岩溶地区钻孔灌注桩施工特点及技术措施

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岩溶地区钻孔灌注粧施工特点及技术措施

■李景阳

中国铁建十八局集团隧道工程有限公司，重庆408400

摘要：本文以新建重庆至黔江高速铁路鱼泉双线特大桥桥梁岩溶桩基施工为例，阐述了岩溶地区钻孔灌注桩的施工特点、技术措施、 工艺特点及应用范围、质量控制、事故处理等，为类似工程提供借鉴与参考。关键词：岩溶；钻孔灌注桩；质量；工艺

新建重庆至黔江高速铁路鱼泉双线特大桥工程的基岩

主要是石灰岩。石灰岩的优点是强度高，持力层理想，其

缺点为施工技术难度大，病害类型多。本文以该桥岩溶桩

基施工为例，阐述了岩溶地区钻孔灌注桩的施工特点、技

术措施、工艺特点及应用范围、质量控制、事故处理等，

1钴孔灌注桩施工成孔方法

目前，钻孔灌注桩在国内广泛应用于建筑基础，其常

用成孔方法主要有正反循环回转钻进成孔、冲击钻进成孔、

冲抓锥成孔、螺旋钻成孔、振动沉管法成孔、潜水钻机成孔。

应根据工程实际选用，选取以上成孔方法。施工时需要严

格控制成孔质量和速度，这对混凝土的浇灌质量乃至桩的承载力至关重要。目前常用成孔方法主要是前3种，即正 循环回转钻进成孔、反循环回转钻进成孔、冲击钻进成孔，

这3种成孔方法较为广泛，且技术相对成熟。

1.1正循环回转成孔正循环主要施工方法是利用钻机中的钻杆和钻头不停 地回转，进而达到岩土被切削破碎、成孔目的。在钻头和

钻杆钻进时需要使用泥浆，泥浆具有护壁、携渣、冷却、

润滑的作用，其中护壁是最重要的作用。泥浆通过泵进入

钻杆内腔以后，通过加压，带动碎渣上升排出。泥浆可以

反复循环使用。

正循环钻进有以下特点：循环系统不容易中断：设备简

单小巧、质轻，操作起来方便，技术易学上手；对大颗粒渣

肩难以处理，易增加能耗，磨损钻头；采用泥浆护壁时，能

形成稳定的孔壁，可以突破地层的限制，具有更强的灵活性。

1.2反循环回转钴孔 1.2.1主要特点与分类反循环回转钻孔与回转成孔略有差别，需要先设置护 筒在桩顶。要求其直径大于桩径15%,其水位应该比地下

水位高出2m。这样做的目的，是为了让壁内保持适当的静

水压力，从而保护孔壁不坍塌。钻挖时可以不用套管，直

接旋转带动钻头入土。钻进采用冲洗液携渣，形成循环。

反循环回转钻孔具有下述正循环不具备的优点：高效

且孔底干净，岩肩不会出现二次破碎：取样及时，利于地

层判断；经济实用，成本低：冲洗介质多样，水、泥浆或

空气均可，可有效减轻孔壁堵塞，适于各类地层。国内较常用的反循环钻进可分为以下3种方式，即泵

吸、气举、喷射。泵吸指利用砂石泵的抽吸作用。其主要

设备砂石泵是一种离心式水泵，可以在柱内腔产生负压，

与大气压力产生压强差。在冲洗液到孔底的同时，钻头会

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工程机械与维修~50~100~' '~200 300

孔》

图1 3种反循环方式效率对比1—气举2 —泵吸3—喷射

在新建重庆至黔江高速铁路鱼泉双线特大桥的实际 施工中，采用反循环方式。在钻深约77m之墩上，选用 GPS-15型钻机配3PN型泵进行施工。工程中一些墩易受

潮汐的影响，所以在钻进过程中，改用了气举法钻机。气

举又称压气反循环，指压缩空气经供气管送至钻杆，进而

与冲洗液和所切土肩等混合。钻杆外侧水柱与大气压存在

差值，浆液不断上升至涌出地面，并排渣屑至孔外。之后

菜液再进入沉淀池，或者是贮水槽中等待循环使用。渣肩

在池内沉淀，可以继续使用的冲洗液则会再次流入孔内。

喷射是把加压后的水通过喷嘴，射到杆内，再利用它 的流速让水产生环流，进而吸上低位的泥、砂，然后通过

杆流到地面的池槽中。砂、肩等沉淀下来，可以利用的水

则又流回孔内继续循环使用。1.2.2反循环方式效率对比通过查阅相关资料，得到3种反循环方式的效率对比，

如图1所示。由图1可知，气举反循环的效率会随着孔深

增加而提高，只不过孔深到了一定限度后，效率增加也有限。

产生这样的原因在于它是利用压缩空气，水上升速度易受

到重度差的影响。孔浅时，不容易建立供气压力，进而导

致杆内的水流上升速度较低，水排渣性能变差。当孔深小 于7m时，吸升无效。孔深达到要求后，相应增加供气量和

压力，里面的水流上升速度就能变得理想，尤其是在超过 5()m后，水流可保持高速且稳定。

泵吸反循环与喷射反循环相类似，浅孔时高效，深孔 时低效。后者利用射流泵获得高速水流，并产生负压，以在回转装置的带动下切割下方岩土，产生的钻渣和冲洗液

则会相互混合。这种混合液会流动经过钻头水口，进而被

吸入钻杆的内腔，再经过砂石泵，最后经过排渣管并到达

地面，进行后续新一轮的循环。混合液分离处理后，若其

混合性能达标即可继续使用。使杆内水流上升并形成循环。前者则是直接利用泵抽吸， 使水流上升，再形成循环。这2种方式水流压力均有范围

限制，一般情况下不能大于一个标准大气压。

目前国内关于钻孔灌注桩施工多为浅孔，宜采用泵吸 和射流2种反循环方式。国外较常用的还有连续取心钻进法.

简称CSR法（Center-Sample Recovery),属于反循环钻进

一类。循环介质改用压缩空气或泡沫流体，其余基本相同。

其优点是可边钻进、边冲洗、边采样，优化了传统的分开

式流程，适用于较硬岩层，大幅提高了施工效率，显著了

降低成本。

1.3冲击钴进法成孔

冲击钻进法即使用卷扬机或钻机带动钻头或冲锤，将'

