方、定位导向。

旱地、筑岛处护筒可采用挖坑埋设法，护筒底部和四周所填粘质土必须分层夯实。

水域护筒设置，应严格注意平面位置、竖向倾斜和两节护筒的连接质量。

钢护筒内径宜比桩径大200～400mm，护筒高度宜高出地面0.3m或水面1.0～2.0m。

当钻孔内有承压水时,应高出稳定后的承压水位2.0m以上。

当处于潮水影响地区时，应高于最高施工水位1.5～2.0m，并应采用稳定护筒内水头的措施。

护筒埋置深度一般情况下为2～4m，特殊情况应加深以保证钻孔和灌注混凝土的顺利进行。

护筒中心竖直线应与桩中心线重合，除设计另有规定外，护筒中心与桩中心的平面偏差不大于50mm，护筒的倾斜度偏差小于1%，采用经纬仪纵横向测量检查。

（2）开始冲击前，操作人员要检查冲锤直径是否符合灌注桩直径要求，冲锤的直径可根据桩径和不同岩层中的扩孔系数确定。

泥浆池根据现场情况和环境要求可采用砖砌或在地面开挖坑池的方法，泥浆池应设置沉淀池和净浆池，泥浆池的容积根据灌注桩的直径、深度确定，一般情况下不小于60m3。

（3）施工前要先制备泥浆，泥浆一般由水、粘土（或膨润土）和添加剂按适当配合比配制而成。

在易坍地层施工时，泥浆的性能指标可参照下列数值：

相对密度1.20～1.40，粘度22～30Pa·s，含砂率≤4％，胶体率≥95％，失水率≤20ml/30min，酸碱度pH值8～11。

如桩基础地层为较好的粘土层，亦可采取自成泥浆护壁，方法是在孔内注满清水，通过冲锤上下冲击使成泥浆护壁。

待泥浆池及桩孔内全部储够泥浆后，开始低锤（小冲程）密击，锤高0.4～0.6m。

直至孔深达到护筒下3～4m后，才加快速度，加大冲程将锤提高至1.5～2.0m以上，转入正常连续冲击。

在成孔过程要及时将孔内残渣排出孔外，以免孔内残渣太多，出现埋钻现象。

（4）在冲进过程中，进尺快慢根据土质情况来控制，将泥浆的相对密度控制在1.1～1.4之间，并经常对泥浆的相对密度和泥浆面进行检查。

穿过淤泥层及砂层时，应选用较大比重、粘度的泥浆，并放慢进尺速度。

也可投入粘土块掺小片石，慢速冲进，将粘土膏、片石挤入孔壁稳定孔壁。

根据不同地质，调整泥浆比重，确保泥浆具有足够的稠度，确保孔内水位差，维护孔壁稳定。

发生孔内坍塌时，判明坍塌位置，回填砂和粘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行冲进。

在粘性土及含砂率小的强风化岩中，用中等速度冲进。

各类土层中的冲程和泥浆密度可按下表选用。

地层

冲程（m）

泥浆相对密度

备注

在护筒中及护筒脚下3m以内

0.9～1.1

1.1～1.3

土层不好时宜提高泥浆密度，必要使加入小片石和粘土块

粘土

1～2

1.0～1.1

经常清理冲锤上的泥块

砂土

1～2

1.2～1.4

抛粘土块，勤换浆掏渣，防坍孔

砂卵石

1.5～2.5

1.2～1.4

加大冲击能量，勤换浆掏渣

风化岩

1～3

1.1～1.3

如岩层表面不平或倾斜应抛入20～30cm厚块石使之略平，然后低锤快击使其成一紧密平台，再进行正常冲击，同时加大冲击能量，勤换浆掏渣

坍孔回填重造孔

1～1.5m

1.2～1.4

反复冲击，加粘土块及片石

（5）冲击过程要经常排渣并及时补浆，每冲进1～2m应排渣一次。

排渣方法有泥浆循环法和掏渣筒法。

前者是将输浆管插入孔底使泥浆在孔内向上流动，将残渣带出孔外。

此方法造孔效率高，护壁效果好，泥浆较易处理，但孔深较深时，循环泥浆的压力和流量要求高，较难实施。

掏渣筒法是用一个下部带活门的钢筒，将其放到孔底，作上下来回活动，提升高度在2m左右，当掏渣筒向下活动时，活门打开，残渣进入筒内；向上运动时，活门关闭，可将孔内残渣抽出孔外。

排渣时，必须及时向孔内补充泥浆，以防止孔壁坍塌。

（6）在冲击过程要经常检查成孔的垂直度、孔径、孔深、泥浆性能指标等，始终保持孔内泥浆面高于护筒底0.5m以上，以免泥浆面升降波动造成对护筒底口处的冲刷，同时孔内泥浆面保持高于地下水位1m以上。

