机械成孔泥浆护壁水下砼灌注桩施工技术

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1、机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工技术 邓 伟 杨庆红 吴春兰（贵州建工集团三公司） 摘要：本文立足于机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工技术的工作原理及异于人工挖孔桩的关键施工技术和施工中常遇到的质量、安全事故处理办法，具有较强的实践性和可操作性，通过本文的阅读定能为读者带来一定的收获。5 / 5前言不同的地区必然存在不同的地质构造。我省六盘水市经济建设快速发展，基建市场不断扩大，众多建筑企业都在积极争取进入该地区。施工企业进入六盘水市中心区面临着一系列技术问题地基基础施工。六盘水市中心区，位于威水复式背斜轴部岩溶盆地中，地下水位较高，地质情况十分复杂，有大面积出露湖相沉积的淤泥、泥岩土（

2、草炭）、淤泥质粘土等软弱土层，下伏有典型的岩溶现象，地下水较高，涌水量大。市区已有多个工程因设计不当或基桩施工方案制定、执行不当，导致地基严重变形，房屋倾斜被迫拆除的质量事故。在类地质条件下，中高层建筑的桩基施工中很难再采用传统的人工挖孔桩施工技术，而需采用机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩等新的施工技术。为便于外地施工企业进入六盘水市基建市场，完成相应工程的标前施工组织设计、考察工作及进场前的技术准备。现将我司在该地区采用机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工中所获得的技术、管理经验，以本专业杂志为平台介绍给大家，供读者参考。 1.工程实例简介工程实例位于我省六盘水市市中心区，建筑面积：3039

3、6m2,框剪结构，地下1层、地上25层，总高96.7m。嵌岩桩65个，嵌岩深度大于500mm，孔径分为1.0m、1.2m、1.3m、1.5m、1.8m、2.1m六种，原设计为人工挖孔桩，但在工程实际施工中发现地下水位较高（-3.57m），涌水量较大，土质状况较差，采用人工孔桩施工难度大，且过量抽排地下水将引起临近建筑物下沉。为此从施工安全和基桩工程质量控制要求出发经设计认可改人工挖孔桩为机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工。1.1施工作业条件及现场技术准备充分的事前准备对复杂条件下施工任务的顺利完成是非常有必要的。本例中基桩施工是在建筑物地下室基坑大开挖已完成，基坑边坡支护满足施工安全需要的前

4、提下进行的。项目部持有拟建工程完整的准确的地勘资料，项目部技术人员已进行图纸、地勘资料的熟悉对施工任务的难度有了一定认识，已做好试桩施工技术准备。冲孔机械操作班组已考核选定（每孔配一机、六人）。施工操作布局如图11.2机械成孔、水下砼灌注桩机械设备配置MG-20型冲孔机、3PNL-108型立式泥浆泵，尖锤、平锤（重量5kg、平锤底盘直径15cm）、波美浓度计，料斗、连接法兰盘,长度1200mm1500mm导管（壁厚为3mm，内径为200mm，其中底管长度4m），搅拌机，自升式塔式起重机等。1.3机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工技术：1.3.1机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工技术工作原理

5、 基桩施工中出现的渗水、涌水现象，主要是由于场地地下水位较高，土层被破坏后地下水在水位差作用下穿过岩层裂隙或突破土体本身固有抗渗、抗压能力而产生的。机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩其工作基本原理如下：（1）冲孔机成孔（也可选用钻孔机成孔）：在有泥浆护壁保护孔壁稳定的条件下，利用冲锤自身重力用冲锤对孔位土、石进行连续锤击，使孔底土、石变成泥浆、变成细小石渣，并通过泥浆双循环泵进行置换、运输，从而完成基桩的机械水下开挖任务。（2）泥浆护壁成孔：在桩孔内注入粘性土或通过冲打桩内原生粘性土与水的混合物而制成相对（与水比较）密度在1.151.45的泥浆，泥浆在孔内会对孔壁产生一定的静水压力，（在不抽水条

6、件下）可抵抗作用在孔壁上的侧向土压力和水压力，相当于一种液体支撑，可防止孔壁倒坍和剥落，而完成孔深进尺施工的需要，并防止地下水渗入。泥浆在孔壁上还会形成一层透水性较低厚度为5mm的泥皮，在泥浆的静水压力下防止孔壁剥落。（3）泥浆的携渣作用：泥浆具有一定的粘度和包裹性，它能将孔内因冲锤冲击孔底而产生的土渣、石渣悬浮起来，并通过泥浆双循环泵置换出桩孔外并完成运土、清渣工作。在水下砼浇灌过程中因泥浆携渣作用的存在（在控制好泥浆相对比重的前提下）使得采用比重大的具有流动性、粘聚性、保水性的砼拌合物将泥浆整体置换出来完成水下砼非振捣砼浇灌成为可能。（其原理类似于在煤油瓶中加入水后，结果原本处于瓶子底部的

