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全套管嵌岩钻孔灌注桩施工工法 第 10 页 共 15页
全套管嵌岩钻孔灌注桩施工施工工法
中交四航局第一工程有限公司
中交第四航务工程局有限公司
潘建谋 黄国忠 林冠桥 杨振湘 杨光彩
1.前言
桩基础是目前基础施工中的主要形式，具有承载力大、刚度大、造价低等优点被广泛应用。但其施工环保措施难以保证，成桩过程容易对周边建筑及原有地层造成破坏，影响周边建筑，存在很多未知性和高风险性。如何减少对周围环境的污染及噪音对周边居民的影响，提高质量,加快成桩速度是桩基施工亟待解决的难题。
由中交第四航务工程局有限公司承建的澳门轻轨C370项目，桩基设计直径为Ф1200mm，Ф1500mm两种，项目施工位于澳门沊城填海区，地质情况复杂，基岩起伏大、岩面倾斜角度大，基岩最深位置达到-68m，最浅位置仅为-2.0m。桩基施工采用澳门《基础设计指引》和《建筑桩基技术规范》标准，要求施工界面取芯“零”沉渣及噪音污染小工艺，要求所有桩基均嵌入50～100MPa微风化岩达2～4m，施工技术要求高、难度大。针对以上特点、难点中交第四航务工程局有限公司及中交四航局第一工程有限公司通过技术创新，采用搓管机将钢护筒埋设到岩面持力层利用蛤式抓斗取土RCD机磨岩的工艺，解决了上述技术难题。
依托本工法开发的“一种大型钢筋笼专用吊具系统”、“一种钢筋笼悬挂装置”二项专利技术获国家实用新型专利；“全套管嵌岩钻孔灌注桩施工关键技术” 于2016年7月通过中国公路建设行业协会组织的鉴定，该研究成果总体上达到了“国内先进”水平，并获得2016年度获协会科学技术奖“三等奖”。
本工法已成功应用于澳门轻轨C370项目1标段和2标段桩基施工，实现了良好的经济效益和社会效益。
2.工法特点
2.1环保性能好。采用搓管机将钢护筒埋设到岩面持力层利用蛤式抓斗取土，渣土可直接利用回填路基，RCD机磨岩钻进，振动小，噪音低，对周边居民噪音影响小。
2.2全套管钢护筒埋至岩面，孔壁不会产生坍落，成孔直径标准。
2.3成桩质量好。采用全套管护壁施工气举反循环清孔彻底，速度快，砼灌注质量有保障。
2.4机械化施工，速度快，成本低。采用搓管机将钢护筒，利用蛤式抓斗取土，RCD机磨岩，气举反循环机清孔，桩基施工过程均采用机械化，机械化施工程度高，有利于降低成本。
3.运用范围
本工法适用于不同地质条件下的桩基施工，特别适用于对减少周边建筑物及原有地层扰动的桩基施工。
4.工艺原理
全套管嵌岩钻孔灌注桩施工机械主要有搓管机、蛤式抓斗、RCD磨岩机、气举反循环设备组成。利用搓管机将带有钻头功能的套管逐节往返搓动并压入土层，同时利用蛤式抓斗取土，交替进行边搓管边取土，待钢套管下至桩端持力层后用RCD机磨岩，并采用气举反循环设备清孔，成孔后放入钢筋笼，边灌注混凝土边拔起套管，最后成桩。
5.工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工工艺流程详见图5.1全套管嵌岩钻孔灌注桩基施工总体施工工艺流程图。

