混凝土灌注桩施工关键技术

混凝土灌注桩是直接在施工现场的桩位上成孔，然后在孔内安装钢筋骨架，浇筑混凝土成桩。灌注桩按成孔方法可分为钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩等。

灌注桩与预制桩相比，能适应持力层变化制成不同长度的桩，桩径大，具有节约钢筋、节省模板、施工方便、工期短、成本低等优点，而且施工时无噪声、无振动，对土体和周围建筑物无挤压（除沉管灌注桩之外）。

1.灌注桩施工准备工作

1）确定成孔施工顺序

（1）对土没有挤密作用的钻孔灌注桩和干作业成孔灌注桩，应结合施工现场条件，按桩机移动的原则确定成孔顺序。

（2）对土有挤密作用和振动影响的冲孔灌注桩、沉管灌注桩等，为保证邻桩不受影响，以免造成事故，一般可结合现场施工条件确定成孔顺序，如间隔1个或2个桩位成孔；在邻桩混凝土初凝前或终凝后成孔；5根以上单桩组成的群桩基础，中间的桩先成孔，外围的桩后成孔。

（3）人工挖孔桩当桩净距小于2倍直径且小于2.5m时，桩应采用间隔开挖。排桩跳挖的最小净距不得小于4.5m，孔深不宜大于40m。

2）桩孔结构的控制

（1）桩孔直径的偏差应符合规范规定。在施工中，如桩孔直径偏小，则不能满足设计要求（桩承载力不够）；如直径偏大，则使工程成本增加，影响经济效益；

（2）应根据桩型来确定桩孔深度的控制标准。对桩孔的深度，一般先以钻杆和钻具粗挖，再以标准测量绳吊铊测量；

（3）护筒的位置主要取决于地层的稳定情况和地下水位的位置。

3）钢筋笼的制作

制作钢筋笼可采用专用工具人工制作。首先计算主筋长度并下料，再弯制加强筋和编绕筋，然后焊制钢筋笼。制作钢筋笼时，要求主筋环向均匀布置，箍筋的直径及间距、主筋的保护层、加强箍的间距等均应符合设计规定。钢筋笼在运输、吊装过程中，要防止钢筋扭曲变形。吊放入孔内时，应对准孔位慢放，严禁高起猛落、强行下放，防止倾斜、弯折或碰撞孔壁。为防止钢筋笼上浮，可采用叉杆对称地点焊在孔口护筒上

4）混凝土的配制

混凝土强度等级不应低于C15，水下浇筑混凝土不应低于C20，所用粗、细骨料必须符合有关要求。混凝土坍落度的要求是用导管水下灌注混凝土宜为160～220mm，非水下直接灌注的混凝土宜为80～100mm，非水下素混凝土宜为60～80mm。

5）混凝土的灌注

桩孔检查合格后，应尽快灌注混凝土。灌注混凝土时，桩顶灌注标高应超过桩顶设计标高的半米以上。灌注时，若环境温度低手0°C时，应对混凝土采取保温措施。

2.钻孔灌注桩施工

钻孔灌注桩是指利用钻孔机械钻出桩孔，并在孔中浇筑混凝土（或先在孔中吊放钢筋笼）而成的桩。根据钻孔机械的钻头是否在土壤的含水层中施工，钻孔灌注桩又可分为泥浆护壁成孔和干作业成孔两种施工方法。

1）泥浆护壁成孔灌注桩施工

泥浆护壁成孔是利用原土自然造浆或人造浆浆液进行护壁，通过循环泥浆将被钻头切下的土块携带排出孔外成孔，然后安装绑扎好的钢筋笼，用导管法水下灌注混凝土沉桩。此法对不论地下水高低的土层都适用，但在溶发育地应慎用。

泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程如图2-20所示。

图2-20　泥浆护壁成孔灌注桩施工工艺流程

（1）埋设护筒。

护筒是用4～8mm厚钢板制成的圆筒，护筒内径应大于钻头直径，采用回转钻时，宜大于100mm，采用冲击钻时，宜大于200mm，上部开设1～2个溢浆孔。

护筒的作用是固定桩孔位置，防止地面水流入，保护孔口，增高桩孔内水压力，防止塌孔，成孔时引导钻头方向。

埋设护筒时，先挖去桩孔处表土，将护筒埋入土中，其埋设深度，在黏土中不宜小于1.0m，在砂土中不宜小于1.5m。护筒中心线应与桩位中心线重合，偏差不得大于50mm，护筒与坑壁之间用黏土填实，以防漏水；护筒顶面应高于地面0.4～0.6m，并应保持孔内泥浆面高出地下水位1.0m以上。

