浅谈分段式钢护筒护壁及回收施工技术

浅谈分段式钢护筒护壁及回收施工技术

林乾 卫峰

中建二局第三建筑工程有限公司，北京市丰台区 100070

【摘要】：通过一项具体工程实践提出了变径开孔、分段安装变径钢护筒工艺，解决了深厚碎块石填土条件下难以成桩的难题，提高了成桩效率。深厚碎块石回填条件下局部回填区回填料多为开山块石，若采用泥浆护壁则施工过程中极易漏浆、塌孔，严重制约施工进度，为保证能正常成孔，尽力避免成孔过程中的漏浆、塌孔、埋钻现象，采用分段下钢护筒护壁的施工措施，待混凝土浇筑后利用刚性起吊架回收护筒二次利用。本工艺适用于旋挖钻孔灌注法施工的端承桩。

【关键词】：变径钢护筒；分段护壁；刚性起吊架；护筒回收

前言：本工程从传统泥浆护壁出发，受人工挖孔桩混凝土护壁启发，对于易塌孔区必须采用刚性护壁结构。经过试验，高回填局部不良地质区极易漏浆，泥浆护壁无法实施，而混凝土护壁适用于人工挖孔桩，且进度很慢，无法保证甲方预售节点的进度要求。因此必须找到新型刚性护壁结构，故而钢护筒护壁进入讨论范围。由于本工程塌孔区域集中于回填地面以下16m处，按护壁结构最底端位于塌孔位置以下2m即18处考虑。但由于常规机械不适用于吊放18m长钢护筒，这样就需要将钢护筒分段，选用不同直径的钢护筒和旋挖钻头，分段开孔分段安装钢护筒护壁。分段也有另一个优点，即可以避免一次成孔高度过大而护壁不及时导致的塌孔。故此，提出分段式钢护筒护壁施工技术以解决深厚碎块石填土条件下反复塌孔无法成桩的尴尬现状。

1工程概况

本工程总占地面积256亩，总建筑面积83.43万平方米。高层塔楼采用端承式旋挖成孔灌注桩基础，桩径1000mm，入岩深度≥3m，持力层为中风化片岩，根据桩位不同，干成孔工艺与湿成孔工艺均有涉及。由于场地地质条件复杂，局部回填时为开山块石，粒径较大，级配不良，局部不良地质区域在桩基开孔过程中易塌孔。因此，护壁技术便成为整个桩基施工过程中的重中之重。传统护壁技术采用泥浆护壁极易漏浆，现场需要大量粘土造浆，无法满足绿色施工相关要求，且漏浆会对周边环境造成较大影响。采用钢护筒护壁便能有效避免此问题。本工程采用2节变径钢护筒进行分段式护壁，两节钢护筒之间采用钢筋吊钩、凹槽、固定块进行反向固定，以便拔出作业时回收护壁钢护筒。

本工程桩基大样图如下所示：

图1-1 桩基大样图

2创新点

2.1分段埋置钢护筒

长钢护筒无法通过一般机械进行埋设，在不增加机械成本的前提下，则必须一节长钢护筒分成两节甚至多节，本工程除传统孔口定位护筒外，将护壁钢护筒分成两节9m的短钢护筒。

2.2变径开孔实现分段护壁

因第二节护壁钢护筒范围内（即-11m～-20m）的桩孔土体旋挖需在第一节护壁钢护筒安装完毕后进行，则第二节护壁钢护筒范围内的桩孔土体旋挖必须采用比第一节钢护筒直径更小的钻头进行开孔，因此选用变径开孔法，分段埋设钢护筒，两节钢护筒也属于变径。

2.3自创刚性起吊架回收护壁钢护筒；

响应国家资源节约政策方针，提高材料周转率，需对钢护筒进行回收。两节钢护筒之间采用钢筋吊钩、凹槽、固定块进行反向固定，以便拔出作业时回收护壁钢护筒，这套自创刚性起吊架如下图所示：

