大直径超深入岩扩孔钻孔灌注桩施工工法

大直径超深入岩扩孔钻孔灌注桩施工工法

1、前言

本工法是在香港新机场北大屿山高速公路东涌站行人桥桩基工程施工实践的基础上编写而成，此成套施工技术获中国建筑工程总公司科技进步一等奖。本工法确定了以气举反循环泥浆护壁施工工艺成孔的原则和方法。

2、工法特点

2.1、采用永久性钢护筒：钢护筒直径大(直径2.7m），沉入深(深度达35m），壁薄（厚仅12mm，比施工规范薄1.5cm），沉入后垂直偏差要求不大于1/300。

2.2、护壁泥浆无公害处理：泥浆采用膨润土＋纯碱＋CMC，并用泥浆分离器对泥浆进行处理，再配以其它措施，使泥浆重复使用，现场消化处理。

2.3、超深硬质岩石分级钻进：由于工程桩的直径大，入岩深度深(达32m深），岩石强度高，部分钻机由于机械性能的限制，一次向全断面钻进十分困难，因而采用分级钻进技术。

2.4、遇大斜度(最大岩面坡度为7

3.2°)坚硬岩面的成孔：采用球齿合金钻头，并在钻头上部安装钻头稳定器，及时减压，慢速钻进，稳定压力、防止钻头跑偏，保证垂直度偏差不大于1/300。

2.5、钢筋采用完全绑扎成型，所有主筋没有焊点。

2.6、超大口径，超深钻孔硬质岩石中扩孔技术。

2.7、钻机的进尺速度控制以自动为主，钻机配备自动给进仪，钻机受人为的约束减少，大为提高钻进效率。同时，操作者只要注意到几个仪表数值的变化就能知

道钻机的钻进情况。

2.8、通过二次清孔能达到孔底无沉渣，大大提高了桩的容许承载力。

3、适用范围

本工法适用于穿过各种复杂土层，特别是穿过中风化，微风化岩层的大直径扩孔灌注桩的施工。

4、成孔桩原理

气举反循环排渣原理，空气压缩机通过钻杆的通气孔，从空气钻杆(或风包)把压缩空气送进钻杆内部，从而在钻杆内部形成比重较泥浆小的三项流，从钻杆排出孔外。排出过程中能捎带钻渣，从而达到钻进成孔的目的。气举反循环在20m以内由于风包没入率太小，排渣效率不高。在孔深20m以后效率越来越高。在50m以后超过泵吸反循环，而钻深超过80m时，如空压机压力小于0.8MPa，宜采用两个气室钻杆。

5、施工程序和操作要点

5.1、施工程序

大口径钻孔灌注桩施工通常由：钢护筒制作及沉入，桩的成孔及扩孔，钢筋骨架制作及安装，二次清孔及灌注水下混凝土，泥浆的处理五个部分组成，根据其工艺特点制定以下工艺流程图：

5.2、操作要点

5.2.1、钢护筒制作及沉入

5.2.1.1、钢护筒制作及沉入，在工序安排上是将每组桩的护筒全部沉到位后，才开始架设钻机，钻进成孔。

5.2.1.2、钢板下料：同一块钢板的两条边长的长度差值不大于3mm，两条短边的差值不大于2mm，两条对角线差值不大于3.6mm。不同钢板下料时，各钢板的长边还必须采用同一尺寸，其长度误差不大于4mm。

5.2.1.3、钢板的一条长边和一条短边加工成45度坡口，便于成型的钢护筒焊接牢固。

5.2.1.4、裁过的钢板在卷板机上卷制成形。成型后的钢护筒用十字撑加固，防止变形。

5.2.1.5、几个小节钢护筒在地面平台上对接成一节长的钢护筒。

5.2.1.6、护筒加固：首节护筒的底部包焊高600mm，厚12mm的钢板箍，每节护筒的上端包焊200mm高的钢板箍，防止钢护筒在沉没过程中变形。

5.2.1.7、钢护筒起吊就位，割除十字撑。

5.2.1.8、安装钢护筒垂直度校正导向架，校正钢护筒垂直度，安放振动锤，振动下沉。下沉过程中钢护筒垂直度用十字方向两台经纬仪跟踪观测。沉到位后，垂直度用下图所示方法检测，每条护筒垂直精度按下表数值控制。

