全套管R.C.D钻孔桩基施工技术及质量控制

摘 要：澳门轻轨C370项目桩基础施工，采用全套管R.C.D岩盘深基础工法、利用搓管机配合蚬式冲抓斗，边冲抓钻进，边跟进钢套管护壁，R.C.D反循环钻机钻掘硬质岩层，清水环境下灌注混凝土，有效解决穿越松散垃圾层和泥浆污染等问题，保证桩基整体施工质量。

关键词：钻孔桩；嵌入硬岩；全套管R.C.D；施工工艺；质量控制

1 概述

全套管R.C.D钻孔桩施工是全套管施工法与R.C.D岩盘深基础工法的结合，全套管施工法在国外称为贝诺特施工法，采用的边冲抓钻进，边跟进套管护壁的施工方法。R.C.D岩盘深基础工法使用反循环岩石基础钻机钻入硬岩的施工方法，利用钻机的合金钻头及液压装置磨碎岩石、利用中心钻杆吸出破碎的碎石。两者结合可以满足淤泥质土层、堆填区、垃圾土等松散地层的钻进和需要破碎硬质岩层的深基础嵌岩桩施工要求。

澳门轻轨C370项目桩基础采用该工法进行施工，很好地解决了回填建筑垃圾层易塌孔、市区泥浆制备环境污染严重、钻入岩层深达十几米、嵌入硬岩4m的施工难题，整体质量控制良好。

2 工程概况

澳门轻轨C370 仔口岸段为城市轻轨高架桥，线路全长3.07km，桩基础设计为深基础嵌岩桩基、四根桩基构建群桩承台，方形墩柱，上部结构为节段式预制梁，体外预应力张拉，桥面设置混凝土行车轨道。

根据地质资料揭示，施工区域所处位置是以前填海工程地段，地层从上至下为：回填层、海洋沉积层、砂质淤泥夹带花岗岩质地、中等风化的粗粒花岗岩，其中回填层多为建筑垃圾，厚度达22m以上，地层连续性、稳定性差，地质情况十分复杂。

桩基分为直径1.2m、嵌岩深度3.6m和直径1.5m、嵌岩深度4m两种，设计持力层为Ⅲ级以上微、中风化岩，基岩完整取芯率（TCR）须大于85%，基岩之单轴抗压强度（UCS）须不少于25MPa，实际基岩单轴抗压强度在80～150MPa。桩基长度30-100m，实际钻入岩石深度3.8-16.7m，施工难度很大。

3 全套管R.C.D反循环施工特点

全套管法利用液压搓管机将5cm壁厚钢套管摇动压入土层直至基岩面，利用管壁支撑土体，套管同时起到RCD钻机工作平台和钻杆定位导向作用。不会造成孔壁坍塌，同时不需要泥浆护壁，避免了泥浆池占地开挖、泥浆外运处理等泥浆造成的环境污染问题、成孔垂直度控制良好、孔底沉渣清理较为干净，特别适合淤泥、回填区及地层连续性、稳定性差的复杂地质情况，在垃圾处理要求严格，环保要求高的城市施工具有较大优势。

R.C.D反循环钻机利用液压合金头部研磨破碎岩石，适合入岩深度大、强度较高的嵌岩桩施工，特别是嵌岩部分可以扩孔成不同角度的大桩头是其他工法不能满足的，该施工工艺在海外、港澳台等地应用十分广泛。

4 全套管法施工工艺

4.1 钻孔桩施工主要设备

钻孔桩主要设备为：搓管机、80t履带吊机、蚬式冲抓斗、韩国R.C.D反循环钻机、空气压缩机、5cm壁厚钢套管、导管等。

4.2 钻孔工艺流程

场地准备桩基测量定位搓管机就位下首节钢套管抓出泥土跟进中间套管并抓土直至硬质岩层RCD反循环钻机钻孔至设计基底扩孔至设计角度（如设计需要）清孔验收及垂直度测试下放钢筋笼边浇筑混凝土边提升钢套管桩基质量测试。

4.3 分部施工质量控制要点

4.3.1 场地准备。首先对施工区域场地进行平整，土质疏松地段回填砂砾石压实处理，必要时铺设2cm厚钢板，保证施工区域内履带吊、混凝土运输车等重型设备行走安全。同时RCD反循环钻机、钢套管、搓管机等重达70吨以上，安装吊运同样需要坚实的地基基础。其次搓管机工作时地面受较大反力，特别是套管深入地下后摩擦力增大，如果基础处理不合格很容易造成基础下陷、套管倾斜。因此利用在桩基桩身周边浇筑15cm厚钢筋混凝土做为搓管机基础，混凝土与设计桩身边缘留置20cm空隙。

