冲(钻) 孔灌注桩施工常见事故防治措施
在冲(钻) 孔灌注桩施工过程中,由于主观、客观等多方
面的原因,往往会发生如坍孔、断桩等常见事故,有时甚至是
不可避免的。作为工程技术人员,如何尽可能地预防、减少
事故的发生以及一旦发生事故后,怎样迅速、准确地分析、判
断事故形成的原因,然后在认真分析地质报告和现场施工条
件后,采取相应的既安全经济、又快速的处理方法是十分重
要的。笔者根据多年来带领学生进行桥梁施工实习及高速
公路施工监理过程中的所见所闻,总结了大量工地处理冲
(钻) 孔灌注桩施工常见事故的实际经验,并参考有关文献及
规范,归纳出如下几点,供同行们参考。
1 坍孔
1. 1 孔口附近产生坍孔
主要表现是:护筒(钻杆) 倾斜、护筒下沉明显;钻头吊绳
偏离孔位中心;孔内水位骤然下降并冒密集的小气泡等。
坍孔的主要原因是:护筒埋置深度不够或护筒周围回填
的粘土分层夯实不够;孔口附近地面受水浸湿泡软(如泥浆
沉淀池距孔口过近);孔内水头压力不足;向孔内补水时水流
对孔壁有冲刷;开始冲孔进尺过快;吊绳放松过长致使钻头
撞击护筒或孔壁;泥浆稠度不够等。
处理措施:如护筒下沉过多或倾斜,应及时扶正护筒,或
者将护筒四周回填土清除,摆正护筒,用粘土分层回填夯实。
严重时应挖出护筒,重新按要求埋置后再冲孔;在护筒底脚以
下2 —4m 范围内属河床表层,通常比较松散,所以开始冲孔
时应采用粘土加砾石的稠泥浆小冲程,防止钻头撞击护筒;补
水管应置于护筒中部,防止冲刷孔壁;保持孔内有足够的水头
压力(孔内水位比孔外地下水位高出2m 以上);在砂夹卵石
及砂层中开孔时,按1:1 投入粘土和小片石,遇有软土层时,
按2 :1 或3 :1 投入粘土和小片石,采用小冲程、高频率反复冲
砸到护筒脚下1 —1. 5m 处停下,回填到护筒底脚以上1. 0m ,
再继续冲击,使孔壁坚实,不坍不漏。一旦判明发生了坍孔,
如情况不严重时,可按1 :1 投入粘土和小砾石,回填至坍孔位
置以上(或护筒底脚以上)1. 0m, 并加大泥浆比重继续冲击;
如情况严重时,应将钻孔全部用砂夹粘土或小砾石夹粘土(1 :
1) 回填,经3 —5 天密实后,再重新冲(钻) 孔。
1. 2 孔内深部发生坍孔
主要表现是:孔内水位骤然下降并冒密集的气泡;冲击
机或卷扬机负荷明显增加甚至钻头运转不起来;长时间冲击
进尺很小等(用测绳测得的孔深与理论计算值差距较大) 。
深部坍孔的主要原因是:孔内水位高度不够,没有足够
的水头压力(往往由掏渣后未及时补水或泥浆所致);泥浆稠
度不够;冲孔通过取土层有潜流或流速较大。产生对流,加
之补水不及时;钻头或掏渣筒吊绳放松过长致使其撞击孔
壁;此外,在松软砂层中进尺太快(采用大冲程) 等。
防止措施:冲孔过程中应始终注意保持孔内泥浆有一定
的稠度;松散粉砂或流砂中冲进时应多加粘土与砾石,或者
风化片石等,将松软土层挤紧,同时加大泥浆稠度;保证孔内
有足够的水头压力(水头高于孔外2m 左右);控制进尺;放
松卷扬机或冲击机不宜过多。一旦判明发生了坍孔,当孔内
坍塌不严重时,可回填至坍塌位置以上1 ———2m , 并加大泥
浆比重继续冲进。较严重的坍孔,应将钻孔全部用砂夹粘土
或小砾石、小片石夹粘土回填,经一星期左右沉淀密实后,校
正护筒位置无误后再重新冲孔。
2 埋钻、卡钻、掉钻