7、煤油在注入水后被水的浮力抬到水面上部水在重力作用下沉入瓶底。）1.3.2工艺流程机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工工艺：放样、定位冲孔机就位冲锤对中检查钢护筒埋设冲击成孔（泥浆制备、泥浆比重检查、置换）复核孔深是否满足设计、地勘要求沉渣置换、泥浆检查检测沉渣厚度成孔验收下钢筋笼、导管连接泥浆置换、比重复查检测沉渣厚度砼初灌测量已灌砼深度灌注砼再次测量砼灌注深度继续灌注砼完成本孔作业下一孔桩放样、埋设护筒。1.3.3成孔技术控制（1）冲孔机具就位应平整垂直，机具的平整垂直度将直接影响冲锤缆绳的垂直度，从而影响冲锤在下击过程中的垂直度，影响基桩的成孔垂直度，在成孔过程中要随时检查机具的平整垂直度

8、是否满足要求？是否要进行校正？（2）护筒埋设牢固并应保持垂直，为避免在护筒埋设好后，因冲锤冲击、碰撞造成护筒倾斜，护筒内径应大于冲锤直径，宜大于100mm，护筒的埋设同样可以通过冲锤击打完成，该项埋设工作完成后应校核护筒中心线，偏差不得大于20mm。 护筒需有一定埋设深度，在粘性土中不宜小于1m，在砂土中不宜小于1.5m，（本例施工中钢护筒埋设深度为1m）并保持孔内泥浆面高于地下水水位。（3）由于整个施工过程均处于机械水下作业，基桩底部及基桩侧壁的地质变化情况不易观察（主要参考地勘资料），施工过程控制难度较大，要求较高，问题出现也不易处理，因此施工工艺控制显得尤为重要。护壁泥浆的制作与沉渣清孔

9、宜优先选用泥浆双循环泵进行泥浆置换。在成孔过程中泥浆的相对密度宜控制在1.151.45；清孔后在砼浇灌过程中泥浆的相对密度宜控制在1.051.25（稠度过稀，砼无法挤压置换；稠度过大，砼挤压置换困难）。泥浆密度的检测可用波美浓度比重计。泥浆的取样应选在距泥浆面20mm50mm处。（4）成孔过程中应随时观察成孔的推进状况，观察是否有异常情况发生。仔细核对随着基桩进尺深度的增加而产生的地质情况的改变是否与地勘资料提供的数据一致，通过地勘资料与现场实际锤击、出渣情况的相互验证，最终确认持力层位置。成孔中可通过试成孔过程中积累到的施工数据，判别冲锤是否进入岩层，通过观察冲锤在击打孔底瞬间钢丝绳的抖动、

10、倾斜情况判别孔桩底部是否遇到软卧层，遇到半岩。若遇半边岩时不得盲目继续施工（将引起严重的偏孔或坍孔），而应根据钢丝绳倾斜方向判明半岩位置。在非岩位置填筑毛石，待填平，落锤钢丝绳无显著偏移时，方可持续冲孔。当进入中风化全岩后冲孔进尺速度一般小于10cm/小时。（5）沉渣厚度控制：当地勘资料与现场实际施工数据、出渣情况相互验证，确认基桩已达持力层位置而现场锤击施工过程中又无异常情况发生时，需进行沉渣厚度（最后两次）检查，第一次在提锤前，第二次在沉放钢筋笼、下导管以后。设计为端承桩时，允许沉渣厚度不得大于50mm。沉渣厚度可用尖、平锤相互验证检测。在用尖、平锤直接检测的同时也可通过检查已清孔桩内部经

11、泥浆泵循环导入引出沟后的泥浆中（嵌岩深度满足设计要求、冲锤停止作业时）是否还含有石渣作为佐证手段（钢丝网漏瓢掏捞检查）。尖、平锤锤检如图 2。1.3.4水下砼浇筑（1）水下砼浇注用钢性导管法施工，参见贵州省地方标准人工挖孔桩灌注桩施工技术规DB22/11-2000的水下砼灌注桩部份，其基本原理是利用砼拌合物的粘聚性、流动性、保水性及其与泥浆比重的差值通过重力作用，用高坍落（16mm22mm）的砼拌合物将孔内泥浆置换出来，为保证浇灌砼强度满足设计要求，将在浇灌中砼拌合物与泥浆相接处的50cm100cm段，可能含有泥浆的砼在砼浇灌完成后凿除。因此，规范规定：水下砼浇注高度应比设计桩顶标高多浇出50