护筒垂直度检测法

5.2.1.9、起吊第二节护筒与第一节护筒竖向对接。

5.2.1.10、重复上述5.2.1.6、5.2.1.7、5.2.1.8条内容直到护筒到位。对于土质较密实的桩位，同一桩位上可先沉2～3节护筒(18～27米)，然后在护筒内干作业抓土15m左右，再往护筒内注满水，最后对接第四节护筒沉到位。

5.2.2、成孔及护孔

5.2.2.1、抓斗在护筒内抓土，干作业抓土到护筒深度的三分之二左右，且一般不小于15m，由于采用气举反循环钻进成孔，钻具“风包”必须满足最小埋深的要求。抓土结束后往护筒内注水。

5.2.2.2、安放钻机用楔齿全断面钻头清水反循环钻至护筒底。

5.2.2.3、泥浆护壁气举反循环钻进成孔，泥浆循环见下图：

气举反循环泥浆循环图

5.2.2.4、为了防止钻杆产生过量的揉曲变形，钻孔过深时应在钻杆架上增加一个稳定器。

5.2.2.5、刚入岩时换上球齿合金钻头，同时在钻头上部安装钻头稳定器，由于岩土交接面一般有一定的倾角，所以应及时减压，慢速钻进，防止钻头跑偏。

5.2.2.6、钻头完全入岩后加大气压气量。转盘转速N=60V/πD；式中：V为钻头外边缘的线速度，D为桩径。在入岩钻进时一般V=0.5～1.5m/s，由上式可以推算出N=（9～29）D。对于香港工程实际操作中转速每分钟保持4～7转，转进效果最好。转速过快会造成岩渣的“二次破碎”反而影响钻进效率。

5.2.2.7、钻进过程中，如果岩石太硬，而钻机又由于机械性能的限制，无法提高配重，至使分配到每个球齿合金头上的转压太小，无法对岩面开成有效的破碎，此时可采用“分级钻进”法，即先换上小直径钻头，钻至孔底后再换上大直径钻头，直到钻出所有需要的桩孔来。

5.2.2.8、进尺速度的控制采取自动给进方式，提前给钻机配上自动给进仪，一旦调整好钻压，给进仪便可根据岩石的硬度自动调整进尺速度。

5.2.2.9、成孔到位后，将扩孔钻头连同配重一起下到孔底，使其四翼处于最大限度的张开状态后，进行扩孔。扩孔完毕后，保持泥浆循环，并继续让扩孔钻头空转，用20～30分钟，把孔底的大块岩渣清除干净。

5.2.3、钢筋骨架的制作及安装

5.2.3.1、提前制作两套成型胎膜，见图(a)

5.2.3.2、钢筋骨架主筋总数的一半分别装入两个胎模中定位，见图(b)。 5.2.3.3、主筋与加强筋用“U ”码固定，“U ”码螺栓用气动扳手拧紧。每节钢筋架骨最上端的加强筋做成双支箍便于竖向吊装。

5.2.3.4、用吊车反加固好的半套钢筋骨架整体吊起，在空中180度翻身落入另一套胎膜内。具体操作见图(c)。

5.2.3.5、主筋与加固筋用“U ”码连接，绑扎外箍筋，固定保护层垫块。 5.2.3.6、于加强筋处焊十字撑，每节钢筋骨架焊三道，成型后脱模，见图(d)，绑扎超声波管。5.2.3.7、吊车吊起钢筋骨架，割去十字撑后，放入桩孔中，上端用“杠子”固定。

5.2.3.8、吊起上节钢筋骨架，对准下节钢筋骨架徐徐下降，让四个超声波管对齐。

5.2.3.9、调整钢筋骨架垂直度，焊接超声波管，两节钢筋骨架主筋用“U ”码连接，主筋搭接长度为46D 。绑扎外箍筋。

5.2.3.10、吊起钢筋骨架，抽出“杠子”。重复5.2.3.7、5.2.3.8、5.2.3.9内容，直到钢筋骨架安装完毕。

钢筋笼中180度翻身换模绑扎法

（）（）

（）

（）

5.2.4、二次清孔及灌注水下混凝土

5.2.4.1、工作平台就位，安装导管和气举管，导管的深度应能使其触及孔底岩面。气举管的长度为导管的3/4，且不小于15米，不大于70米。对于深度小于20

米的桩不宜采用气举反循环进行二次清孔。

5.2.4.2、接通风管、进浆管、排渣管后，实测回淤深度，将导管下口提至淤面位置处后，开启空压机和供浆泵。刚开始时气量小一点，待排渣口有泥浆排出时，再逐步加大气量与供浆量。气举反循环二次清孔原理见下图。

