反循環鉆孔灌注樁施工技術在工程中的應用

【摘 要】通過對某高層結構基礎中353根樁采用反循環鉆孔灌注樁進行施工。總結了在非自重失陷性黃土地質條件下的采用反循環作業的方法對鉆孔灌注樁的施工工法和作業難點。為失陷性黃土地基條件下高層建筑結構的樁基礎施工提供一定的建議。

【關鍵詞】反循環作業；鉆孔灌注樁；樁基礎；高層建筑

隨著國家基本建設投入的增大以及高層建筑的發展，鉆孔灌注樁現在被廣泛應用于高層建筑、公路橋梁等樁基礎的施工。沖(鉆)孔灌注樁以其承載力高，沉降量小，經濟，施工方便，且適用范圍廣，能穿越地下水位上下的各類復雜地層，形成較大的單樁承載力，適應各種地質條件和不同規模的建筑物等優點被廣泛應用。但由于沖(鉆)孔灌注樁是一種樁孔和樁身均不可見的樁基形式且由于目前施工單位的素質參差不齊，對施工中的關鍵環節控制不嚴，在施工中常發生樁孔傾斜、塌孔與縮徑、梅花孔、鋼筋籠上浮、樁底沉渣過厚或樁底混漿等等質量問題，導致質量達不到設計要求。發生質量事故后，加固處理難度大，不僅影響工程質量和工期，且處理成本較高，造成投資浪費。因此，有必要對沖(鉆)孔灌注樁施工中出現的問題進行分析，探討其成因并提出預防措施及處理方法[1-7]。

1 鉆孔灌注樁反循環工藝的基本原理

泵吸反循環是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆桿內腔形成負壓，在孔內液柱和大氣壓的作用下.孔壁與環狀空間的沖洗液流向孔底，將鉆頭切削下來的鉆渣帶進鉆桿內腔，再經過砂石泵排至地面沉淀池內;沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內，形成反循環。反循環與正循環的本質區別在于沉渣的沖洗、上返流速存在巨大差異，反循環沖洗液拚帶鉆渣后迅速進人過水斷面較小的鉆桿內腔，可以獲得比正循環高出數十倍的上返速度[6-7]。

根據鉆探水力學原理，沖洗液在鉆孔內的上返速度Va為鉆渣顆粒懸浮速度的Vs的1.2-1.5倍左右，當反循環鉆進鉆渣在鉆桿內運動時，形態各異的鉆渣群在有限的空間懸浮運動。在這種條件下采用利延哥爾公式計算顆粒懸浮的速度Vs為：

（1）

其中 為鉆渣顆粒懸浮速度，單位m/S; 為顆粒群最大粒徑，m； 為鉆渣顆粒的密度， ； 為沖洗液密度， ； 為巖屑濃度系數，取0.9-1.1；濃度越大， 越小。 為巖屑顆粒系數，取1.0-1.1，當為球形顆粒時取1.0；顆粒越不規則， 越大。

2 工程概況

西安某高層建筑，建筑面積41539m2，高度98m，地下一層，地上25層，框架-剪力墻結構，基坑尺寸為63.5m×55.6m。地基處理采用樁基，據勘探資料，工程樁施工所遇到的土層自上向下依次為：雜填土；黃土狀土；古土壤；粉質粘土；細砂；中砂；粉質粘土；中砂；粉質粘土；中砂；粉質粘土；中砂；粉質粘土組成，地貌單元屬渭河Ⅱ級階地。施工場地屬非自重濕陷性黃土場地。水文地質資料：實測施工場地穩定水位深度為12.8m－13.00m，相應絕對標高69.71m-369.91m。地下水屬于潛水類型。地下水年變化幅度在1.5米之間。地下有4~6.5m的砂層，對處理處理地基設計院要求用反循環灌注樁。Φ800直徑灌注樁，設計樁長35.1m，單樁豎向極限承載力≥9600KN，總樁數為250根（其中3根Φ800試樁，樁長36.1m。12根Φ800錨樁，樁長36.1m）。Φ600直徑灌注樁，設計樁長27.1m單樁豎向極限承載力≥4600KN，總樁數為103根。樁身混凝土強度等級：Φ800試樁位C45，錨樁及其余工程樁均為C40。

