浅析机械旋挖桩的施工工艺及质量控制
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摘要：文章结合旋挖桩的工艺流程和成孔方式，介绍了几种不同地质情况下的施工技术方案，并阐述其质量控制和检验要点。在分析施工过程中易出现的事故原因后，提出了有较好操作性和针对性的应对方法，对工程运用具有较强的指导意义。
机械旋挖桩是机械钻（挖）孔灌注桩的一种，它采用旋挖（钻）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（有地下水时灌注水下混凝土）成为桩基础的一种工艺。由于它机械化程度高、振动小、噪音低，对附近居民的生活影响小，同时适用于人工不能开挖的地方（地下水位较高、有承压水的砂土层、滞水层、厚度较大的流塑状淤泥、淤泥质土层），具有工期短、成孔标准、造价低（比人工挖孔桩低20%-30%）等特点，在重庆地区桥梁、大型建(构)筑物的桩基工程中越来越多被采用。
一、旋挖桩的工艺流程、成孔方式及适用范围
旋挖桩的工艺流程：场地平整测量定位钻机就位制备泥浆埋置护筒钻进开挖清孔检查吊装骨架二次清孔灌注混凝土。成孔方式分为干成孔和泥浆护壁成孔。
干作业钻宜用于地下水位以上的粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、风化岩层。
泥浆护壁旋挖宜用于地下水位以下的粘性土、粉土、砂土、碎石土、风化岩层及填土。
二、几种不同地质情况的施工技术方案
旋挖机械钻孔桩施工的工艺基本与其他钻孔桩大同小异，但它的成孔方法与施工要求与却有很大的差异。同时，因机械自身重量达到90吨，车架桅杆超高，行走重心很艰难，故对场地和设备也有不同要求：在行走时桅杆必须倾斜到一定角度才能保证行走安全，如果一旦翻车就会造成大事故，可能危及到人员伤亡及周边的安全，所以对场地的平整、碾压很关键。设备进场的条件：道路必须宽大，因为要有大型的车辆将挖土机、吊车等设备运到施工现场。旋挖钻机施工时，应保证机械平稳、安全作业，必要时可在场内铺设能保证其安全行走和操作的钢板和垫层（路基板）。
1、干作业孔
干作业孔常见的现场条件有：①原始地貌；②回填地貌；③页岩、泥岩及沙岩。当遇到①-②情况时，成孔难度大，有可能遇到淤泥或泥沙，容易塌孔；回填地貌，如果碾压不到位，容易塌孔或埋钻具、钻杆；当遇到③情况时，成孔没难度，但必须注意清孔，清孔难度大，因为孔底干沉渣厚，一般采用两种清孔方式：一是加水2-3米进行清孔，二是用专用清孔器清孔。以上干成孔必须下浇注管到孔底上提30公分，套管的埋置深度保持3米以上。如回填土层太深，超过15-30米的地层钻孔桩的施工难度很大，随时可能埋钻具、钻杆，必须严格要求操作人员密切注意孔内的动向，如有塌孔、垮孔、卡钻具等情况，应立即回填，重复重压，用旋挖钻具反钻，稳定后再进行施工。如果经常遇到这种情况，仍用以上方法重复重压，方能达到施工质量成孔。
2、泥浆护壁
（1）泥浆护壁的几种技术方案：
如果开挖就遇泥土层，当然就不用另外配置泥浆，将水加满孔口，旋挖机自动搅拌20分钟左右。如发现泥浆浓度不够，可以再次将取出的土回填到孔内，继续搅拌，增加泥浆浓度。
如果地下水位很高或者孔口的高度差不多，这样的条件成孔难度大或无法成孔，施工方案有两种：一是降水；二是将孔口提高2-3米，用浓泥浆加至孔口，确保孔内的侧压力防止不塌孔，方能成孔，但要求一直保持浓泥浆至孔口。
