旋挖钻机遇易塌砂卵石地层成孔成桩的简易方法与流程

本发明涉及一种旋挖钻机遇易塌砂卵石地层成孔成桩的简易方法，属于建筑地基基础施工中的成桩，可用于护坡桩、抗压桩、抗拔抗浮桩等的施工。

背景技术：

目前国内外遇到易塌砂卵石地层成孔成桩通常选用的工艺方法有：(1)正、反循环钻机施工：施工工艺是通过泥浆循环，来钻进成孔、排渣、护壁，这两种方式排渣砂石粒径较小，该项目钻孔时间长、成桩后清孔时间长，同时深水泵易被泥石堵塞损坏，其时效性差。泥浆池需及时清掏外运排放，造成环境二次污染。遇到卵石层中的卵石直径d≥18cm，卵石含量50-70%，以及卵石d≥20cm、含量70-80%，这种工艺是无法将如此大的粒径通过泥浆排渣排出孔外的，所以该工艺不可行。(2)乌卡斯冲击钻机施工：乌卡斯冲击钻是采用重力作用钻进成孔，钻机施工噪音大，环保降噪音难达标，同时在砂卵石中钻机会频繁抖动，附近地层结构会受到扰动，而且效率很低，不到旋挖钻机的四分之一。考虑这些因素，所以不能选用该工艺方法。(3)人工挖孔施工：因砂卵石层结构松散，若采用人工挖孔可能会坍塌，尤其孔深超过16m时，更被列为危险性较大分项工程，施工安全无法保证，不应采用该冒险的工艺方法。(4)旋挖钻机施工：旋挖钻机是近些年来研发的新设备，具有钻孔速度快、施工噪音低、环境污染小等特点，适合大部分地层施工，钻机采用液压系统，能较好的控制桩身的孔位、垂直度等，可优先采用该施工工艺方法。(5)全护筒跟进旋挖施工：该工艺是全程套筒跟进的旋挖钻施工，是针对大粒径卵石层及复杂地层中护壁难而研发的新工艺，此工艺可有效解决缩颈、塌孔等桩身质量缺陷，但施工要求精度高、配套设备多、施工成本高，暂不考虑选择该种昂贵的工艺方法。

旋挖钻机施工工艺的比选：在易塌厚砂卵石地层选择合理的旋挖成孔施工工艺，常用的工艺方法包括：（1）无循环泥浆护壁成孔，用无循环稳定浆液保持孔壁稳定的一种成孔施工工艺。（2）套筒护壁成孔，利用套管保持孔壁稳定的一种成孔施工工艺，即上述文中提到的全护筒跟进旋挖施工工艺。（3）干作业成孔，无需采用护壁措施直接用旋挖钻机取土成孔施工工艺。

试验桩的成孔施工：在施工现场究竟选用哪种工艺进行钻孔作业，同时因造价成本、工期的因素暂不考虑选用全护筒跟进的施工工艺，为确保达到设计的桩孔径、深度、垂直度等要求，在现场进行试验桩的施工，该工程采用的中国南车公司制造的tr200d旋挖钻机，设备最大扭矩200kn.m，发动机功率187kw，钻径最大1800mm，钻深最大60m。干作业成孔试桩，在工地现场先进行旋挖干作业试验桩3根，施工时出现钻杆抖动大，卡钻、磨齿等现象，在挖至3~5m提钻排筒内渣土时，孔内出现塌孔及缩径现象，无法满足设计要求，停机提钻回填桩孔，该项单一的干作业成孔试桩不成功。无循环泥浆护壁成孔试桩，在工地现场试桩附近开挖一泥浆池，池底、池壁做好防水层处理，调配泥浆液为膨润土：火碱=2000:25（质量比），泥浆比重控制在1.1～1.15，胶体率不低于95%；含砂率不大于4%。旋挖开钻施工后，泥浆注入孔内，尚未达到孔口有稳定液时，泥浆已在砂石层内渗透外流造成流失严重，故无法采用该工艺做法。

以上各种工艺方法看来无法满足施工要求，应该可以发明出能实施也更经济更有效率的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种旋挖钻机遇易塌砂卵石地层成孔成桩的简易方法，以解决现有技术存在的上述问题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：1、一种旋挖钻机遇易塌砂卵石地层成孔成桩的简易方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）埋设孔口护筒：在桩位埋设孔口护筒；