3 鉆孔灌注樁的施工技術

3.1 施工前準備

3.1.1 場地平整、清除雜物，回填土應夯打密實，并接通水、電源，做好三通一平的準備工作；

3.1.2 設置閉合導線網并與市政高級控制點閉合。

3.1.3 挖泥漿池、沉淀池、儲水池、準備合格粘土或膨潤土；

3.1.4 埋設護筒，護筒四周應夯實，頂端高出地面30cm，底部埋深1.5-2.0m，護筒直徑比樁徑大20cm，上下正直，護筒中心線平面偏差小于5cm。一般用鋼質護筒，鋼板厚0.8-1.0cm。護筒用人工或機械方法埋設，并探明地下障礙物；

3.1.5 樁架就位。機架要平直，機座墊穩，不能軟硬不均，一般樁機下墊枕木。鉆孔過程中機架不能移位，并不能產生不均勻沉降；

3.1.6 你將指標的控制：泥漿指標：粘土層16°-17°，砂層17°-19°，含砂率不超過8%，膠體率90%以上，比重1.2-1.4左右。泥漿質量直接影響鉆孔進度；

3.1.7 現場開挖后，用磚砌泥漿沉淀池斷面尺寸為2500mm×4000mm（寬×深）、泥漿池斷面尺寸為2500mm×4000mm（寬×深）和清水池斷面尺寸為2.5米×4.0米（寬×深）以及循環槽，磚砌體表面用水泥砂漿抹面，防止失水過多，引起池壁坍塌。主循環槽的斷面尺寸為800mm×1000mm（寬×深），支循環槽斷面尺寸為400mm×400mm.坡度不小于1/100，以滿足砂石泵正常工作需要；

3.2 關鍵施工過程及其質量控制

3.2.1 鉆孔施工：循環系統采用自流回灌式系統，簡單而且清渣容易，循環可靠。循環路線為：泥漿池→泥漿槽→孔口→鉆桿與鉆孔環狀空間→鉆頭→鉆桿內孔→水龍頭→砂石泵→排漿膠管→沉淀池→泥漿池

鉆機移動采用吊車吊運就位，到位后用枕木墊平鉆機，并用水平尺從不同四個方向測量轉盤是否水平，若不水平加墊薄木板精心調平，加以固定，保證鉆機正常鉆進時運行平穩，不發生晃動，確保鉆機的天車、轉盤和樁位中心三點在一條垂直線上。鉆機移位時，由有經驗的操作手進行操作，并有專人統一指揮，電纜有專人照看，防止將電纜拉斷造成事故。鉆孔按下列要求進行操作：

（1）開孔采用人工挖孔，挖孔深度為1.5m左右，便于鉆機反循環鉆進。

砂石泵啟動前，鉆頭提離孔底0.2m，孔內沖洗面與孔口平齊，砂石泵啟動后，待形成正常反循環后開機輕壓慢速，下放鉆頭到孔底，逐漸加大轉速和調整鉆壓。

（2）鉆進中認真細心觀察進尺情況和砂石泵的排水出渣情況，當排量減小和出水量中含鉆渣量大時，控制鉆進速度，防止因循換密度大或管道堵塞而中斷循環。

（3）加接鉆桿時，先停鉆并將鉆具提離孔底0.1m維持沖洗液循環1-2分鐘，以清洗孔底、鉆具中的鉆渣，然后停泵加接鉆桿。

（4）對鉆孔進程中出現塌孔的異常情況，采用停機并將鉆具提離孔底，控制泵量，保持泥漿循環，吸除坍落物，保持水頭壓力以控制防止孔壁繼續塌孔。恢復正常鉆進后，控制泵的排泥量不宜過大，避免吸垮孔壁。

（5）鉆孔達到設計要求孔深后，將鉆具提離孔底100mm左右，保持泥漿沖洗液繼續循環一定時間，當返回地面泥漿不含泥渣時，停機測量樁底標高，校正孔深，符合設計要求并現場監理及技術人員驗收合格后才可提鉆。

（6）提鉆時要求操作平穩，防止鉆頭拖刮孔壁，并向孔內補漿，保持孔內水頭高度，防止坍孔。

（7）隨時檢查管路密封，防止假循環造成燒鉆事故。

（8）鉆頭和鉆桿下孔前，要求鉆機操作人員認真檢查，發現有裂痕的鉆桿、鉆具嚴禁下孔內，防止鉆具脫落。對鉆進中發現的異常聲響和蹩車情況，要求立即停機，經現場技術人員找出原因并采取措施后才同意開鉆。

