沖擊正循環(huán)成孔方法在大口徑鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用

余曉華

（湖北雙慶工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 十堰442000）

1 工程概況

官山水庫(kù)大橋位于十堰武當(dāng)山至神農(nóng)架木魚(yú)鎮(zhèn)旅游公路六里坪至兩河口段K1398+792.000處，橋位區(qū)屬官山水庫(kù)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍。上部結(jié)構(gòu)為5*30米預(yù)應(yīng)力砼T梁橋。先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，全橋共一聯(lián)，橋長(zhǎng)157.56米。下部結(jié)構(gòu)為0號(hào)橋臺(tái)U型擴(kuò)大基礎(chǔ)；5號(hào)橋臺(tái)采用樁接蓋梁橋臺(tái)，人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)；2號(hào)、3號(hào)橋墩采用圓柱墩，沖孔灌注樁基礎(chǔ)；1號(hào)、4號(hào)橋墩采用圓柱墩，人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)；橋墩設(shè)計(jì)2根Φ2.2m鉆孔灌注樁。

工程質(zhì)地：橋位區(qū)位于鄂西北構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)，橋址跨越官山水庫(kù)。橋位區(qū)基巖出露，巖性為元古界武當(dāng)山群楊坪組絹云母石英片巖，河床分布有第四系沖洪積物。

沖孔灌注樁基礎(chǔ)在河床覆蓋層中施工。表層為第四系沖積和沖洪積松散堆積層，巖性為漂礫卵石夾砂、礫卵石夾砂、粘土、粉土等。

2 施工程序及準(zhǔn)備

2.1 施工程序

單樁施工程序?yàn)椋浩秸麍?chǎng)地→樁位放樣→埋設(shè)護(hù)筒→配制泥漿→安裝泥漿泵→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)→第一次清孔→測(cè)量孔深、孔斜→吊放鋼筋籠→安裝導(dǎo)管→第二次清孔→澆筑水下混凝土→制作試件→拔除護(hù)筒。

2.2 施工準(zhǔn)備

根據(jù)施工合同和設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目部編制施工組織設(shè)計(jì)并報(bào)監(jiān)理審批。施工準(zhǔn)備包括測(cè)量放線和在施工前完成供水、供電、道路、混凝土拌和站、泥漿制備站、泥漿凈化系統(tǒng)、護(hù)筒埋設(shè)、臨時(shí)房屋等施工臨時(shí)設(shè)施的鋪設(shè)、修建工作。

2.2.1 測(cè)量放線

根據(jù)業(yè)主提供的控制網(wǎng)點(diǎn)，用全鉆儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線，準(zhǔn)確的定位出樁位軸線和輪廓線并標(biāo)明樁號(hào)和高程。孔位中心先用全站儀放樣，再過(guò)中心點(diǎn)拉十字線至護(hù)筒外2~3m處釘4根龍門(mén)定位樁，并在護(hù)筒邊沿上做標(biāo)記。龍門(mén)樁點(diǎn)需妥善保護(hù)不得移位并每進(jìn)尺10m要用全鉆儀復(fù)核。

2.2.2 護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒內(nèi)徑2.4m，護(hù)筒底部地基換填粘土夯實(shí)，護(hù)筒四周也回填粘土分層夯實(shí)，以防滲水。護(hù)筒埋設(shè)要求為位置偏差小于5cm，傾斜度不大于1%,頂部高出地面0.2~0.3m

2.2.3 泥漿凈化系統(tǒng)

泥漿沉淀凈化池布置在離孔口大約20m位置，深約3m，直徑約6m。泥漿溝布置在護(hù)筒溢流口與泥漿沉淀凈化池之間，并設(shè)1：200的坡度，斷面尺寸以保證泥漿正常循環(huán)而不外溢為妥；平面布置宜呈彎曲形，以便于鉆渣的沉淀。泥漿沉淀凈化池、泥漿溝均要用水泥砂漿護(hù)壁，以防止漏水漏漿；砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M5，厚度為2~3cm。

2.3 主要施工設(shè)備

鉆孔選用CK2000型大口徑鋼絲繩沖擊鉆機(jī)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。鉆頭為方口五角型，直徑2.0m。泥漿正常循環(huán)排渣選用3PNL型立式泥漿泵送漿，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

3 成孔施工

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3.1 成孔工序

本灌注樁工程采用鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)、泥漿正常循環(huán)排渣方法成孔，其施工程序如下：平整場(chǎng)地→樁位放樣→護(hù)筒埋設(shè)→鉆機(jī)架立→龍門(mén)樁定位→沉淀凈化池形成→泥漿溝形成→泥漿管路安裝→制漿→造孔→清孔換漿→驗(yàn)收。