地质钻探、施工前准备

钢筋笼加工及安装
测量放样

RCD钻机磨岩
钢护筒下放及抓土
搓管机定位、设置泥箱及沉淀箱

水下混凝土浇筑及拆除钢护筒
清孔
垂直度检测
岩样分析及标高检查

桩基完整性检测

不合格

合格

图5.1全套管嵌岩钻孔灌注桩施工工艺流程图

5.2操作要点
5.2.1地质钻探和施工前准备
（1）准备施工前应获取桩位的地质钻探资料，原则上每个承台至少一孔、地质复杂的一桩一孔。对照地质报告，查清桩长及覆盖层厚度，确定钢护筒埋入深度，制定施工方案，安排设备进场。
（2）地质钻探的岩样需妥善标记和保管，钻芯的位置和水平标高应按正确的顺序排列，并用芯样盒保存，方便桩基施工中随时查看岩样变化情况。
（3）机械就位前，应把工作区域地面进行硬地化平整处理，可在施工的墩位上浇筑一层0.1m钢筋混凝土层工作垫层，作为机械承重作用；垫层可采用C20混凝土，钢筋采用Φ16，现场绑扎成钢筋网，钢筋间距为0.20×0.20m，混凝土垫层宽度应至桩边1.0m。
5.2.2测量及放样
桩中心控制点采用全站仪测量放样，采用油漆喷出桩边缘线，方便摇管机的摆放,并拉“十字”交叉线对桩位进行保护；搓管机固定后，应进行搓管机桩心测量定位。
5.2.3搓管机定位、设置泥箱及沉淀箱
（1）待测量放样复核无误后，采用80t履带吊把搓管机吊放至桩位位置，定位后用钢尺检查，在搓管机就位前须检查地面平整度，如不平整将会导致调整钢套管垂直度困难。
（2）进行抓土成孔作业前，应在施工位置附近设置一个2×6×2m（宽×长×高）的泥箱、一个2×6×2m（宽×长×高）的沉淀箱、一台抽排泵及一组排放导管，有地下水位高时应设置多个沉淀箱，以作泥渣沉淀之用。
（3）在进行抓土成孔时，将孔上的泥土抓出放置泥箱里，然后用挖掘机装车运至指定的地点。

图5.2沉淀箱和泥箱
5.2.4钢护筒下放及抓土
机械就位后，采用液压式搓管机把首节钢套管压入土中，然后利用蚬式抓斗把套管内抓土，再压入第二节钢套管，继续取土。重复以上步骤，直至将钢套管压入岩面。护筒每节8m，现场使用吊机对接，接口使用铆钉连接。护筒下放过程中，使用经纬仪对准钢护筒外侧进行垂直度检测。
钢护筒下放过程中必须保持筒底在开挖面2m 以下，有效控制垂直度。当出现护筒倾斜时应立即停止作业，采用土回填，将套管重新拔起，重新下放。当底部出现不明障碍物使套管发生倾斜时，采用冲击锤或者人工将障碍物破除后再进行套管纠偏处理。当钢护筒底穿过软弱岩层，到达基岩顶部后，采用RCD机磨岩，并采用气举反循环设备配合清孔，钢护筒随着钻头的钻进位置下放桩底，直至达设计标高为止。各工序详见-搓管机钢护筒下放及抓土流程图。
套管下放过程中清除障碍物主要方法：
（1）搓管机通过来回“搓动”钢筒外壁使钢筒下沉，可以磨断较为薄弱的石层。
（2）可以使用冲击锤击打岩体成碎石，再用泥夹从桩孔内夹出即可。护筒下放出现困难时，应及时查明，清除障碍物，避免出现护筒断裂情况。同时应控制护筒下放的垂直度，防止护筒倾斜造成的损坏。

1. 测量定位、安装首节带牙靴的钢护筒。

2. 边下沉钢护筒，边采用蛤式抓斗开挖护筒内覆盖层，并保护水头与内外侧平衡。

3. 逐节接长钢护筒到覆盖层深度标高。

4. 逐节安装钢筋笼到设计长度。

5. 逐安装导管及料斗，浇筑砼过程中需确保任何时候混凝土面都高于钢护筒底标高。

6.在浇筑砼过程中根据浇筑砼的速度，拆除导管及钢护筒。
图5.3搓管机钢护筒下放及抓土流程图
5.2.5 RCD机磨岩
钢护筒下放至基岩层后，采用RCD机磨岩。钻孔前先将孔内注满清水，加水的主要作用是与钻渣混合并以气举反循环排渣，磨岩过程中要注意水压，如出现孔内水位低于孔外地面常水位时，需往孔内注水，增加水压；在进行磨岩时，RCD机的压力控制50kg/cm²,扭力控制50kg/cm²，转速控制每分钟0～20转，风压控制（5～7 bar）。成孔期间利用水泵及风压及时把渣土及石碎排出。

1、Pile top drill rig (RCD钻机）
2、Crane （吊机）
3、Hydraulic power pack （液压动力柜）
4、Air compressor （空气压缩机）
5、Drill string （钻具）
6、Mud tank system （泥浆沉淀系统）
图5.4RCD磨岩施工
5.2.6岩样分析及标高检查
钻孔达到设计标高后应进行终孔前取样确认，分析岩样。

