钻孔扩底灌注桩施工工法

'钻孔扩底灌注桩施工工法中铁**广深港客运专线ZH-3标项目部深圳中铁**工程有限公司1前言随着建筑技术的快速发展，新建楼层高度的增加，对桩基承载力的要求也越来越高。如何保证建筑物基础承载力成为工程的关键。钻孔扩底灌注桩施工技术在全国推广以来，经工程实践证明，它与长螺旋钻孔桩相比，具有施工质量可靠，效率高、省材料、成本低等特点。深圳北站钻孔灌注桩规格有1200mm和1400mm两种直径。其中Φ1200mm又分为桩孔底扩至2000mm及桩孔底扩至2400mm；Φ1400mm又分为桩孔底扩至2400mm及桩孔底扩至2700mm。针对工程中钻孔扩底桩扩大头质量控制的特点，特编写本工法。2工法特点钻孔扩底灌注桩施工工法的主要特点在于在一般钻孔桩施工工艺基础上，通过三翼合金(MRS)扩底钻头或双翼滚刀扩底钻头(MMR)对桩基端部扩大的过程，从而达到增加桩基承载力的效果，钻孔桩在扩底过程中须掌握钻孔深入的岩层情况，控制扩底行程，控制好泥浆浓度，防止塌孔。3适应范围本工法适用于各类桩基建筑，对地基土有广泛的适用性，地下水位以上的粘土，亚粘土、粉砂、细砂等土质均可推广应用。4工艺原理钻机通过测量定点就位后，开始钻孔，钻孔深度达到设计岩层后，将钻头提起，更换扩孔钻头。扩孔钻头通过钻杆连接，在主导钻杆上标示扩孔前位置及扩孔所需位移后，将钻头放到孔底位置，通过加压装置将底部刀具均速打开，直至达到扩孔设计值终止。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程钻孔扩底桩是在钻孔桩基础上发展起来的一种新桩型，施工时先按一般钻孔方法按桩身直径钻进至设计持力层后，更换扩底钻头下至孔底，通过加压使扩底钻头的扩翼张开并使之旋转切削地层形成扩大头，达到设计要求的扩底直径后放钢筋茏。灌注混凝土形成混凝土扩大头，提高桩端承载力。工艺流程如下图： 测量定位埋设护筒钻机放位直孔钻进成孔直孔终孔验收扩底钻进成孔扩底验收清孔换浆孔形检测吊放钢筋笼下放导管清孔换浆安放隔水球灌注混凝土起拔导管起拔护筒泥浆循环泥浆外运搅拌混凝土原材料试验导管试压导管试接制作钢筋笼原材料试验注入新泥浆图5.1-1：施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1钻孔扩底桩桩身结构要素扩底桩一般由直孔段、扩底段组成。扩底段的形状如图1所示，这种形状能有效地清除孔底钻渣，确保桩端最大截面承受端承力。提高扩底桩的工程质量。 图5.2.1：扩底桩形状示意图扩底段桩身主要结构要术(如图1示符号)有：直孔段直径(d)、扩底端最大桩孔直径(D)、最大直径段高度(h2)、扩底矢高(h1)、扩孔段斜边高度(h1)、扩孔边锥角(θ)、桩底环状扩大宽度(n)、扩孔底锥角(r)、沉淀孔直径(d’)、沉淀孔高度(h)。5.2.2钻机选型表5.2.2-1钻孔机性能参数表性能系数型号最大钻孔直径（mm）最大扩底直径（mm）砂石浆排量（m3/h）钻孔规格（mm）备注GPS－2622004400200168×10转盘式GPS－2020004000180219×15转盘式5.2.3扩底钻头结构特点及选型结合本工程施工的特点，决定采用两种类型的扩底钻头，一类是三翼合金扩底钻头(MRS)，另一类是双翼滚刀扩底钻头(MMR)，结构示意图分别见图2和图3。图2：三翼合金扩底钻头图3：双翼滚刀扩底钻头 （1）三翼合金扩底钻头基本结构为三翼下开式。