（7）冲进成孔过程，经常注意渣样的捞取，并注意地层的变化，在地层变化处均应捞取渣样，判明后并记入记录表中，以便与地质剖面图核对。

终孔时必须取岩样，并保留岩样。

（8）处理孔内事故或因故停止冲击时，必须将冲锤提出孔外，以防埋锤。

（9）冲至桩底标高，终孔岩样经过各方验收合格后，才可以进行终孔和清孔。

4、终孔及清孔

（1）当冲击到设计标高后，进行第一次清孔工序的施工，清孔采用换浆法施工，即冲孔完成后，提起冲锤至距桩底20cm继续低击，然后以相对密度较小的泥浆压入，逐步把孔内悬浮的残渣和相对密度较大的泥浆换出。

清孔时应指定专人负责补浆，保证孔内必要的水头高度。

清孔后的泥浆密度小于1.1，泥浆粘度控制在17～20Pa.s，其含砂率不得大于2%，清孔结束时应测定孔底的沉淀，孔底的沉淀厚度符合设计和施工规范规定（摩擦桩和端承桩允许沉淀厚度不同）。

（2）清孔工作完成后，进行孔径、孔深、孔位、垂直度的检查，当这些指标达到要求后，通知监理工程师进行工序验收。

验收合格后，才能进行钢筋笼的安装。

5、钢筋笼的制作与安装

（1）按施工的实际桩长来决定钢筋开料长度，根据桩的长短及吊装能力来确定分段制作的长度，分段接长同一截面钢筋接头不超过50%。

（2）先制作相应的加劲箍筋，然后按设计图纸的根数布置主筋。

每隔2m设一道加劲箍筋，排列好后将主筋按规定间距焊接在加劲箍筋上，再依设计的规定间距绑扎螺旋箍筋。

超声波检测钢管焊接或用铁丝绑扎固定在加劲箍筋上，并采用套管驳接，接口必须密封。

（3）成孔验收完，第一次清孔后，利用吊车将第一节钢筋笼吊入桩孔，每下完一节后用钢管或方木固定，再用吊车吊起另一节进行驳接，驳接采用帮条焊接，单面焊缝不应小于10d。

吊放钢筋骨架入桩时，下落速度要均匀，钢筋笼要居中，人力配合扶正钢筋笼，切勿碰撞孔壁。

（4）钢筋笼落到设计标高后，将其转正在桩中心位置并用钢筋焊接固定在钢护筒上，防止浇筑桩身混凝土时发生浮笼。

（5）第二次清孔：

钢筋笼安装完毕后，安放钢导管至桩底，往导管内压入较稀的泥浆，继续进行循环清孔，对沉渣进行清除。

待沉渣厚度、泥浆比重、含砂率经监理工程师验收满足要求后才能进行水下混凝土的灌注。

6、桩身混凝土的灌注

（1）水下混凝土应有良好的和易性，混凝土的配合比设计根据设计图纸和有关施工规范执行。

水下混凝土灌注时间不得长于首批混凝土初凝时间，若估计灌注时间长于首批混凝土初凝时间，则应掺入缓凝剂。

混凝土拌和地点距离灌注桩地点较远时应采用混凝土搅拌运输车运输混凝土。

灌注时应保持足够的流动性，坍落度为180～220mm。

（2）水下混凝土用钢导管灌注，导管内径为200～350mm。

导管使用前应进行水密承压和接头抗拉试验，严禁用压气试压。

进行水密试验的水压不小于孔内水深1.3倍的压力，也不小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力的1.3倍。