主要表现是:钻头提不上来或掉入孔中。
产生原因是:
埋钻:通常是由于较大的坍孔或钻头冲入软弱土层中太
深所致;冲击进入粘土层时,因土层本身可以造浆,应采取小
冲程、快速、勤掏泥的办法逐渐降低泥浆稠度,否则会因泥浆
过稠而造成埋钻。
卡钻:一般是由于冲击进入风化岩层或岩层中,采用较
大的冲程冲击,当钻头吊绳放的太松,致使钻头下落后倾斜,
顶住孔壁或冲击进入夹层的岩层中,造成卡钻;孔内有探头
石未凿除或有大块孤石坍落、孔口有杂物下坠等。
掉钻:发生埋钻或卡钻时强行上提钻头,或者是由于缺
乏检查,吊环、吊绳断裂;(吊绳自然磨损检查时未发现,特别
是扒杆顶端及连接处磨损或拧断);冲击锥的转动套断裂;吊
绳放松过少而形成“打空锤”时使吊绳因受荷过大而断裂;钻
杆与钻头松脱等。
防治措施:
无论发生埋钻或卡钻,都不得强行上提钻头,以免造成
吊绳断裂或坍孔。如埋钻不太深,可用套绳、打捞钩具勾住
钻头,并与吊绳共同受力将其提上来;如埋的较深,打捞钩具
往往难以勾住,即使勾住时也可能提不上来。则应采用空气
吸泥机或空气压缩机吹开埋钻的泥砂,再提出钻头。
判明是卡钻时,可先用打捞钩具勾住钻头,同时给吊绳
施加横向力晃动钻头,待钻头松动后再将其提出;如仍不能
提出,则改用小钻头冲击障碍物,将其打碎或压进孔壁。也
可直接冲击原钻头,使其松动后吊起。
一旦发生掉钻,应及时打捞。间隔时间愈长,钻头会埋
得愈深,与周围泥砂锈蚀也愈死。当使用打捞工具无济于事
时,比较有效的方法是采用空气吸泥机或空气压缩机吹开埋
钻泥砂,然后再行打捞。
3 缩孔、弯孔、斜孔
主要表现是:吊绳偏离护筒中心;钻头上提困难(机器载
荷明显增加);清孔后放入钢筋笼时下不去或倾斜等。
产生原因是:护筒以下有较厚的淤泥质亚粘土、亚沙土
夹层,而孔口地面又堆有较大的荷载(如震动较大的施工机
具、建筑材料等) 往往会造成缩孔;开始冲击时地层较松软,
如果采用冲程较大、吊绳放得较松,往往会造成斜孔;钻锥在
冲击时转动套不够灵活、或因泥浆太稠而影响钻锥钻转动,
会形成缩孔和梅花孔;孔内有探头石或障碍物,使钻头受力
不均,也会造成弯、斜孔;钻入呈倾斜状态的硬土层、风化岩
层;钻孔通过溶洞、孤石等;钻架下的地基产生不均匀沉降,
使钻架倾斜,也会导致产生弯、斜孔。
防治措施:
在冲孔过程中,如出现上述产生缩、弯、斜孔的迹象,可
用自制检孔器吊入孔内检测。检孔器应按照桩内设计钢筋
笼的直径焊制。为使检孔器较轻便,可先只焊4 根主筋,且
每隔2 米焊一根加劲箍筋环,长度采用5m 左右(约为4 —6
倍钢筋笼的直径),当检孔器不能下沉到已钻的深度或检孔
器倒向一侧孔壁时,则可判明发生了缩孔、弯孔或斜孔。如
探明已发生了缩、弯、斜孔,应采用小片石、碎石回填至发生
偏斜处以上1m 左右,重新修孔、冲孔。(采用小冲程、高频
率修孔) 不严重时,可以调整钻机或扒杆位置继续冲孔。严
重时,应全部用小片石、碎石回填该孔位,重钻修孔,必要时
应反复修几次。待孔全部冲完后,检孔器再按设计钢筋笼的
主筋及箍筋数量补齐,作为桩中钢筋笼使用之。
4 桩中出现夹泥层、断桩
我们都知道,在桩孔中灌注水下混凝土,通常都是采用
储料漏斗和导管完成的。形成桩中夹泥层乃至断桩的情况
一般有如下一些时机:
4. 1 由于计算失误而使第一斗混凝土灌下(工地上称为“撒