其提升其至一定高度后自由降落，将势能转化为动能，并

往复冲击，以破碎土层或岩层以成桩孔。此过程中，部分 碎渣和泥浆会被挤入孔壁并成为泥渣，采用掏渣筒排出，

最后浇混凝土以成桩。冲击钻进比其他方法的最显著的优

点是，桩孔易形成较为规则圆断面。另外，其孔径较大，最大可达2.5m。孔深也较深，可超过100m。

表1不同地层钻进方法

土层钻进方法

粘土、淤泥质粉砂层回转、冲抓、冲击及振动沉管、内击沉管法

厚大的砂性土层回转、冲抓、潜水法

充填物较密实的砾石层循环或反循环、冲击或冲抓

人工堆集的大块石层十字钴头冲击加粘土块护壁

2钻孔灌注桩施工质量控制

2.1成孔阶段质量控制

在钻孔桩的施工过程中，必须要根据不同条件来处理。

工程地质的状况不同，选用方式也不同。桩基的直径大小

有差异，适用的条件也会有变化；桩孔的深度不一，采用

的成孔措施也会有变化。对一些特殊的地层，需要多种方

法配合使用才有用。不同地层的钻进方法如表1所示。

对于粘性、淤泥质、粉砂土层，使用泥浆来护壁时，

前两者可直接采用原土来造浆和护壁，后者则需要采用优

质的泥浆来护壁。对于厚砂性层，对护壁的泥浆不能要求

太低，应该尽可能优质。对于充填密实的砾石层，需要依

照粒径大小选用钻进方式，施工之时也应尽量使用优质泥

架护壁。对于人工堆集的大块的石层，可采用十字钻头冲

击钻进，并且使用粘土块护壁。当石块大小不一、松散堆钻进效串

CM&M 2020.05 |

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积时，可以人工掘进或往孔中投入素混凝土后，采用冲击、

冲抓法钻进。之前需要等待混凝土强度达到一定数值，且

松散的块石胶结以后才能下入护筒。

2.2清孔阶段质量控制

清孔旨在通过泥浆的抽换，逐步地降低其各项指标，

如含砂率、密度、黏度等。应及时排出钻进产生的残瘡，

以尽量减小沉渣厚度，提高桩的承载力，并为下一个工序

水下灌混凝土创造条件。清孔方法有以下几种：

抽浆法：抽吸孔内钻渔浆液，替换上符合要求的泥浆。

当用反循环成孔时，泥浆的相对密度需要小于l.i,以使孔

壁不易形成泥皮。桩孔深度达到要求后，需稍提起钻头并 使之空转，并维持反循环状态达到15min左右，以清除掉

沉渣。当采用正循环方法时，需以导管作吸渣所吸管，以

便清除掉桩底沉渣。

换浆法：需采用泥浆泵，向孔底压入泥浆的速度不宜过

快，中等速度最佳。泥浆的相对密度也不宜过大或者过小， 取1.15最为合适。含砂率不得过高，限制为4%,这样就可

以替换桩孔内部浮淹多的泥浆。此种方法对于正循环方法

比较实用，不需额外机具，且泥浆护壁，不易坍孔。

掏渣法：在冲击、冲抓施工中，部分碎渣会连同泥浆进

入孔壁，难以清除，这时就需要用到一些工具，代表工具

有冲抓锥、掏渣筒、大锅锥等。此法适用于无大颗粒的情况，

且泥浆相对密度不得过大。由于这些条件限制，此法仅适