（2）钻孔：在所述的护筒内钻孔，以孔壁不塌为原则确定单次钻孔深度；所述的孔口护筒的长度等于或接近于单次钻孔深度；

（3）在桩孔内继续钻进单次钻孔的深度；

（4）在桩孔内形成护壁层：将调拌好的混合泥料倒入单次钻孔的桩孔内，用旋挖钻机斗旋转将混合泥料挤压进入孔壁的砂卵石间隙，将砂卵石粘结在一起，在孔壁内形成一个有黏度的泥料混合护壁层，起到护壁作用；

（5）重复步骤（3）-（4），直至完成整个桩孔，提出钻具；

（6）将钢筋笼吊入桩孔，并居中固定；

（7）将串筒徐徐下入桩孔内，距离孔底1m；

（8）灌注混凝土，凝固后起拔孔口护筒。

所述的混合泥料由黏土和膨润土以重量比例10：1混合而成，如果黏土本身含水率高，就不用洒水，可以直接调配拌合，如果黏土含水率低，就洒水调拌使含水率达到20~30%，比最优含水率略高，手攥湿乎乎的感觉；同时也达到降尘的目的。

所述的单次钻孔深度为2m；所述的孔口护筒的长度为2m，保证护筒底端坐在原状土层。

所述孔口护筒的埋设固定方法：孔口护筒固定在桩孔位置后，在其周围用粘土分层回填夯实，以保证其垂直度及防止护筒位移；如果孔口护筒底土层不是粘性土，应挖深或换土，在坑底回填夯实200～300mm厚度的粘土后，再安放孔口护筒，以免护筒底口处渗漏塌方；在该孔口护筒上口外侧应绑扎木方或钢管对称设置吊紧，防止下窜。

所述的步骤（8）中，混凝土浇筑前必须检查坍落度和易性并记录；混凝土运到灌注点不能产生离析现象；灌注混凝土前孔口要盖严，防止异物落入孔内；混凝土灌注过程中，始终保持串筒位置居中；混凝土灌注至桩顶后必须多灌0.5m，以保证凿去浮浆后桩顶混凝土的强度。

必要时，在灌注桩头部位混凝土时进行振捣；当桩顶标高偏低时，砼灌不到地面，砼初凝后，用土回填钻孔，避免人或设备等掉入孔内。

采用该方法的有益效果是：在地下水位相对较低的砂卵石层中，钻孔中回填混合泥料的工法，因泥料的塑性、延展性较好，能通过钻头旋转挤压将泥料嵌入桩孔壁的砂卵石缝隙中，形成密实的泥皮支护体系，而这种方法省去了泥浆池的设置，减少了排浆液，同时桩身砼也不用水下导管灌注工艺，极大的缩短灌注砼时间，也明显提高了砼的质量，经济效益综合指标明显优于无循环泥浆护壁、全套管跟进成孔，更优于正反循环和冲击钻工法。

附图说明

图1是本发明的工艺流程。

具体实施方式

参见图1，本发明的基本工艺流程如图1所示，以下结合具体实施例对本发明工艺流程进行细述：

1、测量放线定桩位，首先在平整场地上测量放线定桩位，在桩位两端增加“保护桩”，两端用测量仪器做好定位桩，防止桩位出现偏差时随时复核；定桩位通常是用钢钎或打孔器在地上打一深孔，灌入白石灰粉，在桩位处插上木棍或钢筋棍等明显标志。必要时，将该控制线投射到远处墙壁上，随时复核用。

2、黏土膨润土混合泥料调配，利用现场已购买的膨润土及附近拉来的黏土，按1：10比例进行调配，如果黏土本身含水率高，就不用洒水了，可以直接调配拌合，如果黏土含水率低，就洒水调拌使含水率达到20~30%，比最优含水率略高，手攥湿乎乎的感觉；同时也达到降尘的目的。