鹰”) 后,未能封住导管下口,或混凝土面高于导管下口面不
多(小于1m) ,在水压力作用下使导管内返水,不得不二次
“撒鹰”时,使两次灌注的混凝土之间出现夹泥层;
4.2 在灌注水下混凝土的过程中,导管焊缝或其接头漏
水;导管提升过多(孔内产生了小规模的坍孔而未发现、计算
失误等) 使其下口拔离孔中的混凝土表面,都会造成导管返
水而形成夹泥层;
4. 3 当一个桩孔由于停电、机器故障等原因未能保证混凝
土的连续浇注时,两次浇注间隔时间较长,孔中混凝土表面
已初凝,从而使桩身在该处产生夹泥层甚至断桩。
对于上述事故,如果施工人员能够严格按照操作规程施
工,不马虎大意,实际上是完全可以避免的。如一旦发生了
这类事故,处理措施有:
4. 4 若是上述第一种原因,应马上拔出导管,将孔底的混
凝土拌合物用吸泥机或抓斗清除,然后重新下管灌注;若是
第二种原因,应视具体情况拔换原管,或用原管插入混凝土
中继续灌注。但灌注前应将导管内的水和沉淀泥吸出。如
这二种原因处理不及时,使孔内混凝土已凝固,这就形成了
断桩。
对于断桩事故的处理,首先应认真分析、研究,查明事故
形成的原因及断桩部位的标高,然后在充分分析地质报告和
现场施工条件后,选择一种施工上安全可靠、费用上经济合
理、技术上简单可行的处理方法进行处理。目前,断桩事故
处理的几种常用的方法有:重新成孔法、沉入钢护筒法、下沉
井法、人工挖孔法等。
4. 4. 1 重新成孔法:利用冲击钻,待已浇注混凝土有一定强
度后,先回填片石及膨润土,再将已浇注的混凝土全部冲掉;
在冲进过程中,用掏渣筒掏渣,并用磁铁将冲断的钢筋打捞
出来。冲进深度比断桩部位超过20 —30cm , 然后按规范要
求进行清孔,重新安放钢筋笼后,浇注水下混凝土。(为了提
高冲击效率,可以在已灌注的混凝土中钻眼,采用定向爆破
法将混凝土炸碎,然后再进行冲击,可大大提高冲击效率。
不过,此法施工难度亦较大)
重新成孔法的特点是:
优点:不需要复杂的施工机械,(只用常规施工机械如冲
击钻、掏渣筒等) 施工工艺简单,安全,施工质量易于保证。
缺点:由于桩孔中已放入了钢筋笼,加之水下混凝土结
硬后强度很高,往往使冲击效果很差。同时,由于钢筋笼的
影响,甚至还会引起卡钻、掉钻、坍孔等并发事故。特别是当
断桩部位较高时,冲掉一个断桩往往费工、费时,不但增加工
程费用,甚至还会延长工期,造成工程损失。
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适用范围:断桩部位发生在深部,浇注数量较小;或桩底
部分无钢筋笼时;桩位处地质条件较好。(如硬粘性土、砂
砾、角砾、强风化岩层等)
4. 4. 2 沉入钢护筒法: 根据断桩部位发生深度, 采用厚
10mm 钢板卷制一个直径与桩成孔直径相同,长度比断桩部
位(即已浇混凝土表面) 标高低0. 5m —1m (地下水十分发育
处应采用下限值,可防止反水) 的钢护筒,用振动锤将钢护筒
沉至已浇混凝土表面以下0. 5m —1m 处,清除孔内土体和泥
浆后,排干孔内积水(如反水则进行封底处理),凿除顶面浮
浆及松散混凝土,并将钢筋清洗干净,刷除表面锈饰后,继续
浇注混凝土接桩。
沉入钢护筒法的特点是:
优点:此法为处理断桩事故最常规的方法之一,施工工