用于初步清孔摩擦桩。清渣前，需要加入适量水泥，并且 冲拌数次，使浆、渣和水泥混合完全，再以前述的3种掏

渣工具处理。

喷射法：在灌注混凝土之前，先高压喷射数分钟至沉

淀物上浮，后即进行水下混凝土浇灌。钻孔的工作结束以后，

拆卸和下钢筋骨架及导管等工序，以使沉淀厚度增大。

置换法：使用前述掏渣工具来尽量除渣后，在孔底灌 注特殊砂浆，砂浆约60cm厚。特殊砂浆常用的水泥、粉煤灰、

砂、加气剂配合比1: 0.4: 1.4: 0.007(质量比），它的相对

密度小，能浮在混凝土之上。使用过程中需要加入缓凝剂，

延长初凝时间，以保证砂浆在一系列工作完成前不致硬化。

搅拌则需要用比孔径稍小的搅拌器，慢速旋转搅拌。2.3水下混凝土灌注质量控制

为提高混凝土的流动性，粗骨料宜选用卵石，并保证 石子含泥量小于2%,以防止堵管。应加入缓凝剂，延长混 凝土初凝时间。另外，为使混凝土的保水性和流动性良好， 宜在各个阶段加入适量的水。控制灌注混凝土的坍落度达 标（180 ± 20mm),以确保桩顶浮浆不过高。2.4灌注问题处理

首批灌注混凝土的量随桩孔径增大而增加，但是量大

会导致延长浇混凝土耗时，甚至产生离析。在此过程中，

灌注的阻力变大，混凝土的和易性降低，有可能会出现堵

塞导管的情况，甚至漏斗都会堵塞。此时应当增大设备起

重能力，以便能很快地往漏斗加混凝土。当起重能力不足时，

容易产生晃动。此时应使用卷扬机来拉紧漏斗，以便混凝

土顺利达到孔底。

灌注混凝土过程中会出现不连续的情况，对此施工人

员需要合理牵动水下导管来处理。连续灌混凝土能加大混

凝土与钢筋笼的结合力，增大桩体的摩擦阻力，增强混凝

土扩散的能力，使桩身与周边地层更好的结合，从而大大

提高桩基承载力。结束后，施工者应仔细观察孔口地返浆 情况，至其不再返浆，再做后续步骤。

在灌注后期，会出现不密实、不均匀的情况，此为压

力小且不均匀所致。为提高其密实度，应稍微提升漏斗高

度以增大落差。这样也可防止桩孔坍缩及泥浆沉淀过厚。 具体要求，每根桩的灌注时间不尽量控制小于8h,且每小

时灌注的高度应大于10 m。

在此过程中，需要仔细观察护筒里面泥浆面的变化情

况。当其下降漏浆时，应该立即将钻头提出，往桩孔内补

充泥浆或直接补充水，用以维持水头。之后还应加黏土或

者小片碎石，通过反复冲砸后以形成新的孔壁。当护筒底 部漏浆时，应使钢护筒继续下沉合适距离，对其周边缝隙

应使用黏土进行封闭，以防止渗水。然后以黏土块和碎石

填冲桩孔，反复用小冲程进行冲砸，以加固护筒底孔壁，

并防止渗透。若水压力难以保持，原因可能是空溶洞较大

或溶洞之间产生连通。此时不能贸然钻孔，而应先进行封堵，

可采用加大抛填量或灌注适量混凝土进入等措施解决。

3结语

结合岩溶地区施工的特点，进行论证，得出钻孔方法

和机具的选用是影响桩基成孔质量的第一个关键环节，合

适的泥浆配合比生成的护壁在钻孔过程中有着至关重要性；