护壁护筒回收装置

刚性起吊环

3工艺流程

测量放线→定位护筒埋设→钻机就位→旋挖钻进至孔深11.5m处→下第一节钢护筒→换用较小钻头继续旋挖钻进至孔深20m处→下第二节钢护筒→换用较小钻头继续旋挖钻进至设计孔深→持力层判定→清孔→下钢筋笼→下导管→灌注混凝土→定位护筒取出→钢护筒拔出。

3.1孔口定位

采用数字仪器进行定位放线，经自检合格后报监理复验，复验无误后在桩位点打300mm深的木桩，桩上标定桩位中心，并采用“十字栓桩法”作好标记，并加以保护。

图3-1 十字栓桩定位法

3.2孔口定位护筒安装

根据桩位点设置护筒，护筒的厚度为8mm，直径为1500mm，护筒位置应埋设正确稳定，护筒中心和桩位中心偏差不得大于20mm，倾斜度的偏差不大于1％，护筒与坑壁之间应用粘土填实。护筒的埋设深度应超过杂填土埋深，护筒底口埋入粘性土原土深度不应小于0.2m且护筒应高出地面20～30cm，护筒上开设溢浆孔。定位护筒的埋设采用液压打桩机打入或旋挖钻机静压法来完成。

3.3旋挖钻进至孔深11.5m处

开始钻进，开直径1400mm桩孔，钻进时每回次进尺控制在60cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳，提斗要慢，特别是在孔口5～8m段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度，如有偏差及时进行纠正。旋挖至孔深11.5m处停止钻进，缓慢清理沉渣后准备安装护壁钢护筒。

3.4安装第一节钢护筒

吊装护壁钢护筒时务必控制垂直度，起吊的钢护筒缓缓对准中心点，在护筒下放至定位护筒内约2800mm时测量十字栓桩与护筒壁之间的距离，确保四个点与护筒壁等距，孔口对正安装完毕后采用旋挖钻机静压法进行护筒埋置，直至孔深11.5m位置。

图3-2 第一节护壁钢护筒安装示意

3.5换用较小钻头继续旋挖钻进至孔深20m处并下第二节钢护筒

因第一节钢护筒已安装完毕，需改用较小钻头穿过第一节钢护筒，然后从孔深11.5m处向下旋挖钻进。此时开孔径1200第二段桩孔，钻进过程同上一段钻进过程。旋挖钻进至孔深20m处后紧接着下第二节钢护筒。第一节护壁钢护筒和第二节护壁钢护筒均由外筒、交叉钢筋和内筒三层组成，使第一节护壁钢护筒和第二节护壁钢护筒更结实，通过固定件插入凹槽以固定第一节护壁钢护筒和第二节护壁钢护筒，使结构更稳定。

护筒质量要求

①壁厚8mm，达不到厚度要求的一律不允许进场；

②上下两节护筒搭接长度≥500mm；

③反向钢筋吊环均匀布置，与钢护筒焊接，焊缝高度≥5mm，焊渣敲除，呈连续鱼鳞状为最优。

图3-3 第二节护壁钢护筒安装示意

3.6钻进至设计标高并进行持力层判断

换用更小钻头开直径1000mm桩孔，旋挖钻进至进入中风化岩层，本工程需进入持力层深度设计要求为不小于2m，以满足计算所需的承载力。通过机械钻进声音与岩屑捞渣鉴定：在强风化岩层中钻进，进行多次捞渣鉴定，辨别岩渣的纯度，强风化地层岩渣颗粒破碎且细小，手指用力捏即成粉状。进入中风化，岩渣出现小碎块，粒状变大较硬，岩渣纯度也越来越高。进入持力层后，应会同监理、地勘单位技术人员进行入岩判定并取样记录。成孔至设计深度后，应首先自检合格，再会同监理及甲方对孔深进行检查，确认符合要求后，方可进行下一道工序施工。

