CFG长螺旋钻施工工法.doc

CFG桩长螺旋钻施工工法
袁海波
（中交一航局第四工程有限公司第八项目部）
1．前言
CFG桩是由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，采用长螺旋钻孔，用水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂浆混合料加水搅拌制成并进行管内泵压混合料灌注形成的可变强度桩。CFG桩是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。通常在基础和桩顶之间设置一定厚度的褥垫层，使桩土共同承担荷载形成复合地基。故可根据复合地基性状和计算进行工程设计。CFG桩一般不用配筋，并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料，进一步降低了工程造价。
2．工法的特点
本工法之主要特点是与灌注桩、高压旋喷桩、振动沉管CFG桩等同类地基基础相比较具有造价低廉、施工速度快的特点，同时施工时噪声低，无泥浆污染等建筑污染，具有环保、廉价、快捷的特点，同时根据工程地基处理要求不同，可以选择灌注不同填料，从而增大了该工法的适用范围。
3．适用范围
本工法适用性广泛，主要适用于黏性土、粉土、砂土和靠自重固结的素填土等地基的加固处理，对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。
4．工艺原理
长螺旋CFG桩工法施工是利用螺旋钻杆通过旋转将地基土体旋挖传导至地面，从而成孔。同时为防止缩颈、塌孔等施工质量缺陷，在钻杆上提过程中，水泥粉煤灰碎石混合料采用压力泵通过空心螺旋钻杆泵送至桩孔中从而达到成桩效果。本工法施工钻杆上提过程中，引进灌注桩水下灌注砼的原理，使出料口钻头始终保持在混合料液面以下一定高度，从而防止了夹层断桩等缺陷，同时由于砼通过泵送压入孔中，防止了缩颈等。

5．施工工艺流程及操作要点
5.1 CFG桩施工工艺流程
施工准备

桩机就位

位
长螺旋钻进到设计标高

泵料注满芯管

转移桩机

测量放线

停钻

边泵料边拔芯管

成桩28天后检测

工艺试验

安装桩机

位
混合料搅拌

计量投料

配合比确定

材料试验

制作试件

桩帽施工

清土、截除保护桩

CFG桩施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
5.2.1.1技术准备
（1）凡参加施工的操作人员必须参加技术培训，经考核合格后持证上岗。（2）熟悉施工图纸。
（3）做好技术交底。
5.2.1.2 场地等其它准备
（1）技术人员根据设计图放出每根CFG 桩的具体位置，并用竹桩标记，或撒石灰画圈。因CFG桩灌注完成后要截除保护桩头约50cm，故应对地面进行抄平，计算出每桩钻进深度。对施工人员进行技术交底，包括桩位、钻进深度、施工顺序和施工注意事项等。
（2）技术人员按照设计要求在CFG桩施工前做好地质核对工作，地质核对工作采用先导孔法，利用长螺旋提出的芯样核对每个地层，同时要注意是否有软弱层。若勘探出的持力层标高和设计上相差超过1m或其他异常情况时，将相关资料报设计进行核查处理。
（3） 根据设计桩长情况，进场相应匹配的长螺旋钻机。施工前应进行工艺性试验，数量不小于4根，以确定设备、工艺、施工顺序，确定材料选择、混合料配合比、坍落度、搅拌时间、拔管速度等各项工艺参数，并报现场监理审查签认后作为施工依据。进场的长螺旋钻机根据设计情况如下表选配。
表1 长螺旋钻机规格与技术性能表
动力头型号
钻孔深度（m）
动力头（kW）
最大纽距（kN·m）
钻孔直径（mm）
GLZ—22
22
45×2
33
400~800
GLZ—26
26
55×2
44
400~800
GLZ—30
30
55×2
44
400~800
GLZ—30A
30
75×2
60
400~800
ZKL8000BB
16
37×2
30.716
800
SZKL600BB
13
45×2

