干孔钻进无水法灌注混凝土施工工艺在南水北调中线干渠邯郸市段青兰渡槽工程中的应用

 李海民

 （河北省水利工程局，河北石家庄050021）（水利建设与管理）

【摘要】  干孔钻进无水法灌注混凝土施工工艺，采用旋挖钻钻孔，清孔后无水法灌注混凝土，无须泥浆护壁，且成桩质量可靠、可大幅度节约工期和工程成本，值得加以推广和应用。

【关键词】  干孔钻进；无水法；灌注桩

  中图分类号：TV544 文章编号：1005-4774( 2016) 06-0001-05

1前言

 南水北调中线干渠邯郸市段青兰渡槽工程的地质覆盖层主要为人工填土、黏土岩、泥质粉砂岩、细砂、粉砂等多层结构，以黏土岩为主。黏土岩单层厚度一般5~ 20m，泥质粉砂岩单层厚度0.5~6.1m，粉细砂（局部中砂）层单层厚度1.1~7. 3m。场区位于邯郸市漏斗区，地下水埋深在50m以下，少量孔隙水，含水层为粉细砂层，场区无地表水。该工程钻孔灌注桩采用干孔作业钻进工艺。干孔作业钻进施工采用旋挖钻实施钻孔，采用无水法灌注混凝土，无须泥浆护壁，可大幅度节约工期和工程成本，并且成桩质量可靠。

2  施工工艺及实施要求

2.1施工工艺

干孔无水灌注桩施工工艺流程见下页图。

2.2具体实施步骤与要求

2. 2.1  地质勘验及桩位点的确认

 钻孔前施放桩位点，放样后四周设护桩并复测，误差控制在10mm以内，确定是否有障碍物，监理验收合格后进行成孔施工。

2.2.2埋设护筒

 根据桩位点设置护筒，采用旋挖钻机静压法来完成，护筒与坑壁之间应用黏土填实。首先正确就位钻机，使机体垂直度、钻杆垂直度和桩位钢筋笼中心三线合一，然后在钻杆顶部带好筒式钻头，再用吊车吊起护筒并正确就位，用旋挖钻杆将其垂直压入土体中。并使护筒中心与桩位中心重合，埋设深度1. 5m，高出地面20~ 30cm。

2.2.3干孔作业钻进

 a．钻机就位及检查。钻机就位前对原桩位进行复核，桩位偏差小于10mm，并用“+”字线定位，然后进行钻机就位。钻机就位要求：钻机保持平稳，不发生倾斜、位移，钻头对准孔位开启电机进行开孔。

 b．钻孔施工。按试桩确定的施工参数进行钻进施工，并作好相应成孔记录。根据地质情况控制进尺速度：由硬地层钻到软地层时，可适当加快钻进速度；反之，要减速慢进；在易缩径的地层中，应适当增加扫孔次数，防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进，以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进。

 硬地层钻进，可换用小直径筒形齿状钻斗，先钻一小孔，然后再用钻斗扩孔钻进，也可换用短螺旋钻进，然后再下钻斗捞渣；在砂砾、砂卵、卵石地层中钻进时，为保护孔壁稳定，可事先向孔内投入适量黏土球，下入孔内的钻头，其底盘进渣口必须装闭合阀板，以防提钻时砂砾石从底部漏落孔内。

 终孔后应清除护壁上的泥土和孔底残渣、积水，孔底沉渣厚度不大于100mm，确认达到要求后，报请监理工程师进行隐蔽工程验收，验收合格后，尽快进行钻机移位，开始浇灌混凝土。

2.2.4  吊放钢筋笼

 钢筋采用剥肋直螺纹连接，为保证接头套丝质量，钢筋采用剪切机下料，剥肋滚压直螺纹机加工丝头，使用螺纹环规进行检测，用力矩扳手拧紧。接头质量、性能符合I级接头的要求，制作好的丝头要用钢筋保护帽保护，防止螺纹被碰伤或被污物污染。主筋保护层50mm，用钢筋耳控制，允许偏差±20mm，要确保钢筋笼居于钻孔中间，既可避免笼体碰撞孔壁，又可保证混凝土保护层均匀且钢筋笼在桩体内的位置正确。钢筋笼易分两截制作，现场焊接连接。

 钢筋笼起吊及运输过程中，应保证整体、平直起吊。钢筋笼扶直过程中使用两台吊车，吊离地面后，利用重心偏移原理，通过起吊钢丝绳在吊车钩上的滑运并稍加人力控制，实现扶直，转化为垂直起吊，以便入孔。钢筋笼入孔时应轻放慢放，安装完毕以后，必须立即固定，并复核笼顶标高。

2.2.5  无水混凝土灌注成桩

 a．混凝土各组分的配比。混凝土各组分的配比如表1所列。  

通过外加剂（减水剂、引气剂）、胶结材料（水泥和矿物掺合料）和粗细骨料（中砂和碎石）的选择、搭配和配合比设计，将混凝土的屈服应力减小到足以被自重产生的剪应力克服，使混凝土流动性增大，同时又具有足够的塑性黏度，令骨料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水问题，能够借助灌注桩导管埋深混凝土的压力达到自密实。掺加适量矿物掺合料（粉煤灰）调节混凝土的流变性能，提高塑性黏度与拌和物中的浆固比，改善混凝土和易性与匀质性，并减少粗细骨料颗粒之间的摩擦力，提高混凝土的通阻能力。

