钻孔灌注桩施工塌孔原因分析及预防措施

摘要：论述了钻孔灌注桩施工塌孔原因，对该工程施工中技术及问题预防措施进行了详细阐述，结合在江汉平原水网湖区高速公路钻孔桩施工中的应用，详细介绍本工程钻孔桩塌孔预防的施工工艺，得到的结论可以为类似地质条件下的钻孔灌注桩施工提供指导。

关键词：钻孔桩；塌孔；高速公路；水网湖区；预防措施

中图分类号： U412 文献标识码： A

0引言

近些年来，随着全国公路里程的的迅速增长，高速公路建设也从国家动脉变成了省内动脉，各种高速纵横线、环线、支线遍布我国中东南大部分省市地区，高速公路作为城市间快速连接通道，具有公路网大动脉的功能。但目前我国高速公路建设周期短，作为高速公路建设施工方的施工质量尤为重要，特别是在一些复杂地质地貌条件下，就需要选择科学合理的施工工艺。

本文依托武汉城市圈环线高速公路工程，分析钻孔灌注桩施工塌孔原因及预防措施和施工工艺，可供类似地质条件下公路工程参考。

1 工程概况及施工环境

1.1 工程概况

武汉城市圈环线高速公路仙桃段一期土建施工第XTTJ-2合同段，起于仙桃市西流河镇金桥村，止于沙湖镇阳明村，起点与武汉城市圈环线高速公路仙桃段1标段对接，终点与武汉城市圈环线高速公路荆州段对接，沿线经过西流河镇、沙湖镇，全长22.938km。全线拥有钻孔灌注桩3302根。

1.2 地质条件

全线地质为长江流域中下游的淤积湖区流沙地质，主要表现为上层是流塑状淤泥和软塑-流塑状淤泥质土，具有含水量高、高孔隙性、低渗透性、高压缩性、低抗剪强度、较显著的触变性和蠕变性等不良特点；下层为细砂、粉砂、中砂和粗砂，层厚达到10-30米以上，且有流沙。进行钻孔灌注桩施工时，容易发生塌孔现象，成桩质量得不到保证。

2钻孔桩塌孔的原因

造成塌孔的主要影响因素有工程施工环境、地质条件、泥浆的原料及性能指标、钻机类型及钻进的速度、工序衔接等。本项目工程主要使用旋挖钻机及正反循环钻机进行钻孔施工，经我部技术质量部分析，造成本工程钻孔灌注桩施工过程中出现塌孔现象的原因主要有以下几点：

2.1共因

（1）施工外部环境

本工程地址条件较差，地下水位高，淤泥土层与砂层较厚，个别区域还存在流沙。粉砂层有“空隙大、渗透性好、内聚力小，对外力反应灵敏，在微弱动水或外力作用下易产生移动，丧失稳定”的特性。若钻孔灌注桩在钻进过程中未采取恰当的处理措施就会破坏土体本身的应力平衡，形成塌孔。

本工程所处区域雨量充沛，河水位基本取决于区间雨量，雨季涨幅较大。

（2）护筒埋设不当

护筒埋置太浅，采用开挖埋置后回填土未分层压实，导致无法阻隔高水位地下水渗流或护筒刃脚处漏浆造成周遭土体长时间浸泡变软，加之受地面施工扰动，桩孔在护筒下端刚柔交接位置处坍塌。

（3）护壁泥浆性能

泥浆性能指标不能满足施工要求是造成塌孔的主要原因。泥浆的性能指标决定了泥浆能否形成均质、致密的泥皮，避免由于地下水渗流等形成水土流失通道而造成土体失稳。孔内水头高度不够或孔内出现承压水、降低了静水压力。