遇流沙或比较稀释的淤泥必须采用泥浆护壁（6米深以下）。开孔2米就遇流沙或比较稀释的淤泥，就只有用钢护铜（4-6米）成孔。
如遇到少数的砂卵石或泥夹石、地下水又丰富且孔又深，开挖6米以下遇到这种情况，就采取泥浆护壁，将泥浆加满至孔口，成孔可能性大。如果开孔便是砂卵石或泥夹石就只有用4-6米的钢护铜采用同样的方法泥浆护壁成孔。
另外，如果是砂夹石，就只有用全钢护壁成孔。如果在施工中遇到遇到飘石大于孔径就采用合金钢齿钻具在飘石中间钻个洞成孔。遇到孔内只有一半边是大飘石，就用合金钢桶齿把它割断，用桶夹钻将飘石取出。
（2）泥浆的性能指标及检测
泥浆制备的粘土以水化快、造浆能力强、黏度大的膨润土或接近地表经过冻融的粘土为好，但应尽量就地取材。泥浆的性能指标主要有：相对密度、黏(粘)度、含砂率、静切力、胶体率、失水率、酸碱度等，规范要求清孔后测定的泥浆指标有三项：即相对密度、含砂率、黏度。
1）相对密度：相对密度增大时，在钻孔中对孔壁的侧压力也相应增大，孔壁也越趋稳定，悬浮携带钻渣的能力也越大。然而，相对密度过大的泥浆，其失水量亦加大，孔壁上的泥皮也增厚，这就增加了泥浆原材料的消耗，而且会给清孔和灌注混泥土造成困难。另外，泥浆相对密度的加大，意味着泥浆中固体颗粒含量加大，这就会对钻具产生较大的磨损，更重要的是降低了钻进速度，在正、反循环回转钻进中，泥浆相对密度过大，降低钻进速度更为敏感。相对密度的测定有两种方法：一种是用泥浆的相对密度计测定；另一种可用一口杯先称其质量设为m1，再装满清水称其质量为m2,再倒去清水，装满泥浆并擦去杯周溢出的泥浆，称其质量为m3，则ρx=(m3-m1)/(m2-m1)
2）黏(粘)度：黏度大的泥浆，产生的孔壁泥皮厚，对防止翻砂、阻隔渗漏有利，对悬浮携带钻渣的能力强，对正循环回转钻进有利。但黏度过大，则易“糊钻”，影响泥浆的正常工作，增加泥浆净化的困难，进而影响钻进速度。黏度过小，钻渣不易悬浮，泥皮薄，对防止翻砂、渗漏不利。黏度η用黏度计测定。其方法是用量杯量取200mL和500mL泥浆，通过滤网滤去大砂砾后，将泥浆700mL均注入漏斗，然后使泥浆从漏斗流出，流500mL量杯所需时间（s），即为所测泥浆的黏度。校正方法：漏斗中注入700mL清水，流出500mL，所需时间是15s，其偏差超过±1s，测量泥浆时应校正。
3）含砂率：泥浆含砂率大时，会降低黏度，增加沉淀，容易磨损泥浆泵和水管摇头、锥等工具；停钻时易造成埋钻、卡钻事故。含砂率用含砂率计测定。量测时，将调好的泥浆50mL倒进含砂率计，然后再倒进清水，使总体积为500mL，将仪器口塞紧摇动1min，使泥浆与水混合均匀。再将仪器垂直静放3min，仪器下端沉淀物的体积（由仪器刻度上读出）乘2就是含砂率（有一种大型的含砂率计，内装900mL的，从刻度读出的数不乘2即为含砂率）。在钻孔的顶、中、底部，分别取样检验，以其平均值为准。其质量允许偏差分别为：相对密度1.03-1.10；黏度17s-20s；含砂率
三、成孔检查及桩体施工
1、成孔检查
旋挖钻孔灌注桩在成孔过程中及终孔后以及灌注混凝土前，均需对钻孔进行阶段性的成孔质量检查。检查的项目有：孔位、孔径、孔深、垂直度、沉渣厚度。其中沉渣厚度大小不仅影响端阻力的发挥，而且也影响侧阻力的发挥。沉渣厚度的检测用沉淀盒或标准测锤、测绳量测，对端承型桩不应大于50mm，对摩擦型桩不应大于100mm。
2、钢筋笼制作与安装