（2）泥浆。

泥浆在桩孔内壁上形成泥皮，可以将土壁上的孔隙填堵渗密实，避免孔内壁漏水，保持护筒内水压稳定；泥浆重度大，可以加大孔内水压力，起到稳固土壁、防止塌孔的作用；泥浆有一定黏度，通过循环泥浆可将切削碎的泥石碴屑悬浮后排出，起到携砂、排土的作用；同时，泥浆还可对钻头有冷却和润滑作用。

制备泥浆的方法应根据土质条件确定：在黏性土中成孔时，可在孔中注入清水，钻机旋转时，切削土屑与水搅拌，用原土造浆。施工中应经常测定泥浆重度，并定期测定黏度、含砂率和胶体率。其控制指标为：黏度18～22s；含砂率不大于4%～8%；胶体率不小于90%。

（3）成孔。

泥浆护壁成孔灌注桩的成孔方法按成孔机械分类有钻机成孔（回转钻机成孔、潜水钻机成孔、冲击钻机成孔）和冲抓锥成孔，其中以钻机成孔应用最多。

①回转钻机成孔，回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置转动，再由其带动带有钻头的钻杆移动，由钻头切削土层。适用于地下水位较高的软、硬土层，如淤泥、黏性土、砂土、软质岩层。

根据泥浆循环方式的不同回转钻机钻孔方式，分为正循环回转钻机成孔和反循环回转钻机成孔。正循环回转钻机成孔的工艺如图2-21（a）所示

由空心钻杆内部通入泥浆或高压水，从钻杆底部喷出，携带结下的土渣沿孔壁黑向上流动，由孔口将土渣带出流入泥浆池。反循环回转钻机成孔的工艺如图2-21（b）所示。泥浆带渣流动的方向与正循环回转钻机成孔的情形相反。反循环工艺的泥浆上流的速度较高，能携带较大的土渣。

图2-21　循环排渣方法

②潜水钻机成孔。它是一种将动力、变速机构与钻头连在一起加以密封，潜入水中工作的一种体积小而质量轻的钻机。这种钻机的钻头带有合金刃齿，由电机带动刃齿旋转切削土层或岩层。钻头靠桩架悬吊，吊杆定位，钻孔时钻杆不旋转，正循环送入泥浆，被切碎的土屑靠泥浆排出孔外。该钻机桩架轻便，移动灵活，钻进速度快（可达0.5m/min），噪声小。钻孔的直径为600～800mm，钻孔深度可达50m。钻孔成孔适用于黏性土、淤泥、淤泥质土及砂土，也可钻入岩层，尤其适于在地下水位较高的土层中成孔。潜水钻机及潜水钻见图2-22、图2-23。

图2-22　潜水钻机示意图

1—钻头；2—潜水钻机；3—电缆；4—护筒；5—水管；6—滚轮；7—钻杆；8—电缆盘；9—卷扬机；10—10kN卷扬机；11—电表；12—起动开关

图2-23　潜水钻

1—泥浆管；2—防水电缆；3—电动机；4—齿轮减速器；5—密封装置；6—钻头；7—合金刃齿；8—钻尖

③冲孔是用冲击钻机把带钻刃的重钻头（又称冲锤）提升至一定高度，靠自由下落的冲击力来削切岩层，排出碎渣成孔。冲击钻机有钻杆式和钢丝绳式两种。前者所钻孔径较小，效率低，应用较少。后者钻孔直径大，有800mm、1000mm、1200mm几种。钻头可锻制或用铸钢制造，钻刃用钢制造并与钻头焊接。

钻头形式有十字钻头见图2-24（a）及三翼钻头见图2-24（b）等。

④冲抓锥成孔。用冲抓锥成孔机将冲抓锥斗提升到一定高度，锥斗内有压重铁块和活动抓片，松开卷扬机刹车时，抓片张开，钻头便以自由落体方式冲入土中，如图2-25（a）所示。然后开动卷扬机提升钻头，这时抓片闭合抓土，冲抓锥整体被提升到地面上将土渣卸去，如图2-25（b）所示。这种成孔方式称为抓孔。抓孔成孔的直径为450～600mm，成孔深度10m左右。这种方式适用于在有坚硬夹杂物的黏土、砂卵石土和碎石类土中成孔。

图2-24　冲击钻钻头

图2-25　冲抓锥斗

1—抓片；2—连杆；3—压重；4—滑轮组

（4）安放钢筋笼。

钻孔达设计深度后（一般要求达到较坚实的持力层），即可安装钢筋笼。钢筋骨架预先在施工现场制作，用起重机械悬吊，在护筒上口分段焊接或绑扎后下放到孔内。吊放入孔时，不得碰撞孔壁，并应设置保护层垫块。