反循环二次清孔工作原理

5.2.4.3、清孔过程中，用吊车不断变换导管在孔内、导管下口在孔底的位置。二次清孔所用的泥浆应符合下列标准：含沙量不大于0.5%，粘度不小于39秒（1000毫升泥浆通过漏斗的时间），比重为1.03～1.06g/cm3 ,剪力不大于3.0bs/100ft2 ，如泥浆性能达不到此要求，会在清孔完毕灌注混凝土前产生“二次回淤”现象。

5.2.4.4、当排渣正常后，逐步下落导管，到最后将导管下口下落到岩石顶面。如果排渣不通畅，可上提10cm左右。

5.2.4.5、验收孔深，孔径，孔底沉渣，即泥浆性能，如不合格继续清孔，直至合格。

5.2.4.6、抽出气举管，安装初灌漏斗，在漏斗内悬挂好隔水塞后，往漏斗内先装入少量砂浆，再装满混凝土。然后割断连接隔水塞的钢丝绳，水下灌注过程见下图：

混凝土的初灌过程

测绳

混凝土

泵车

泵车

泵车

泵车

砂 浆

吊 钩

漏 斗

气 囊

工作平台

吊 钩

漏 斗

气 囊

工作平台

吊 钩

漏 斗

气 囊

工作平台

吊 钩

漏 斗

气 囊

工作平台

工作平台

气 囊

漏 斗

吊 钩

5.2.4.7、初灌结束后要保证：一、导管的的下端埋入混凝土中1m 以上。二、孔

底下的沉渣被反到混凝土面以上。

5.2.4.8、初灌完成后，拆除漏斗将泵车出料口直接插入导管内进行灌注。 5.2.4.9、在混凝土浇筑过程中必须始终保证导管下口在混凝土中深度不小于2m 。拆除导管以混凝土下落是否通畅，泥浆外流是否均匀一致，导管的上下活动是否灵活来判断。埋管太深会造成拔管困难，一般埋管深度不超过18米。

5.2.5、泥浆系统的管理

现场泥浆管理中二个重要的环节就是：一、在保持泥浆基本特性不变的前提下设法降低泥浆中的含沙量。二、泥浆用管道化的方式进行输送。

5.2.5.1、泥浆管在直线段采用钢管，管道转弯用45度或90度弯头来实现。曲线段采用软管，在过路段暗埋。管道采用法兰连接，安装应牢固。

5.2.5.2、钻机的排渣管道直接连接在泥水分离器的漏斗上，所有的循环泥浆都经过分离器分离。

5.2.5.3、从泥水分离器流出的泥浆流入沉淀池，自然沉淀后流入泥浆循环池。 5.2.5.4、在泥浆储备池中掺加CMC 、膨润土、纯碱等外加剂，根据不同的需要进行配制不同性能的泥浆，使其满足工作需要。

5.2.5.5、灌注水下混凝土后，部分被水泥污染的泥浆直接排放到废浆池里加入适量凝聚剂(如氧化铁，氢氧化钙等)使之产生凝聚反应，形成絮状物。废浆经沉淀后，清水抽出，沉淀物挖走。注意要选用无毒性的凝聚剂以便处理后的泥渣和水不