刀齿为硬质合金，主要部件包括扩底翼、加压翼、底盘、连杆等，利用钻具自重在孔底实现扩底；钻头结构简单，使用方便，操作灵活。适应范围厂，扩底准确可靠；主要用于各种土层、砂层、砂砾层、硅积层和强风化岩中扩底。（2）双翼滚刀扩底钻头基本结构为下开式，采用对称双翼，中心管为四方结构，能可靠地将回转扭矩传递到扩底翼上。主要包括扩底翼、加压架、连杆、底座等部件，扩底翼为箱式结构，刚度大、强度高，解决了嵌岩扩底过程中大扭矩的传递问题，其以高强度耐瞎滚刀和牙轮为破岩刀具，破岩效率高，可用于各类全、强、弱风化岩层中扩底。5.2.4测量定位各测量点（俗称大样点）采用全站仪进行闭合测定，无误后用混凝土固定，并安装防护标志，防止因重车碾压和重物碰撞后而产生位移。尽量将各点设置在不影响施工的视线范围内，且不易被碰撞，以利长久保存。桩位测量采用全站仪、钢尺丈量法。但在桩位测定前，需对所用的测量基点进行复核，使其符合各种平面尺寸关系后方可使用该基点。桩位测定分初、复测，分别为挖埋护筒前和埋设护筒后，复测合格后，打入φ10钢筋一根，作为钻机定位标志，然后用水准仪测定其护筒标高后，经现场监理验收合格后方可就位施工。5.2.5埋设护筒钻孔桩的孔口护筒是保护孔口，隔离上部杂填松散物，防止孔口塌陷的必要措施，也是控制定位，标高的基准点。因此，在钻孔灌注桩施工每根工程桩施工前埋设护筒。护筒选用大于桩径10cm的钢制护筒，埋入深度以满足隔离杂填士，防止孔口塌陷为准，护筒四周间隙用粘土回填并捣实，以确保护筒稳定牢固。5.2.6钻机就位钻机就位时，转盘中心对准桩位中心标志的偏差应小于20mm，并用水平尺校对转盘水平，并做到天车中心、转盘中心与桩位中心成一垂直线。5.2.7成孔（1）机具配备施工前按其施工孔深配置钻具、导管，核准其钻头直径和长度、机上钻杆长度、根数、导管长度、根数，经核准后的机具不得随意更换。（2）成孔过程本工程采用反循环回转钻进方法，钻进参数控制范围如下：钻压6-15KPa转速40-128r／min 施工中应根据地层情况合理选择钻进参数，一般开孔宜轻压慢转，正常钻进时钻进速度控制在10m/h以内，临近终孔前放慢钻速以便及时排出钻屑，减少孔内沉渣。通过3PN泥浆泵将循环池内的泥浆泵入钻杆内，从钻头返出，钻头切削土体形成的泥浆从钻杆与孔壁的环状间隙内上返至孔口，再通过立式排污泵或泥浆沟排入循环池，从而形成泥浆循环系统。现场备用立式排污泵。为防止相邻桩串孔或影响邻桩的成桩质量，相邻桩的成孔施工以满足4D或不少于36小时为宜，因此，对不满足要求的桩跳桩（间隔一桩）施工。（3）扩底钻进工艺直孔钻进至设计孔深后，更换扩底钻头进行扩底钻进，操作要点如下：1）检查钻头收缩与张开是否灵活，各部件及其焊接，各销轴连接是否牢固。2）根据桩径所需的最大扩底直径，确定其行程。首先将扩底钻头放置至扩孔部位，然后缓慢给压使钻头逐渐张开，并不断测量扩底钻头的最大直径，当钻头张开至所需的扩底直径时，可在小中心方管上用粉笔记下大中心方管下端的位置。再次将钻头提起使其完全处于收缩状态，此时在小中心方管上再次记下中心管的位置。测量小中心方管上两个位置的距离，即为扩底钻头上的扩底行程。3）准确测量孔深，当扩底钻头下放至孔底，在主动钻杆上作扩底的起点和终点标记时，应考虑扩孔系数。因为扩底钻头下放至孔底，并不是完全收缩状态，而是略有张开，所以确定扩底行程的终点时，应比地面实测行程酌情减少。4）钻头下入孔底后，使冲洗液充分循环后才能空钻转动，空钻正常后才能加压钻进。5）钻进时缓慢给压，逐渐张开扩翼，切削岩层扩底，反循环排渣。