3.2 固壁泥漿

砂卵石層具有透水性大的特性，造孔時(shí)很容易發(fā)生坍塌事故；泥漿性能指標(biāo)的選擇和控制是保證鉆孔灌注樁施工質(zhì)量和施工進(jìn)度的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于大口徑鉆孔中的正循環(huán)排渣方式，為滿足懸浮、攜帶鉆渣能力的要求，必須采用大比重、高粘度的泥漿。本工程固壁泥漿主要采用本地優(yōu)質(zhì)粘土制漿。

制漿粘土應(yīng)符合下列質(zhì)量要求：①粘粒含量大于35%；②含沙量不大于10%；③造漿率不低于3~5m3/t；④塑性指數(shù)大于20；⑤二氧化硅和三氧化二鋁含量比值為3：4。

新制泥漿的性能指標(biāo)為：①密度1.2~1.3g/cm3；②1006型漏斗粘度30~40s；③含砂量不大于5%;④膠體率不小于97%。

3.3 正循環(huán)排渣

3.3.1 正循環(huán)排渣管路布置與操作

正循環(huán)排渣系統(tǒng)由泥漿泵、泥漿沉淀凈化池、泥漿溝、軟管、彎頭及射漿管等裝置組成，并配有排水、清渣、排漿等設(shè)施。泥漿溝和泥漿沉淀凈化池內(nèi)沉淀的鉆渣需及時(shí)清除，清除的鉆渣要運(yùn)離現(xiàn)場(chǎng)，防止鉆渣、廢漿污染施工現(xiàn)場(chǎng)及周圍環(huán)境。在離鉆頭底部0.8~1.0m處將泥漿射漿管點(diǎn)焊在鉆頭耳環(huán)處，射漿管上口接薄壁膠管并在鉆頭上部纏繞一圈后與大繩上膠管相連接；膠管與大繩每個(gè)3~5m用結(jié)扣方法相連，在孔口上方膠管與上部彎頭連接，彎頭另一端又通過(guò)膠管與泥漿泵相連接。泥漿循環(huán)時(shí)，泥漿泵將泥漿從泥漿沉淀凈化池中抽出輸入膠管并輸送至泥漿射漿管從管口射出。鉆孔底部的泥渣和細(xì)顆粒鉆隨著泥漿向上運(yùn)動(dòng)并經(jīng)過(guò)護(hù)筒溢流口流到泥漿溝中。泥漿溝中的泥渣一方面向泥漿沉淀凈化池流動(dòng)；另一方面泥漿中的大顆粒鉆渣則在泥漿溝中設(shè)置的淺小沉淀池內(nèi)首先分離沉淀下來(lái)；而小顆粒鉆渣隨泥漿進(jìn)入大沉淀池。淺小沉淀池中的鉆渣由人工不斷清除，大沉淀池中的鉆渣則隔一段時(shí)間用反鏟挖除。

3.3.2 保證送漿管與鉆頭同步運(yùn)動(dòng)的措施

沖擊鉆頭在孔底除了上下沖擊運(yùn)動(dòng)外，在大繩扭力的作用下還有很緩慢地來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆進(jìn)時(shí)間一長(zhǎng)輸漿膠管就會(huì)與大繩發(fā)生纏繞；一旦發(fā)生這種情況需先暫停泥漿泵和鉆機(jī)，用人工松開(kāi)彎頭下口位置的膠管接頭并將膠管反向纏繞1~2圈，然后重新與原位置對(duì)接并恢復(fù)送漿泵及鉆機(jī)的工作。一般情況下膠管不會(huì)與大繩發(fā)生過(guò)分纏繞，僅在鉆頭向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的不正常狀態(tài)下膠管纏繞較厲害；此時(shí)應(yīng)首先解決鉆孔不圓及孔底不平的問(wèn)題，然后解決膠管纏繞問(wèn)題。起、下鉆時(shí)，鉆頭上下移動(dòng)的距離較長(zhǎng)，需要用人工輔助拉、放或安、拆膠管。

