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岩土研究院

旋挖钻灌注桩施工工艺及常见事故预防

399 2022-03-24 10:47:20

旋挖钻灌注桩施工概述


旋挖钻机:是利用伸缩钻杆传递扭矩并带动回转钻斗、短螺旋钻头或其他作业装置进行干、湿钻进、逐次取土(岩屑)、反复循环作业成孔的一种专用机械设备。

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旋挖钻机主要由主机、钻杆和钻头三部分组成。


主机:主要有履带式、步履式、汽车式等,目前常见的是履带式主机。


钻杆:旋挖钻机钻进时,为了使钻具摆脱拆卸和拧接的麻烦而采用伸缩式钻杆,其断面有方形和圆形两种。伸缩式钻杆可以分为摩擦式钻杆(在钻进过程中利用钻杆内、外节间的摩擦键之间的摩擦来传递钻进压力的一种钻杆)和机锁式钻杆(在钻进过程中利用钻杆上的机锁点和机锁键之间的咬合来传递钻进加压力的一种钻杆)两大类,目前国内外的旋挖钻机一般均采用内锁定式伸缩钻杆。


  1. 摩擦式钻杆具有操作简便,在同一主机上使用可实现更大钻深(比机锁杆层多)的优点,但靠摩擦力向钻具传递主机提供的压力,下压力较小,不适合钻进硬地层。

  2. 机锁式钻杆抗扭能力大,向钻具传递压力大,无传压损失,适合钻硬地层。

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钻头:可分为螺旋钻头、直螺旋钻头、筒式取芯钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头、液压抓斗和扩底钻头。


1、螺旋钻头

根据钻进地层不同,短螺旋钻头分为嵌岩短螺旋钻头和土层短螺旋钻头两类。按其头部结构形式分,短螺旋钻头又可分为锥头短螺旋钻头和平头短螺旋钻头。一般情况,嵌岩短螺旋钻头多为锥头形式,土层短螺旋钻头多为平头形式。


锥头短螺旋钻头根据锥头结构形式的不同和钻头导程的多少又可分为单锥单螺旋钻头、双锥单螺旋钻头以及双锥双螺旋钻头3种。嵌岩短螺旋钻头所用切削具为头部镶焊有钨钴硬质合金的截齿,主要用于钻进风化基岩、胶结性较好的卵砾石地层及永冻土层。土层短螺旋钻头所用切削具为耐磨合金钢斗齿或斗齿加截齿,主要用于钻进地下水位以上土层、砂土层和粒径不大的砾石层。

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2.旋挖钻斗

旋挖钻斗主要用来钻进较软的第四纪地层,还可用于钻孔清渣。旋挖钻斗根据底部结构不同可分为单底板土层钻斗和双底板捞砂钻斗,进土口分为单口和双口。根据钻斗筒体直径和钻机类型及其所钻地层钻斗设计有直筒和锥筒,底板的开合机构可设计为公母钩开合机构和矛头开合机构。针对地层情况制定不同的斗齿焊接角度。钻斗的筒体及底板均采用强度高、耐磨性能好的合金Mn板制作。根据钻进不同地层,切削具可设计为耐磨合金钢铲式直斗齿和旋转斗齿、 子弹头截齿以及斗齿与截齿混装3种形式。

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3.筒式取芯钻头

常见的有两种:截齿筒钻(适用于中硬基岩和卵砾石),牙轮筒钻(适用于坚硬基岩和大漂石)。在筒式取芯钻的两大类钻头中,又有带取芯装置和不带取芯装置之分,主要取决于取芯的难度。因为牙轮取芯钻头主要用于硬岩钻进,且钻取的环状面积大,如果有条件的还可以通过在钻头部分加装反循环机构进行反循环钻进,以提高钻进效率。

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4.扩底钻头

常用的以机械式为主,有上开式和下开式的,张开机构一般为四连杆的,用于土层、强风化、中风化地层甚至坚硬基岩。

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旋挖成孔灌注桩宜用于填土、粘性土、粉土、砂土、碎石土、软岩及风化岩等岩土层。


旋挖钻机常规钻进工艺

  1. 静浆护壁钻孔

  2. 全护筒钻孔

  3. 钻干孔

  4. 造壁钻孔(提前注浆处理孔壁)


旋挖成孔灌注桩按成孔方法可分为


  1. 干作业旋挖成孔灌注桩;

  2. 湿作业旋挖成孔灌注桩;

  3. 套管护壁作业旋挖成孔灌注桩;