600
5.2.2 钻机就位
移动钻机至设计桩位，利用桩机塔身前后和左右垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心。钻杆的垂直度可以利用在钻进井架上竖向线坠或经纬仪进行调整控制，垂直度偏差不应大于1%，桩位偏差不大于5cm。
5.2.3 钻进至设计标高
钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头接触至地面时，启动电机钻入，钻进时应先慢后快。在遇到较硬土层，钻杆出现摇晃，进尺困难时，应放慢速度，直至钻至设计标高。钻杆上应作好钻进长度标记，记录钻进深度。整个钻进过程中应注意保持钻机稳定，避免倾斜和错位。同时边钻进边清理桩位周边的土。钻到硬质基底的判定标准：
（1）钻进电流表达到试验桩取得的到达硬底的试验值；
（2）钻进钻杆摇晃厉害，进尺缓慢；
（3）通过对钻杆取出的芯样进行判别；
5.2.4 混合料拌和、灌注
施工时应严格按照试验室批准的配合比进行施工。CFG 桩要求使用集中拌合站集中供料，砼罐车运送至现场。混合料搅拌时的上料顺序为先装碎石，再加水泥、 粉煤灰，最后加中粗砂，搅拌均匀。每盘料搅拌时间不小于60 秒，混合料塌落度控制在160-180mm，每台班制作检查试件，进行28天标准立方体抗压强度检测，强度值须满足设计要求。
混合料采用泵送。通过试桩确定每冲程的泵送量，混合料的泵送量应结合试桩确定的数量计算确定，泵送应连续进行不得停泵待料。
当钻杆芯管充满混合料后开始拔管（钻杆芯管充满通过试桩时泵送冲程次数确定），严禁先提管后泵料。钻杆应静止提拔，提拔速度一般应控制在2.0-3.0m/min，施工中应严格按工艺试验确定并经批准的参数控制拔管速度和混合料泵送量，并保证连续提拔，连续供料。
5.2.5清土、截除保护桩
钻杆钻进取出芯土在砼强度达到设计强度后用小型挖机装到施工范围外，再装运清走，避免扰动桩间土，同时控制开挖深度，不得超挖。桩头周边土方采用人工开挖，严禁超挖，保护桩头部分截除采用截桩机切割，严禁使用挖机挖除。
5.2.6质量检测
当钻杆拔出地面，确认成桩符合设计要求后用麻袋覆盖，然后移机继续下一根桩施工。施工过程中，应密切关注地面隆起及桩顶浮浆情况，防止挤压造成断桩。
全段施工完成，静置28天后，按照设计要求对桩身完整性、桩体强度、单桩和复合地基承载力等进行试验。
5.2.7桩帽施工
如设计有桩帽，按设计位置进行测量放样，并用石灰标识每个桩帽四周位置，并对每个桩帽开挖高度进行技术交底。开挖出桩帽位置的土方，凿除桩头部分至设计标高，同时对基底密实情况、开挖深度、宽度等指标进行验收，合格后才能现场浇筑桩帽砼；桩帽土开挖完后要及时浇筑，如不能及时浇筑砼，应采取用采条布覆盖等保护措施，避免受雨水浸泡；桩帽浇筑完后及时用湿麻袋覆盖养护。
6．材料与设备
6.1材料选择
6.1.1水泥
（1） 根据工程特点、所处环境以及设计、施工要求，选用强度等级为32.5以上的水泥。
（2） 施工前，对选用的水泥应作初终凝时间、安定性和强度，作为生产控制和进行配合比设计的依据。必要时，应检验水泥的其他性能。
（3） 水泥应按规定堆放在防雨、防潮的水泥库内。如因储存不当引起质量明显下降或水泥出厂超过三个月时，应在使用前对其质量进行复验，并按复验结果使用。
6.1.2褥垫层材料
褥垫层材料宜用中砂、粗砂、碎石或级配砂石等。最大粒径不宜大于30mm。不宜选用卵石，卵石咬合力差，施工扰动容易使褥垫层厚度不均匀。
6.1.3 碎石
碎石粒径20～50mm，松散密度1.39t/m3，杂质含量小于5%。
6.1.4石屑
粒径2.5～10mm，松散密度1.47 t/m3，杂质含量小于5%。
6.1.5粉煤灰
粉煤灰应选用Ⅲ级或Ⅲ级以上等级的粉煤灰。
6.2主要机具
主要机具有螺旋钻机、强制式混凝土搅拌机、翻斗运输车、装载机、混凝土输送泵、经纬仪、水准仪、钢尺等。
7．质量控制
7.1主控项目
序号
检验项目
合格标准
施工单位检验数量
检验方法
1
水泥和粗细骨料品种、规格及质量
满足设计要求
每批抽样检验1组
质量证明文件及抽样试验
2
混合料坍落度
符合工艺试验确定
每台班抽样检验3次
现场坍落度
试验
3
混合料强度
符合设计要求
每台班做1组试件
28d标准养护抗压强度试验
4
施工数量、布桩
形式
满足设计要求
全部检验
观察、现场
尺量
5
每根桩的投料量
不少于设计灌注量
每根桩
