中建铁路工程总承包有限公司 甘肃武威 733000
摘要：针对兰张三四线铁路钻孔桩在砂卵石地层施工时塌孔较为严重，粘土（或膨润土）取土困难的难题，对钻孔桩在钻进过程中采用化学泥浆护壁成孔进行技术研究，取得较好的施工成果。
关键词：砂卵石、旋挖钻、化学泥浆、钻孔桩、施工工艺
Study on chemical mud drilling technology for bored pile construction in sandy cobble stratum
Abstract:In order to solve the problem of serious collapse of bored pile in sand-cobble stratum and the difficulty of clay (or Bentonite) soil collection during the construction of lanzhang-sansi railway, a technical study was carried out on the drilling of bored pile using chemical mud for wall protection, good construction results have been achieved.
Key words: Sand gravel, rotary drilling, chemical mud, drilling pile, construction technology
1、工程概况
本标段新建兰州至张掖三四线铁路中川机场至武威段ZQ5标线路位于威武市境内，线路起自古浪县柴家庄西北DK208+833.01，本标段终点为武威市凉州区烧房庄的DK257+925，清水河特大桥里程为DK246+241.54至DK254+748.13，共8506.59m：其中桩基1795根，桩径分别为1m、1.25m、1.5m，桩长最大为45m，最小为15m，区内地层由新到老主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、二叠系、泥盆系、志留系、奥陶系等，并伴有加里东晚期闪长岩侵入。本标段主要出露第四系，第四系广泛分布于河谷阶地、山前缓坡地带。岩性主要有冲洪积和风积黄土，黏性土，砂类土及碎石类土；清水河特大桥桩基全部位于砂类土及碎石类土层。
2、钻孔灌注桩施工采用化学泥浆成孔的特点
2.1钻孔精确:通过新型化学聚合物泥浆的使用，减少清孔时间及浇注用混凝土方量，减少了塌孔及沉渣厚度，使得施工中桩基孔径更加精确，还可以节约成本。
2.2成孔速度快:通过喷射水流冲入，加快制浆的溶解速度，钻进设备的钻头与钻杆不附着泥浆和砂子增大了机械的使用寿命。
2.3提高桩基承载与摩擦能力:桩底沉渣厚度减小从而提高了桩基基底的承载力，而孔壁五厚泥浆层又增加了桩基的摩擦力。
2.4节能环保:新型化学聚合物泥浆因为非常容易降解，所以重复使用率高，对钢筋混凝土无侵蚀印象又能减少能源损耗并且有利于文明地施工。。
3、施工技术原理与适用范围
3.1 施工技术原理
化学泥浆形成的浆液不仅有很好的护壁防塌效果，而且能吸附钻渣，孔内的沉渣厚度一般不超过10cm，根据实际情况，可不进行二次清孔，且泥浆体中不含钻渣，孔壁摩擦力层增厚，能够有效提高桩的摩擦承载力，经多工地验证，使用化学泥浆的成孔桩经检验I类桩达到98%，且无毒、无味，对环境没有危害。
3.2 适用范围
本工法适用于旋挖钻在砂砾石地层采用化学泥浆成孔的施工。
4、总体施工工艺流程及操作要点
4.1 钻孔灌注桩施工工艺
4.1.1 钻孔灌注桩施工工艺流程图
平整场地→化学泥浆制备→埋设护筒→铺设工作平台→安装钻机并定位→钻进成孔→清孔并检查成孔质量→下放钢筋笼→灌注水下混凝土→拔出护筒→检查质量。
4.2施工操作要点
4.2 施工准备
1、在“三通一平”的基础上，钻孔的准备工作主要有桩位测量及放样、制作和埋设护筒，泥浆备料调制、泥浆循环系统设置及准备钻孔机具等。
2、施工机械设备检修调试完毕，满足开工需要。施工便道满足各种机械设备的正常通行，人员和机械设备可直接进场作业。平整场地并填筑工作平台，布置排水系统。
4.3 搭设作业平台
钻机就位前，要对钻孔各项准备工作进行检查。钻机安装后的底座和顶端要平稳，在钻进中不要产生位移或沉陷。就位完毕，架子队对钻机就位自检。