钻进时应用最低档转速，通过卷扬机放绳速度控制钻进速度小于10cm/min。6）正常钻进时，无异常情况，不得无故提动钻具。7）扩底到位后应轻轻地渐渐提动钻具，使之产生一定的向上收缩力，在径向和轴向的双重作用下，收扰钻头，慢慢提出孔外，如出现提钻受阻现象，不可强提，猛拉。采取上下窜动钻具，并在钻头脱离孔底的情况下，轻轻旋转的方法，钻头便可收扰。8）扩底钻头提出孔外，应及时冲洗干净，便于发现问题及时修复，以备下次使用。（4）护壁钻孔形成自由面时，由于受地层覆盖土压力的作用，使自由面产生变形，泥浆使用得当可以抑制变形的产生。根据本工程地质岩土物理性能，选用原地层自然造浆，地表调节泥浆物理性能。根据不同的地质情况，选用不同的泥浆性能参数，来平衡地层的侧压力，以保证孔壁的稳定性，防止坍孔。泥浆性能多数指标控制范围如下：一清泥浆比重1.25～1.45粘度20～26s二清泥浆比重1.05～1.15粘度18～22s三清泥浆比重1.05～1.15粘度18～22s 含砂率≤3%泥浆性能多数一般选择原则是：易塌孔地层选用较大值，不易塌孔地层选用较小值。（5）清孔清孔是钻孔扩底灌注桩施工的重要工序，清孔质量的好坏直接影响水下混凝土灌注施工、桩身质量与承载力的大小。为了保证清孔质量，本工程采用三次反循环清孔。第一次清孔：当钻进至设计孔深后，进行第一次清孔，清孔1-2小时，把孔底沉渣抽吸干净后，下入扩底钻头，保证扩底钻头安放到位。第二次清孔：扩底完成后，进行清孔换浆，调整泥浆性能。泥浆的比重应小于1.2，含砂率≤4%，粘度≤2IS，清孔时间满足1.0小时。反循环清孔时，扩底钻头每间隔几分钟慢慢转动数圈，确保清除孔底沉渣。第三次清孔：利用灌注导管进行第三次清孔，确保孔底沉渣厚度≤50mm，用泥浆比重仪和漏斗粘度计测定泥浆比重和粘度，符合要求后方可进行水下混凝土灌注，并在第三次清孔后30分钟内灌入混凝土。（6）钢筋笼制作及安装1）钢筋笼制作选用具有质量保证书的正规厂家制造的钢筋，并对规格、批号、炉号不同的钢筋送测试中心做原材料力学试验，每一批代表数量不大于60t，复试合格后方可投入使用。钢筋笼由钢筋工和持证电焊工上岗制作，并对钢筋搭焊质量抽样送检，同一规格每300个焊接接头抽样做一组拉伸试验。钢筋笼在预制模中点焊成型，做到成型主筋直、误差小、箍筋圆，直观效果好。经质检员检验，并通过监理复检合格后，方可使用。钢筋笼制作偏差范围如下：主筋间距：±10mm箍筋间距：±20mm钢笼长度：±100mm钢笼直径：±10mm焊接长度：单面焊接≥10d、双面焊接≥5d2）钢筋笼保护层为了保护钢筋笼主筋不产生露筋现象，采用现场预制砼垫块做保护层，对称设置。每节钢筋笼设置不少于2道。混凝土保护块在孔口焊接时加在钢筋笼上，不宜在制作时加好。3）钢筋笼的吊放钢筋笼采用双点起吊，吊点位置在第一道加强箍处。为防止变形，采用对称布置，吊放入孔时对准钻孔中心缓慢下放，应防止碰撞孔壁。如下放困难，应调查原因，不得强行下放。一般采用正反旋转，慢起慢落数次逐步下放。4）钢筋笼入孔固定 根据钢筋笼上焊2根Φ10的吊筋固定在孔口机架盘上，使钢筋笼准确地安放在桩孔标高中心位置上。另外，在顶笼主筋对称插上2根Φ50钢管，上端固定在机架底盘下，以防止钢筋笼上浮。（7）水下混凝土灌注1）材料选用材料选用将严格按照国家现行标准对合格供应商的要求，选择符合要求的商品混凝土生产单位，并报送监理单位。现场使用时，要核准其出厂质量证明书。2）导管导管采用直径为325mm，长度为3.5m和2.5m焊接钢管，游轮丝扣连接。该导管密封性好、钢性强、不易变形。