城市轨道交通高架桥施工技术课件：钻孔灌注桩基础施工

钻孔灌注桩基础施工

12目录01钻孔灌注桩简介03埋置钢护筒05钻孔施工07水下灌注混凝土Exquisiteteachingdesigntemplate02施工作业流程及施工准备04泥浆拌制06钢筋笼施工08常见钻孔事故及处理方法01钻孔灌注桩简介钻孔灌注桩根据桩位的地质状况采用钻机,通常采用泥浆壁法成孔。混凝土由拌合站集中拌制,混凝土搅拌运输车运输,钢筋笼一次加工成形。导管法灌注水下砼,成为桩基础的一种工艺。目前国内高架桥梁基础工程领域中,钻孔灌注桩基础已占据了重要地位,并向大直径、多样化(变截面桩、空心桩)方向发展。钻孔工艺水平不断提高,已适应大直径深水基础桩基施工需求。钻孔灌注桩简介14钻孔灌注桩根据成孔及井孔中钻渣的取出方法不同,钻孔的方法和原理可以分以下几种:螺旋钻孔、正循环回转钻孔、反循环回转钻孔、潜水钻机钻孔、冲抓钻孔、冲击钻孔、钻斗钻成孔。钻孔灌注桩是采用不同的钻孔方法,在地层中按要求形成一定形状(断面)的井孔,达到设计标高后,将钢筋骨架吊入井孔中,再灌注混凝土,成为桩基础的一种工艺。02施工作业流程及施工准备施工作业流程及施工准备施工作业流程施工准备钻孔场地应清除杂物、换除软土、平整压实。场地位于浅水、陡坡、淤泥中时,可采用筑岛或用枕木或型钢等搭设工作平台;当位于深水时,可插打临时桩搭设固定工作平台,在钻孔平台上拼装钢护筒导向架,采用起吊设备插打水中墩钢护筒。工作平台必须坚固稳定,能承受施工作业时所有静、动荷载,同时还应考虑施工设备能安全进、出场。03埋置钢护筒埋置钢护筒钢护筒护筒作用制作要求埋设要求固定桩孔位置,保护孔口,防止地面水流入,增加孔内水压力,防止塌孔,成孔时引导钻头的方向。护筒通常采用钢筋混凝土和钢制两种,视具体情况而定。埋设钢护筒如图4-8所示。钢护筒厚4~8mm,钢筋混凝土护筒厚8~10cm。护筒上部设1~2个溢浆孔;护筒的内径比钻孔桩设计直径稍大。用回转钻机钻孔的宜加大20~30cm;用冲击钻和冲抓钻钻孔的宜加大30~40cm。钻孔前,在现场放线定位,按桩位挖去桩孔表层土,并埋设护筒;埋设护筒可采用挖埋或锤击、振动、加压等方法;埋置深度一般情况为2~4m,特殊情况应加深;护筒顶端高度应满足孔内水位设置高度的要求。埋置钢护筒水中墩钢护筒在钻孔平台上拼装钢护筒导向架,测量放线定桩位,对接钢护筒,整体起吊钢护筒入水,调整护筒倾斜度及位置缓慢入床至稳定,安装振动打桩锤振动下沉,安装钻机开始水上钻孔桩施工。在钢护筒振动下沉过程中要精确定位、跟踪监测、调整,满足规范要求,保证钻孔桩施工顺利进行。钢护筒采用厚度为4~12mm的Q235钢板卷制,护筒内径应比桩直径大20~40cm。钢护筒在车间分节制造,在平台对接后整体下沉,下沉中随时用木楔在导向架与护筒之间调整偏差,护筒底口要求到达卵石层顶面。护筒顶口宜高出施工水位或地下水位1.0~2.0m。浅滩和陆地钻孔桩钢护筒对河滩内桩位施工前应筑岛,岛的高度应高出施工地面0.5m,护筒高度宜高出地面0.3m。当钻孔内有承压水时,应高出稳定后的承压水位2.0m以上。钢护筒采用厚度为4~12mm的Q235钢板卷制,内径比桩径应大于20~40cm。护筒埋置深度符合下列规定:黏性土不小于1m,砂类土不小于2m。