全套管钻机 旋挖钻机钻孔咬合桩施工工法

钻孔咬合桩围护结构主要采用全套管钻机，通过套筒护壁钻进成孔，使用超缓凝混凝土，使得钢筋砼桩相邻桩体能够被套管切割而相互咬合，排列而成一个整体的墙体起到良好的止水效果，90年代在我国出现的新型深基坑支护的围护结构。

全套管钻机又称贝诺特（Benoto）钻机，由法国贝诺特公司于20世纪50年代初开发和研制而成，随后日、德、英、意等国引进和研制，机种和施工方法均有很大发展，产品不断更新换代，在海内外广泛采用，截止到1997年12月，日本已生产摇动式全套管钻机770台，全回转式全套管钻机433台。据日本基础建设协会1993年对31家施工单位的10.1万根灌注桩的调查，全套管工法占26%。目前在香港全套管钻机的成桩数的市场份额约占45%。

我国于二十世纪七十年代开始引进咬合桩工艺，九十年代中期由昆明捷程桩工公司首先在我国开始研制MZ系列摇动式全套管钻机，简称磨桩机（桩径为0.8、1.0和1.2m）。在昆明、温州、深圳、北京、南京、杭州及天津等地深基坑支护工程中采用捷程MZ全套管钻机施工咬合桩逐渐得到广泛应用；但MZ套管钻机在地下水丰富的密实的粉细砂地层中，冲抓锥受机械设备性能限制难以抓土，即使抓上的少量砂土也在提升时被地下水从抓锥的缝隙中冲漏下，因此无法成孔；且套管难以下压，套管超前入土深度不够，易发生“管涌”现象。为此研究采用旋挖钻机+套管钻机相结合的新工法，解决了上述施工难题，该咬合桩的适用范围进一步扩大。

一）采用钢套管护壁，不需要使用泥浆；噪声低、振动小和机械化程度高，施工现场整洁文明，环保效果好。

二）采用旋挖钻机取土，能在高地下水位的密实砂土层中成桩，扩大了MZ套管钻机的适用范围。

三）在饱和致密砂层中，套管能够超前入土一定的深度，孔壁不会坍方，易于控制桩断面尺寸与形状，成桩直径和垂直度精度好，能保证桩间紧密咬合，形成良好的整体连续结构，能起到良好的止水作用。

四）在高地下水位时，采用注水反压工艺，能有效的防止孔内流砂和涌泥；较容易处理孔底虚土，清底效果好；避免了普通钻孔灌注桩可能发生的缩颈、断桩及混凝土离析等质量问题，充盈系数小，节约混凝土。

五）成桩过程中对周边土体的扰动可减少到最小程度，沉降及变形容易控制，能紧邻相近的建筑物和地下管线施工，安全性好，尤其适合于在市区内繁华地段施工。

旋挖钻机+套管钻机相结合，使套管咬合桩的适用范围越来越大，可在各种杂填土(含有砖渣、石渣及混凝土块等)、粘性土、砂性土和风化岩层中施工。

该工法利用转动液压装置，使钢套管与土层间的摩阻力大大减少，边转动边压入，套管始终应超前挖土面＞250㎝，造成一段“瓶塞”，阻止素桩的超缓凝砼的涌入；同时通过注水使套管内水位高于地下水位，对地层产生反压，防止发生“流砂”或“管涌”现象，旋挖钻机针对地层情况选用钻头挖掘取土，直至桩端持力层为止，经检验合格后立即将钢筋笼放入（素桩不放钢筋笼），灌注水下混凝土（素桩为超缓凝砼）成桩。最终通过素桩与钢筋砼桩相互咬合连成深基坑围护结构桩墙。

同排桩的成桩顺序，原则是先施工A1桩（超缓凝砼桩），再施工A2桩（超缓凝砼桩），后施工B1桩（钢筋混凝土桩），形成桩间互相咬合，成桩顺序：A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3??，如此循环如图所示：

一）工艺流程

导墙施工→钻机就位对中→吊放并压入第一节套管、校对垂直度、冲抓取土→注水反压、旋挖取土→终孔检查→（B桩吊放钢筋笼）→安装砼导管→灌注水下砼→桩机移位（重复上述工序）。