12、cm100cm。（2）钢筋定位、第二次沉渣厚度检测，沉渣厚度小于50mm满足施工验收规范时，必须在泥浆、孔壁稳定时间段内（一般应小于6小时）完成水下砼浇灌任务，以防浇捣中因泥浆密度改变而产生坍孔，引起石渣再次沉淀。（3）为保证砼浇灌过程中，砼有足够的冲力将泥浆顶推出来，导管上端的储料漏斗底口高出井孔水面或桩顶的必需高度由下式确定（且不小于4m）。Hc（P0+wHw）/c（4）首批灌注砼应有足够储备量，应能满足导管底口埋入砼面的深度不小于1m和填充满导管全部高度的需要，首批砼灌注量由下式确定（实际浇灌量应比计算浇灌量大12m3以避免因观察不到的孔底侧壁存在因塌孔而形成的截面增加而使首批砼需用量增

13、大）：V=d2h1/4+d2HC/4(5)开始灌注砼时,应在漏斗底口处设置隔水设施,导管下口至孔底的距离宜控制在250mm400mm,导管埋入砼中的深度不得小于1m。在砼灌注过程中，应经常检测井孔内砼面位置，根据导管埋深施工需要和导管分节长度及时合理的调整导管埋深，导管的埋深一般不小于2m或者大于6m，当砼拌合物中掺有缓凝剂时，灌注速度较快，导管较坚固并有足够承重能力时，可适当加大埋深，以砼能够流动并将泥浆顶推置出来为准。（6）工程实效经过为期数月的基桩施工，共完成65个嵌岩桩的基桩施工任务，动测检测65根桩全部合格，钻芯取样全数检测合格桩63根，断桩1根，沉渣过厚废孔1根。合格率97%。2.

14、工程实施中遇到的质量问题及断桩、沉渣废孔的处理。（1）塌孔质量事故处理塌孔事故可能发生在三个阶段：一、成孔过程中；二、砼浇灌前塌孔造成沉渣超厚；三、砼浇灌过程中塌孔造成孔桩缩径夹泥、断桩。分析其产生原因不外三类：一、泥浆稠度偏小起不到护壁作用，二、清孔后泥浆密度、粘度降低，对孔壁压力减小；三、水下浇灌砼时导管碰撞孔壁。其主要处理方法是保持泥浆相应密度；并使其尽量控制在该类施工所必需的泥浆密度的大值。避免导管等物体碰撞孔壁。（2）偏孔质量事故处理本工程中7#孔位施工到4m孔深时，发现桩孔偏斜，经检查发现机具不均匀下沉架体倾斜，其处理措施为调整机具平整垂直度，机具下用碎石铺填密实后，再次检查调整护

15、筒位置，校正并重新成孔。因半边岩造成的偏孔，应在非遇岩部位填补毛石的方式进行重新成孔。（3）由于导管埋深不足或提升超高，造成泥浆进入导管或由于砼实际浇灌面检查不到位造成砼灌注高度不足或由于浇灌砼的砼拌合物水灰比过大，和易性差、砼离析等造成卡管等需进行接桩处理的质量事故。其处理办法由出现质量问题时，桩孔内已浇砼面的高度决定。如问题出现在孔桩下部，即深度较大时，只有用冲锤在原位重新冲击成孔到持力层，（在重新成孔中若砼尚未凝固可将原钢筋笼抽出，若砼已凝固无法抽出，则只能进行原位冲击，此时冲锤直径应大于钢筋笼直径，将钢筋笼通过机械冲击，产生变形拆断，最终形成铁屑或断节钢筋插入孔壁内，无需取出，不会影响

16、工程质量已经实践证明）。如问题出现在孔桩上部，即深度较小时，可采取扩大桩径，采用人工挖孔桩的方式进行接桩（需经设计认可）。（4）沉渣超厚质量事故处理规范要求嵌岩桩沉渣厚度50mm，而本例中的63#孔在钻芯取样后发现该孔沉渣厚度为75mm，超过规范允许范围，问题出现后，项目部首先进行原因分析，查找事故原因：该孔砼浇筑前经沉渣厚度检测实测值为45mm符合规范要求（有沉渣检测记录），但钻芯取样检测显示沉渣厚度超标，经详细查阅施工记录及回忆施工过程后，认为在验孔后、砼浇灌前，未及时调整泥浆比重使得泥浆携渣能力降低，在泥浆泵停止制浆工作后，砼浇灌前的工作停滞时间偏长，使得砼在浇灌前已造成石渣沉淀、堆积。