3.3.3 提高排渣效率的措施

能否解決大口徑鉆孔正循環(huán)排渣泥漿上返速度底、排渣能力差的問(wèn)題是本次施工成敗的關(guān)鍵；若大部分粗顆粒鉆渣不能直接排出，排渣效率過(guò)低，必然導(dǎo)致施工時(shí)間延長(zhǎng)。泥漿正循環(huán)的排渣效率取決于孔內(nèi)泥漿上返速度和泥漿的密度與粘度，因此提高排渣效率須在這兩方面采取措施。在孔徑一定的情況下，泥漿輸送量越大，其上返流速度也越大；在上返速度一定的情況下，泥漿的密度與粘度越大，其排渣能力越強(qiáng)。大孔徑鉆孔正循環(huán)排渣的基本原理就是加大泥漿流量的同時(shí)，盡可能加大孔內(nèi)泥漿的濃度，將泥漿的排渣方式由懸浮變?yōu)槲展?。泥漿上返流速度和泥漿密度的增加均有一定的限制，均受到一定條件的制約，其組合方案既要可行，又要合理。

本工程選用3PNL型泥漿泵與密度1.2~1.3g/cm3的泥漿相組合，并采取了在泥漿中加增粘劑CMC和在孔內(nèi)加粘土以增加孔內(nèi)泥漿密度和粘度的措施。施工實(shí)踐證明此方案基本能滿足正循環(huán)排渣要求，排出鉆渣的粒徑一般為2~5cm，最大者可達(dá)8cm，鉆渣直接排出率約為75%~85%。

3.4 造孔工藝

3.4.1 造孔方法與質(zhì)量控制

開(kāi)鉆前在護(hù)筒內(nèi)多加粘土，當(dāng)表土層松疏時(shí)，還要加入一定數(shù)量的礫石，然后注入泥漿；借助鉆頭的沖擊力把泥膏、石塊擠入孔壁。開(kāi)孔時(shí)先用小沖程（0.5~1.5m）輕打、慢鉆，以防止發(fā)生孔斜。鉆至護(hù)筒以下3~4m后可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加大沖程。正常鉆進(jìn)沖程為2m左右，極限沖程為6m。根據(jù)底層情況確定沖程大小，松散地層與細(xì)小顆粒地層用小沖程，而大顆粒或漂孤石集中地層用大沖程。在鉆進(jìn)過(guò)程中要始終保持孔內(nèi)泥漿面高出地下水位1.5~2.0m，并低于護(hù)筒頂面0.3m。

每次下放鉆頭至距孔底鉆渣面50~80mm時(shí)，先開(kāi)動(dòng)泥漿泵使泥漿循環(huán)3~5min，然后將鉆頭慢慢放到孔底，先用小沖程沖擊十幾分鐘，使孔內(nèi)泥漿攪拌均勻。當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到要求孔深停鉆時(shí)，仍要繼續(xù)循環(huán)泥漿一段時(shí)間，以清除孔底沉渣，直至到返出泥漿的鉆渣含量小于4%。

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造孔時(shí)使鉆機(jī)鋼絲繩與龍門(mén)樁兩軸線交點(diǎn)重合，每次交接班時(shí)對(duì)鋼絲繩位置進(jìn)行檢查，并做好記錄。誤差不得大于2cm?？卓谂c孔底的中心點(diǎn)偏差不能超過(guò)15mm。

3.4.2 造孔注意事項(xiàng)

鉆機(jī)安裝應(yīng)平穩(wěn)，在鉆進(jìn)中發(fā)生位移和沉陷時(shí)應(yīng)及時(shí)處理。鉆頭外形要保持圓正，重心要與圓心相吻合；要經(jīng)常檢查鉆頭的磨損情況，及時(shí)補(bǔ)焊。鉆頭升降操作要平穩(wěn)，避免左右擺動(dòng)磕碰孔壁；起鉆時(shí)應(yīng)注意及時(shí)補(bǔ)充孔內(nèi)泥漿。鉆孔過(guò)程中要經(jīng)常檢查泥漿的密度，根據(jù)不同的地層進(jìn)行調(diào)整，避免過(guò)濃和過(guò)稀。鉆進(jìn)操作要堅(jiān)持少放繩、勤放繩的原則；要經(jīng)常扶繩和轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭，隨時(shí)注意觀察了解孔底地層和孔內(nèi)泥漿的變化情況，并做記錄。造孔過(guò)程中應(yīng)防止廢漿、廢渣、雜物等進(jìn)入孔內(nèi)。鉆孔過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常檢查樁孔的傾斜度，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理并填寫(xiě)記錄。在漂卵石集中地地層中鉆進(jìn)時(shí)，孔內(nèi)要常加、多加粘土，以提高鉆進(jìn)效率。