当表层土松软时将护筒埋置到较坚硬密实的土层中至少0.5m。岸滩上埋设护筒,在护筒四周回填黏土并分层夯实;护筒顶面中心与设计桩位偏差不大于5cm,倾斜度不大于1%。水中筑岛,护筒宜埋入河床面以下1m。04泥浆拌制泥浆拌制在钻孔桩施工中,泥浆的作用是对孔壁增加静压力,并在孔壁造成一层泥皮,阻隔含水层,保护孔壁免于坍塌。钻孔泥浆一般由水、黏土(膨润土)和添加剂按适当配合比配置而成,良好的泥浆其胶体率不低于95%,含砂率不大于4%。桩基施工前,要开挖好泥浆池(见图4-9),选择和备足良好的造浆黏土或膨润土,造浆量为2倍桩的混凝土体积,泥浆比重可根据钻进不同地层及时进行调整。05钻孔施工钻机就位前,对钻孔各项准备工作进行检查。钻机安装后的底座和顶端应平稳,在钻进中不应产生位移或沉陷,否则应及时处理。钻孔作业应分班连续进行,填写钻孔施工记录,交接班时应交待钻进情况及下一班应注意事项。应经常注意地质变化,在地层变化处均应捞取渣样,判明后记入记录本并与设计地质资料相比较。钻孔施工(1)正循环钻孔正循环是用泥浆泵将泥浆以一定压力通过空心钻杆顶部,从钻杆底部喷出,底部的钻锥在旋转时将土壤搅松成为钻渣,被泥浆悬浮,随泥浆上升而溢出流至孔外的泥浆槽,经过沉淀池中沉淀净化,再循环使用。正循环成孔设备简单,操作方便,工艺成熟,当孔深不太深,孔径小于800mm时钻进效率高。当桩径较大时,钻杆与孔壁间的环形断面较大,泥浆循环时返流速度低,排渣能力弱。如使泥浆返流速度增大到0.20~0.35m/s,则泥浆泵的排量必须很大,有时难以达到,此时不得不提高泥浆的相对密度和黏度。但如果泥浆相对密度过大,稠度大,难以排出钻渣,则孔壁泥皮厚度大,影响成桩和清孔。(2)反循环钻孔反循环钻机的泥浆的循环方式则正好相反,泥浆由孔外流入孔内,由真空泵或其他方法(如空气吸泥机等)将钻渣通过钻杆中心从钻杆顶部吸出,或将吸浆泵随同钻锥一同钻进,从孔底将钻渣吸出孔外。泥浆从钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔来冷却钻头,并携带沉渣由钻杆内腔返回地面。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环状断面积小得多,因此,泥浆的上返速度大,一般可达2~3m/s,是正循环工艺泥浆上返速度的数十倍,因而可以提高排渣能力,保持孔内清洁,减少钻渣在孔底重复破碎的机会,能大大提高成孔效率。这种成孔工艺是目前大直径成孔施工的一种有效、先进的成孔工艺,因而应用较多。(3)冲击钻孔冲击钻机通过机架、卷扬机把带刃的重钻头(冲击锤)提高到一定高度,靠自由下落的冲击力切削破碎岩层或冲击土层成孔。冲击钻头形式有十字形、工字形、人字形等,一般常用的是十字形冲击钻头,如图4-10(a)所示。冲孔前应埋设钢护筒,并准备好护壁材料。冲击钻主要用于在岩层中成孔,成孔时将冲锥式钻头提升一定高度后以自由下落的冲击力来破碎岩层,然后用掏渣筒来掏取孔内的渣浆。1.各种成孔设备及成孔特点钻孔施工(4)钻斗钻孔(旋挖)旋挖钻机是在第二次世界大战后发展起来的新型钻孔设备。我国从20世纪80年代开始引进吸收,但一直没有取得太大的进展。直到2001年中国铁路工程集团有限公司开始在青藏铁路上大面积推广应用旋挖钻进行桩基成孔。