 适当增加砂率和控制粗骨料粒径不大于40mm，以减少遇到阻力时浆骨分离的可能性，增加拌和物的抗离析稳定性。

 b．混凝土灌注采用导管法。导管的直径、规格要与孔径适应，一般采用卡口式接头，直径300mm、壁厚10mm的导管，每节管长2m。导管在吊入孔内时，其位置要居中、轴线顺直，稳步沉放，防止卡挂钢筋骨架和碰撞孔壁。

 采用H250型拌和站拌和，8m3混凝土搅拌运输车运输混凝土至现场，直接倒入导管内灌注。灌注混凝土前，要对孔内进行二次清孔，确保孔内无积水。

 灌注首批混凝土时，导管下口至孔底的距离控制在25~ 40cm，且使导管埋入混凝土的深度不小于1m。剪球灌注开始后，要连续进行，并尽可能地缩短拆除导管的间隔时间，一般不超过2. 5h;灌注过程中要经常用测深锤探测孔内混凝土面的位置，及时调整导管的埋深，导管埋深控制在3~6m。混凝土接近桩顶时，提高漏斗高度，保证漏斗距离设计桩顶高程不小于4m，吊斗倾倒混凝土，以保证混凝土的自密实。为确保桩顶质量，桩顶加灌0.5~ 1m高度。

3成桩质量检测

3.1  超声波检测

 现场检测步骤具体如下：

 a．将发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处。

 b．发射与接收声波换能器应以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250mm。

 c．实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。

 d．将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测。

 e．在桩身质量可疑的测点周围，应加密测点，或采用斜测、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。

 f．同一根桩各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。

检测结果如表2所列。

 完成检测后，综合分析各参数，未发现明显的不良缺陷，桩身完整性均合格。根据桩身完整性指标分析，检测结果均为I类桩。

3.2高应变检测

 高应变检测采用CASE法。将两支加速度传感器和两支应变力传感器分别对称安装在桩侧表面（距桩顶两倍桩径左右），用重锤自由下落锤击桩顶，传感器采集接收桩身在瞬时冲击下产生的轴向应变、桩侧与桩端土阻力效应及桩身运动速度信号等。

 CASE法是以行波理论为基础，视桩为一维弹性杆件，在桩顶施加垂向瞬时冲击力，使桩身向下位移，激发侧桩与桩端土阻力，通过分析简化去除土的动阻力成分，求得桩的静承载力。CASE法分析计算公式如下：

 测点桩长指高应变检测时，传感器安装位置以下的桩长。检测各桩的桩顶均高于设计标高，传感器安装在距桩顶下2m左右处，锤重12000kg，落距0.8m左右，计算承载力的J c值系数根据地质勘查资料取0. 30。

检测结果如表3所列。

  所检测各桩的单桩承载力均不小于设计单桩竖向极限承载力值。

4经济效益分析

 a．降低工程造价、减少工程临时占地。干孔作业钻进无水法灌注混凝土施工工艺，相比泥浆护壁钻孔工艺，节省了泥浆系统，减少了泥浆原材料及水资源的消耗，降低了工程施工成本；槽内挖出渣土运输远比运输、处理泥浆成本低，可节省排放处理泥浆的费用，节省泥浆系统的临时工程占地，特别是在市区场地狭小的情况下施工，效果明显。

 另外，由于操作直观，预留凿除桩头容易控制，避免了水下灌注桩头预留过高的问题，节省了部分超灌混凝土和凿除等费用。

 b．更利于环境保护，文明施工。无泥浆排放施工现场环境整洁、有序，减少了对周围环境的影响，避免了污染河道、公路、土地等。容易做到文明施工，提高工程效率。

 c．施工质量容易得到保证。干作业成孔，便于取样判断各个孔位地层变化，清楚掌握工程地质情况的变化，特别是设计要求终孔在某一地质层时，终孔取样是泥浆护壁系统难以解决的难题，而干作业成孔能很容易直观判断终孔地层，可以完全目测掌握成孔质量和进展情况，以便出现问题及时采取应对措施。

干孔灌注混凝土极其有效地解决了钢筋笼上浮问题，无沉砂不会在混凝土顶部形成硬盖，托顶钢筋笼上浮。

d.节省施工工期。由于省去泥浆系统，钻孔速度快，直观目测验收速度快，混凝土灌注速度时间短，在保证质量前提下省去了大量的工序，施工速度得到提升，可节省工期达30%。

e．人工成本低。工艺简单便于操作，降低操作工人的劳动强度，因此可大幅度降低劳动成本。

5适用地层条件

干作业钻孔灌注桩施工地质条件，满足挖桩深度范围内无地下水、流沙或软弱地层（指在无外力施加情况下，自行坍塌的地层），或只有少量地下水，可以在进行二次清孔时排空地下水。