黄土高原地区水下钻孔灌注桩成孔质量通病及控制处理措施.doc

黄土高原地区水下钻孔灌注桩成孔质量通病及控制处理措施

摘 要：本文结合西固黄河特大桥的施工过程，简要阐述了黄土高原地区水下钻孔灌注桩施工中存在的问题及质量控制措施，为后续其他工程的施工具有一定的指导及参考意义。
关键词: 钻孔桩施工，地下水处理，卵石层塌孔，泥浆护壁，质量控制，处理措施
引言
近几年来，随着城市发展的需要，新建高架公路桥、铁路桥也越来越多，兰州作为一个沿黄河发展的城市，且地处黄土高原，地质条件极为复杂。桥梁施工中常用的最为基础形式为钻孔灌注桩基础，而水下钻孔灌注桩施工更加困难，故黄土高原地区的水下钻孔灌注桩施工技术迫切地需要总结和提高，以满足施工需要。
1 工程概况
西固黄河特大桥工程自寺儿沟附近起，与既有兰新线并行，依次跨越西固城货场专用线、西固西路、兰化302厂牵出线、石岗车站西咽喉，沿石岗站北侧向东，跨越兰化油库线后进入鑫港物流园，经南滨河路后跨越黄河主河道，到红山顶止，大桥全长5837.89延米。
本桥位于兰州市西固区和安宁区境内，西固区、安宁区各在黄河南北两岸，桥址区主要为黄河一级阶地，该段黄河一级阶地宽300～4000mm，河床宽150～300m，接地表层为黄土覆盖，地势平坦、开阔，地表建筑物密集，厂房林立，市政道路发达。
桥址处涉及地层：第四系全新统杂填土，冲积粉土、砂质黄土、粉、细砂、粗圆砾石、卵石土、基底为第三系中新统泥岩夹砂岩，砂岩夹泥岩局部夹有砾岩，地质条件较为复杂。
本桥基础形式主要为钻孔灌注桩基础，桥址区地表沟谷内有常年流水，流量季节性变化较大。在钻孔桩基础施工过程中，特别是黄土高原地区的水下钻孔灌注桩施工，因地质条件等原因极易发生卵石土坍孔、桩位偏斜、缩孔、掉钻等一系列质量同病。
2 黄土高原水下钻孔灌注桩质量通病控制处理措施
2．1 质量通病一：钻进中卵石土坍孔
在黄土高原地区，因为地质条件等原因，在钻孔灌注桩钻孔过程中，如果钻孔内水位突然下降，孔口冒细密的水泡，就表示该桩位已坍孔。此时，出渣量显著增加而不见钻头进尺，但钻孔负荷显著增加，泥浆泵压力突然上升，容易造成憋泵。一旦坍孔，钻孔便无法正常进行，易造成掉钻、埋钻事故。
控制处理措施：
⑴在冲积粉土、砂质黄土、粉、细砂、粗圆砾石、卵石土等地质条件下中钻孔时，应选用较大比重，粘度的泥浆。一般选用优质黄泥制作黄泥浆，要求黄泥中不得含有沙石等杂质，塑性指数大于22。并放慢进尺速度(钻孔进尺的平均速度一般控制在6-7米/h为宜)，也可投入粘土掺片石或卵石，低锤冲击，将粘土膏、片石卵石挤入孔壁稳定孔壁。
⑵根据不同地质情况，调整泥浆比重，确保泥浆具有足够的稠度，确保孔内外水位差，维护孔壁稳定。黄泥浆的比重控制在1.25～1.30左右，数量不少于单桩桩孔体积的2倍。施工中实践证明：高质充足的黄泥浆是确保钻孔灌注桩施工质量的关键之一。钻孔深度在桩位上段6～7米时，可不必向井孔内输入高压水，让钻渣自然形成浓稠的低质泥浆护壁，特别是护住护筒底脚处的井壁(这一位置最易坍塌)。
⑶清孔时应指定专人负责补水，保证钻孔内必要的水头高度，中段6～7m可输入高压水承压清孔。下段6～7m输入黄泥浆，如此作法，既有效地保证了施工质量，又节省了费用较高的黄泥用量。