3、孔口护筒埋设固定，钻孔前在测定的桩位，准确埋设护筒，护筒长度至少1.0m，最好达到2.0m，保证护筒底端坐在原状土层。准确固定钻孔位置，隔离地面积水，稳定孔口土体和保护孔壁不塌，以利钻孔工作进行。孔口护筒采用钢护筒，护筒内径大于下一级钻头直径200mm，护筒顶标高应高于施工面10-20cm，并确保筒壁与水平面垂直。护筒定位时应先对桩位进行复核，然后以桩位为中心，定出相互垂直的十字控制桩线，并作十字栓点控制，挖护筒孔位，吊放入护筒，护筒周围孔隙填入粘土并夯实，同时用十字线效正护筒中心及桩位中心，使之重合一致，并保证其护筒中心位置与桩中心偏差小于2cm。埋设护筒时，护筒中心轴线对正测定的桩位中心，严格保持护筒的垂直度。护筒固定在正确位置后，用粘土分层回填夯实，以保证其垂直度及防止泥浆流失及护筒位移。如果护筒底土层不是粘性土,应挖深或换土,在坑底回填夯实200～300mm厚度的粘土后,再安放护筒,以免护筒底口处渗漏塌方。护筒上口应绑扎木方或钢管对称吊紧，防止下窜。

4、钻进成孔，经试验一次钻进2m深可不塌，用铲车将调拌好的混合泥料填入孔内，填至护筒下端上一点，用旋挖钻机斗旋转挤压进孔壁，形成一个人造的有黏度的泥料皮，起到护壁效果。再进行下一段2m钻进，再提出钻具，再填入混合泥料，再用旋挖钻机斗旋转挤压进孔壁，形成第二段人造护壁；循环进行，直到孔底，提出钻具。

5、钢筋笼制作，平整钢筋笼加工场地。钢筋进场后保留标牌，按规格分别堆放整齐，防止污染和锈蚀。

根据设计，计算箍筋用料长度、主筋分布段长度，将所需钢筋调直后用切割机成批切好备用。由于切断待焊的主筋、箍筋、绕筋的规格尺寸不尽相同，注意分别摆放，防止错用。桩身钢筋笼竖向钢筋的接头采用机械连接或焊接。焊接长度单边10d，双边长度5d（d为钢筋直径）。焊接接头位置须相互错开，接头率≤50%，错开距离>35d（d为钢筋直径）且不应小于500mm。

在钢筋圈制作台上制作箍筋并按要求焊接。将支撑架按2m的间距摆放在同一水平面上对准中心线，然后将配好定长的主筋平直摆放在焊接支撑架上。将箍筋按设计要求套入主筋（也可将主筋套入箍筋内）并保持与主筋垂直，进行点焊或绑扎。箍筋与主筋焊好或绑扎后，将绕筋按规定间距绕于其上，用绑扎丝绑扎并间隔点焊固定。

分段制作的钢筋笼，搬运时应采取适当措施，防止扭转、弯曲。

根据现场实际情况，钢筋笼成型后根据规范要求进行自检、隐检和交接检，内容包括钢筋（外观、品种、型号、规格）、焊缝（长度、宽度、厚度、咬口、表面平整等）、钢筋笼允许偏差（主筋间距、加劲筋间距、钢筋笼直径和长度等），并作好记录。合格后方可吊装。

检验合格后的钢筋笼应按规格编号分层平放在平整的地面上，防止变形。

6、钢筋笼及串筒吊放，起吊钢筋笼采用扁担起吊法，起吊点设在钢筋笼箍筋与主筋连接处，且吊点对称并一次性起吊。

钢筋笼设置合理的起吊点，以保证钢筋笼在起吊时不变形。吊放钢筋笼入孔适应对准孔位，保持垂直，轻放、慢放入孔。若遇阻碍应停止下放，查明原因进行处理，严禁高提猛落和强制下入。现场测护筒顶标高，准确计算吊筋长度，以控制钢筋笼的桩顶标高及钢筋笼上浮等问题。

钢筋笼吊装选用合适吨位的吊车用4-6个起吊点，以保证钢筋笼在起吊时不变形。钢筋笼下放前，应先安装钢筋保护层的垫块，以确保混凝土保护层厚度。钢筋笼安装到位后，用水平仪测量护筒顶高程，确保钢筋笼顶端到达设计标高，随后立即固定。使用φ14或φ16吊筋控制钢筋笼的桩顶标高。