3.2.2 清孔施工：

（1）鉆孔到設計深度，施工單位提出終孔要求，需由現場監理工程師決定，并進行孔徑，孔偏斜度、孔深的驗收。驗收方法是制造一個長度等于4-6倍樁徑，直徑等于孔徑的鋼筋籠，將鋼筋籠吊放入孔，并順利放到設計要求的孔底，說明孔徑和偏斜度達到要求。孔深用測繩和鋼尺丈量。鋼筋籠放不到底時還需要修孔直至孔壁鉛直，鋼筋籠能順利放到底為止；

（2）清孔方法是用原漿換漿法清孔，清孔后泥漿指標比重1.15-1.20之間，含砂量小于4%，粘度20-22°，孔底沉渣小于5cm。為防止孔內沉渣大于規范要求，一般用抽吵筒先將孔內泥砂打掉再換漿；

（3）清孔時應保持鉆孔內泥漿面高于地下水位1.5-2.0m防止塌孔；

（4）清孔達到要求，由監理工程師再次驗收孔深，泥漿和沉渣厚度。經監理工程師簽證，同意隱蔽，灌注混凝土，再進行下道工序；

3.3 水下混凝土施工

開始灌注前，導管下端距孔底0.5-0.6m，把隔水塞用鐵絲僅僅懸掛于導管內。先灌入一定質量的水泥砂漿（配合比為水泥：水：砂=1：0.5：1.5），再灌入設計要求的混凝土，初灌后檢查混凝土面高度，保證埋管深度大于1.5米。混凝土均勻連續的注入導管，嚴禁中途停工，滿足埋管深度要求并及時測量孔內混凝土面高度，適時拆卸倒灌，導管和埋置深度控制在2-7米。灌注過程中注意觀察孔口返水情況，若出現返水偏小時，應檢查原因及時處理，防止堵管事故發生。若發生堵管事故，則可以采取上下活動導管方法進行處理，要控制好高度，不得使導管埋深小于2m。灌注接近樁頂時，導管內外混凝土面高差減小，混凝土面上升困難，此時應控制到管內混凝土注入量，同時加密混凝土面高度測量次數，及時掌握灌注情況，為了保證樁頭強度，混凝土超過設計標高50厘米 .測量混凝土時，要從樁面對稱的2個和4個位置測量混凝土面，最低處為混凝土面高度。測量時要及時、準確記錄孔內混凝土量，混凝土面上升高度、導管拆除長度、導管埋深及孔內導管長度等數據，作為灌注樁水下混凝土灌注施工紀錄的工程資料。此外，還應注意，混凝土要連續澆注，中斷時間不超過30分鐘。澆灌的樁頂標高應高出設計標高0.5m以上。泵送混凝土直接輸送至工作面，施工中應保證場地清潔衛生，泥漿不可到處外溢，泥渣應及時清除。

4 常見質量問題及其處理措施

4.1 持力層判斷不準確

4.1.1 引起持力層判斷不準確的原因有：因持力層厚度變化較大及中風化花崗巖層埋深太深，碎塊狀強風化花崗巖層誤判為中風化花崗巖層。

4.1.2 常見的預防措施及處理方法是：①對樁基礎持力層變化較大的場地，應適當加密地質勘探孔，必要時進行補充勘探；②以地質資料的的深度為基礎，結合鉆機的受力、主動鉆桿的抖動情況和孔口模樣進行綜合判定；③持力層的判斷必須由地勘單位人員判定。

4.2 孔口高程及鉆孔深度誤差

4.2.1 引起孔口高程及鉆孔深度誤差的原因有：①于地質勘探完成后場地再次回填，計算孔口高程時疏忽引起的誤差；②施工場地在施工過程中廢渣的堆積、場地硬化等導致地面不斷升高，孔口高程發生變化所造成的誤差。

4.2.2 常見的預防措施及處理方法是：

①認真校核原始水準點和各孔口的絕對高程，每根樁開孔前復測一次孔口高程；②鉆孔的終孔標準應以樁端進入持力層深度為準，不宜以固定孔深的方式終孔（設計定長的樁除外，如：本工程純地下室抗拔樁）；③鉆孔到達樁端持力層后應及時取樣鑒定，并由地勘單位人員分入巖巖面判定、終孔巖面判定二次確認。