图5.5岩样及标高
5.2.7垂直度检测
桩基垂直度检测主要采用超声波法进行测试(Koden Test)，全护筒钻孔灌注桩垂直度测试频率为10%。
5.2.8钢筋笼加工及安装
（1）钢筋笼加工制作在钢筋加工场进行，钢筋笼成型在台座上采用长线法完成。
（2）钢筋笼标准单节长度12m，根据桩基终孔标高制作最后一节钢筋笼。主筋搭接采用U形螺栓扣住两根钢筋，不得使用焊接和扎丝。主筋连接时，保证搭接段的长度不小于46d。U型卡距钢筋端头距离应大于5d。U型卡的螺母拧紧后外露2～3个螺距。
（3）钢筋笼骨架采用一种大型钢筋笼专用吊具及一种钢筋笼悬挂装置进行定位安装。
5.2.9清孔
在终孔取样确认后，采用气举反循环设备进行清孔，共分两次进行。
（1）、第一次清孔：成孔后清孔
成孔后移开钻机进行第一次清孔，在清孔过程中，不断往孔内注入清水以保持孔内压力，孔清干净后测量桩孔的深度并记录。
（2）、第二次清孔：在混凝土浇灌前进行
桩基灌注混凝土之前，再次清孔直至没有沉渣排出后进行混凝土灌注。
5.2.10水下混凝土浇灌
本工程的所有桩基施工均采用清水砼桩。
（1）混凝土供应。由拌和站集中拌和，经混凝土车运输至浇筑现场灌注。
（2）混凝土灌注。砼搅拌车到位后，首先采用大集料斗（8m3）剪球，混凝土达到一定方量后更换小料斗、直至完成整根桩的灌注。
（3）在混凝土灌注过程中应保持护筒埋深不小于2m，随着灌注混凝土面的升高适时顶升护筒，逐步拆除护筒顶端节段，尽量避免钢套管因埋入混凝土时间过长而无法拔除现象。
（4）混凝土灌注过程控制。正常灌注阶段导管埋深控制在4～8m，且每15～30分钟测量一次混凝土面标高，测点为2个，当测点出现较大的高差时，应及时调整导管埋深。
（5）、当灌注至最后时，实测混凝土顶面标高必须比设计标高1.0m。

图5.6混凝土浇筑
5.2.11桩基完整性检测
目前全套管嵌岩钻孔灌注桩施工技术尚没被列入我国现行施工规范，在澳门检测主要参照《地工技术规章》第99 条，ASTM D5882-00（欧洲桩基检验标准） 及LECM 规格说明，按照规章桩基主要检测方式有界面取芯、全取芯、声波透射法等。
对桩身的测试主要包括以下三种：界面取芯检测(Interface Core);全取芯测试（Full Core)；声波透射法测试(CSL)；

图5.7钻孔灌注桩界面取芯
5.3劳动力组织
以一套成孔设备情况组织劳动力详见表5-1。
表5-1： 劳动力组织情况表
序号
单项工程
所需人数
备注
1
管理技术人员
1
项目部
2
管理人员
1
项目部
3
安全管理人员
1
项目部
4
钢筋笼加工
4

5
电工
1

6
摇管机操作工
2
操作摇管机埋设及拔出护筒
7
RCD磨岩操作工

2
操作RCD进行磨岩
8
吊机操作
1
现场履带吊操作
9
普 工
5
钢护筒下放、拔出，导管安装

合 计
19人

6 材料与设备
6.1 主要施工材料
本工法施工投入的主要材料有：钢护筒、钢导管、Φ150ｍｍ和Φ75ｍｍ声波测试金属管、接水软管、钢筋连接卡扣，钢筋、水泥、砂石料等。
6.2 主要机具设备
本工法施工投入的主要机具设备如表７-1所示。
表6-1： 主要机具设备表
序号
名称
数量
用途
附注
1
搓管机
１
埋设钢护筒
配套抓斗
2
RCD反循环钻机
1
钻孔磨岩
配套钻头，钻杆
3
液压回旋转机
1
钻孔磨岩