  4. 复合工艺旋挖成孔灌注桩。

  • 干作业旋挖成孔:不使用稳定液护壁,直接采用旋挖钻具成孔的一种工法。

  • 湿作业旋挖成孔:采用旋挖钻具成孔、稳定液(水、化学浆、膨润土、CMC)护壁的一种工法。

  • 套管护壁作业旋挖成孔:使用套管跟进对易坍塌、易缩径地层进行护壁,采用旋挖钻具成孔的一种工法。


旋挖钻灌注桩成孔

旋挖成孔灌注桩作业地面应坚实平整,作业过程中地面不得下陷,工作坡度不得大于3.5%;地面不能满足旋挖钻机接地比压要求时,应采取铺设路基板、硬化地面等措施满足要求。


旋挖成孔灌注桩护筒埋设应满足要求:

  1. 护筒内径宜大于钻头直径200mm~300mm,钢护筒的直径误差应小于10mm。护筒下端宜设置刃脚。多节钢护筒连接宜采用焊接。焊接接头应满足强度、刚度、及防漏的要求,必要时可焊接加肋筋。

  2. 护筒顶端高出地面不宜小于0.3m;钻孔内有承压水时,护筒顶端应高出稳定后的承压水位1.5m。

  3. 护筒埋设时,应确定钢护筒的中心位置。护筒的中心与桩位中心偏差不得大于50mm,护筒倾斜度不得大于1%。护筒就位后,应在四周对称、均匀地回填粘土,并分层夯实,夯填时应防止护筒偏斜移位。

  4. 旋挖钻机埋设钢护筒时,应先采用稍大口径的钻头钻至预定位置,提出钻头后,再用钻斗将钢护筒压入到预定深度。

钢护筒驱动工法与装备:

旋挖钻机在钻孔作业中一般都需要埋设钢护筒(施工经验:小于1000时可不加)。国内的方法一般是人工埋钢护筒,即先挖坑或先钻孔再将护筒埋入,采用这种方式,第一施工量大,需要挖掘机等施工设备;第二在钻预埋孔时会出现塌孔,出现边塌边钻,边钻边塌的现象。


钢护筒驱动装备能在技术上解决此问题,这种装备在回填土层、浅层砂卵石层、多溶洞石灰岩层可发挥明显优势。


作业机理:作业时动力头通过驱动盘、连接盘、钢护筒驱动连接器将转矩传递给钢护筒、护筒靴,使钢护筒、护筒靴产生旋转运动;同时,旋挖钻机加压装置下压动力头并通过动力头将下压力传递给钢护筒、护筒靴。这样边向下压边旋转的运动使护筒钻入地层,钢护筒钻入与钻机取土交替进行,保证了在回填土层、浅层砂卵石层、多溶洞石灰岩层不塌空、不漏水、不浪费混凝土情况下高效作业。

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成孔时应符合下列规定:

1  钻杆应保持垂直稳固,位置准确(操作场地坚硬,不出现软弱层,浮渣)。

2  钻进速度应根据地层变化情况及时调整;

3  钻进过程中,应随时清理孔口积土,遇到地下水、塌孔、缩孔等异常情况时,应及时处理。


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旋挖钻灌注桩成孔形式:

1.干作业旋挖成孔

干作业旋挖成孔适用于地下水位以上的素填土、粘性土、粉土、砂土、碎石土及风化岩层。

干作业旋挖成孔灌注桩的施工工艺流程如下:

2.湿作业旋挖成孔

湿作业(即稳定液护壁)旋挖成孔适用于地下水位以下的粘性土、粉土、砂土(人保项目)、填土、碎石土及风化岩层。


湿作业旋挖成孔灌注桩的施工工艺流程如下:


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成孔钻进注意事项


  1. 不论孔内有无地下水和表层土质如何,均需设置表层护筒,护筒至少需高出地面30cm。在表层护筒插入到预定深度以前,均需使用钻头的铰刀。

  2. 为防止钻斗内的土砂掉落到孔内而使稳定液性质变坏或沉淀到孔底,斗底活门在钻进过程中始终应保持关闭状态。

  3. 必须控制钻斗在孔内的升降速度。因为如果快速地上下移动钻斗,那么水流将以较快的速度由钻斗外侧和孔壁之间的空隙中流过,导致冲刷孔壁;有时还会在上提钻斗时在其下方产生负压而导致孔壁坍塌,缩颈。

  4. 按照钻孔阻力大小,考虑必要的扭矩,来决定钻斗合适转数。

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  1. 在桩端持力层中钻进时,需考虑由于钻斗的吸引现象使桩端持力层松驰,为此上提钻斗时应缓慢。如果桩端持力层倾斜时,为防止钻斗倾斜,应稍加压钻进。