4.3 樁孔傾斜

4.3.1 引起樁孔傾斜的原因有：

①樁機架在施工中逐漸傾斜；②所用樁錘偏心過大或掉齒；③沖進過程中遇有探頭石或障礙物；④樁施工現場地質巖層走向的坡度很大，或孔底土質不均勻，巖石強度不一。

4.3.2 常見的預防措施及處理方法是：

①壓實、平整施工場地，安裝機臺時應嚴格檢查鉆機的平整度和主動鉆桿的垂直度，發現偏差應立即調整；②定期檢查鉆頭、鉆桿、鉆桿接頭，定時檢查樁錘，發現問題及時維修或更換；③在軟硬土層交界面或斜巖面鉆進，應低速低鉆進；④發生斜孔后，若斜孔較嚴重的可向樁孔內回填塊石和粘土塊，然后用低錘密沖，反復矯正。

4.4 塌孔與縮徑

4.4.1 引起塌孔與縮徑的原因有：

①地層復雜，砂層、卵石層和淤泥層的整體性較差；②鉆進進尺過快；③護壁泥漿性能差，施工至夾層部位時，仍采用劣質泥漿，在沖孔樁錘的連續作用下，夾層部位的孔壁不穩定；④成孔后放置時間過長沒有灌注混凝土；⑤另外，在石灰巖地區進行樁基施工時，由于石灰巖地區地下溶洞裂隙發育期連通性好，當樁孔碰到地下溶洞、溶槽時，會因泥漿漏失而使樁孔內泥漿面驟然下降，孔壁突然失去泥漿靜壓力的作用而向樁孔內坍塌。

4.4.2 常見的預防措施及處理方法是：

①沖（鉆）孔灌注樁穿過較厚的砂層、礫石層時，成孔速度應控制在2m/h以內，泥漿性能主要控制其密度為1.3~1.4g/cm3，粘度為20~30s，含砂率≤6%，若孔內自然造漿不能滿足以上要求時，可采用加粘土法改善泥漿的性能，通過對泥漿的除砂處理，控制泥漿的密度和含砂率；②立即將樁錘提起，并拋填小石塊和粘土塊，致塌孔位置以上1~2m，并待其沉積后重新反復沖擊造壁；③無特殊原因，鋼筋籠安裝完成，二次清孔后立即灌注混凝土。④若以上方法仍沒有效果，那么，須征得設計同意采用其它有效的處理方法。

4.5 鋼筋籠上浮

鋼筋籠上浮經常發生在沖（鉆）孔樁施工的最后環節：水下混凝土的灌注過程中。

4.5.1 造成鋼筋籠上浮的主要原因有：

①導管底端接近鋼筋籠底端時，灌注混凝土的速度太快，混凝土流出時沖擊力較大，推動鋼筋籠向上浮動；②埋管過深，混凝土時間過長，表層混凝土已近終凝，使混凝土與鋼筋之間產生了一定的握裹力，此時若導管底端未及時提升到鋼筋籠底端以上，混凝土從導管流出后向上升時，會帶動鋼筋籠上浮；③提管時法蘭盤鉤住鋼筋籠。

4.5.2 常見的預防措施及處理方法是：

①鋼筋籠的頂端若在鋼擴筒范圍內，可將其焊到鋼護筒上，若在鋼護筒以下，則可用鋼管套在鋼筋上頂壓；②當導管底端接近鋼筋籠底端時，適當放慢灌注速度，并控制好導管的埋深，以減少混凝土的上沖力；③盡量縮短混凝土的整體灌注時間，若整體灌注時間較長時，應采取措施延長混凝土的初凝時間；④若發現鋼筋籠有上浮現象，除了采用鋼管套在鋼筋上頂壓以外，還應提升導管(注意導管埋深)，并放慢混凝土澆灌速度。

5 結論

通過西安某高層結構在非自重失陷性黃土地基下353根樁采用反循環鉆孔灌注樁進行施工。總結了在非自重失陷性黃土地質條件下的采用反循環作業的關鍵方法及其對鉆孔灌注樁的施工工法和作業難點進行了詳細闡述。為失陷性黃土地基條件下高層建筑的樁基礎施工提供一定的建議。

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