4
发电机
1
钻孔磨岩

5
空压机
1
钻孔、清孔

6
水泵
1

7
150履带吊机
1
起重作业

8
挖掘机
1
转运泥土

9
翻斗车
2
运土

10
随车吊
1
转运钢筋笼

7 质量控制
7.1 工程质量控制标准
全套管嵌岩钻孔灌注桩施工技术规格书JKR标准（JKR/SPJ/1988, 10.5），允许偏差值按表7-1执行。
表7-1： 允许偏差
项 目
允 许 偏 差
钢护筒位置
小于75mm
孔径
不小于设计桩径
倾斜度
不大于桩长的1/75
孔深
不少于设计孔深
沉渣
无泥渣
7.2 质量保证措施
7.2.1 搓管机下放钢护筒质量保证措施
（1）护筒下放过程中，使用经纬仪对准钢护筒外侧，每下放4m 进行垂直度检测。
（2）为了方便垂直度测试，钢护筒在地面至少预留1m提供测试。
（3）为了避免周围土层塌陷，钢护筒下放过程中必须保持筒底在开挖面2m 以下。
7.2.2 RCD磨岩质量保证措施
（1）水位控制。钻孔前，在护筒内注满清水，与钻渣混合和形成水头并以气举反循环排渣。
（2）钻压和钻速控制。钻压和钻速是保证桩孔不倾斜的关键因素，一般取钻具50%～70%的质量作钻进钻压。当遇地层软硬变换时，应轻压慢钻，以防钻孔偏斜。入岩后，钻压波动大、钻机摆动不正常和进尺突然变慢时，必须提钻检查。钻速控制在每分钟0～20转，风压控制在5～7bar。
（3）加接钻杆时，应先停止钻进，然后再加接钻杆。钻进过程中定期对钻头和钻杆进行检查，防止由于螺栓的脱落或钻头的磨损严重造成钻进过程中的事故。
7.2.3 钢筋笼加工安装质量保证措施
(1) 钢筋笼在起吊和运输过程中要采取必要的措施确保钢筋笼不发生变型，并要加强保护。
(2) 钢筋笼竖直后，检查其竖直度，进入孔口时扶正缓慢下放，严禁摆动碰撞孔壁，钢筋笼下放时，用加工好的钢筋笼导向架导向限位。
(3) 在进行钢筋笼对接下放时应注意声测管安装，并用铁丝将管道绑扎在钢筋笼相应的位置，安装后注入自来水检查漏水情况，避免砼灌注时漏浆，确保施工后声测管的畅通。
7.2.4 混凝土浇筑质量保证措施
（1）剪球时控制导管底部距离桩底250mm～300mm。
（2）混凝土塌落度180mm～220mm。
（3）浇筑过程中导管埋深2m～6m。
（4）浇筑混凝土面一般高出设计标高1m。
8安全措施
8.0.1建立和健全安全生产责任制和安全保障体系，成立安全生产领导机构和三防机构，配备专职安全员。
8.0.2加强全员安全意识教育，贯彻“安全第一，预防为主”的方针，定期组织职工进行安全学习，定期进行安全大检查。
8.0.3各分项工程开工前或特殊、关键工序开始前，进行详细的安全技术交底。
8.0.4施工人员上岗前必须进行安全教育和技术培训，根据各种安全规程，结合自己的实践，编印《安全防护规程袖珍手册》，人手一册，使本项目部有关安全作业内容和知识牢牢印记在施工人员的脑海中，使全体作业人员在施工作业中按规程办事，确保安全。对作业人员要进行安全作业的考核，考核合格的工人才能进入工作面工作。
8.0.5 制定有针对性的专项安全预案。
（1）冲抓设备及钢护筒下放安装，钢筋笼下放过程中，钢护筒拔出过程中，需要专人指挥吊机起吊。
（2）钢筋笼须根据吊装方案进行吊点加固。
（3）钢护筒需要定时检查损坏情况，防止发生无法拔出或者断裂的情况。
（4）空压机工作时必须有专人操作，气压自动调节装置必须工作可靠。
（5）泥浆排出、沉淀及回收，泥渣转运必须按照环保要求进行。
（6）施工用电必须采用三相五线制，并装设漏电开关。
（7）严禁一切闲散人员在施工现场游荡，防止意外的事故发生。
9环保措施
9.0.1按照澳门当地及业主有关环境保护的法律、法规和制度的要求编制工程的环保制度与措施，成立环保管理和监督小组，保证环保制度与措施的落实和执行。
9.0.2 实行定期环保卫生检查，并连同当地政府及业主对施工场地进行文明施工检查。
9.0.3 加大环保教育与宣传力度，增强施工人员的环保意识。