4.3.2 测量定位埋置钢套管。首节套管平面位置是成桩桩位精度控制的关键，现场利用全站仪准确放设桩中心点位，用彩色喷漆画出桩身位置。为防止桩位破坏移位，设置十字护桩，中心交汇处即为桩中心。搓管机就位，使搓管机卡盘中心与桩中心重合，吊起首节钢套管对位桩中心放入搓管机卡盘内部，夹紧卡盘固定钢套管。搓管机通过左右两侧回转油缸的反复推动使套管转动，首节钢套管头部带有合金刃脚，套管旋转时切割土层，加压使套管在搓管机摇动下顺利沉入土层。首节套管固定后必须进行平面位置及垂直度复测和精调工作，确保套管对位准确、管身垂直。平面位置利用全站仪测量套管左中右三点设计坐标，根据设计坐标与实际管身偏差进行管位的调整。垂直度则利用全站仪观测竖向管壁外缘是否在同一直线，如有偏差根据实际偏差情况微调搓管机扶正油缸使套管垂直。套管摇入过程中利用水平尺测量管身是否垂直，配合掉线法加以辅助。在套管两侧安设三脚吊架，吊架高度2-3m，中央吊挂垂球，通过观测套管侧壁与垂球线之间距离大小来调整套管竖向角度，以满足套管垂直度要求。

4.3.3 冲抓泥土，接入后续套管直至硬岩基面。首节钢套管埋入之后，开始利用履带吊配合蚬式冲抓斗抓取管内泥土，提升蚬式冲抓斗至距离泥土表面约4-5m高度，使用吊机快放功能迅速使抓斗下落，利用抓斗的自重和冲力冲抓泥土。冲抓做业时吊车手要注意观察连接抓斗的钢丝绳下放距离，计算泥土面到套管底的距离，该距离不得小于1.5倍管径。过度超挖会造成在套管底部下方土层不稳形成塌陷，灌注混凝土时会有较大超方，塌方严重甚至会造成浇筑时混凝土面下降过大形成断桩。蚬式冲抓斗抓土是在一定高度下使抓斗作自由落体运动，利用较大的自重形成大的冲力贯入土层，提升吊索使头部夹片回扣夹紧土体，继而提取出管外。因此需要使用吊车的快放功能，该功能可以在空载或轻载工况下快速放绳使吊钩自由下放。国内型号的部分吊车出于操作安全性考虑，避免操作中误碰或违章操作造成重载快放出现安全事故，将快放功能取消。因此在设备选型时一定要注意确认履带吊车必须具备快放功能。套管连接是否牢固、拆卸是否简便至关重要，特别是在混凝土灌注过程中需要提升导管并拆除套管，拆除时间过长则造成混凝土浇注中断时间超出允许值会造成断桩。因此钢套管能否顺利拆除是混凝土浇筑效率和浇筑质量的关键，为使钢套管既拆装方便快捷又能保证钢套管在大扭力作用下的连接稳定性，钢套管的连接不选择焊接而使用12个螺旋锁扣件链接，套管之间设置定位销，使套管准确对位并承担旋转时剪力，锥形环焊接在套管上，套管对接之后，使用六角扳手扭紧承托环，锁紧套管。因此在套管摇入前要仔细检查锥形环及承托环丝扣是否完好，有损坏的及时更换。在连接锁紧过程中对位要准确，不能强行拧入，造成无法正常拆卸，套管拆除时发现无法正常拆卸要果断处理，利用氧焊割除，不能造成混凝土中断时间过长。砂质层地质钻孔需要注意“涌砂”现象的发生，以免扰动周围土层，若有“涌砂”现象发生应保持套管中水位高于地下水位，在水中继续进行钻掘，以保持地层稳定。

4.3.4 R.C.D反循环钻机就位钻入硬岩直至终孔高程。套管沉到较硬岩面并且抓斗无法继续抓入时，就需要R.C.D反循环钻机进行钻岩作业。R.C.D反循环钻机利用动力头提供的液压动力扭动钻杆并带动钻头旋转，依靠滚刀钻头俗称“菠萝头”与岩石摩擦钻进，破碎后的岩石经由中空钻杆上升通过压送软管排出至地面储水槽中。R.C.D反循环钻机能够随时提取孔底的岩样，观察岩层实际情况，与超前钻探比对准确判定入岩位置和终孔岩样要求。钻杆接头每隔12m设置定位导向环，导向环比钢护筒直径稍小，可以保证在钻进时钻杆不发生扭曲破损和入岩部分的孔身垂直。钻孔深度的准确测量方法通过计算钻杆长度推算和通过中空钻杆直接测量两种方式，在钻进时每次接长钻杆都要求详细记录钻杆长度用以推算实际入岩深度，当钻至设计岩面时利用测绳从中空钻杆位置直接测量孔深。