至此,旋挖钻成孔施工工艺在国内较大范围内迅速推广,如图4-10(b)所示。其主要特点为自带履带移动方便和成孔速度快,孔底干净。主要适用于砂土、黏性土、粉质土等土层施工,最大成孔直径可达1.5~4m,最大成孔深度为60~90m,可以满足各类大型基础施工的要求。(5)全套管冲抓成孔特点:无噪声,无振动;不使用泥浆;挖掘时可以很直观地判别土壤及岩性特征,对于端承桩,便于现场确定桩长;挖掘速度快,挖掘深度大;成孔垂直度易于掌握;孔壁不会产生坍落现象,成孔质量高;成桩质量高;成孔直径标准,充盈系数很小;清孔彻底,速度快;自行式,便于现场移动。冲锥式钻头如图4-10(c)所示,锥头上有一重铁块和活动抓片,通过机架和卷扬机将冲抓锥提升到一定高度,下落时松开卷筒刹车,抓片张开,锥头便自由下落冲入土中,然后开动卷扬机提升锥头,这时抓片闭合抓土。冲抓锥整体提升至地面上卸去土渣,依次循环成孔。冲抓锥成孔施工过程、护筒安装要求、泥浆护壁循环等与冲击成孔施工相同,适用于松软土层(砂土、黏土)中冲孔,但遇到坚硬土层时宜换用冲击钻施工。(6)潜水钻机成孔潜水钻机是一种旋转式钻孔机,其防水电机变速机构和钻头密封在一起,由桩架及钻杆定位后可潜入水、泥浆中钻孔。注入泥浆后通过正循环或反循环排渣法将孔内切削土粒、石渣排至孔外。潜水钻机是将电动机、变速机构与底部钻头结合成一密封的专用钻孔机械。这种机械体积小、质量小、携带方便,桩架轻便、移动灵活,钻进速度快(为0.3~2.0m/min),钻机噪声小,钻孔效率高。最大成孔直径为0.8~2m,钻进深度为50m。潜水钻机原理图如图4-11所示。(7)全叶螺旋钻孔机成孔成孔直径为400~600mm,深度为8~12m。适用于地下水位以上的一般黏性土、砂土、人工填土地基。不宜用于地下水位以下的土层成孔作业及淤泥质土。1.各种成孔设备及成孔特点钻孔施工无论采用何种方法钻孔,开孔的孔位必须准确,开孔时均应慢速钻进,待导向部位或钻头全部进入地层后,方可加速钻进。主要钻进工艺有三种:干式钻进、清水孔钻进和泥浆护壁钻进。采用正、反循环钻孔(含潜水钻)均应采用减压钻进,即钻机的主吊钩始终要承受部分钻具的重力,而孔底承受的钻机不超过钻具重力之和(扣除浮力)的80%。用全护筒法钻进时,为使钻机安装平正,压进的首节护筒必须竖直。钻孔开始后应随时检测护筒水平位置和竖直线,如发现偏移,应将护筒拔出,调整后重新压入钻进。

在钻孔排渣、提钻头除土或因故停钻时,应保持孔内符合水位的规定和泥浆相对密度和黏度的要求。处理孔内事故停钻时,必须将钻头提出孔外。每钻进2m或地层变化处,应在泥浆槽中捞取钻渣样品,查明土质并记录,及时排除钻渣并置换泥浆,使钻锥经常钻进新鲜地层。同时应注意土层的变化,在岩、土层变化处均应捞取渣样,判明土层并记入记录表中,以便与地质剖面图核对。2.钻孔当钻孔达到设计标高后,应及时进行清孔,目的是减少孔底沉渣厚度,确保桩基承载力;置换孔内泥浆,降低泥浆相对密度和含砂率,保证混凝土的灌注质量。清孔方法有换浆、抽浆、掏渣、空压机喷射、砂浆置换等,可根据具体情况选择使用。成孔检查合格后应立即进行清孔,清孔方法应根据成孔工艺、机械设备、工程地质情况确定,主要有吸泥法、换浆法、掏渣法等;浇筑水下混凝土前若设计无要求时,摩擦桩沉渣厚度应小于30cm,嵌岩桩应小于10cm;清孔后泥浆指标应符合以下标准:孔内排出或抽出的泥浆手摸无2~3mm颗粒,泥浆相对密度不大于1.1;含砂率小于2%;黏度为17~20mm2/s。