在钢筋笼吊放到位并居中国定后，方可起吊串筒，并固定，上部组装漏斗。

7、灌注混凝土成桩，混凝土浇筑前必须检查坍落度、和易性并记录。混凝土运到灌注点不能产生离析现象。灌注混凝土前孔口要盖严，防止异物落入孔内。

混凝土灌注过程中，始终保持串筒位置居中，提升串筒时应有专人指挥，灌注至桩顶后必须多灌0.5m，以保证凿去浮浆后桩顶混凝土的强度。必要时桩头部位振捣。

在灌注砼时，每班组应制作不少于1组砼试件。

钢护筒在灌注结束，砼初凝前拔出，起吊护筒时要保持其垂直性。

当桩顶标高偏低时，砼灌不到地面，砼初凝后，用土回填钻孔，避免人或设备等掉入孔内。

工程实施案例

1、工程概况

1.1基坑支护设计

1.1.1基坑支护设计简述

某科学实验楼项目位于北京北部地区，该场地位于白河一级阶地之上，自然地面标高为58.79—60.26m，该建筑结构底板标高-10.60m，±0.00为61.85m。基坑采用桩锚支护体系，护坡桩ф800mm，桩长11.4m~12.0m桩间距1.5m，桩身及冠梁混凝土强度为c25，竖向设置2道预应力锚杆。

1.1.2专家论证简述

该工程基坑开挖深度超过5米，按照住建委的《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》要求，于2020年3月27日组织了基坑支护、土方开挖工程安全专项方案专家论证会，针对该工程的地质岩土情况、基坑深度及周边建设情况，详细论证设计方案的安全性及施工中应注意密切配合事项。

1.2地层土质概述

根据该项目的岩土工程详细勘察报告（2018年10月），统计岩土土层情况如下：

本次岩土工程勘察的勘探深度范围内（最深35.0m）的地层，按成因类型、沉积年代可划分为现代人工堆积层、新近代沉积层及第四纪沉积层三大类，并按其岩性及工程特性进一步划分为6个大层，现分述如下：

现代人工堆积层：

拟建场地表层为0.30～1.20m厚的人工堆积层。

黏质粉土、砂质粉土填土①层：褐黄色，稍密，稍湿，云母，氧化铁，含大量植物根系，局部含卵石。

粉细砂填土①1层：褐黄色，稍湿，稍密，长石、石英为主，含少量砖渣、灰渣、圆砾。

卵石填土①2层：杂色，稍湿，松散，表层为少量耕土，d一般=3-6cm，d大=12cm，圆状，级配中等，中细砂及粉土充填，局部含少量建筑垃圾。

人工堆积层以下为新近沉积层：

标高58.16～59.74m以下：

卵石②层：杂色，稍密，稍湿，d一般=4-8cm，d大=15cm，含量60-70%，亚圆状，级配较好，中细砂为主充填，夹细砂薄层。

细中砂②1层：灰白色，稍湿，稍密，长石、石英为主，含云母片。

砂质粉土—黏质粉土②2层：褐黄色，密实，湿，云母、氧化铁。

新近代层以下为第四纪沉积层：

标高53.14～54.58m以下：

卵石③层：杂色，中密，稍湿，d一般=5-8cm，d大=18cm，含量50-70%，圆状，级配较好，中粗砂为主充填；

中细砂③1层：灰白色，稍湿，中密，长石、石英为主，含云母片。

标高47.14～48.43m以下：

卵石④层：杂色，密实，稍湿，d一般=5-8cm，d大=20cm，含量70-80%，圆状，级配较好，中粗砂为主充填。

粉质黏土、重粉质黏土④1层：褐黄色，很湿，可塑~硬塑，云母、氧化铁。

标高38.99～40.85m以下：

卵石⑤层：杂色，密实，湿，d一般=6-10cm，d大=20cm，含量70-80%，圆状，级配较好，中粗砂为主充填。

粗砂⑤1层:灰白色，密实，湿，长石、石英为主，含云母片。

标高30.79～32.25m以下：

卵石⑥层：杂色，密实，湿，d一般=6-12cm，d大=20cm，含量70-80%，圆状，级配较好，中粗砂为主充填。

1.3场地水文地质条件

该工程勘察期间，在深度35.00m范围内，未见地下水。近3～5年最高水位标高约38.0米（埋深22.0米左右），而该工程基坑深度最深处为11.80m，坑底最低标高为50.35m，远远高于地下水位。