9.0.4 对施工场地进行合理的布局对施工范围进行围闭管理，树立明显的标识、警示标志，场内的材料堆放需按规定分类标识且有序。
9.0.5 对环境会造成污染的设备燃油、废机油、施工与生活污水、成槽泥浆进行统一管理，按照相关规定制度进行处理；施工现场、生活区合理设置污水收集管沟、池，防止污水漫溢，并运输或排放到指定区域，严禁排放到海里或其他受控区域。
9.0.6定期对现场废弃的材料进行收集、处理；所有的电缆线路规整，并标识清晰。
9.0.7 场内的便道进行硬化处理，干燥天气对道路进行洒水防止扬尘。废泥土的外运应采用密封的自卸车，防止泥浆外泄；余泥外运车辆车厢必须封闭，严禁超载，避免运输过程中泥块散落。
10 资源节约
10.0.1 针对国家对节能降耗要求，根据各工序施工特点，制定合理、有效的节能减耗措施，设置专职小组进行落实、监督。
10.0.2 施工现场除了必要的照明外，下班后现场的设备必须关闭、熄火，节约用电。
10.0．3 设置固定钢筋加工场，机具、设备、人员等资源实现集中共享，减少资源闲置，提高施工效率；同时也避免在施工现场设置钢筋场对施工的干扰，节省钢筋场不断迁移的带来的麻烦。采用套筒将2m以上的钢筋下脚料与长钢筋连接使用减少了钢筋笼措施钢筋的使用。
10.0．4 制定合理施工计划，使工序间衔接合理、紧凑，机械、人员合理配置，减少资源的闲置浪费，避免工序重复。
10.0．5 已浇灌注桩剩余的混凝土用到下一个灌注桩保护层垫块中，减少混凝土的浪费。
10.0．6 钻孔挖出来的适合回填施工的砂性土存放晾干后用于后方地基处理施工，减少了弃土的运距，实现废料的充分利用。
10.0．7 施工现场实行人离机停，除了必要的照明外，下班后现场的设备必须关闭、熄火。
11效益分析
通过全套管嵌岩钻孔灌注桩施工机械主要有搓管机、蛤式抓斗、RCD磨岩机、气举反循环设备组成桩基施工工序的研究，开发了一套桩基施工的新技术、新工艺、新方法，产生了良好的经济效益和社会效益。
以上技术措施为项目产生的直接经济效益。效益分析见表11-1
表11-1：桩基础效益分析表
序号
项目名称
金额(万澳门币)
1
桩基础产值
5846
2
施工成本
5296
2.1
人工费
530
2.2
材料费
2083
2.3
设备费
2200
2.4
安全环保费
50
2.5
其它直接费及间接费
335
2.8
管理费及税金
98
3
利润
550
本项目桩基施工的成功，可为国内外同类型桥梁桩基础施工提供借鉴，通过应用本工法，可减少施工技术原因引起的质量问题或事故而造成经济损失，同时可提高施工效率，具有良好的经济效益。
12应用实例
12.0.1澳门轻轨C370 1标桩基础工程
澳门轻轨C370 1标（21#至23#车站及掉头段桥面），桩基础采用全套管嵌岩钻孔灌注桩，每个承台4根，直径分为Ф1200mm，Ф1500mm两种，桩底标高最深至-68m，最大桩长达66.5m，桩底容许承载力为5000KPa，所有的桩基均嵌入至轻微化岩层2-4m。
12.0.2澳门轻轨C370 2标桩基础工程
澳门轻轨C370 2标（23#至28#车站），桩基础采用全套管嵌岩钻孔灌注桩，每个承台4根，直径分为Ф1200mm，Ф1500mm两种，桩底标高最深至-65m，最大桩长达69.55m，桩底容许承载力为5000KPa，所有的桩基均嵌入至轻微风化岩层2-4m。
桩基施工采用全套筒护壁、清水成桩，桩壁与周边土、岩层不存在泥皮现象，大大提高结构的侧摩阻系数和桩基的承载能力；混凝土结构与基岩胶结紧密，不存在孔底沉渣，实现桩基荷载“零”沉降，保证了桩基成孔质量。采用全套管嵌岩钻孔灌注桩施工桥梁桩基础，拓宽了桩基础施工方法。
澳门轻轨C370于1标、2标桩基础施工从2012年9月开始至2014年10月完成，项目部经过精心组织、优化设计、科学管理，在工程质量、安全、工期、成本控制各项指标，并得到业主、监理、中港总公司的一致好评。

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