应注意严禁采用加大孔深的方法代替清孔(旋挖钻机必须配备清孔设备),混凝土灌注前应通知现场监理检查沉渣厚度,满足要求后,方可灌注。循环排渣法如图4-12所示。3.清孔钻孔施工钻孔成孔后应进行成孔检查,检查内容应包括孔位中心、孔深、孔径、倾斜度等,并应通知设计配合人员进行现场地质确认。钻孔成孔检查项目及允许偏差:孔径、孔深应符合设计要求;孔位中心允许偏差为100mm,倾斜度为1%。在成孔检查时,应注意在成孔的第一时间通知现场监理进行验收。此时应注意检孔器制作的要求:要有足够的刚度,外径要与设计桩径相同;检孔器长度宜为4~5倍设计桩径,且不宜小于6m;检孔器两端宜作成锥形,高度不宜小于检孔器半径。钻孔、清孔(包括钢筋骨架下放完毕)后,其质量允许偏差见表4-5。4.钻孔质量检验06钢筋笼施工钢筋笼施工钢筋笼在钢筋加工车间分段制作或现场制作,如图4-13所示,以定尺钢筋长度为宜。主筋在制作前必须整直,没有局部的弯折。主筋一般应尽量用整根钢筋,分段后的钢筋接头应相互错开,保证同一截面内的接头数量不超过主筋总数的50%,接头错开间距不小于35d(d为钢筋直径),且不得小于50cm。1.钢筋笼制作要求钢筋笼的焊接、绑扎必须牢固,应保证焊缝长度和饱满度。桩身钢筋笼分段制作完成后,吊运至现场,边下放边连接。分段制作时采用搭接焊,两钢筋搭接端部应预先折向一侧,使两接合钢筋轴线一致,接头的长度单面焊不小于10d,双面焊不应小于5d。焊缝要求清除焊渣、焊缝饱满。钢筋笼制作允许偏差,见表4-6。钢筋笼施工2.钢筋笼起吊与安装为了保证骨架起吊时不变形,宜用两点起吊,如图4-14所示。第一吊点设在骨架的下部,第二吊点设在骨架长度的中点到上三分点之间。起吊时,先提第一吊点,使骨架稍微提起,再与第二吊点同时起吊。待骨架离开地面后,第一吊点停止起吊,继续提升第二吊点。随着第二点的不断提升,慢慢放松第一吊点,直到骨架与地面垂直,停止起吊。当骨架进入孔口后,应将其扶正,缓缓下降,严禁摆动碰撞孔壁。钢筋笼顶端应根据孔顶标高设置吊筋。钢筋笼接长时,两钢筋笼必须保持垂直和对位良好。吊入钢筋笼时对准孔位轻放、慢放。若遇阻碍,轻起轻落并正反旋转使之下放。不高起猛落、强行下放,以防碰坏孔壁而引起塌孔。下放过程中,时刻注意观察孔内水位情况,如发现异常现象,马上停放,检查是否坍孔。07水下灌注混凝土水下灌注混凝土1.安装导管导管使用前应组装编号,根据孔深计算导管长度及节数,导管应顺直并进行水密试验,确认导管不漏水及拆接情况良好才能下入孔中。下放导管时小心操作,避免挂碰钢筋笼,并做好记录。2.二次清孔二次清孔完毕后,将导管轻轻下放到底,然后再向上提升25~40cm,与导管的理论长度进行比较,吻合之后,将导管固定在灌注平台孔座上。3.灌注水下混凝土计算和控制首批封底混凝土数量,下落时有一定的冲击能量,能把泥浆从导管中排出,并能把导管下口埋入混凝土1~3m深,当桩身较长时,导管埋入混凝土中的深度可适当放大。足够的冲击能量能够把桩底沉渣尽可能地冲开,是控制桩底沉渣、减少工后沉降的重要环节。桩基混凝土采用罐车运输配合导管灌注,导管直径为25~30cm。在灌注过程中,导管的埋置深度应控制在2~6m。同时应经常测探孔内混凝土面的位置,及时调整导管埋深。