艺成熟,安全可靠,施工质量完全可以保证;且不受地质和水
文条件的限制;钢筋笼不会受到破坏,可继续利用。
缺点:所需施工机具复杂,如大型卷扳机、大吨位吊机、
振动沉桩锤等。这对于一般结构简单的桥梁施工工地来说,
很难具备这些机具,从远处调运或租用,经济上和工期上均
不一定是最佳选择。因此采用此法是有一定难度的。
适用范围:断桩部位(即钢护筒长度) 一般不超过20m ,
不受地质和水文条件的限制。
4. 4. 3 下沉井法:将断桩孔位再回填至地面,并进行必要
的处理后(如平整孔口地面、夯实、铺20cm —30cm 沙砾垫
层) 先预制好第一节沉井(沉井中心即桩位中心),一般一节
长度为2m —3m , 沉井内径比桩成孔直径大10cm , 且上口内
径比下口内径小10cm (便于接筑下一节沉井时支撑模板),
井壁厚度8cm —15cm , 待第一节沉井强度达到70 % 以上时,
即可挖土下沉。下沉到距地面0. 5m 时,停止挖土,再接筑
下一节沉井,直至断桩部位。待沉井下沉稳定后,如涌水则
进行封底处理。然后清除断桩部位的泥土,凿除浮浆层及松
散混凝土,再按接桩工艺进行预埋锚固钢筋。灌注混凝土
时,因距地面较深,为确保灌注混凝土质量和安全,应采用水
下混凝土灌注方法:即先在孔内灌注1. 5m 左右混凝土(无
水灌注),并使导管埋入混凝土0. 5 —1.0m , 振捣密实后再灌
清水,然后按水下混凝土进行浇注。
下沉井法的特点是:
优点:不需要复杂的施工机械,施工工艺简单易行,安
全,施工质量易于保证,钢筋笼不会受到破坏,可继续利用。
并经工程实例比较,该法比重新成孔法经济,比人工挖孔法
安全。
缺点:沉井节间连接、沉井与已浇注混凝土之间接缝处
理技术要求高;要求施工人员有一定的沉井施工经验;工期
较长。
适用范围:要求断桩部位位于较好的地质层,如强风化
岩层,碎、砾、卵石层等,以利于沉井与该层面的连接;地下无
涌水或涌水量较小。
4. 4. 4 人工挖孔法:先将断桩孔位回填至地面(为有利于
快速沉淀及挖孔,应回填中、粗砂砾土、碎、卵石土等),经24
小时沉淀密实后,再进行人工挖孔。挖回填土一米,割除钢
筋笼一米,做一米护壁(地质条件较好时,用喷射混凝土护壁
法,该法施工速度快,工艺简单;地质条件不好时,用钢模板
浇注混凝土梯套法,该法施工工艺也简单易行,但施工速度
较慢,必须使所浇注混凝土梯套强度达到70 % 以上时,才能
挖孔并浇注下节梯套混凝土) 。依次直至断桩部位处,凿除
浮浆层及松散混凝土,并将已浇注混凝土中的钢筋笼凿出
2m , 然后下钢筋笼与原有钢筋笼焊接(注意同一断面上接头
数量不超过钢筋根数的20%) ; 然后用导管浇注清水混凝
土。或者凿除浮浆层及松散混凝土后,在孔位中部再钻一个
较小直径的孔,插入一个与小孔直径相适应的小直径钢筋
笼,浇注混凝土并振捣密实后再灌水,用导管浇注清水混凝
土。
人工挖孔法的特点是:
优点:不需要复杂的施工机械,施工工艺简单、灵活、经
济,施工质量易于保证;经工程实例比较,该法是以上所述四
种方法中最为经济的。
缺点:由于大部分工作都需要工人井下作业,施工时安
全隐患较多;工期较长。原有断桩部位以上的钢筋笼被完全
破坏,不能利用。
适用范围: 断桩部位距地面10m 以内,且地质情况较
好;地下无涌水或涌水量较小。