2、施工方案的选择

根据地质条件和工程要求，在确保工期、经济造价的情况下，选择合理的施工方案，并对各种方案可实施操作性论证如下：

2.1正反循环钻机施工

正反循环钻机施工桩孔的施工工艺是通过泥浆循环，来钻进成孔、排渣、护壁，这两种方式排渣砂石粒径较小，该项目钻孔时间长、成桩后清孔时间长，同时深水泵易被泥石堵塞损坏，其时效性差。泥浆池需及时清掏外运排放，造成环境二次污染。该项目地层在卵石③层的粒径（标高53.14~54.58m、d大=18cm、含量50-70%）、,卵石④层的粒径（标高47.14~48.43m、d大=20cm、含量70-80%），这种工艺是无法将如此大的粒径通过泥浆排渣出孔外的，所以不能选用该工艺方法。

2.2乌卡斯冲击钻机施工

乌卡斯冲击钻是采用重力作用钻进成孔，钻机施工噪音大，环保降噪音难达标，同时在砂卵石中钻机会频繁抖动，附近地层结构会受到扰动，考虑这些因素，所以不能选用该工艺方法。

2.3人工挖孔施工

因砂卵石层结构松散，若采用人工挖孔可能会坍塌，施工安全无法保证，不应采用该工艺方法。

2.4旋挖钻机施工

旋挖钻机是近些年来研发的新设备，具有钻孔速度快、施工噪音低、环境污染小等特点，适合大部分地层施工，钻机采用液压系统，较好的能控制桩身的孔位、垂直度等质量要求，可优选采用该施工方案。

2.5全护筒跟进旋挖施工

该工艺是全程套筒跟进的旋挖钻施工，是针对大粒径卵石层及复杂地层中护壁难而研发的新工艺，此工艺可有效解决缩颈、塌孔等桩身质量缺陷，但施工要求精度高、配套设备多、经济造价高，暂不考虑选择该工艺方法。

3、施工工艺的选择

3.1施工工艺的比选

在厚砂卵石层及护坡桩的工程要求，选择合理的旋挖成孔施工工艺，常用的工艺方法包括：

3.1.1无循环泥浆护壁成孔

用无循环稳定浆液保持孔壁稳定的一种成孔施工工艺。

3.1.2套筒护壁成孔

利用套管保持孔壁稳定的一种成孔施工工艺，既上述文中提到的全护筒跟进旋挖施工工艺。

3.1.3干作业成孔

无需采用护壁措施直接用旋挖钻机取土成孔施工工艺。

3.2试验桩的成孔施工

在施工现场究竟选用哪种工艺进行钻孔作业，同时因造价成本、工期的因素暂不考虑选用全护筒跟进的施工工艺，为确保达到设计的桩孔径、深度、垂直度等要求，于2020年4月24日展开试验桩的施工.

3.2.1钻机设备的主要参数

该工程采用的为中国南车公司制造的tr200d旋挖钻机，设备最大扭矩200kn.m，发动机功率187kw，钻径最大1800mm，钻深最大60m。

3.2.2干作业成孔试桩

在工地现场先进行旋挖干作业试验桩（3根）施工时，出现钻杆抖动较大，卡钻、磨齿现象，在挖至3~5m提钻排筒内渣土时，孔内出现塌孔及缩径现象，无法满足设计要求，停机提钻回填桩孔，该项单一的干作业成孔试桩不成功。

3.2.3无循环泥浆护壁成孔试桩

在工地现场试桩附近开挖一泥浆池，池底、池壁做好防水层处理，调配泥浆液为膨润土：火碱=2000:25（质量比kg），泥浆比重控制在1.1～1.15，胶体率不低于95%；含砂率不大于4%。旋挖开钻施工后，泥浆注入孔内，尚未达到孔口有稳定液时，泥浆已在砂石层内渗透外流造成流失严重，故无法采用该工艺做法。