在使用前必须检查丝扣的好坏和导管内是否有残物，导管是否已经变形。下导管时，必须加好橡皮密封圈，以确保导管密封。使用后，必须清洗干净，整齐的堆放于指定位置。3）灌注根据孔深配置导管长度，并按先后次序下入孔内，导管口距孔底距离控制在500mm范围内。当第二次清孔结束时，在30分钟内倒入足够的初灌量，以满足导管初次时埋入深度超过2m。a、初灌量的计算：V=πkD2(he+h)/4+πd2h1/4式中：V—初灌量（m3）D—桩身直径（m）h—导管埋深（m）he—导管底口至孔底高度（m）d—导管内径（m）k—混凝土充盈系数，取1.3h1—砼达到埋管高度时导管内砼压与导管外泥浆压力平衡所需高度(m)其中：h1=（H-he-h）λc/λwH—钻孔深度，取最大值（m）λc-泥浆密度（1.2t/m3）λw—砼容重（2.4t/m3）则：h1=（40-0.5-1.0）×1.2÷2.4=19.25mV=π×1.30×0.652×(0.5+1.0)÷4+π×0.22×19.25÷4=1.25m³b、灌注器具和隔水塞的选用灌注器具主要包括导管、漏斗。导管选用Φ325焊接钢管；漏斗用4mm厚的钢板制成棱锥形，尺寸为1000×1000×800mm,底部用导管螺纹接头与导管连接，沿斗口外侧焊30×30mm角钢以确保其刚度。隔水塞选用球胆，其外径比导管内径小20～25mm，在灌注前用将其充气置于导管内泥浆液面处，再在灌注漏斗口放一块直径大于导管内径的圆形铁板（盖板）。c、灌注部署 灌注前，导管位置应居中，导管底口距孔底0.5m左右，放好球胆和盖板。混凝土车靠近孔口后，将混凝土倒入漏斗，待混凝土装满漏斗后提起盖板，将漏斗内混凝土灌至孔底，同时砼车内的混凝土也连续地灌入孔内。为确保导管的埋深长度，每次拔管前必需用测绳进行测量后，由现场质检员确定应拔管的长度，并进行记录备查。之后，连续灌注混凝士，导管埋深一般控制在3～10m的范围内。在桩位附近设3m×3m大泥浆池，用优质膨润土制成护壁泥浆，使泥浆的比重、粘度、含砂率、胶体率达到规范要求。钻孔中随时检查孔位、泥浆稠度、孔径及深度，作好原始记录，并绘制地质剖面图。为了保证桩顶质量，一方面清孔时尽量降低泥浆比重，另一方面经常检测混凝土灌注的上升速度，尽量准确掌握砼上升面。灌注结束前准确测量桩顶标高，确保浮桩长度不少于2m后方可停止灌注，以保证桩顶质量，同时，应减少材料的浪费。d、试块制作与养护现场随机对混凝土取样，每根桩制作不少于一组，采用150×150×150mm试模，按规定要求制作，隔日拆模后送现场标养室中养护。现场养护室按质量监督总站的要求建造，养护室内配备空调、加热管、温控器、温度计等。养护池现场采用砖砌，确保养护池中的水温控制在20℃±2℃，养护室内相对湿度达到90%。按制作龄期养护到期后送测试中心做28天抗压强度试验，并及时做好试验报告的数理统计评定工作。5.3劳动力组织施工劳动力组织情况表如表5.3-1。表5.3-1劳动力组织情况表序号单项工程人数（个）备注1管理人员42技术人员43钻孔操作人员164电工45电焊工126钢筋工157混凝土工88杂工69测量员4合计73 6、材料与设备本工法中无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6。表6机具设备表序号设备名称设备型号单位数量用途1钻孔机GPS－26台8灌注桩施工2电焊机BX-300台6钢筋加工3钢筋弯曲机GW40台2钢筋加工4钢筋切割机GJ40台2钢筋加工6全站仪GTS-750台17混凝土输送泵HB-30D台2混凝土浇筑8漏斗及导管Φ200台120混凝土浇筑9泥浆泵TBW850/50台1抽泥浆10正铲装载机ZL50台1运土7关键质量控制7.1扩底钻进7.1.1使用前检查扩底钻头收缩和张开是否灵活。