污染环境。

6、主要施工机具配备表

（以香港新机场东涌站行人桥桩基施工为例）

7、质量要求及保证措施

7.1、关键工序的保证项目

7.1.1、钢护筒制作的直径误差小于10mm，垂直度偏差小于1/1000护筒长度。沉入完毕后的钢护筒垂直偏差小于1/300护筒长度。

7.1.2、钢筋骨架制作允许偏差必须满足设计和施工规范要求，主筋应采用绑扎成型，搭接长度不小于46倍的钢筋直径。

7.1.3、成桩孔直径和深度不小于设计要求，桩孔垂直度偏差小于1/100桩长，成桩中心位移不大于75mm。

7.1.4、最外层钢筋的保护层为100mm。

7.1.5、灌注混凝土前，孔底岩渣应清理干净，使混凝土与孔底岩层接触良好。

7.1.6、桩身混凝土应连续完整，无断桩，夹泥等现象，桩头混凝土无松疏现象。混凝土灌注高度比设计桩顶标高高出5%桩长，保证桩头混凝土的质量。

7.2、保证措施

7.2.1、施工原始记录必须如实填写，并按时整理，提供有关规定的资料。

7.2.2、施工质量和交工验收，必须严格执行施工图纸的设计和有关施工规范执行。

7.2.3、建立质量目标管理责任制，实行工程质量和职工的承包奖挂钩的制度。

7.2.4、按照施工工艺要求，健全岗位目标责任制，全工程实行三级检验制度，班组100%自检，工序交接100%互检，质检员100%专检。

8、劳动组织及安全措施

8.1、劳动组织

8.2、安全措施

8.2.1、施工前做好安全交底和岗位技术的培训工作，使作业人员了解安全技术措施。

8.2.2、施工工具要勤检查，注意各连接件的松紧度，严防脱落伤人。

8.2.3、进入现场必须带安全帽，登高作业超过2m时，应系好安全带。

9、环境保护措施

9.1、环境保护目标：

⑴、规范施工现场的场容，保持作业环境的整洁卫生。

⑵、科学组织施工，是生产有序进行。

⑶、减少施工对周围居民和环境的影响。

⑷、保证职工的安全和身体健康。

9.2、环境保护措施：

⑴、施工现场设置明显的标识牌。

⑵、管理人员佩带胸卡。

⑶、材料成品、半成品严格按照施工总平面图摆放并设安全文明施工标识牌。

⑷、机械停放或行走不得侵占场内道路，保证施工道路畅通，排水系统处于良好状态，保持场容场貌整洁随时清理建筑垃圾。

⑸、施工现场要设置各类必要的职工生活措施，并符合卫生、通风、照明及消防要求。

⑹、施工现场垃圾及时清除出现场，基本做到不扬尘，减少对周边环境的影响。

⑺、施工现场道路应指定专人定期洒水清扫，防止道路扬尘。

⑻、施工用的泥浆、渣土设专人管理并用防漏防渗的车辆运输到指定场所。

⑼、尽量避免在夜间和中午施工作业，以免对周边居民造成噪音污染。

⑽、项目部成立环境管理小组，并设组长全权负责环境目标的实现和环境措施的实施。

10、工程实例

10.1、香港新机场东涌站行人桥桩基工程

香港新机场东涌站行人桥是一条跨越双线高速公路和一条轻铁路的大型桥梁。整座桥共八个桥墩，每个桥墩4根桩。桩的直径为2.5m，桩端扩孔至3.3m，桩上部35m范围内埋设直径2.7m，厚12mm的钢护筒，以保护桩芯砼不受海水腐蚀。成孔过

程中要穿过砂层、砂夹石层、卵石漂石层、强风化花岗岩、强或中风化断层角砾岩层、中风化花岗岩等各类土层及岩层，最后钻入的持力层为微风化花岗岩岩层，入岩深度达32m，在入岩过程中遇到大斜度(最大岩面坡度为73.2°)坚硬岩面，其成孔垂直度的控制技术也是一个技术难点。工程验收检测数据表明，最深的一根桩成孔深度达到102m。设计规定:

⑴、桩底的沉渣为0；

⑵、桩身垂直度偏差不大于1/100；

⑶、上部钢护筒垂直度偏差不大于1/300。

中国建筑第六工程局土木工程公司采用本工法进行施工，成桩质量受到了香港专家及工程设计单位的高度评价，取得了经济、社会效益315万元；并且在施工过程中满足了香港政府的环境要求。

10.2、湖北荊沙长江大桥

中国建筑第六工程局土木工程公司于1998年承接的湖北荆沙长江大桥32号墩桩基工程。桩基直径2.5m，桩深度达到118m，上部钢护筒36m，成孔过程中要穿过砂层和卵石层。采用本工法施工，顺利完成了施工任务，工程质量优良，并取得了较好的经济效益。