（4）钻机钻进速度

在松散砂层中钻进时，进尺速度太快或停在一处空转时间太长，转速太快。

（5）其它外部扰动

施工过程中，大型机械、车辆施工作业时对地层产生的扰动及附近有进行爆破，打桩、强夯等施工作业产生的较大振动均有可能造成附近钻孔灌注桩基塌孔。

（6）后续工序衔接

桩基成孔下放钢筋笼时，由于钢筋笼倾斜及未严格对中对孔壁的刮蹭作用，导致孔壁坍塌；二次清孔时，由于下放钢筋笼时对孔壁的刮蹭作用，部分原来由泥浆渗入孔壁周围砂层并具有一定的粘结力的保护层被破坏，清孔时在重力作用下，孔壁发生坍塌；首罐混凝土浇注时，在较大的上浮力冲击作用下，孔壁土体突然受较大扰动、土层强度破坏造成坍塌；施工过程中工序衔接不到位，导致桩基成孔后停放时间过长，造成塌孔。

2.2特因

（1）旋挖钻机

旋挖钻机在正旋钻进完成后应缓慢反旋提渣，若以较快速度突然提钻，将在孔底形成瞬时负压，在钻头位置未设置导流槽尤其明显，易造成孔壁缩径甚至塌孔。

（2）反循环钻机

采用反循环成孔时，由于反循环工艺的特殊性，泥浆浓度相对于其他钻孔形式要低，对孔壁的压力减小，砂层在自重作用下发生坍塌。

（3）正循环钻机

正循环钻机钻孔施工时泥浆兼具护壁及排渣两个主要作用，故而一般泥浆比重较大，静水压力大，孔壁稳定性较高。但实际施工中，人们往往只重视其泥浆比重及排渣能力，对泥浆质量关注不多。在靠近河流等地势交底、地下水渗流作用强烈区域，由于孔内泥浆水头高度较低及桩孔周围用以阻隔渗流的泥皮质量差，多种因素综合作用下发生塌孔。

3钻孔桩塌孔的预防措施

3.1优化泥浆配置

泥浆是钻孔灌注桩钻孔成钻施工质量控制的关键。不同的施工阶段对泥浆的配制要求不一样。钻孔泥浆由水、粘土(膨润土)和添加剂组成。具有清洗孔底、浮悬钻渣、冷却钻头、钻具，增大静水压力等作用，并能在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流。

调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆，应根据钻孔方法和地层情况来确定其稠度。泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差；泥浆太稠会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。

泥浆配置时应注意控制五个方面。

（1）控制泥浆液面

要控制护筒内液面标高高于河水面1m多，必要时可以安装水位检测灯，由专人看管，以保证足够水头压力，维护下部孔壁安全。

（2）控制泥浆比重

泥浆比重过大，失水量大，孔壁易剥落、崩解的可能性就大。泥浆比重过小，孔内水压力就小，易造成坍孔。在砂性土质或较厚的夹砂层中成孔时宜用膨润土做造浆原料,应控制泥浆相对密度在1.1~1.3之间；在砂夹卵石和易塌孔的部位成孔时，应控制泥浆的相对密度在１.3～1.5之间，并在泥浆中适当掺入水泥浆及早强剂，对增强孔壁稳定性有积极作用。成孔时泥浆的相对密度以1.1～1.25左右为宜。

（3）控制泥浆粘度

粘度过高会使泵压升高，排量显著减少，钻速下降，排粉困难，压力增长，泥浆粘度控制在18～22s，一般为20s。

（4）控制泥浆PH值

泥浆PH值的大小，表示了泥浆酸碱性的强弱。PH7为碱性，PH值越大，碱性越强；PH=7时，泥浆为中性。如果PH值大于11，则泥浆会产生分层现象，失去固壁作用。一般控制泥浆PH值在8～10范围为宜，此时泥浆能较快形成薄而坚实的泥皮，固壁性能好。

（5）泥浆的配备要求

我们均选用当地高塑性粘土作为主要制浆材料,优质膨润土作悬浮剂,碳酸钠作为分散剂,并进行优化配制。配1m3 比重为1125 的泥浆需当地优质粘土400kg、膨润土50kg、碳酸钠015kg～1kg、其余为水800kg ,以上配比根据实际情况适当调整。