二）工序操作要点

1、导墙施工：为了提高钻孔咬合桩孔口的定位精度并提高就位效率，在桩顶上部设砼导墙，详见导墙模板安装图。导墙宽3.5m、厚度为0.3m；定位孔直径比桩径大2cm；导墙顶高出地面≥10cm，以防止地表水流入。

2、钻机就位对中：导墙砼达到强度后，重新定位咬合桩中心位置，将点位反到导墙面上，作为钻机定位控制点；移动套管钻机至正确位置，使套管钻机抱管器中心对应咬合桩桩位中心。

导墙模板安装图

3、吊放并压入第一节套管、校对垂直度、冲抓取土：钻机就位后，将第一节管吊装在桩机钳口中，找正套管垂直度后，磨桩下压套管，压入深度约为2.5m-3.5m，然后用冲抓斗从套管内取土，一边抓土、一边下压套管，保持套管底口超过开挖面的深度≥2.5m。

第一节套管全部压入土中后（套管高出导墙顶面1.2m-1.5m，便于接管），检测垂直度，如不合格则进行纠偏调整，如合格则安装第二节套管继续下压取土。

4、注水反压、旋挖取土：套管进入中密～密实砂层时，因砂土摩阻力大套管压入困难，为防止出现涌砂，快进入砂层时提前向套管内注水反压，保持套管内外水土压力平衡，后移走冲抓斗吊机改用旋挖机取土，边压入套管，并不断向套管内补水，直至挖至设计孔底标高。

5、终孔检查：将孔底的虚土全部清除，然后测量孔深、垂直度，直至满足设计要求。

6、灌注水下砼：终孔检查合格后（B桩须吊放钢筋笼，钢筋笼标高误差±20㎝），然后安装φ250导管进行水下砼浇灌；浇筑时检查每车砼类型与标号、坍落度情况，以免素桩与钢筋桩砼混用或发生灌注事故；每根桩制取一组试件，监测其缓凝时间及强度；施工时边浇注砼边拔管，但始终保持套管底低于砼面≮2.5m，桩顶标高误差±20㎝。

1.注水反压控制

在套管进入地下水位下的中密～密实砂层时，应提前向套管孔内注水，注水标高控制在地下水位以上不小于2m；水注满后旋挖钻机才能施工，在旋挖钻机施工过程中要及时对孔内补水，维持水位以保持反压，防止发生“流砂”或“管涌”。

2.超缓凝砼“管涌”的控制

在钢筋砼桩成孔过程中因素砼桩的超缓凝砼尚处于流动状态，超缓凝砼有可能从素砼桩与钢筋砼桩相交处涌入钢筋砼桩孔内，形成“管涌”。防止方法如下：

1）素桩的超缓凝砼的坍落度应尽量小一些，不宜超过18cm。

2）套管底口始终保持超前于开挖面一定距离（不宜小于2.5m），以便于造成一段“瓶塞”，阻止超缓凝砼的涌入。

3）要随时往套管内注水，并保持水位维持反压来平衡素砼桩砼和承压水的压力，阻止发生“管涌”事故。

3.采用砂桩法处理咬合桩接头：在施工段的端头设置一根砂桩（成孔后用砂灌满），待施工到此接头时按常规下压套管挖出砂，成桩后灌上砼即可；因砂桩施工处不可避免产生施工缝,开挖后会出现渗水现象,因此在基坑开挖前所施工的砂桩接缝外侧另增加一至两根旋喷桩作为防水处理。

每施工区（配置一台旋挖钻机与液压套管钻机），每天按8小时三班倒连续运转作业。每班所需人员组织如下：

1、 旋挖钻机+ 液压套管钻机组：由班组长1人、液压套管钻机司机1人、旋挖钻机司机1人、起重机司机1人和配合人员6人等组成，负责压、拔钢套管、套管监测、咬合桩成孔作业、钢筋笼吊放和桩身砼浇捣。

2、钢筋笼加工班组20人,负责咬合桩钢筋笼的加工和运输。

3、机电修理班组4人，负责修理吊车、桩机等机械设备，水电设施的维护。

1、材料

素桩超缓凝砼：是咬合桩施工工艺所需的关键性特殊材料，其作用是延长素砼桩砼的初凝时间，为其相邻钢筋砼B桩套管钻机素桩初凝之前切割素砼以达到的相互咬合成孔。超缓凝砼的技术参数：砼标号C20，三天强度不超过3Mpa；砼坍落度：素砼桩取16±2cm。