将钻头用吊车或钻机的卷扬机提起，然后缓缓放下，扩底钻头的扩底翼将随之收缩和张开，如此反复数次，使钻头动作灵活。地面进行张、收试验时，准确测量以数据：（1）根据工程所需要的扩底直径。在地面确定其行程。（2）每一定距离的扩底行程所对应的扩底直径。（3）扩底钻头达到扩底直径时的h1、h2、h数据。7.1.2扩底钻头入孔前，必须在地面进行整体强度检验，其主要内容为焊接部位是否牢固，销轴连结是否安全可靠，收张是否灵活。7.1.3当扩底钻头下入孔底后，在主动钻杆上用粉笔划好记号或在扩底钻头上固定好相应的行程限位器，便确定扩底终点。7.1.4将扩底钻头提离孔底，使其处于悬吊状态；起动钻机和水泵，待钻机和水泵工作正常后即可开始扩底；扩底采取低速回转技术参数，开始时不得随意加压；当运转平稳后，依据孔内的反映情况，适当调整压力。 7.1.5当钻进至机上钻杆所标出的行程时，逐步放松钻具钢丝绳，钻具钻进阻力减少，转动自如证明扩底行程已达到扩底限位器。在扩底完成行程后，可在原位继续回转至清孔完毕后即可迅速提钻。7.1.6提钻时应轻轻地渐渐提动钻具，使之产生一定的向上收缩力；在径向和轴向的双重力作用下收拢钻头，慢慢提出孔外。如出现提钻受阻现象，不可急躁，不能强提猛拉，应采取上下窜动钻具，并在钻头脱离孔底的情况下使钻头慢慢收拢。7.2清孔清孔主式选择采用泵吸反循环清孔。利用泵吸反循环钻进成孔及清孔，具有泥皮薄、孔底沉渣少、桩孔质量好的优点。根据钻孔扩底桩的施工特点，必须分三次进行清孔。第一次清孔：钻进到设计深度后，先将钻头提离孔底50～80cm，进行换浆清孔、回流混浆比重应控制在1.25左右，主要目的是准确测量孔深，为扩底钻进提供可靠数据。第二次清孔：扩底完成后即进行第二次清孔。及时排出孔底沉渣，主要目的是检测扩径情况、孔深位置及调整泥浆性能。第三次清孔：在下入钢筋笼、灌注导管灌注混凝土前，测量孔底沉渣，如沉渣厚度大于50mm。则进行第三次清孔，确保沉渣厚度满足设计要求。8安全措施8.1设备使用过程中的安全措施8.1.1机架设备必须安装在平整、坚实的场地上，松软的场地必须夯实，加垫基台木和木板。在台架上作业的钻机，必须要有可靠的底盘与台架连接。8.1.2机械设备必须安装稳固、周正水平、确保施工中不发生倾斜、移动、沉陷。8.1.3机架设备传动的外面，必须安装牢固的防护栏或防护罩，加压轮钢丝绳必须加防护套。8.1.4安装、拆卸和迁移塔架必须由机长或施工员统一指挥，严禁上下抛掷工具、物件，严禁塔架上下同时作业；严禁塔上或高空位置存放拆装工具和物件；整件竖放塔架时施工人员应离开塔架起落范围。8.1.5塔架不得安装输电电线，塔架立起或放倒时其外侧边缘与输电线路的边线之间必须保持一定安全距离。8.1.6设备迁移时，应先检查并清除障碍物，设专人照看电缆，防止轧损，无关人员撤到安全地带。 8.1.7机架移位应事先检查滑轮、流筒、钢丝绳等安全情况，移位时应力求平稳。8.2安全用电措施8.2.1各种机电设备安装、使用、维修均应按其说明书的要求进行，电气作业按其规范进行。8.2.2机电设备必须建立使用、检查、维护、保养制度，配齐安全防护设备，在工程结束时，及时组织人员对设备进行检查维修，确保安全可靠。8.2.3机械动转中，不得进行零部件拆卸和修理，拆洗和检查机械时，要防止转动伤人。