3.5 清孔換漿

清孔換漿的結(jié)束條件為清孔換漿結(jié)束1h后，孔內(nèi)泥漿密度小于1.3g/cm3，粘度小于30s，含沙量不大于4%，孔底沉淀厚度小于5cm。本工程采用兩次清孔方式。

第一次清孔是鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后直接利用鉆具進(jìn)行的清孔換漿工作；具體方法是在鉆具微動(dòng)及正循環(huán)排渣的同時(shí)，用壓縮空氣吹攪孔底沉渣，使攜渣泥漿快速上返并流出孔口進(jìn)入沉淀池，直到返出的泥漿中不含有泥塊為止。當(dāng)泥漿比重不足時(shí)應(yīng)及時(shí)向池中泥漿添加膨潤(rùn)土粉。第二次清孔是在下完鋼筋籠和導(dǎo)管以后利用導(dǎo)管進(jìn)行的清孔換漿工作；具體方法是在導(dǎo)管頂部安裝一個(gè)彎頭，用泵將密度和粘度較小的新鮮泥漿通過(guò)澆筑導(dǎo)管送入孔內(nèi)，孔底細(xì)顆粒沉渣跟隨泥漿返出孔外。第二次清孔的目的是：①清除下設(shè)鋼筋籠和導(dǎo)管過(guò)程中沉淀到孔底沉渣；②換入密度和粘度較小的泥漿，以保證混凝土澆筑質(zhì)量。

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4 鋼筋籠制安

鋼筋的連接采用電焊和綁扎的方法。鋼筋搭接用采用雙面焊，焊接長(zhǎng)度為5d，焊接處不能再同一個(gè)斷面上，錯(cuò)開(kāi)間距應(yīng)大于1.3倍的搭接長(zhǎng)度。

鋼筋籠內(nèi)焊有加勁的內(nèi)撐架，以防止鋼筋籠在運(yùn)輸和就位時(shí)變形。在鋼筋籠與孔壁間設(shè)置鋼筋環(huán)，以保證鋼筋籠的保護(hù)層厚度。

5 混凝土澆筑

5.1 混凝土材料及配合比

灌注樁混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，水灰比0.52，其配合見(jiàn)表3。

5.2 混凝土拌合及運(yùn)輸

混凝土拌制采用電子稱計(jì)量，機(jī)械自動(dòng)上料，2臺(tái)1.0m3混凝土攪拌機(jī)攪拌。在混凝土拌合過(guò)程中混凝土原材料按順序自動(dòng)加入。試驗(yàn)室對(duì)砂的含水率不定期進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)含水率大于1%時(shí)，及時(shí)調(diào)整加水量，以保證混凝土塌落度滿足設(shè)計(jì)要求。拌合系統(tǒng)拌制出的混凝土采用3m3混凝土攪拌運(yùn)輸車送至孔口混凝土澆筑設(shè)備。

5.3 泥漿下混凝土澆筑

灌注樁采用泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑混凝土。

首次灌注混凝土的數(shù)量應(yīng)能滿足導(dǎo)管埋深大于1m的要求。在灌注混凝土?xí)r要經(jīng)常檢測(cè)孔內(nèi)混凝土面的位置，及時(shí)的調(diào)整導(dǎo)管埋深?；炷翝仓^(guò)程中保持導(dǎo)管埋深不小于2m、不超過(guò)6m，并注意混凝土的上升高度與導(dǎo)管內(nèi)混凝土面的高差。灌注樁樁頂澆筑高程比設(shè)計(jì)樁頂高出0.5~1m，以滿足灌注樁有效樁長(zhǎng)的強(qiáng)度。

設(shè)專職混凝土質(zhì)量檢查及澆筑混凝土面測(cè)量人員，嚴(yán)格控制混凝土質(zhì)量，防止不合格混凝土、超徑骨料和其他雜物入倉(cāng)。澆筑過(guò)程中要確保機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)良好，操作靈活。為防止停電造成澆筑中斷備有替補(bǔ)發(fā)電機(jī)。

6 成樁質(zhì)量

灌注樁的孔位、樁徑、孔斜、樁深及清孔質(zhì)量檢測(cè)均符合設(shè)計(jì)要求，檢查結(jié)果見(jiàn)表4。

灌注樁混凝土的抗壓強(qiáng)度經(jīng)試件檢查與取芯檢查符合設(shè)計(jì)要求，檢查結(jié)果見(jiàn)表5

[1]湯金華.正循環(huán)鉆孔灌注樁施工工藝及其工序質(zhì)量控制[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(綜合版)，2005-12-25.