⑷如果在钻进中发生孔口坍塌，可立即拆除护筒并采用砾岩、片卵石等回填钻孔，重新埋设护筒再钻。坍孔部位不深时，可用深埋护筒法，将护筒周围土夯实填密实重新钻孔。
⑸发生孔内坍塌时，判明坍塌位置，回填砂和粘土(或砂砾和黄土)混合物到坍孔处以上1～2m。如坍孔严重时应全部回填，待回填物沉积密实后再进行钻进。
2．2 质量通病二：钻孔偏斜
在黄土高原施工时，有时会因为地质构造不均匀、水中钻孔平台回填不均匀或者钻机安装时支撑不好等原因，造成钻机整体或钻头在钻孔过程中发生偏斜，导致出现垂直桩不竖直，斜桩斜度不符合要求或桩位偏离设计桩位等情况。钻孔偏斜会会使灌注桩施工时钢筋笼难吊入，或造成桩的承载力小于设计要求。
造成钻孔偏斜的原因大致有五个方面：①钻孔中遇有较大孤石或探头石；②在有倾斜度的软硬地层交界处，岩面倾斜处钻进，或在粒径大小悬殊的卵石层中钻进，钻头受力不均；③扩孔较大处，钻头摆动偏向一方；④钻机底座未安置水平或产生不均匀沉陷；⑤钻杆弯曲，接头不正
控制处理措施：
⑴安装钻机时要使转盘，底座水平，起重滑轮轮轴，固定钻杆的卡孔和护筒中心三者在一条竖直线上。并经常检查校正。
⑵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，控制钻杆上的提引水笼头，使其沿导向架向中钻进。
⑶钻杆、接头应逐个检查，及时调正，发现钻杆弯曲，要用千斤顶及进调直。
⑷在有倾斜的软硬地层中钻进时，应吊着钻杆控制进尺，低速钻进，或者回填片石、卵石冲平后再钻。
⑸在钻孔时，如发现有稍许偏斜，可在偏斜处吊住钻头上下反复扫孔，使孔正直。
⑹桩位偏斜严重时应回填砂粘土到偏斜处，待沉积密实后再继续钻进。
2．3 质量通病三：掉钻、卡钻和埋钻
在钻孔桩施工时，由于各种原因造成钻头被卡住无法提起、钻头脱开钻杆掉入孔内或者掉钻后打捞造成坍孔而掩埋。如出现上述现象，则会影响钻孔正常进行，延误工期，造成人力和财力的浪费。
产生此现象的原因是：①冲击钻孔时钻头旋转不匀，产生梅花形孔，或者孔内有探头石等均能发生卡钻。倾斜长护筒下端被钻头撞击变形及钻头倾倒，也能发生卡钻；②卡钻时强提、强扭，使钻杆、钢丝绳断裂，或者由于钻杆接头不良、滑丝，电机接线错误，使不能反转的钻杆松脱，钻杆、钢丝绳、联结装置磨损，未及时更换等均会造成掉钻事故。
控制处理措施：
⑴在施工中经常检查转向装置，保证灵活，经常检查钻杆、钢丝绳及联结装置的磨损情况，及时更换磨损件，防止掉钻。
⑵用低冲程钻进时时，隔一段时间要更换高一些的冲程，使冲锥有足够的转动时间，避免形成梅花孔而卡钻。
⑶对于卡钻，不宜强提，只宜轻提钻头。如轻提不动时，可用小冲击钻冲击，或用冲、吸的方法将钻头周围的钻渣松动后再提出。
⑷对于掉钻，宜迅速用打捞叉、钩、绳套等工具打捞。
⑸对于埋钻，较轻的是糊钻，此时应对泥浆稠度，钻渣，进出口，钻杆内径大小，排渣设备进行检查、计算，并控制适当的进尺。若已严重糊钻，应停钻提出钻头，清除钻渣，冲击钻糊钻时，应减小冲程，降低泥浆稠度，并在粘土层上回填部分砂、砾石。如是坍孔或其他原因造成的埋钻，应使用空气吸泥机吸走埋钻的泥砂。提出钻头。
2．4 质量通病四：护筒冒水、钻孔漏浆
钻孔灌注桩施工时，易发生护筒外壁冒水，护筒刃脚或钻孔壁向孔外漏泥浆的现象，一旦漏浆，护筒内承压水头高并得不到保障，易引发坍孔，也会造成护筒倾斜、位移及周围地面下沉。