  2. 为防止孔壁坍塌,应确保孔内水位高出地下水位2m以上(降水井施工例子)。在钻进或提升钻头过程中始终保持同一液面,特别是不应缺浆,否则将造成钻孔坍塌的危险。旋挖钻机泥浆补充一般采用泵送方式。

  3. 清孔。钻斗的刀刃是倾斜的,会扰动孔底土层;钻进时钻渣和回落土多少会沉淀于孔底,因此清渣工作很重要。

  • 第一次孔底处理:在钢筋笼安放前进行,一般用捞渣钻斗来排除沉渣;如果沉淀时间较长,则应采用水泵进行循环处理。

  • 第二次孔底处理:在混凝土灌注前进行,通常采用泵吸或气举法进行。


清孔


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钢筋笼制作及安装


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混凝土制备及灌注



对于干作业成孔,灌注混凝土前应再次检查孔底,确保孔底干净无虚土等杂物。灌注混凝土应采用串筒或导管,串筒或导管下口距孔底不宜大于2.0m;扩底桩灌注混凝土时,第一次应灌到扩底部位的顶面,随即振捣密实;灌注桩顶以下5m范围内混凝土时,应随灌注随利用插入式振动器捣密实,每次灌注高度不得大于1.5m。桩顶宜超灌0.3m以上,确保桩顶质量。


对于湿作业成孔,灌注混凝土前应再次检查孔底,若沉渣厚度超标应二次清孔,合格后应立即灌注混凝土。


水下灌注混凝土应符合下列规定:

1、水下灌注混凝土配合比应通过试验确定,混凝土必须具备良好的和易性;坍落度宜为180~220mm;水泥用量不应少于360kg/m3,当掺入粉煤灰时水泥用量可不受此限。

2、水下灌注混凝土的含砂率宜为40%~50%,并宜选用中粗砂;粗骨料可选用碎石或卵石,粗骨料的最大粒径应小于40mm,且不得大于钢筋间距最小净距的1/3。

3、水下灌注混凝土宜掺缓凝剂、减水剂等外加剂。


导管使用应符合下列规定:

1、导管接头宜采用双螺纹方扣快速接头,导管接头处外径应至少比钢筋笼内径小100mm以上;对于直径大于1.0m的桩,导管直径不宜小于250mm;接头导管的分节长度可视工艺要求确定,宜配备长度0.5m~1.0m短节,底管长度不宜小于4m(埋深2m-6m)。

2、整套导管在使用前应进行试压试验,试水压力可取为0.6~1.0MPa。

3、导管应居中下放,两节导管连接应安装密封橡胶圈。

4、每次灌注后应对导管内外清洗干净,并宜对接头涂抹黄油进行养护。


灌注水下混凝土的质量控制应满足下列要求:

1、开始灌注混凝土时,导管下口至孔底的距离宜为300~500mm。

2、应保证足够的混凝土初灌量,确保导管下口一次埋入混凝土灌注面以下不应少于0.8m。

3、导管埋入混凝土深度宜为2~6m。严禁将导管提出混凝土灌注面,并应控制提拔导管速度,应有专人测量导管埋深及管内外混凝土灌注面的高差,填写水下混凝土灌注记录。

4、灌注水下混凝土必须连续无中断(断桩,夹渣),每根桩的灌注时间应按初盘混凝土的初凝时间(初凝2-4小时、终凝8-12小时)控制,对灌注过程中的故障应记录备案。

5、提出导管前应对孔内混凝土灌注面高度进行测量,桩顶超灌高度应不小于0.8m,凿除浮浆高度后必须保证暴露的桩顶混凝土强度达到设计强度等级。

6、混凝土试块应现场留置,留置数量应符合现行国家标准《建筑桩基技术规范》JGJ94的要求。



钻孔灌注桩施工事故与预防


钻孔灌注桩施工中常遇到的事故如下:

  • 塌孔

  • 吸钻

  • 钻孔倾斜

  • 缩径

  • 超方

  • 卡钻

  • 钻不进

  • 断钻杆



塌孔


1、泥浆塌孔:①泥浆比重(粘稠度)过低,孔壁支撑压不足塌孔;②泥浆比重过大,扩散速度快,地层遇水松散、剥落塌孔;③泥浆PH值大于11,泥浆胶体变为悬浮液而分层起不到护臂作用塌孔;④泥浆位偏低塌孔;⑤泥浆材料不对塌孔;⑥护臂周边土松动漏浆塌孔;⑦地下洞穴造成漏浆塌孔;⑧底层漏浆严重而塌孔;⑨泥浆补充不及时而塌孔。