8.2.4电气设备的线路必须保持绝缘电阻不得低于0.5MΩ.8.2.5缆线路应根据灌注桩平面布置架空或悬挂铺设,固定线路尽量接近桩基平面,并设固定线路,应敷设在不被车辆游轧、人踩、不被管材工件碰撞的明显地方，不得置于泥土和水中，每周必须停电检查一次电线外层磨损情况，发现问题及时处理，电缆通过临时道路时，应用钢管做护套，挖沟埋设。8.2.6每个机台设置一个配电柜，柜内应有足够的闸刀开关，空气开关插座，并安装漏（触）电保护器，配电柜应有防雨措施，在使用中配电补充的电流量不得超过电气设备的额定值。8.2.7保险盒、熔断器、熔丝必须按规定的规格使用连续发生熔丝等其它金属导线代用。8.2.8电气设备的金属外壳或机架必须根据技术条件采取保护性接地或接零，但同一电网的用电设备不得有接地、有的接零，不得拆除接地、接零装置。8.2.9夜间施工应有足够的照明，灯具应悬挂或固定在合适的架上，不防碍作业施工，低压电气设备，如III类电动工具、安全行灯等应有国家标准GB3805-83《安全电压》范围内使用。8.2.10检修电器设备和线路时，首先要切断电源，并在开关上持“有人工作，禁止合闸”的标志牌，如用电工作时，必须有确保安全的措施，并有专人监护，非电工不得从事电气设备的安装与检修工作。8.2.11泥浆池周围做好临边防护，并设立警示牌。8.2.12进行电、气焊作业必须严格执行《焊接安全规程》，非焊工不得从事电、气焊作业。8.2.13大风大雨后，要及时对电气设备及线路进行系统检查，停电后应闭总闸，采用应急照明措施。 9环保措施9.1钻孔桩施工过程中，设置泥浆池并定期进行清运，运输过程中必须保证泥浆不外漏，不泼洒。9.2施工现场和运输道路设专人养护维修，经常洒水，清理污物，防止筑路机械和施工车辆产生扬尘。9.3钻孔桩灌注混凝土时应注意减少现场材料浪费，对剩余混凝土应及时处理。9.4控制施工噪声，并给操作人员配备耳塞，同时注意机械保养，降低噪音的声级。距居民150m以内的施工现场，限定施工时间。10经济效益分析采用钻孔扩底灌注桩这种新的施工技术，大大提高单桩承载能力，节约了材料、降低了自然资源的浪费，节约了工程造价。基础工程中就钻孔扩底桩与冲孔桩相比，节约了工程款90余万元。11应用实例本工法成功应用于广深港客运专线深圳北站的站房桩基础工程当中，用来支撑大体积承台及钢结构柱及平台框架体系。11.1工程概况深圳北站工程建筑总面积㎡，分为主站房和无站台柱雨棚两部分，主站房建筑面积85492㎡，雨棚建筑面积68024㎡。主站房东西长409m，南北宽208m，建筑高度43.602m。无站台柱雨棚东西长262.6m，南北宽130m，建筑高度18.1m。主站房基础部分桩基工程灌注桩256根，深圳北站钻孔灌注桩规格有1200mm和1400mm两种直径。其中Φ1200mm又分为桩孔底扩至2000mm及桩孔底扩至2400mm；Φ1400mm又分为桩孔底扩至2400mm及桩孔底扩至2700mm。11.2施工情况在深圳北站的主站房桩基础中采用了大量扩底灌注桩，全部应用本工法进行钻孔和扩底，有效提高了工程施工质量，创造了的良好的经济效益，保证了深圳北站的现场施工的顺利完成。该部分钻孔桩于2009年9月21日开工，2010年5月26日完工。 11.3工程评价通过采用本工法进行施工的桩基工程已经成功应用到深圳北站桩基工程中，桩基质量优良。深圳北站工程已于2011年10月通过竣工验收，主体结构工程被评为“深圳市结构优质工程”，正在为创省部级优质工程奖及建筑工程“鲁班奖”做好准备。'