产生上述现象的原因有：①护筒埋设太浅，周围填土不密实，或护筒的接缝不严密，在护筒刃脚或其接缝处产生漏水；②钻头起落时，碰撞护筒，造成漏水；③钻孔中遇有透水性强或地下水流动的地层；④护筒内水位过高。
控制处理措施：
⑴埋设护筒时，护筒四周土要分层夯实，土质量选择含水量适当的粘土。外护筒一般采用钢制护筒，内径2米左右为宜，其主要作用是固定桩位，控制孔口有一定的水头，保护孔口塌陷，不穿孔。在旱地上埋设外护筒一般采用挖埋法。埋置深度以进入好土1米以上为宜，并在护筒周围对称地、均匀地回填最佳含水量的粘土(最好选用黄土)要分层回填夯实，以达到最佳密实度。在水中埋设外护筒可采用振动加压下沉法。护筒底一定要下沉至硬土1米左右，否则易坍塌、穿孔。
⑵起落钻头，要注意对中，避免碰撞护筒。
⑶有钻孔漏浆相应情况时，可增加护筒沉埋深度，采取加大泥浆比重，倒入粘土慢速转达动，用冲击法钻孔时，还可填入片石、碎卵石土，反复冲击增强护壁。
⑷适当降低护筒内的水头。施工中，严格控制好护筒内水位，一般情况下，以保护高于筒外施工水位1.5m为宜。水头过高易从护筒底脚处产生空孔现象，水头过低又会减弱井孔内的水压外渗护壁作用，甚至产生“反渗”现象。
⑸护筒刃脚冒水，可用粘土在周围填实、加固。如护筒接缝漏水，可用潜水工下水进行作业堵塞。
⑹如护筒严重下沉、位移，则应返工重埋护筒。
⑺钻孔孔壁漏水，可倒入粘土或填入片石、碎卵石土，以增强护壁。
2．5 质量通病五：清孔后孔底沉淀超厚
钻孔灌注桩钻进到设计高程后需要进行清孔，清孔的目的是抽、换孔内泥浆，降低孔内水的泥浆相对密度，如在施工中操作不当或责任心不强、监控不到位，极易造成清孔后孔底沉淀超厚，从而导致成桩质量差，桩底承载力减弱，影响施工质量。
产生孔底沉淀超厚的原因主要有：①清孔方法不当，只采用掏渣法清孔，掏渣法清孔只能去除孔底粗粒钻渣，不能降低泥浆的相对密度，灌注砼时，会有部分泥浆成分沉淀至孔底使桩尖沉淀层加厚；②清孔方法不当，只采用喷射清孔，射水(或射风)的压力过大易引起坍孔，压力过小，又不能有效翻动孔底沉淀物；③清孔方法不当，加深孔底，不能降低孔内水中泥浆的相对密度，同时，加深孔底增加的承载力不能补偿未清孔造成的承载力损失。
控制处理措施：
⑴清孔应根据设计要求、钻孔方法、机具设备条件和土层情况选定适应方法，应达到降低泥浆相对密度，清除钻渣清除沉淀层或尽量减少其厚度的目的。
⑵对于各种钻孔方法，采用抽浆清孔法清孔最彻底。清孔中，应注意始终保护孔内流水头，以防坍孔。
⑶清孔后，应从孔口、孔中部和孔底部分提取泥浆。测定要求的各项指标。要求这三部分指标的平均值，应符合质量标准的要求。
⑷柱承桩清孔后，将取样盒吊到孔底，灌注水下砼前取出样盒检查沉淀在盒内的渣土，其厚应不大于设计规定。
3 结论
在黄土高原地区水下钻孔灌注桩施工过程中，很容易发生一些质量通病问题，在施工中一定要认真，尽量将事故消灭在萌芽状态。在施工过程中，要控制好施工工艺和操作，提高认识，对可能出现的问题制定切实有效的防范措施，尽最大努力杜绝事故的发生。 
4 参考文献
〔1〕卢世深，林亚超著桥粱钻孔桩试验人民交通出版社
〔2〕中国建筑工业出版社建筑桩基技术规范
〔3〕朱之基著混凝土灌注桩质量无损检测技术人民交通出版杜
〔4〕徐攸在，刘兴满著桩的动测新技术中国建筑工业出版社