4.4 测量放线
在桩位放样之前，首先应对控制点进行复核，确保控制点的准确性。控制点复核检验合格后，采用全站仪极坐标法、导线法进行桩基中心点定位。使用全站仪极坐标法由不同控制点放样的点位不符值不应大于2cm。
4.5 泥浆制作及外运
4.5.1泥浆制作
钻孔施工前采用“旋挖钻机专用聚合物泥浆”造浆，钻孔泥浆由水、添加剂组成，制浆前将“旋挖钻机专用聚合物泥浆”均匀撒入水中，以缩短搅拌时间，提高泥浆质量。施工时需根据不同地层进行泥浆性能的调整，卵石土地层泥浆性能指标如下：
使用配量及方法：0.625千克/立方米水。每袋聚合物泥浆可配4立方米水制备泥浆（根据土质条件、施工孔径、施工长度可酌情加、减实际用量）；在搅拌条件下均匀撒入，不得结块或者成团，泥浆比重1.1-1.3为宜。
水溶时间：普通型化学泥浆溶解不少于1小时，需采取泥浆池内空压机吹气或循环泵循环造浆法；“旋挖钻机专用聚合物泥浆”为速溶型化学泥浆，溶解时间不多于5分钟，一般采用孔内直接造浆法，也可采用泥浆池内造浆。
4.5.2泥浆回收
桩基在灌注混凝土同时，利用泥浆回收车，将泥浆回收以便循环利用。
4.6 护筒埋设
护筒埋设采用挖埋法，即用专用钻斗挖除或人工开挖所要埋护筒的土层后，将护筒放入其中。护筒埋设以桩位中心为护筒中心，护筒埋设后利用护桩挂十字线检查护筒埋设偏差，其偏差不得大于5cm，倾斜度不大于1％，护筒周围回填粘性土并人工分层夯实。现场钻机工班人员在护筒埋设后经自检合格，再由现场技术员通知测量组复核桩位，测量护筒顶高程，计算钻进深度。确认无误后报请监理工程师检查，合格后开钻。
4.7旋挖钻成孔施工
旋挖钻成孔是采用跳挖方式，等桩基定位复核成功后，履带式钻机就位，移动钻机位置与桩位在同一水平线上，开钻前首先做好机身左右饿旋转，便于渣土的倾倒堆放并利用自身的定位系统，对桩中心点位置并调整好后锁定仪表盘的坐标位置，桩位周围用土进行拍实、围堰，高度在0.2～0.3米，注浆然后破土钻孔，再利用自带的钢丝绳，用吊装护筒去埋设，并用钻机钻斗对其进行压实，令护筒高度高于自然地面，接着让工人用铁锹将护筒四周用土填实。护筒埋设完成后，及时补充孔内泥浆，使孔内始终保持高于地下水位水头高度。先由钻机正转进入孔内挖土，根据钻机自身仪表盘的进尺情况，钻斗内装满土后钻杆反转慢提斗，到护筒顶面时停顿 1～2毫米，待斗内泥浆水溢流完成后再旋转到边上弃土点及时进行堆土，清除弃土后，再用仪表确定坐标位置后，正转下斗注浆。结合土质情况判定，由施工单位设计、地勘、监理现场勘查还要准备好测绳、并做好孔深、孔径等检测，工作人员验收合格后才把钻机移走再进行下道施工工序。
4.8吊放钢筋笼
钢筋笼应在混凝土灌注前分段吊入孔内，吊入时应对准孔位，吊直扶稳，缓顺下沉，避免碰撞孔壁。下放过程不顺利时，可将钢筋笼正反旋转、慢起、反复数次逐步下放。
钢筋笼起吊时，在顶部设置2个吊点（位置为顶部加强筋位置）用于垂直吊装，在每节钢筋笼中部设置1个吊点（加强筋位置）用于翻身起吊。在吊点位置多1根φ20加强筋。
4.9混凝土灌注
首方混凝土要确保下落时能把泥浆从导管中排出，并能把导管下口埋入混凝土不小于1m并不宜大于3m。首方混凝土拌合物下落并顺利封底后混凝土应连续灌注，导管埋深宜控制在2～6m。应经常检测孔内混凝土面的位置，及时调整导管埋深。
桩基混凝土灌注前应储备一定量(首方混凝土量）混凝土后再连续灌注，同时工地实验室相关负责人应到现场检查坍落度，并制作有关试块。
灌注水下混凝土是钻孔桩施工的重要工序，浇筑前应准确计算浇筑总方量，施工前确保混凝土总量的80%以上到达现场，经试验室检测塌落度、含气量、温度等参数合格后方可开始浇筑。
拆除导管动作要快，时间一般不宜超过15min，要防止螺栓、橡胶垫和工具等掉入孔中，并注意人身安全。已拆下的管节要立即清洗干净，堆放整齐。循环使用导管4～8次后应重新进行水密性试验。
当混凝土浇筑面接近设计高程时，应用取样盒等容器直接取样确定混凝土的顶面位置，保证混凝土浇筑面高出桩顶设计高程0.5~1.0m。混凝土灌注到接近设计标高时，工地人员要计算还需要的混凝土数量（计算时应将导管内的数量估计在内），通知拌和机按需要数拌制，以免造成浪费。
在灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，超压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土稠度增加，比重增大，会出现混凝土顶升困难的情况，这时可以在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土，使灌注工作顺利进行。在拨除最后一段长导管时，拔管速度要慢，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管下，在桩头上形成泥心。
在灌注混凝土时，每根桩应至少留取2组试件，桩长较长、桩径较大、浇筑时间很长时，根据规范要求适当增试件数加。试件应标准养护，强度测试后应填试验报告表，强度不合要求时，应及时提出报告，采取补救措施。
5、材料、设备及劳动力组织
5.1 钻孔桩施工材料
应提前将钢材运至钢筋加工厂，护筒、导管运至施工现场，混凝土提前通知拌和站，保证施工材料的供给及时。所有材料必须经过检验合格方可用于施工。
5.2钻孔桩施工主要设备
表1 主要设备配备表
6、质量控制措施
6.1质量检验标准
1、施工中应对成孔、清渣、放置钢筋笼、灌注混凝土等进行全过程检查。
2、灌注桩的桩位偏差应符合表5-1的规定，桩顶标高至少要比设计标高高出0.8m。每根桩应有1组试件。
3、桩的混凝土强度等级应符合设计要求，水下混凝土标准养护试件强度应达到设计强度等级的1.15倍。检验数量：每根桩应在浇筑地点随机抽样制作混凝土试件不小于2组。
4、混凝土拌制过程中，应对混凝土拌合物的塌落度进行测定，每50m3混凝土或者每工作班测试不小于一次。
5、含气量测定：每50m³混凝土或者每工作班测试不小于一次。
6、混凝土的入模温度不宜高于30℃。冬期施工时，混凝土的出机温度不宜低于10℃，入模温度不应低于5℃。
表3 钢架安装允许偏差
6.2施工注意事项
1、必须由专人负责埋设护筒、 化学聚合物泥浆的制备，再到孔底清孔以及成孔后的检查，避免成孔缩径、偏斜和沉渣过厚等钻孔质量问题发生；
2、对进场原材料进行严格试验检测，依据相关规范和标准，对不合格材料清除出场严禁使用；
3、钻孔中途停止作业时，应及时进行泥浆的补充；
4、在钻孔施工时要注意控制好钻头的提升，减少对孔壁的扰动；
5、桩基灌注时，注意防止浮笼发生及控制导管埋深等作业；
6、应连续进行工序，防止塌孔和沉渣厚度增加,影响桩基质量；
7、安全措施
1、采用机械钻孔，钻机就位后，对钻机及配套设备，应进行全面检查，如卷扬机、钢丝绳、滑车、钻头、泥浆泵、水泵及电气设备等，是否完好正常，润滑部位加油后检查合格后方可开钻。
2、采用液压电动正反循环钻机前，应随检查液压油、润滑油情况，注满油料后，旋塞要拧紧、关严。 钻机皮带转动部位，必须设有防护罩，所用动力线宜使用橡胶防水电缆。
3、各类钻机在作业中，应由本机或机管负责人指定的操作人员操作，其他人不得任意登机，操作员在当班时，不得擅自离岗。
4、每次拆换钻杆或钻头时，要迅速快捷，并保证联接牢靠。严防工具、铁器及螺帽等掉入孔内，必要时孔口应加护盖。
5、采用冲击钻孔时，选用的钻锥、卷扬机和钢丝绳等应配套，钻架联接牢靠，钢丝绳性能应适应要求，其安全系数不小于。
6、冲击过程中，要经常检查钢丝绳的损伤情况，当断丝已超过5%时必须立即更换。
8、环保及水保措施
1、施工前对施工区域的环境情况进行调查，根据铁路总公司、地方政府有关环保法律法规、规定，结合建设单位有关环保、水保管理办法，制定施工环保、水土保持的具体安排及相应措施，确保施工环保目标。
2、施工中，生产、生活区集中布置，并对可能产生的污染种类，制定相应的防范措施，特别是防泥浆污染措施。生产生活垃圾分类集中存放、集中处理，达到集中控制，减少污染范围之目的。
3、工程施工完成后，及时进行施工现场清理，拆除废弃临时设施，多余材料及建筑垃圾清运出现场，作到工完场清。
4、噪音的控制严格遵守GB12523《建筑施工场界噪音限界》的有关规定，对空压机、钻机、发电机、挖掘机等高噪音施工作业合理安排时间，减少噪音污染。
10、总结
综上所述，砂砾石地层钻孔灌注桩采用化学泥浆成孔，施工过程中的优越性刚好能满足高铁施工的质量、工期要求，从里面充分看出了化学聚合物泥浆在施工中的优越性，替旋挖钻钻孔施工工艺的开发、研究和应用推广打下了坚实的技术基础，技术应用前路十分宽广。
参考文献：
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