（3）第一批混凝土浇筑数量应能满足导管首次埋置深度（不小于1米）和填充导管底部的需要。

灌注应连续进行，并边灌注边提升导管和边拆除上一节导管，使混凝土经常处于流动状态。

导管底埋置于混凝土内深度不超过6m，导管提升时速度不能过快，提升后导管的埋深不宜小于2m，提管过程中注意进行反插。

逐节拆除导管时应先将顶上漏斗挪开，然后垂直提升导管，拆去顶上一节再接上漏斗继续灌注。

提升导管要保持导管垂直和居中，不使倾侧和牵动钢筋笼。

混凝土浇筑过程始终保持导管埋入混凝土的长度在2～6m。

（4）混凝土灌注到桩顶上部5m以内时特别注意加大拔管与反插的密度以确保混凝土密实度。

（5）混凝土灌注过程中有短时间停歇时，经常上下移动导管，使混凝土保持足够的流动性，避免发生塞管事故。

间歇时间应小于前批混凝土的初凝时间。

（6）混凝土灌注高度应比桩顶设计标高高出0.5～1m，以保证混凝土强度。

在灌注将近结束时，应核对混凝土的数量，以确定所测混凝土的灌注高度是否正确。

（7）混凝土灌注过程中溢出的泥浆用泥浆泵抽到泥浆运输车上或泥浆池里，泥浆运输到指定的地点排放，确保不污染环境。

五、水下混凝土灌注桩冲孔法成孔施工过程常遇问题及处理方法

常遇问题

产生原因

防治处理方法

桩孔不圆，呈梅花形

1、钻头的转向装置失灵，冲击时钻头未转动

2、泥浆粘度过大，冲击时转动阻力太大，钻头转动困难

3、冲程太小，钻头转动时间不充分或转动很小

经常检查转向装置的灵活性；调整泥浆的粘度和相对密度；用低冲程时，每冲击一段换用高一些的冲程冲击，交替冲击修整孔型

钻孔偏斜

1、冲击中遇探头石、漂石、大小不均，钻头受力不均

2、基岩面倾斜

3、钻机底座未安置水平或产生不均匀沉陷

4、土层软硬不均；孔径大，钻头小，冲击时钻头向一侧倾斜

发现探头石后，应回填碎石，用高冲程猛击探头石，破碎探头石后再冲进

冲进到基岩面时采用低锤密击，并使钻头充分转动，进入基岩后采用高冲程冲进；若发现孔斜，应回填重钻；经常检查及时调整；进入软硬不均地层，采取低锤密击，保持孔底平整，穿过此层后再正常冲进

冲锤被卡

1、钻孔不圆，冲锤被孔的狭窄部位卡住

2、未及时补焊钻头，钻孔直径逐渐变小，钻头入孔冲击被卡

3、上部孔壁坍落物卡住钻头

4、在粘土层中冲程太高，泥浆粘度太大，以致钻头被吸住

5、放绳太多，冲锤倾倒顶住孔壁

6、护筒底部出现卷口变形，冲锤卡在护筒底

若孔不圆，钻头向下有活动余地，可使钻头向下活动并转动至孔径较大方向提起钻头；使钻头向下活动，脱离卡点；在基岩钻头被卡处采取水下爆破，待卡点松动后提起钻头；若孔径变小，应严格控制钻头直径，并在孔径变小处反复冲刮孔壁，以增大孔径；用打捞工具帮助提起钻头；利用泥浆泵向孔内泵送优质泥浆，清除坍落物，替换粘度过高的泥浆；将护筒吊起，割掉卷口，修整护筒重新安放

孔壁坍塌

1、冲锤撞击孔壁

2、泥浆相对密度偏低，起不到护壁作用；孔内泥浆面低于孔外水位

3、遇流砂、软淤泥、破碎地层或松砂层时进尺太快

4、地层变化时未及时调整泥浆相对密度

5、清孔或漏浆时补浆不及时，造成泥浆面过低，内外压差大而塌孔

6、清孔后未及时灌注混凝土或安装钢筋笼时撞击孔壁而塌孔

探明塌孔位置，将砂和粘土混合物回填到塌孔位置以上1～2m，等回填物沉积密实后再重新冲孔；按不同地层土质采用不同的泥浆相对密度；保持泥浆面；严重塌孔，用粘土膏投入，待孔壁稳定后采用低速重新冲击；清孔或漏浆时及时补充泥浆；清孔后及时灌注水下混凝土；安装钢筋笼时保持钢筋笼竖直；不撞击孔壁

流砂

1、孔外水压力比孔内大，孔壁松散，使大量流砂涌入孔内

2、掏渣时没有及时向孔内补充水，造成孔外水位高于孔内

流砂严重时可抛入碎石、粘土，用冲锤挤入流砂层，做成泥浆结块，使成坚厚孔壁，阻止流砂涌入；保持泥浆面；增大泥浆的相对密度

钻孔直径小

1、选用的冲锤直径小

2、冲锤被磨损未及时修复

选择合适的冲锤直径；定期检查冲锤磨损情况，及时修复

冲锤脱落

大绳在转向装置联结处被磨断；绳卡脱落；钢丝绳使用时间长磨损较大，在薄弱断面折断

用打捞工具打捞掉落的钻头；经常检查易损坏部位、钢丝绳和转向装置、联结部位

六、水下混凝土灌注桩冲击成孔过程遇溶洞的处理

1、充分摸清地质情况，溶岩地区每桩要有一个或几个地质钻探孔。

2、结合实际制定先易后难的总体施工原则，即先施工单个小溶洞、充填或半充填溶洞、溶洞底面岩面平坦的桩基础，等基本摸清溶洞地质施工规律，掌握溶洞处理措施，再施工存在大溶洞、多层溶洞、无充填溶洞的桩基础。