缓凝时间TH计算如下：TH=1.2×（Ty+2Ta+Tb）

式中：Ty：商品砼运输时间（hr）；

Ta：素桩单桩成桩时间（hr） Tb：钢筋砼桩单桩成桩时间（hr）

2、机械设备：每施工区配置机械设备如下：

一）桩垂直度控制

为保证咬合桩底部有足够厚度的咬合，确保止水效果，除对桩位定位误差严格控制外，还应对其垂直度进行严格的控制，根据设计要求桩垂直度要求为3 ?。施工中应抓好以下工作：

1.钢套管垂直度检查和校正：施工前在平整地面上首先检查和校正单节套管的顺直度，然后将按照桩长将所需的的套管全部连接起来进行整根套管的顺直度检查（偏差宜小于10mm）。

检测方法：在地面上测放出两条相互平行的直线，将套管置于两条直线之间，然后用线锤和直尺进行检测。

2.成孔过程中套管垂直度监测和检查：地面监测：在地面选择两个相互垂直的方向，同时用线锤或经纬仪监测地面以上部分的套管垂直度，发现偏差随时纠正。

孔内检查：每节套管压完后安装下一节套管之前，都要停下来用测斜仪或“测环”进行孔内垂直度检查，不合格时需进行纠偏，直至合格才能进行下一节套管施工。

如发现垂直度偏差过大，必须进行纠偏调整，纠偏的方法有以下三种：

1）利用钻机油缸进行纠偏：如偏差不大于或套管入土不深（5m以下），可直接利用液压套管机的两个顶升油缸和两个推拉油缸调节套管的垂直度，即可达到纠偏的目的。

2）素砼桩纠偏：如果素砼桩在入土5m以下发生较大偏移，可先利用钻机油缸直接纠偏，如达不到要求，可向套管内填砂或粘土，一边填土一边拔起套管，直至将套管提升到上一次检查合格的地方，然后调直套管，检查其垂直度合格后再重新下压。

3）钢筋砼桩纠偏：与素砼桩处理方法基本相似，但不能向套管内填砂或粘土而应填入与素桩相同强度的超缓凝砼，否则有可能在桩间留下土夹层，从而影响排桩的防水效果。

3.终孔检测：在每根桩成孔完毕，必须选两个相互垂直的方向进行垂直度检测（在需注水情况下，注水前提前进行垂直度检测）。

二） 超缓凝商品砼质量控制：

1.根据砼运输时间和A桩和B桩的施工时间，考虑20%的富余时间确定缓凝时间。

2.砼标号必须服从缓凝时间要求。

3.拌和材料符合规范要求的质量标准。 

4.通过试验最终确定配合比与缓凝时间，同时根据条件变化及时调整。

一）安全措施

因在地面作业，只需采取下列常规的安全防护措施：1. 起重吊装安全措施。2. 机械操作安全措施。3. 电气设备使用安全措施。

二）环保措施

由于套管咬合桩环保性好，但需加强弃土管理，防止污染周边环境。

将套管咬合桩与常用地下连续墙、钻孔灌注桩+旋喷桩止水和SMW工法桩等围护结构形式相比较，列表如下：

南京地铁二号线BT项目所街站基坑深约14m，基坑安全防护等级为一级；其围护结构设计为直径Φ1000@800mm的套管咬合钻孔灌注桩，桩间咬合20mm，最深桩长达28m。

根据地质资料，在桩长范围内地面以下6～8m出现中密～密实的饱和3d2-3粉细砂层；地下水位在地面以下1m左右，并具有承压性，易出现突涌、流砂等不良地质现象。

进场后，采用MZ液压套管桩机在坑外进行成孔试验，当地面以下6～8m遇到中密～密实粉细砂层（有承压水）出现冲抓取土量稀少、涌砂和套管无法压入现象，仍至出现3cm厚全套管被压变形，试桩陷入停滞状态。

经研究决定：成孔采用“液压套管+注水反压+旋挖钻成孔”方案，通过两根试桩，总结出砼缓凝时间、注水反压高度、不同土层套管超前压入深度、旋挖取土深度沉渣控制等施工参数，并下发了作业指导书，从而使咬合桩施工走向正常化，实践证明采用每二台MZ液压套管桩机配置一台旋挖钻机的施工方案（成桩2根/天），能有效解决了在高地下水位下的中密～密实的砂土层中钻孔咬合桩的施工难题。