旋挖灌注樁成孔工藝與質量控制

摘 要：旋挖灌注樁施工以其環(huán)保高效的特點在高層建筑、橋梁工程、市政建設等眾多領域得到廣泛應用。旋挖灌注樁施工的成孔工藝和質量控制是其關鍵環(huán)節(jié)，因此概述了旋挖鉆機及工作流程、旋挖灌注樁施工流程，分析了成孔工藝中的鉆頭形式及鉆進參數的選擇、護壁泥漿的選擇與制備、鉆進成孔和清孔４部分，探討了成孔質量控制措施及常見質量問題的處理。

關鍵詞：旋挖灌注樁；成孔工藝；質量控制

中圖分類號：TU753.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0084-03

收稿日期：2024-04-30

作者簡介：李華興（1986—），男，廣東茂名人，本科，工程師，從事建筑工程管理工作。

0 引言

旋挖灌注樁是利用旋挖鉆機造孔，再放置鋼筋籠和灌注混凝土而成的樁。這種樁廣泛用于橋梁、市政建設和高層建筑的地基基礎處理，其特點鮮明，樁機安裝簡單，樁位對中容易，施工精度較高，鉆進速度較快，噪聲低，振動小，地層適應性較強，成孔質量高，是一種環(huán)保高效的樁型[1]。成孔工藝與質量控制是旋挖灌注樁施工中的關鍵環(huán)節(jié)和重要部分，因此本文對相關內容進行了分析和探討。

1 旋挖灌注樁施工技術概述

1.1 旋挖鉆機組成及工作流程

旋挖鉆機是一種復雜的機械設備，由鉆頭、鉆桅、鉆桿、卷揚機構、變幅機構、回轉平臺、操作室、配重、底盤行走機構以及液壓系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等組成。

旋挖鉆機多采用履帶式底盤，可以適應復雜地形，也有采用輪式底盤形式的樁機，可用于較平坦地形的施工。旋挖鉆機中最具特色的部分是鉆頭，典型旋挖鉆頭（從下至上順序）由中心鉆頭、鏟齒（或截齒）、底盤、鉆斗體、開合機構、連接方套等組成[2]。中心鉆頭和鏟齒用于切削土層。底盤上有開口和活門。鉆進時，被切削下的土屑通過開口進入鉆斗體內。鉆斗內被土擠滿后，反向旋轉提升鉆頭，活門自動關閉。要倒出鉆斗體中的土屑，可通過打開開合機構使活門開啟。連接方套用于與鉆桿連接。

旋挖鉆機工作流程[3]如下：①豎起鉆桅、安裝鉆具并調節(jié)。樁機運輸途中要將鉆桅等折疊起來，到達施工現(xiàn)場后再打開、起豎，然后安裝鉆桿并提升和接入動力頭，通過卷揚提起并連接鉆頭。②鉆進成孔。讓機器自行運動到樁位，調整鉆頭對準鉆孔位置。對于較軟地層，可依靠動力頭和鉆具自重實施鉆孔作業(yè)。對于較硬地層，需借助加壓缸或副卷揚機構的回轉加壓鉆進。鉆進時，被鉆齒切下的土會被擠入鉆頭內部。當鉆頭內部的土達到一定體積，就需要提起鉆具卸土。卸完土，再把鉆頭放入孔中。鉆進-卸土-再鉆進-再卸土，如此循環(huán)往復，直至達到設計深度。