3、每孔开钻前，将地质剖面柱状图挂在钻机上，让每一位参与施工的人员都充分掌握要施工桩位的溶洞的位置、大小和填充情况等地质资料；冲进过程中，由技术人员对施工人员进行跟班技术交底，不同地层采取不同冲程、不同的处理措施，对地质异常复杂的桩，则根据每桩的不同特点，制定专门的处理措施。

4、溶洞施工以做好预防为主，钻孔前在孔口附近储备大量粘土、片石及一定数量的袋装水泥，钻孔过程中配备大功率泥浆泵两台以上，同时具备充足的水源，保证一旦漏浆，可立即进行补浆。

5、若溶洞内进尺过快，则在孔底已穿过溶洞底后，再次提升冲锤，投入片石、粘土，重新进行冲砸，使片石与粘土在溶洞内形成坚实护壁，保证顺利成孔。

6、每遇到一层溶洞，无论是否漏浆，是否为充填溶洞均应向孔内投入一定数量的片石、粘土，然后用小冲程冲击混合物，使其挤入裂隙、溶槽内，反复操作多次，堵塞漏浆通道。

7、对于无充填或半充填的大溶洞，特别是地质钻探显示漏浆的溶洞，在击穿洞顶之前，要密切注意孔内泥浆面的变化，一旦泥浆面下降，应迅速补浆，也可将预先准备好的片石、粘土、水泥按适当的比例抛入，直至孔内泥浆面停止下降，并慢慢上升，此后用冲锤适当挤压，直至把裂隙、溶槽都填满或堵死，只有当泥浆漏失现象消失后才转入正常冲进。

8、遇到特大型溶洞，为防止漏浆造成孔壁坍塌，采用预钻孔注浆，也可用大直径冲锤成孔，然后埋长钢护筒隔离上部松软覆盖层的方法进行处理。

9、偏孔是溶岩地质冲孔灌注桩施工的常见现象。

冲锤穿越溶洞时要密切注意大绳的抖动和偏移情况，以便判断是否偏孔。

若偏孔应回填片石和粘土至偏孔处0.5m以上，重新冲砸。

七、质量检验及质量标准

1、冲击成孔在终孔和清孔后，应进行孔位、孔深检验。

2、孔径、孔形和倾斜度可采用外径为桩的钢筋笼直径加100mm（不得大于冲锤直径），长度为4～6倍外径的钢筋检孔器吊入孔内检测。

3、冲孔成孔的质量标准

项目

允许偏差

孔的中心位置（mm）

群桩：

100；单排桩：

50

孔径（mm）

不小于设计桩径

倾斜度

小于1％

孔深

摩擦桩：

不小于设计规定

端承桩：

比设计深度超深不小于50mm

沉淀厚度（mm）

摩擦桩：

符合设计要求，当设计无要求时，对于直径≤1.5m的桩，≤300mm；对直径>1.5m或桩长>40m或土质较差的桩，≤500mm

端承桩：

不大于设计规定

清孔后泥浆指标

相对密度：

1.03～1.10；粘度17～20Pa·s；含沙率：

<2％；胶体率：

>98％

4、成桩质量的检测方法和数量要符合设计要求。

当桩身经检测后质量不符合要求时，应研究处理方案。

八、工程实例

广州市华南路三期工程第A3标段——朝阳特大桥工程，位于广州市白云区石井镇，起、止里程为K0＋867.18、K2＋411.74，长约1.55km。

水下混凝土灌注桩数量为363根，桩径有150cm、180cm、220cm三种。

根据地质钻探资料，施工场地范围内溶洞极为发育，既有一孔一洞，又有一孔多洞的，溶洞洞高在0.1～21.69m范围。

根据地质资料，在K0+86.18～K1+534.18m和K1+727.58～K1+932.88m范围内主要分布1～2层溶洞，溶洞高一般小于5.0m；在K0+744.18～K1+284.18m和K1+978.18～K2+386.74m地段主要分布2～4层溶洞，溶洞高在0.10～4.98m之间，多数小于3.0m；在K1+955.53～K2+014.18m地段主要分布多层溶洞，溶洞高在0.10～4.73m之间，一般小于3.0m的见多。

多为充填或半充填溶洞，少量为无充填溶洞，充填物以流～软塑状亚粘土和极松砂为主，少量为岩石碎块。

水下混凝土灌注桩采用冲孔法成孔，施工过程克服了溶洞不良地质带来的影响，成桩质量经超声波、低应变、抽芯检测，Ⅰ类桩比例达到90％以上，没有出现Ⅲ类桩。

（胡继生）