现场计量
6
桩的有效长度
满足设计要求
每根桩
测量钻杆或沉管长度
7
桩身质量、完整性
满足设计要求
总数的10%
低应变检测
8
单桩和复合地基承载力
满足设计要求
总数的2‰，且每检验批不少于3根
平板荷载试验
9
压缩模量、变形模量
满足设计要求
同单桩和复合地基承载力
平板荷载试验
7.2一般项目
序号
检验项目
合格偏差
施工单位检验数量
检验方法
1
桩位（纵横向）
50mm
成桩总数的10%抽样检验，且每检验批
不少于5根
经纬仪或钢尺
2
桩身垂直度
1%
经纬仪或吊线
3
桩体有效直径
不小于设计值
开挖50-100cm后，钢尺丈量
7.3质量控制要点
（1）混合料必须严格按照配合比拌和，试验人员要经常对混合料进行检查，并做好现场试件。
（2） 严把材料采购、进场、使用检验关，对不合格的材料一律禁止使用。
（3） 技术人员要加强对拔管速度、灌注连续性、灌注量控制、桩长控制、拔管与泵料顺序、桩身和桩间土保护（截桩和清土时）的检查，对不符合设计和规范要求的一律要求整改，并对整改结果进行复查。
（4） CFG 桩施工时，施工员要全程跟班监督。
7.4成桩常见问题
7.4.1 堵管
（1)混合料配合比不合理。当混合料中的细骨料和粉煤灰用量较少时,混合料和易性不好,常发生堵管。因此,要注意混合料的配合比,尤其要注意将粉煤灰掺量控制在70kg/m3～90kg/m3的范围内,坍落度应控制在160mm～200mm之间。
（2)混合料搅拌质量有缺陷。在CFG桩施工中,混合料由混凝土泵通过刚性管、高强柔性管、弯头最后到达钻杆芯管内。混合料在管线内借助水和水泥砂浆润滑层与管壁分离后通过管线。坍落度太大的混合料,易产生泌水、离析,泵压作用下,骨料与砂浆分离,摩擦力加剧,导致堵管。坍落度太小,混合料在输送管路内流动性差,也容易造成堵管。
(3)施工操作不当。钻孔进入土层设计标高后,开始泵送混合料,管内空气从排气阀排出,待钻杆芯管及输送软、硬管内混合料连续时开始提钻。若提钻时间较晚,在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出,容易造成管路堵塞。
(4)冬期施工措施不当。冬期施工时,混合料输送管及弯头均需做防冻保护,防冻措施不力,常常造成输送管或弯头处混合料的冻结,造成堵管。冬季施工时,必要时应采用加热水的办法提高混合料的出机温度,但要控制好水的温度,水温不宜超过60℃,否则会造成混合料的早凝,产生堵管,影响混合料的强度。
(5)设备缺陷。弯头曲率半径不合理也能造成堵管。弯头与钻杆不能垂直连接,应圆顺连接。混合料输送管要定期清洗,否则管路内残余的混合料结硬后,还会造成管路的堵塞。
7.4.2　窜孔
在饱和粉土、粉细砂层中成桩经常会遇到这种情况,打完上一根桩后,在施工相邻的桩时,发现未结硬的桩顶突然下落,当下一根桩泵入混合料时,前一根桩的桩顶开始回升,此种现象称为窜孔。发生窜孔的条件有如下三条:1)被加固土层中有松散饱和粉土、粉细砂;2)钻杆钻进过程中叶片剪切作用对土体产生扰动;3)土体受剪切扰动能量的积累,足以使土体发生液化。
施工中采取的预控措施:1)采取隔桩、隔排跳打方法; 2)减少在窜孔区域的一次连续施工的桩数,减少对已打桩扰动能量的积累;3)合理提高钻头钻进速度。
7.4.3　桩头空芯
主要是施工过程中,排气阀不能正常工作所致。钻机钻孔时,管内充满空气,泵送混合料时,排气阀将空气排出,若排气阀堵塞不能正常将管内空气排出,就会导致桩体存气,形成空芯。为避免桩头空芯,施工中应经常检查排气阀的工作状态,发现堵塞及时清洗。
7.4.4　桩端不饱满
这主要是因为施工中为了方便阀门的打开,先提钻后泵料所致。这种情况可能造成钻头上的土掉入桩孔或地下水浸入桩孔,影响CFG桩的桩端承载力。为杜绝这种情况,施工中前、后台工人应密切配合,保证提钻和泵料的一致性。
8．安全措施
（1）加强对施工人员的安全教育。
（2） 所有施工人员必须戴安全帽。
（3）现场设专职安全员，对工地发生的安全隐患应及时检查解决。
（4） 用电设备应实行一机一闸一漏一箱。漏电保护装置应与设备匹配，不得用一个开关直接控制两台及以上的用电设备。
（5）除电工外，其他人员严禁私接用电设备。
（6）桩机操作手必须是由经岗前培训合格的人担任，严格按照操作规程进行。
（7） 移动桩机时，应有专人指挥。
（8）施工人员应对保险钢丝绳进行检查。
（9）洗芯管废水引排到废水池，不能随意排放。