3.7沉渣厚度控制

干成孔作业沉渣厚度不大于20mm，湿成孔作业不大于50mm。

3.8钢筋笼的制作及安装

按设计配筋进行下料制作钢筋笼，钢筋笼采用单面搭接焊。

图3-4 单面焊大样图

3.9混凝土浇筑

下钢筋笼复测沉渣厚度验收合格后立即浇筑混凝土，混凝土浇筑需采用导管。

3.10钢护筒回收

为 了实现资源节约型工法，降本增效，钢护筒应回收再利用，钢护筒拔出作业开始时机要求很精准，过早则混凝土流淌易造成钢筋笼上浮，过晚则钢筋笼无法拔出。于混凝土浇筑完毕后1h开始拔出作业最为合适。先拔出孔口定位护筒，然后将刚性起吊环（详见下图）倾斜一定角度缓慢下放至护壁护筒的回收装置——反向吊钩处，起吊环上端直接锁于起重机吊钩。然后调整其吊环位置，使其水平放置并与护壁护筒的反向吊钩卡牢，检查确定起吊环的环向结构处于水平位置时即可开始吊装作业。吊装时应缓慢连续均匀起吊，将护壁护筒缓缓拔出，回收利用。为确保拔出作业，灌注桩混凝土塌落度需在200～220mm之间，拔出时间控制在浇筑后1h，还未全部初凝前开始拔出作业。

图 3-5 护壁护筒回收装置

图3-6 刚性起吊环

4质量控制

4.1垂直度控制

本工程要求桩身垂直度偏差≤1%桩长，垂直度控制主要从以三方面进行控制：施工前各项准备工作的垂直度控制、旋挖钻机自身的垂直度控制、钻进过程中的垂直度控制，控制过程贯穿整个成孔过程。

（1）施工前各项准备工作的垂直度控制

①桩机就位前场地硬化平整：对桩位孔周围的地表土进行辗压密实，并对孔口地表土层进行硬化处理，必要时孔口铺设厚钢板，确保桩机就位后不因场地松软而桩机倾斜。

②桩机就位后，检查转盘的平整度，如不水平，需在低侧加垫宽而平且厚实的薄枕木 ，以调整钻机转盘水平。

③通过钻机自配垂直度显示仪表调整钻杆垂直度：施工过程中要操作人员要随时观察仪表显示器，及时纠偏。

（2）设备机具自身的垂直度控制

通过实际施工总结，很多工程成孔垂直度不合格使用由于设备自身的原因造成，主要有三个方面：钻杆、梳杆倾斜或弯曲，钻杆接头间隙太大，钻头磨损情况不一致。钻杆 、榄杆倾斜或弯曲，在设备进场后未经校准直接进行成孔作业，最终造成成孔垂直度不合格，因此，在设备进场后主要任务就是钻杆、榄杆的检查及垂直度的校准，可通过全站仪、经纬仪进行钻杆、榄杆垂直度校准，对已经弯曲的钻杆必须经过调整或更换。

钻杆接头间隙太大的直接后果就是造成各节钻杆旋转的中轴线不一致，钻孔的垂直度控制也就无从谈起。因此，钻杆接头必须采取刚性连接如法兰盘、螺栓或抱箍等刚性连接，以避免因钻杆接头间隙太大造成的垂直度不合格。

钻头磨损情况不一致：在成孔过程中，为保证成孔垂直度，钻头的各个部位必须保证受力均匀、一致，如果钻头某个部位相对其他部位磨损较为严重，就会导致磨损的部位受力较小，造成钻进方向偏离，最终造成垂直度不合格。针对此种情况，必须提前对钻头进行检查，对磨损较大的部位进行修补，或更换钻头。以上三种情况均是造成垂直度不合格的重要因素，因此，在设备机具使用前进行检查也是从设备具体自身保证成孔垂直度的重要一环。