1.2 灌注樁施工流程

1.2.1 測設樁位

測量人員根據基準點放出樁位線，復查無誤，及時護樁。

1.2.2 樁機就位埋設護筒

復核樁機定位準確，鉆進開孔。通過人、機配合埋設護筒。護筒底端應穿過填土層，進入黏土層或粉土層中。埋設好護筒，檢查護筒中心與樁位中心一致性。

1.2.3 制備護壁泥漿

旋挖成孔一般不設置套管，主要依靠護壁泥漿維持孔壁穩(wěn)定，可以說護壁泥漿質量決定成孔質量，故應根據地層性質合理配制泥漿。

1.2.4 鉆進成孔

旋挖鉆機配備有垂直度儀，通過顯示屏可顯示鉆桿兩個方向的垂直度，鉆進過程中可隨時觀察鉆桿垂直度，若有偏差及時調整。

1.2.5 第一次清孔

鉆至設計深度，立即進行第一次清孔，即利用磨盤式鉆斗或抽漿泵等設備清除孔底沉渣。

1.2.6 吊放鋼筋籠

使用汽車起重機吊起鋼筋籠，再將其放入樁孔中。為防止鋼筋籠上浮或下沉，復核籠頂標高后，及時固定住鋼筋籠。

1.2.7吊放導管

導管用于灌注混凝土。吊放鋼筋籠后，隨即吊放導管。

1.2.8 第二次清孔

第一次清孔后，吊放鋼筋籠和導管又會產生新的沉渣，所以需要二次清孔。

1.2.9 灌注混凝土

二次清孔復核沉渣厚度符合要求后立即灌注混凝土。灌注水下混凝土通常采用水下導管回頂法成樁，利用導管內外壓力差沖實混凝土。灌注混凝土高度達到設計高度后，再超灌0.8 m以上，超灌部分在混凝土硬化后鑿除。

1.2.10 拆卸導管和護筒

隨著混凝土面上升，相應地提高導管，孔外導管可以逐級拆除。澆灌完混凝土，拆卸剩余導管，即可拆除護筒。樁機移動到另一樁位，開始新一根灌注樁的施工。

2 旋挖灌注樁成孔工藝研究

2.1 鉆頭型式及鉆進參數的選擇

旋挖鉆機可穿越黏性土、非自重濕陷黃土、淤泥及淤泥質土、粉土、砂土、填土層，以硬黏性土、粉土、砂土層為持力層。部分含卵石或碎石（石最大尺寸不超過10 cm）的土層也能應用旋挖鉆機。現(xiàn)實中的地層條件復雜多樣，旋挖鉆機廠家也為適應不同地層條件開發(fā)了多種類型與規(guī)格的鉆頭，施工時應根據地層條件選擇適宜鉆頭類型及規(guī)格。

對于不含地下水的松軟地層，可采用鉆進土層的單頭螺旋鉆頭或單層底盤帶活門的旋挖鉆斗，如果土層有一定膠結可采用雙頭雙螺旋鉆頭。根據相關資料[2]，鉆進壓力可采用0～50 kN，回轉速度控制在20～50 r/min。如果松軟地層中含有地下水，可選用雙層底盤旋挖鉆斗，對于淤泥層或流沙層，如果地層有一定膠結也可選用雙頭雙螺直型螺旋鉆頭。

對于泥巖、頁巖、泥頁巖、粉砂巖、泥質砂巖等軟巖，可交替采用鉆進巖層的螺旋鉆頭和旋挖鉆斗。先利用螺旋鉆頭破碎巖石層，再通過旋挖鉆斗撈出巖屑，撈完巖屑再使用螺旋鉆頭破碎巖石，之后仍采用旋挖鉆斗撈屑，循環(huán)往復進行下去，使巖石層高效成孔。螺旋鉆頭應選用錐型頭，旋挖鉆斗切削齒采用直徑大、體型長、耐磨的中等硬度硬質合金截齒。鉆進壓力宜選擇50～100 kN，回轉速度采用20～30 r/min。對于卵石層和卵礫石地層，可選用卵礫石層旋挖鉆斗，切削齒可選擇直徑大、齒形長、布齒均勻的截齒。鉆進壓力選擇0～50 kN，回轉速度選擇10～20 r/min。