灌注开始后,应紧凑连续地进行,中途不得停歇。在灌注过程中,应防止混凝土拌和物从漏斗顶溢出或从漏斗外掉入孔底,使泥浆内含有水泥而变稠凝结,致使测探不准确。灌注过程中,应注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况,及时测量孔内混凝土面高度,正确指挥导管的提升和拆除。4.导管提升导管提升时应保持轴线竖直和位置居中,逐步提升。如导管法兰卡挂钢筋骨架,可转动导管,使其脱开钢筋骨架后,再移到钻孔中心。为确保桩顶质量,在桩顶设计标高以上应加灌0.5~1.0m。08常见钻孔事故及处理方法常见钻孔事故及处理方法1.坍孔各种钻孔方法都可能发生坍孔事故,坍孔的特征是孔内水位突然下降;孔口冒细密的水泡;出渣量显著增加而不见进尺或进尺甚少;孔深突然变浅,钻头达不到原来孔深;钻机负荷显著增加,等等。(1)坍孔原因泥浆相对密度不够及其他泥浆性能指标不符合要求,使孔壁未形成坚实泥皮;由于出渣后未及时补充泥浆(或水),或河水、潮水上涨,或孔内出现承压水,或钻孔通过砂砾等强透水层,孔内水流失等而造成孔内水头高度不够;护筒埋置太浅,下端孔口漏水、坍塌或孔口附近地面受水浸湿泡软,或钻机直接接触在护筒上,由于振动使孔口坍塌,扩展成较大坍孔;在松软砂层中钻进进尺太快;提出钻锥钻进,回转速度过快,空转时间太长;水头太高,使孔壁渗浆或护筒底形成反穿孔;孔内水位低于地下水位;孔操作不当,供水管嘴直接冲刷孔壁、清孔时间过久或清孔停顿时间过长;吊入钢筋骨架时碰撞孔壁。(2)坍孔的预防和处理在松散粉砂土或流砂中钻进时,应控制进尺速度,选用较大相对密度、黏度、胶体率的优质泥浆或投放黏土、片石低锤冲击使黏土膏、片石等挤入孔壁。发生孔口坍塌时,可立即拆除护筒并回填钻孔,重新埋设护筒再钻或下钢护筒到未坍处以下至少1m。如发生孔内坍塌,不严重者,可加大泥浆相对密度继续钻孔,较严重者,应判明坍塌位置,回填砂和黏质土(或砂砾和黄土)混合物到坍孔处以上1~2m,甚至应全部回填再钻,钻孔之前应待回填物沉积密实后再行钻进。清孔时应指定专人补浆(或水),保证孔内必要的水头高度。供水管最好不要直接插入钻孔中,应通过水槽或水池使水减速后流入钻中,可免冲刷孔壁。应扶正吸泥机,防止触动孔壁。不宜使用过大的风压,不宜超过1.5~1.6倍钻孔中水柱压力。吊入钢筋骨架时应对准钻孔中心竖直插入,严防触及孔壁。常见钻孔事故及处理方法2.钻孔偏斜(1)偏斜原因钻孔中遇有较大的孤石或探头石;在有倾斜的软硬地层交界处,岩面倾斜钻进;或者粒径大小悬殊的砂卵石层中钻进,钻头受力不均匀;扩孔较大处,钻头摆动偏向一方;钻机底座未安置水平或产生不均匀沉陷、位移;钻杆弯曲,接头不正。(2)预防和处理安装钻机时要使转盘、底座水平,起重滑轮缘、固定钻杆的卡孔和护筒中心三者应在一条竖直线上,并经常检查校正。由于主动钻杆较长,转动时上部摆动过大,必须在钻架上增设导向架,控制杆上的提引水龙头,使其沿导向架对中钻进。钻杆接头应逐个检查,及时调正,当主动钻杆弯曲时,要用千斤顶及时调直。3.