3.2.4干作业加混合泥料护壁成孔试桩

针对现场地层中卵石有较大粒径（d大=20cm、含量70-80%），经现场技术、机组人员根据实际情况，将筒钻头侧壁用气焊切割扩大排渣入口，钻机对位校正机身，用低回转速钻入进尺，在每钻入2m后，提钻杆让出孔位，推土机械配合回填黏土与膨润土混合料入桩孔内，其比值为黏土：膨润土=10:1（体积比），含水率控制在20~30%，钻机再重新就位钻进，将混合料挤压至桩孔壁，形成有黏度的泥料皮，起到护壁效果，重复操作该方法，直至钻至设计标高。

在该砂卵石层且地下水位较低的特定土层中，旋挖深度18米、直径ф800mm的桩所耗时约2小时40分钟，若为黏土层旋挖同深度的桩约为30分钟，若为正反循环钻机施工约为4~5小时。

成孔后光照孔壁光滑无塌孔、缩径等现象，吊装钢筋笼、下放串筒，在一小时内完成混凝土浇筑。试验2根18米的桩长后，灌注桩长16.5米，灌注砼用量9m2,充盈系数计算（一根桩实际灌注砼方量与按桩外径计算的理论方量之比）：s=v实/v理=v实/π•（r/2）2•h=9/3.14×0.42×16.5=1.09>1.0（3-1）

充盈系数是判定成桩质量的一个依据，若充盈系数小于1，则说明桩实际灌入砼量小于理论计算量，说明桩身质量存在一定的缺陷，可间接判定为不合格。该工程试桩的充盈系数1.09大于1.0说明桩身长度满足、未出现缩颈等现象，且充盈系数值不过大（一般不大于1.3），说明桩身成形规则、未出现塌孔等现象，满足设计及规范要求。

4、可操作性的施工工艺流程

现场试验桩均能满足设计和工程条件要求，确定试桩成功，针对该项目的旋挖钻机工艺流程如前图1所示。

2020年5月1日正式展开施工，2020年5月19日完成护坡桩14根/18m、47根/13.5m、8根/12.7m、9根/12.3m和26根/14.3m科学试验钢管桩。

5、护坡桩的检测成果

5.1检测方法

采用低应变桩身完整性检测应用反射波法，检测桩数不宜小于总桩数的20%，该方法属于弹性波的应用范畴，当在桩顶施加一瞬时冲击力时，产生的弹性波沿桩身向下传播，在其传播过程中遇到桩底界面或桩间界面（即桩径的变化、桩身介质不均匀、断裂等），产生弹性波的反射，沿桩身向上传播。因此，在桩顶安置检波器，连接记录仪器，就可以记录下弹性波的传播情况及旅行时间。由于弹性波在桩身中的传播与桩身的物理性质密切相关，因此，根据反射波的旅行时间，结合弹性波的动力学特点，可以分析桩身完整性，计算桩身缺陷所在的位置。

5.2检测成果

检测试验应在冠梁施工前且混凝土强度达到设计强度的50%后进行。2020年6月11日检测机构现场对18根桩进行低应变桩身完整性检测，经测试桩身完整，均为ⅰ类桩。

6、护坡桩的观感质量

2020年6月13日基坑护坡桩冠梁施工完毕后，待砼强度达到70%时进行土方开挖，现场测量桩间距及桩径尺寸符合设计要求。外露桩身泥皮厚度测量100~150mm之间。

开挖外露出有个别桩身局部出现外胀混凝土如同树榴结痂，针对出现的质量缺陷查找原因分析不足之处。原因一可能为局部桩钻孔未很好的形成泥料护壁层而造成塌孔，原因二可能因成孔后未及时浇筑砼，耽搁时间较长，护壁的泥料皮失水分造成脱落也塌孔。原因三可能因为每次钻进深度过大超过2米，回填泥料未能全部密实填满桩孔内，再次钻进后削切入卵石层内的泥料皮厚度较薄，无法支撑孔壁而形成局部小塌孔现象。

针对桩身外鼓胀砼部位，用小型机械进行剔凿并确保不露筋，桩径尺寸保证在正偏差之内。

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