17、为保证结构的正常使用，经多方比较论证采取高压灌浆法进行补强处理。具体措施和程序为在与钻芯取样孔位成三角形位置的地方再钻取两个孔径为110mm的孔进入沉渣层，然后用高压灌浆机进行密封冲洗，冲出残渣。随后用高压管进行灌浆（压力控制在0.52MPa，灌浆材料为1：1水泥砂浆），最后进行封闭取管。高压进气、出渣、注浆平面示意如图3所示（5）缩径、断桩质量事故处理根据钻芯取样查明的缩径位置，缩径范围，并请设计单位进行验算，若达不到设计安全结构需要，则需同断桩处理方式一样加设贯穿基桩长度范围的钢管桩，具体数量、位及钢管桩用材应根据现场实际情况由设计单位确定。本工程中做法为先在孔径内钻取三个内径为110mm

18、的孔（三角形布置，孔深超出孔底直径3倍），然后插入外径为110mm的钢管桩（桩壁钻取梅花状孔眼，直径为10mm），最后用1：1水泥砂浆进行高压灌浆、注实。3.施工中需注意的其他一些问题（1）本例施工中选用冲孔机冲击成孔。每一桩孔在成孔施工中必然会对相邻桩孔产生一定振动，这就要求在施工中明确施工顺序，当桩孔净距小于3m时，间隔成孔；桩孔净距大于3m时，逐排成孔（每一孔施工过程包括最后的砼灌注）。宜优选采用间隔成孔，浇完该桩水下砼后，再施工下一桩孔。（2）大量机械成孔施工作业前，应在现场进行成孔试验，收集相关数据。例：、类土，每小时成孔速度？泥浆密度改变对携渣能力的影响程度等？通过场地的试验可以很

19、清楚的让技术人员了解机械操作台班记录，便于技术人员区分土层、岩层，判别土质变化情况；便于操作人员根据土质变化情况选用冲锤下端钢齿的材料、确定单位直径冲锤所需要的重量配置（一般为1吨至5吨），确定冲锤起锤高度（一般不小于4m）；便于项目部事前制定技术措施，处理可能突发的质量事故；便于技术人员核对地勘资料，控制工程动态。（3）加强定位放线、轴线复核：机械成孔的施工现场人机交叉作业，环境较为复杂，且处于湿作业施工。非作业孔位的控制木桩很难长时间保存而不受机械移动和泥浆影响。因此，应在基坑四周（边坡上方）设置固定的轴线控制点，在定位需要时采取十字挂线悬锤吊线法或轴线挂线排尺量测法，在成孔机械就位时应注

20、意冲孔机的摆位，使放线时无遮挡物。同时由于孔口处于作业水面以上，为避免放线人员在放线时出现失足坠孔现象，每一孔砼浇灌完毕后应立即用砂袋将孔桩填平至自然开挖面。（4）水下砼灌注桩的砼配合比设计：水下灌注用砼配合比试配单应在试配单上注明该砼配合比用于水下砼灌注（水下灌注用砼的配合比，较普通结构的砼配合比水泥用量多-高一个强度等级）4.结束语本文桩基施工采取了上述针对性强，适合六盘水局部地区（处于威水复式背斜轴部岩溶盆地中，地下水位较高，地质情况十分复杂，有大面积出露湖相沉积的淤泥、泥岩土（草炭）、淤泥质粘土等软弱土层，下伏有典型的岩溶现象，地下水位较高，涌水量大）地质条件的机械成孔、泥浆护壁、水下砼灌注桩施工技术圆满的完成了该类地质复杂条件下的桩基施工任务。该工程主体结构施工已完成近3个月经沉降观测未发现任何异常情况。参考文献1、贵州省建设工程质量安全监督总站编工程质量监督2、建筑工程质量控制与验收北京：中国建筑工业出版社 20033、建筑工程施工质量验收统一标准GB50300-2001北京：中国建筑工业出版社 20014、质量事故分析北京：中国环境科学出版社 20025、人工挖孔灌注桩施工技术规程DB22/11-2001贵州：贵州建设发布 2001