4.3.5 清孔垂直度测试。钻孔完成后移走R.C.D反循环钻机进行清孔作业，采用气举反循环清孔方法，将气管与钢导管同时下放到孔底，在钢导管底端内部压入空气，孔底的沉渣在压力差作用下通过导管排入沉渣池。清孔做业完成后，由监理工程师对孔深进行检查签证，并提取水样确认清孔质量。然后进行垂直度测试（Koden），测试采用Koden超声波孔壁检测仪进行，对成孔的孔径、垂直度等给出详细的检测报告。

4.3.6 钢筋笼吊装。钢筋笼提前运至施工现场，利用25吨汽车吊将钢筋笼垂直吊起放入孔内，两节钢筋笼之间用U型锁码机械搭接，搭接长度40D。钢筋笼内安设一大三小钢管，用作后期界面取芯及超声波桩身测试预埋管。钢管之间搭接必须紧密不漏水，钢管连接如果采用焊接要严格避免将钢管焊穿，造成水泥浆渗入管内将管道堵塞。在实际施工中将一大三小钢管更换为两大两小钢管，多出的大管可以作为备用管，一旦后期桩底存在缺陷需要处理时可以采用高压注浆方法，两条大管刚好作为进浆和出浆通道。钢筋笼保护层环向设置6个“飞轮”，竖向间距2m，“飞轮”为塑料齿轮状环形钢筋垫圈，中心卡在钢筋上，使钢筋笼外缘与钢套管之间距离符合要求，在后期混凝土浇筑时，钢套管提升不会挂住钢筋笼造成钢筋笼上浮或者套管无法拔出。钢筋笼吊装完成后需进行二次清孔，确保孔底无沉渣。

4.3.7 浇筑水下混凝土。导管在使用前要做气密性测试，导管间连接紧密、拆装方便。首批混凝土方量要经过准确计算，保证导管埋置深度不小于1.5m。由于澳门轻轨对桩底混凝土与岩层连接紧密性要求较高，交界面不允许有沉渣及混凝土离析现象。初期采用常规的剪球法直接灌注首批混凝土桩基界面出现不同程度离析，为此对施工方案进行优化特别在首批混凝土浇筑前剪球法灌注2方B50水泥净浆，使桩底及导管内充盈水泥浆，随后再正常灌注首斗混凝土，此方案有效避免了混凝土直接与导管内水接触冲刷造成界面离析，交界面离析现象消除。随后连续灌注后续混凝土，随着混凝土面的提升，逐节提升和拆除导管、钢套管。施工时必须准确填写混凝土浇筑记录表，准确记录导管和钢套管每一节长度和组合顺序，详细测量每车混凝土上升高度、导管埋置深度、钢套管埋置深度等关键数据。必须保证导管埋置深度2-6m。钢套管的拆除必须保证顶端钢套管提升拆除后，钢套管埋深仍然在6m以上为佳，套管埋置深度也不能过深否则套管提升困难。浇筑过程中认真查看混凝土浇注速度与孔内水上升速度是否一致、每车混凝土理论与实际上升高度是否一致、钢套管提升后混凝土面下降高度是否合理、导管内是否进水等关键环节，一有异常马上停止浇筑查找原因并及时处理以保证施工质量。混凝土面实测值上升至设计高度时仍需继续灌注混凝土，使最终完成面超过设计标高不小于1m，保证设计桩头位置混凝土密实。

4.3.8 桩基质量检测。完成混凝土浇筑14天后进行界面取芯验证交界面施工质量，随后进行超声波测试检验桩基完整性。

5 结束语

随着超高层建筑、高速铁路桩基的稳定持力层要求，特别是淤泥、软土地区等复杂地质条件等对桩基础要求的不断提高，嵌入硬质岩层的桩基设计逐渐增多。全套管钻孔桩施工技术以其适用范围广，无泥浆污染、无塌孔风险，安全环保质量可靠，特别适应复杂地层和嵌入硬岩的特点，在众多桩基施工工艺中具有独特优势。该工艺在海外工程中应用广泛，对国内类似工程有着很好的借鉴意义。

参考文献

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