2.2 護壁泥漿的選擇與制備

使用泥漿的主要作用是保持孔壁的穩(wěn)定，同時也有懸浮土渣和冷卻潤滑鉆具的功能。泥漿可以在孔壁上形成泥皮，泥皮能阻止孔壁的土、砂剝落。泥漿的主要成分是黏性土和水，根據對泥漿性能的需要也可添加一些化學處理劑。若孔壁土自穩(wěn)性好且樁徑不大（<2 m），可直接采用場地中的黏土和水或再添加一定量的膨潤土配制而成。若土層自穩(wěn)性差、樁徑大（≥2 m），可在黏土和水以外添加羧甲基纖維素鈉（CMC）、純堿等物質。CMC用作增稠劑，可增加泥漿黏度，添加量為0.03%～0.1%。純堿用作分散劑，添加量為0.5%～1.0%。此外，還可添加加重劑（如重晶石、鐵砂、方鉛礦粉）、防漏劑（如鋸末、稻草、水泥）以提高泥漿的穩(wěn)定性，防止泥漿漏失在孔壁空隙中。

制備泥漿應使用功率強大的攪拌機，攪拌葉轉速需>200 r/min，以保障泥漿供應的可靠性。制備泥漿的下料順序關系到能否盡快將各種原材料混合成均勻穩(wěn)定的泥漿，可按照水→膨潤土→CMC（預先用清水配制成1%～3%的溶液）→分散劑（純堿）→其他外加劑的次序加料。

新鮮泥漿應攪拌5～10 min。配制好的泥漿應貯存24 h以上再使用。泥漿質量主要通過比重、黏度、pH值、含砂量、穩(wěn)定性等指標控制。因為測比重非常方便，工程上常用比重控制泥漿質量。例如普通直徑旋挖樁（樁徑<2 m）地層為填土層和砂層時，采用黏性土+膨潤土+水配制，新鮮泥漿比重為1.10～1.20 g/cm3。大直徑旋挖樁（樁徑≥2 m）地層為黏土層，采用黏性土+膨潤土+CMC+純堿+水配制，新鮮泥漿比重為1.05～1.15 g/cm3[4]。

2.3 鉆進成孔

鉆進前，應對鉆頭保護裝置、鉆頭直徑及磨損情況進行細致的檢查，如果鉆頭磨損程度超出規(guī)定應予更換。應按試生產確定的施工參數施工，并記錄施工中的重要參數，例如加鉆桿、鉆進深度、各地層地質情況、設備故障等。

根據樁徑大小、鉆斗長度、地層特點等控制進尺深度。開始鉆進時轉速要慢，放斗要穩(wěn)。鉆進過程中要監(jiān)控鉆桿垂直度，如有偏差及時糾正。根據地質情況控制進尺速度，從硬地層切入軟地層，可適當加快鉆機速度；反之，由軟地層鉆入硬地層，應減速慢進。在易縮頸地層中鉆進，應增加掃孔次數。

要根據地層地質變化，及時調整泥漿比重和黏度，例如在砂層中鉆進不但要減速慢進，還要調大泥漿比重和黏度，以防塌壁。鉆頭切削的土屑難以完全提出孔外，會有少部分留在孔中，與泥漿混合后使泥漿性能發(fā)生改變，所以鉆進過程中要監(jiān)控進、出口泥漿指標，發(fā)現(xiàn)偏差超出規(guī)定，及時調整。

隨著鉆進深度的增加，及時向孔內補漿，以維持孔內泥漿面始終高于護筒底部及地下水位2 m以上。帶料升降鉆斗速度要慢，防止快速升降鉆斗帶動水流沖刷孔壁以及在鉆斗下方形成負壓使孔壁坍塌?？浙@斗升降時泥漿會進入鉆斗內部，對孔壁的不利影響小，對此可適當加快升降速度。終孔的判別可根據設計樁長、返渣樣來確定，實際孔深應不小于設計深度。

2.4 清孔

清孔可采用換漿、抽漿、淘渣等方法。換漿即將孔內不合格的泥漿置換成合格泥漿，通過持續(xù)向孔底壓入純正泥漿，使浮渣較多的泥漿被置換。但這種方法清孔速度較慢。抽漿一般使用空氣吸泥機、真空吸泥泵、潛水吸泥泵等設備，將孔底沉渣及淤積物抽出。抽漿清孔雖速度較快，但易引起塌孔。淘渣是采用磨盤式鉆斗或淘渣筒等工具一次或多次將沉渣撈起清出。一次清孔可采用淘渣法，二次清孔采用抽漿法或換漿法。