此外，在钻孔施工过程中，还应注意以下问题。

（1）使用适当外掺剂

在泥浆中适当掺入水泥浆及早强剂或水玻璃，对孔壁有一定的护壁作用，特别是在刚开始钻进、钻进至护筒底部和进入沙层时。初钻时启动泥浆泵和转盘，空转一段时间，待泥浆输进钻孔中一段时间和一定数量后开始钻进。进尺至沙层部位时，必须用泵回水以减少泵量钻进，防止泥浆冲刷孔壁而造成沙层扩径；钻进过程中及时检查泥浆指标并适当调整，及时补充泥浆或净化，每钻进2米捞取钻渣样品并记录与设计资料核对。

（2）维持孔内水头

二次清孔时应指定专人补水，保证钻孔内必要的水头高度。供水管最好不直接插入钻孔中，应通过水槽或水池使水减速后流入钻孔中，可避免冲刷孔壁。二次清孔时严格控制孔底泥浆比重，防止泥浆比重过低；泥浆指标:比重1.25 ,漏斗粘度18～22s。

（3）遇流沙层的处理

若钻孔过程中发现孔位穿过流沙层时，应进一步加大泥浆比重，掺入上述外掺剂，减缓进尺速度。

3.2选择适应地层特性的钻速

钻进速度是厚砂层钻孔灌注桩施工值得重视的内容。成孔速度太快,则泥浆在孔内循环时间短,护壁不好,而且造成沉渣太多,不但孔径达不到要求,而且易诱发孔内事故。钻进速度太慢,则工作效率低,难以保证工期。所以,选择合适的钻进速度尤为重要。通过摸索总结,开孔5m 内及地质情况发生变化部位（如护筒底端与下部土体相接位置、粘土层与砂层交接位置等）应慢慢进尺,其余钻进速度以稳定在6m/ h～8m/ h 为宜。且根据实际地质状况，严格控制不同地质时的成孔速度，对砂、砂砾等土层必须注意转台旋转不可过快，如过快有时将产生径向摆动。且成孔速度太快，在孔壁周围来不及形成泥膜就容易使孔壁坍塌。在粘土中钻进，由于泥浆粘性大，钻锥所受阻力也大，易糊钻，宜选用尖底钻锥、中等转速、大泵量、稀泥浆钻进。在砂土或软土层钻进时，易坍空孔，宜选用平底钻锥，控制进尺，轻压，低档慢速，大泵量，稠泥浆钻进。如按此钻速,用好泥浆,可避免扫孔,一次顺利成孔。

对旋挖钻机，钻斗提升时严格控制其速度，升降速度保持在0.75m/s较为适宜，特别在刚提离孔底时，应减慢速度，待提升一段高度孔底被泥浆充满后恢复正常升降速度。

3.3减少施工扰动

对于靠施工便道一侧的桩基，尽量选择在夜晚施工，过程中限制附近重型机械作业。尽量减少过程中对地层的扰动。

3.4加强工序衔接

（1）减少后续工序施工对孔壁的破坏

吊入钢筋骨架时应对准钻孔中心竖直缓慢插入，以防钢筋笼触动孔壁，破坏阻隔渗流的泥皮及扰动周遭土体结构引起坍塌。首罐混凝土量适当加大。

（2）保证工序衔接有序

加强对施工过程监管，避开雨天灌注混凝土，确保桩基成桩过程顺利，可避免因各种因素影响造成的因桩基成孔后停放时间过长而导致塌孔。

4钻孔桩塌孔预防措施的效果

本项目通过进行部分试验桩基施工取得适合此工程环境下相关参数，并不断优化泥浆配比，控制钻进速度，在靠近河流沟渠及地下水渗流较强烈极易塌孔区域进一步加强成孔施工控制，大大减少塌孔事故，保障了一次性顺利成孔率，取得了较好的经济效益，对类似地质条件下的钻孔灌注桩施工起到了积极的指导作用。

5结论

本文结合圈环线高速公路工程钻孔灌注桩施工，分析了塌孔的主要因素有地质情况、后序工序影响、水头及护筒高度、钻进速度、混凝土灌注及泥浆性能几个方面，并提出了泥浆指标的控制、已成孔的保护及不同地层钻速选择等预防措施是防止塌孔的关键。