（3）钻进过程的垂直度控制

通过以上两方面的控制，已经为钻进过程的垂直度控制打下了良好的基础，钻进过程的垂直控制主要有：

①试成孔：工程桩施工前进行试成孔，本工程各个桩径分别选取 2 根进行试成孔，以核对地质资料，检验所选设备、施工工艺及技术要求是否适宜。同时，进一步确定不同地层选用的钻头、钻进压力、钻进速度等指标。

②在不同地层应选取不同的钻进速度、钻进压力、钻进速度。

③在松软地层钻进时，应轻压慢转，控制钻进速度，防止斜孔。

④钻进过程中遇软硬土层交界面或倾斜岩面时，钻压不宜过高，同样采取轻压慢钻，在钻头越过交界面进入下层地层后适当提速。

⑤在钻进过程中发现有偏差，需对钻机进行纠偏处理，扫孔的方式可提升钻杆后缓慢向下扫孔，当偏差较大严重时需将孔位回填至倾斜部位，重新钻进。

⑥在复杂地层钻进时，可在钻杆上加设扶正器，以保证垂直度。针对本工程砂层较厚的特点，施工过程中采取了进入碎块石填土层后钻机施工参数：放慢钻进速度，检测并调整钻机机身水平和塔架垂直度，防止因为钻进速度过快、机身或塔架倾斜导致斜孔。

⑦在孔口护筒与孔壁之间安装定型井字钢筋支架以固定孔口防止孔口倾斜。

4.2桩身完整性控制

混凝土灌注桩的质量问题通过桩身完整性的检测主要有:水平断裂、桩身夹泥、桩身混凝土离析、截面缩颈、达不到设计长度等。钻孔灌注桩施工质量的因素多且复杂，主要控制以下几个方面：

①防止灌注桩桩底沉渣量过大，应进行二次清孔。二次清孔可利用导管进行，准备一个清孔接头，一头可接导管，一头接胶管，在导管下完后，提离孔底0.4m，在胶管上接上泥浆泵直接进行泥浆循环。二次清孔优点：及时有效保证桩底干净。

②防止钢筋笼上浮，当发现钢筋笼开始上浮时，应立即停止浇筑，并准确计算导管埋深和已浇混凝土标高，提升导管后再进行浇筑，上浮现象即可消除。

本工程为干成孔灌注桩，只需控制好上述桩底成渣、混凝土质量及浇筑速度防止钢筋笼浮笼即可保证桩身完整性，因为护壁钢护筒直接阻挡孔壁土体，杜绝了最常见桩身夹泥、断桩的现象。

5效益分析

在采用分段式钢护筒护壁前，局部深回填区桩基成孔下笼过程中常发生塌孔，塌孔埋钢筋笼后只能变更桩位（单桩变成双桩，致使单桩造价翻倍），耽误进度且成本很高。采用分段式钢护筒护壁后，不再出现塌孔埋钢筋笼的情况，大大提高了桩基成孔的效率，缩短施工工期。分段式钢护筒护壁技术的成功运用，直接解决深回填区局部塌孔无法成桩的问题，保证了桩基成孔质量和成桩效率，节约了工程总造价，提升了企业形象，也为企业进一步开拓市场奠定了坚实的基础。经计算必选，本技术可显著提高施工效率200%，减少直接成本38.6%。

6结语

综上所述，分段式钢护筒护壁技术的成功运用，直接解决深厚碎块石回填区局部塌孔无法成桩的问题，保证了桩基成孔质量和成桩效率，节约了工程总造价，提升了企业形象，也为企业进一步开拓市场奠定了坚实的基础。

本技术适用于端承式旋挖成孔灌注桩，特殊说明的是不适用摩擦桩。因钢护筒的存在，隔离了土体与桩身混凝土的接触，尽管后续会拔出钢护筒但桩身混凝土与周围土体充盈状态无法100%保证。故建议只针对端承桩使用，不适用于摩擦桩。

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