2、涌水塌孔:①承压水压力被释放而造成涌水塌孔;②涨潮造成涌水塌孔。

3、支撑破坏塌孔:

4、地下河冲塌孔壁

5、大型机械对有振动流动性地层的振动造成塌孔

6、操作塌孔:①提放钻速度过快塌孔;②钻进速度过快塌孔;③钻机转速过高塌孔;④泥浆扰动塌孔;⑤冒钻塌孔;⑥形成抽吸活塞塌孔;⑦对不准孔心撞击塌孔。



塌孔预防措施


1、正确选择泥浆比重

2、正确选择泥浆PH值

3、预测并保证泥浆位

4、预测并观察漏浆,及时补充泥浆

5、针对性选择不同层深的护壁方法

6、预测承压水和涨潮,采取合理的钻进工艺

7、预测朽木和漂石,采取相应的钻具和钻进速度

8、有地下河时选好钻进工艺

9、避开与大型机械同时作业,钻孔灌注后桩孔5米内8小时内不准大型机械通过

10、针对土质选择合理的操作方法



吸钻


吸钻的种类:①流塑粘土吸钻;②膨胀土吸钻;③钻孔冒钻吸钻;④钻斗在粘土中静止时间太长吸钻;⑤钻具结构不合理吸钻。

预防措施:①选好或改造钻具;②扫孔;③不准冒钻,不准在粘土中停留时间太长;④有流塑粘土和膨胀土时,提钻速度不宜过快。



钻孔倾斜


产生原因:①钻杆竖直度不够;②软硬互层钻具选择不合理;③没有预测和处理地下洞穴;④没有清除孔壁探头石

预防措施:①常常观察水平仪,纠正钻杆倾斜;②在软硬互层选择平头钻具、双进土口钻斗,避免产生钻孔导向倾斜;③有地下溶洞时要采取填充溶洞或加设护筒等防止钻孔倾斜的措施;④有探头石要采取两步钻进法,即先松动再取土。



缩径


产生原因:

①在流塑粘土层钻孔未采取相应的措施

②在膨胀土层钻孔未采取相应的措施

③钻头提升过快,产生负压力

预防措施:

①扫孔

②不要提钻过快

③预防吸钻

④保证钻具流水畅通



超方


产生原因:①主机晃动严重;②钻具选用不合理;③泥浆配比与土质不符造成孔壁泥皮脱落;④泥浆比重过大造成局部塌孔;⑤操作原因:a、提放钻速度过快水流冲掉泥皮;b、钻速过快,破坏了泥皮与孔壁土的结合而脱落;c、没有采取减少泥浆对孔壁扰动的措施而使泥皮脱落。能造成超方的原因都能造成塌孔。

预防措施:①选择稳定的主机;②在砂性大的土质,要增加泥皮强度和粘度;④操作方式要因土质而异。



卡钻


产生原因:

①石子或砂子卡在岩石和钻筒中间

②钻齿嵌入岩缝

预防措施:

①选择合理钻具结构

②在钻经砂质土层进入岩层时要采取相应措施,特别是套管或旋压护筒钻经此处必须采取相应措施

③在钻进泥质胶结强风化硬岩时,不要采取长钻齿,为不堵赛后角可在齿与钻底间加导板



钻不进


种类:①粘土硬钻不进;②粘土打滑钻不进;③松散土层滑钻不进;④各种岩层钻不进

产生原因:①钻压不足;②钻具选择不合理;③打滑;④钻压过大;⑤中心钻选择不合理

预防措施:①合理选择掘进角;②调整刀头覆盖率;③根据土质选择钻齿;④根据土质粒径选择钻具进土口大小;⑤钻进粘土时用破坏再生粘土粘性的方法处理打滑,钻进岩层时要通过选择钻齿改变钻压等方式处理打滑;⑥在松软土层钻压过大会造成钻斗托底而钻不进;⑦钻进能力差的中心钻顶到其不能钻进地层会造成钻不进



断钻杆


产生原因:

①钻杆与主机扭矩不匹配;②在松散漂石、块石层钻进方法不得当;③卸土方法不得当;④使用小扭矩钻杆钻进时转速过高

预防措施:①注意钻杆与主机扭矩匹配;②注意钻杆与主机转速匹配;③钻进松散漂石、块石层时要两步进行,先用螺旋钻松动漂石、块石,再用钻斗取土;④甩土时要先开底甩土再合底甩土再开底甩土;⑤使用小扭矩钻杆时钻进转速不可过高