9．环保措施
序号
环境因素
控制措施
1
生产废弃物
螺旋钻松土产生的余土装载机及时清理，并运送至制定地点。
2
电能消耗
机械设备定期维修、保养，加大检查力度，实行操作人负责制，严禁机械长时间未施工空转。
3
火灾
施工现场严格执行国家和地方有关消防安全的法规、标准和规范，坚持“预防为主”的原则，现场的各类消防建筑材料应整齐码放，消防通道必须畅通，防止重大施工火灾事故的发生。机械加油时，严禁吸烟。施工现场增加消防设施，对工人宣传安全知识，提高其安全意识。
工程施工前对环境因素进行识别和评价，按国家、地方政府法律法规进行严格控制，施工中重点做好以下环境因素的控制。
10． 效益分析
长螺旋钻CFG桩施工与灌注桩、振动沉管CFG桩施工工艺比较具有速度快，成本低，环境污染及施工噪声小的特点，与深层水泥搅拌桩相比较具有地基加固效果好，承载力高，施工速度快的特点，具体比较如下：
10.1成本低
（1） 由于CFG长螺旋钻施工工法在地基处理中采用复合地基理论进行设计，因此，与灌注桩相比较，单位面积地基处理施工成本低廉。在京唐港首钢码头有限公司矿石、原辅料及成品泊位地基处理工程（第三标段）轨道梁区地基处理中，经过施工过程中方案比选估算，地基处理节约工程造价约410元/m2，共降低工程造价约4717460元。
（2） CFG长螺旋钻施工工法与振动沉管施工工法相比较，前者每台班约成桩15--20根，施工工效为振动沉管施工工法的2倍，节省机械费、人工费及机械耗油耗电一半，在京唐港首钢码头有限公司矿石、原辅料及成品泊位地基处理工程（第三标段）轨道梁区地基处理中，采用CFG长螺旋钻施工工法施工，共计节约机械费、人工费及耗油耗电费约834760元。
10.2速度快
CFG桩长螺旋钻施工每台桩机每台班成桩约15-20根，灌注桩每台班成桩1根，CFG振动沉管法施工每台桩机每台班成桩8根，因此，CFG长螺旋钻施工工效较其它桩基施工效率提高几倍，能很好的适应目前建筑市场要求。
10.3对环境影响小
与CFG振动沉管法相比较，CFG桩长螺旋钻法无较大振动及对土体无挤压，对毗邻的建筑物影响小，同时施工中噪音较小。
与普通灌注桩施工相比较，CFG桩长螺旋钻法产生的废料均为原状土，无泥浆等废水等排放，对周边环境无任何污染。
11．应用实例
京唐港首钢码头有限公司矿石、原辅料及成品泊位地基处理工程（第三标段）位于唐山港京唐港区第四港池北岸线以北，本工程于2010年6月19日开工，至2011年3月15日竣工，地基处理总面积大约为28.6万平方米，其中轨道梁区约34518平方米，地基处理采用CFG桩（由于本工程要求为柔性桩，灌注料采用M5水泥砂浆）复合地基，单桩桩长18.8m，桩径600mm，共有CFG桩8200根。本区域CFG桩采用长螺旋钻法施工，由于本工法工效高，节省工期3个月，同时节省投入施工机械、施工劳动力等，经济效益可观。
曹妃甸福海公寓地基处理工程位于河北省唐山港曹妃甸工业区，地基处理内容为房建基础，设计填料为强度等级C25砼，单桩有效桩长17m，总计CFG桩约6700根，合同工期2007年12月1日至2008年5月1日。本工程CFG桩采用长螺旋钻法施工，实际竣工时间为2008年4月5日，提前工期25天，效果良好。
另外，根据工程需要及地基处理要求，CFG长螺旋钻可以调整其施工填料将CFG桩变为柔性桩，也可以应用到小孔径灌注桩施工中，将其由原来的半刚性桩转化成刚性桩，因此，应用前景更为广阔。