掉钻落物(1)掉钻落物原因卡钻时强提强扭,操作不当,使钻杆或钢丝绳超负荷或疲劳断裂;钻杆接头不良或滑丝;电动机接线错误,钻机反向旋转,钻杆松脱;转向环、转向套等焊接处断开;操作不慎,落入扳手、撬棍等物。(2)预防措施及处理开钻前应清除孔内落物,零星铁件可用电磁铁吸取,较大落物和钻具也可用冲抓锥打捞,然后在护筒口加盖。经常检查钻具、钻杆、钢丝绳和连接装置。掉钻后应及时摸清情况,若钻锥被沉淀物或坍孔土石埋住,应首先清孔,使打捞工具能接触钻杆和钻锥。常见钻孔事故及处理方法4.糊钻和埋钻糊钻和埋钻常出现于正反循环回转钻进中,糊钻的特征是在细粒土层中钻进时进尺缓慢,甚至不进尺,出现憋泵现象。埋钻是没有根据地质、地下水情况调制泥浆,导致孔内塌孔,造成钻斗在孔内停留时间过长、沉渣过多把钻斗埋住,造成钻斗无法上提和转动。

预防和处理办法:对正反循环回转钻,可清除泥包,调节泥浆的相对密度和黏度,适当增大泵量和向孔内投入适量砂石解决泥包糊钻,选用刮板齿小、出浆口大的钻锥;严重糊钻,应停钻,清除钻渣。使用直筒钻体,性能与锥形没有差异,可有效降低埋钻可能性。5.扩孔和缩孔扩孔是孔壁坍塌而造成的结果,各种钻孔方法均可能发生。若因孔内局部发生坍塌而扩孔,钻孔仍能达到设计深度,则不必处理,只是混凝土灌注量大大增加,若因扩孔后继续坍塌影响钻进,应按坍孔事故处理。

缩孔原因有两种:一种是钻锥焊补不及时,严重磨耗的钻锥往往钻出较设计桩径稍小的孔;另一种是由于地层中有软塑土,俗称橡皮土,遇水膨胀后使孔径缩小,为防止缩孔,前者应即时修补磨耗的钻头,后者要使用失水率小的优质泥浆护壁快转慢进,并复转二三次,或使用卷扬机吊住钻捶上下、左右反复扫孔以扩大孔径,直到缩孔部位达到设计孔径为止。6.梅花孔（或十字孔）常发生在以冲击锥钻进时,冲成的孔不圆,出现梅花的形状,称为梅花孔或十字孔。(1)形成原因：锥顶转向装置失灵,以致冲锥不转动,总在一个方向上下冲击。泥浆相对密度和黏度过高,冲击转动阻力太大,钻头转动困难。操作时钢丝绳太松或冲程太小,冲锥刚提起又落下,钻头转动时间不充分或转动很小,改换不了冲击位置。有非匀质地层,如漂卵石层、堆积层等易出现探头石,造成局部孔壁凸进,成孔不圆。(2)预防办法：应经常检查转向装置的灵活性,及时修理或更换失灵的转向装置。选用适当黏度和相对密度的泥浆,并适时掏渣。用低冲程时,每冲击一段换用高一些冲程冲击,交替冲击修整孔形。出现梅花孔后,可用片、卵石混合黏土回填钻孔,重新冲击。常见钻孔事故及处理方法7.卡锥常发生在以冲击锥钻进时。(1)原因钻孔形成梅花形,冲锥被狭窄部位卡住;未及时焊补冲锥,钻孔直径逐渐变小,而焊补后的冲锥大了,又用高冲程猛击,极易发生卡锥,如图4-15(a)所示;伸入孔内不大的探头石未被打碎,卡住锥脚或锥顶,如图4-15(b)所示;孔口掉下石块或其他物件,卡住冲锥,如图4-15(c)所示;在黏土层中冲击冲程太高,泥浆太稠,以致冲锥被吸住;大绳松放太多,冲锥倾倒,顶住孔壁。(2)处理方法当为梅花卡钻时,若锥头向下有活动余地,可使钻头向下并转动直径较大方向提起钻头。也可松一下钢丝绳,使钻锥转动一个角度,有可能将钻锥提出。卡钻不宜强提以防坍孔、埋钻。宜用由下向上顶撞的办法,轻打卡点的石头,有时使钻头上下活动,也能脱离卡点或使掉入的石块落下。用较粗的钢丝