由于施工现场一般采取后插钢筋笼，因此，在制安和吊装时应注意以下问题：①钢筋笼的实际尺寸比设计尺寸要小，因为它快速成孔，进尺快，孔径非常标准，混凝土原则上不超标，根据施工经验钢筋保护层厚度一般保持在7.5cm；②在绑扎钢筋笼时，注意保护层垫块、声波检测管的绑扎；③钢筋笼吊装时要始终保持竖直防止其变形，且不要碰撞孔壁，以免造成塌孔；④就位后对钢筋笼进行固定防止偏位。施工时应根据具体条件采取综合措施控制钢筋笼的垂直度和保护层有效厚度。
3、混凝土灌注质量控制
钢筋笼吊装就位后，安置导管，并应进行二次清孔。泥浆护壁成孔的根据规范要求要进行上述相对密度、黏度、含砂率的检测，合格后立即灌注混凝土。
灌注的混凝土必须具备良好的和易性，其强度不低于32.5Mpa，水下灌注混凝土宜掺外加剂，配合比应通过试验确定。坍落度宜为160-250，水泥用量不应少于360Kg/m³（当掺入粉煤灰是时水泥用量不少于300Kg/m³），含砂率宜为40%-50%，宜用中粗砂，粗骨料宜用卵石，其最大粒径应小于40mm。
导管底部至孔底的距离宜为300-500mm，首批混凝土浇注量应经计算确定，满足导管底端首次埋深0.8米以上。在浇注前及浇注过程中，应加强组织和协调，加快供料速度，尽量避免中间停顿，导管埋入混凝土的深度宜为2-6米。在浇注过程中，导管保持垂直居中，保证全断面混凝土整体均匀上升，以增强混凝土的顶托力和扩散半径。由于桩孔尺寸较大，混凝土面上升速度缓慢，浇注过程中应定时转动和上提导管，防止埋管，若转动和提管时间过晚，在泵送压力下导管口处水泥浆溢出，也容易造成管路堵塞。严禁在泵送混凝土前提拔导管或将导管提出混凝土灌注面，避免造成桩端处存在虚土或桩端混凝土离析、端阻力减小。提拔导管过程中应连续泵料，特别是在饱和砂土、饱和粉土层中不得停泵待料，以免造成混凝土离析、桩身缩径和断桩。
当混凝土面上升到钢筋骨架下端时，为防止钢筋笼被混凝土顶托上升，可采取以下措施：①尽量缩短混凝土总的灌注时间，防止顶层混凝土进入钢筋骨架时混凝土的流动性过小，建议使用缓凝剂、粉煤灰等增大其流动性；②当混凝土面接近和初进入钢筋骨架时，应使导管底口处于钢筋笼底口3米以下和1米以上处，并徐徐灌注混凝土，以减小混凝土从从导管底口出来后向上的冲击力；③当孔内混凝土进入钢筋骨架4-5米后，适当提升导管，减小导管埋置长度，以增加骨架在导管口以下的埋置深度，从而增加混凝土对钢筋骨架的握裹力。
当灌注接近结束时（灌注面至桩顶4米左右时），由于导管内混凝土柱高度减小，压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土稠度增加，相对密度增大，出现混凝土顶升困难，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土，使灌注顺利进行。在拔出最后一段导管时，拔管速度要慢，以保持混凝土有足够的顶托力，防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管下形成泥心。
为保证桩顶混凝土质量，在桩顶设计标高以上加灌一定高度（0.5-1米），可在灌注结束后，混凝土初凝前清除此段混凝土，但应保留10-20公分，以待随后修凿，接浇墩柱或承台。灌注混凝土时应指定专人记录灌注时间、混凝土面的深度、导管埋深、导管撤除以及发生异常现象等情况。
四、结语
机械旋挖灌注桩作为一种较好的成孔工艺，在施工之前，必须结合地勘报告编制针对性的专项施工方案，按规定程序审批。开挖顺序宜先外后内，跳桩开挖。总之，了解和掌握不同地质条件下的机械旋挖方法以及混凝土灌注的质量控制，就能减少事故，提高工效，保障旋挖灌注桩的质量。