3 旋挖灌注樁成孔質量控制

3.1 成孔質量控制

在施工準備階段，若對地層土質情況掌握不充分，也不太了解地下障礙物情況，易出現(xiàn)盲目施工現(xiàn)象，進而產生質量問題。因此，在正式施工前，必須認真組織設計交底，讓施工技術人員全面掌握地層土質、地下障礙等情況。根據設計圖紙及相關文件內容合理制定施工方案，并根據施工方案對施工人員進行技術交底。對成孔過程的各種參數要詳細記錄。詳盡、客觀的記錄不僅可以真實反映施工進程，而且通過記錄可以分析施工中問題，找出影響成孔質量的因素，從而有針對性地制定解決措施。工程所使用的材料要有檢測報告或產品合格證。

在成孔施工階段，要重視護壁泥漿的配制。一些工程在成孔施工時出現(xiàn)孔壁坍塌事故，其中一個重要原因就是泥漿配制不好，導致孔壁上不能形成完整的泥膜或泥皮容易脫落，所以應根據不同地層地質情況合理配制泥漿。

在鉆進施工過程中，應根據不同地層地質情況備好泥漿材料，例如膨潤土、CMC等材料應有所準備，免得施工時因材料不足而陷入困境。

根據地層地質條件、樁徑大小及深度合理選擇樁機機型、鉆桿及鉆頭類型、規(guī)格。鉆進過程中加強對垂直度的控制。成孔階段應安排技術人員使用儀器觀測鉆桿垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時通知樁機操作人員調整和糾正。遇到特殊地層應采取專門措施，例如遇到溶洞，應加設護筒防止鉆偏。根據不同地層地質情況調整鉆進速度和鉆壓。

成孔后對孔的中心位置、孔徑、孔深、垂直度、沉渣厚度、清孔后泥漿指標等進行檢查，不達標必須處理。

3.2 常見質量問題的處理

3.2.1 孔壁坍塌

鉆進過程中泥漿突然流失，很可能發(fā)生了孔壁坍塌。主要原因包括護筒埋設在沙土層、泥漿護壁不好、鉆進速度過快、成孔后待灌時間過長等。處理措施：①護筒貫入黏土中0.5 m以上，并夯實樁周土。②配制優(yōu)質泥漿，適當提高泥漿比重和黏度。③成孔后盡快灌注混凝土，減少待灌時間。

3.2.2 鉆孔偏斜

主要原因包括樁機安裝不穩(wěn)、鉆桿立架彎曲、地層軟硬不均、地層中夾有孤石等。處理措施：①夯實場地。②控制鉆桿垂直度偏差不大于1%。③在不均勻地層鉆進減慢速度。④在偏斜處反復掃孔以削去硬土。

3.2.3 縮頸

在塑性土層中鉆進，土吸水膨脹使孔徑縮小。處理措施：①配制優(yōu)質泥漿，降低泥漿失水量。②在易縮頸地層加大轉速快速通過，反復掃孔擴大孔徑。

4 結束語

隨著旋挖灌注樁應用日益廣泛，其優(yōu)點已獲得各領域工程的認同，然而在工程中也暴露出成孔工藝及質量控制中的一些不足，本文對這兩方面的內容進行了細致的分析，希望能對相關領域的施工技術人員有所幫助。

參考文獻

[1] 楊浩.旋挖成孔灌注樁的設計、施工及應用研究[D].南昌：南昌大學，2018.

[2] 劉三意.多工藝旋挖鉆進技術研究[D].北京：中國地質大學，2008.

[3] 韓曉明.XR220D型旋挖鉆機結構分析及優(yōu)化[D].秦皇島：燕山大學，2018.

[4] 李京屹.建筑工程大直徑旋挖樁施工技術研究[D].廣州：華南理工大學，2018.