（5）清孔。

安放钢筋笼后，应立即清孔，即清除孔底沉渣、淤泥，以减少桩基础的沉降量。清孔宜在钢筋笼下放后进行，否则下放钢筋笼时会将孔壁土层刮落，影响清孔效果。

清孔是否彻底对泥浆护壁成孔灌注桩的承载力、沉降量影响较大，施工时应严格控制。以摩擦力为主的灌注桩，沉渣允许厚度不得大于300mm，以端承力为主的灌注桩沉渣允许厚度不得大于100mm。

（6）浇筑水下混凝土。

泥浆护壁成孔灌注桩混凝土的浇筑是在泥浆中进行，故为水下混凝土浇筑。水下混凝土的施工配合比应较设计强度等级提高一级，且不得低于C15，骨料粒径不宜大于30mm，且不宜大于钢筋最小净距的1/3。采用的水泥标号不低于325号，水泥用量350～400kg/m3。混凝土要有良好的流动性，坍落度宜为16～22cm。混凝土浇筑应在钢筋笼下放到桩孔内后4h之内进行，以防止在钢筋表面形成过厚的泥皮，影响钢筋与混凝土之间的黏结强度。

水下浇筑混凝土通常采用导管法。导管直径为250～300mm，每节长3m，但第一节导管长度应≥4m；节间用法兰连接，要求接头严密，不漏浆，不进水。导管顶部设有漏斗。整个导管安置在起重设备上，可以升降和拔管后水平移动。采用导管可以防止混凝土中水泥浆被水带走，又可防止泥浆进入混凝土内形成软弱夹层，保证混凝土的密实性和强度，还可以减轻因混凝土自由下落所造成的离析现象。导管见图2-26。

采用导管法浇筑混凝土时，先将安装好的导管吊入桩孔内，导管顶部高于泥浆面3～4m，导管底部距桩孔底部0.3～0.5m。(www.xing528.com)

图2-26　水下浇筑混凝土

1—上料斗；2—贮料斗；3—滑道；4—卷扬机；5—漏斗；6—导管；7—护筒；8—隔水塞

导管内设隔水塞（栓），用细钢丝悬吊在导管下口。隔水塞可采用预制混凝土块（四周加橡皮封圈）、橡胶球胆或软木球。前者一次性使用，后者可回收，重复使用。浇筑时，先在导管内灌入混凝土，其数量应保证混凝土第一次浇筑时，导管底端能埋入混凝土中0.8～1.3m。然后剪断悬吊隔水塞的钢丝，在混凝土自重压力作用下，隔水塞下落，混凝土冲出导管下口。由于混凝土重度较泥浆重度大，混凝土下沉，泥浆上浮，然后连续浇筑混凝土，边浇筑，边拔管，边拆除上部导管。拔管过程中，应始终保证导管下口埋入混凝土深度不小于1m。埋入深度大，混凝土顶面平整，但流出阻力大，浇筑困难，因此最大埋入深度应小于9m。但埋入深度过小，混凝土流出势头过强，易将上部浮沫层卷进混凝土中，形成软弱夹层。当混凝土浇筑面上升到泥浆液面附近时，导管出口处混凝土覆盖层厚度应为1m左右。最后，混凝土浇筑面应超过设计标高以上300～500mm，当混凝土达到一定强度时，将这300～500mm的浮浆软弱层凿除。

2）干作业成孔灌注桩

干作业成孔灌注桩是先用螺旋钻机在桩位处钻孔，然后在孔中放入钢筋笼，再浇筑混凝土成桩，如图2-27所示。干作业成孔灌注桩适用于地下水位以上的各种软硬土中成孔。干作业成孔机械有螺旋钻机、洛阳铲等。现以螺旋钻机为例，介绍干作业成孔灌注桩的施工方法。图2-28为长杆螺旋钻机示意图。

螺旋钻机利用动力旋转钻杆，钻杆带动钻头上的螺旋叶片旋转来切削土层，削下的土沿叶片上升排出孔外。螺旋钻机有长杆螺旋式（钻杆长度10m以上）及短杆螺旋式（钻杆长度3～8m）。长杆螺旋钻钻头外径为400mm，500mm，600mm，钻孔深度分别为12m，10m，8m。钻进时要求钻杆垂直，如发现钻杆摇晃、移动、偏斜或难以钻进时，可能遇到坚硬夹杂物，应立即停车检查，妥善处理，否则会导致桩孔严重偏斜，甚至钻具被扭断或损坏。钻孔偏移时，应提起钻头上下反复打钻几次，以便削去硬土。如纠正无效，可在孔中局部回填黏土至偏孔处以上0.5m，再重新钻进。

图2-27　干作业成孔灌注桩施工过程示意图

图2-28　长螺旋钻孔机

1—电动机；2—变速器；3—钻杆；4—托架；5—钻头；6—立柱；7—斜撑；8—钢管；9—钻头接头；10—刀板；11—定心尖

钻孔达到设计深度后，应在原位空转清土，停钻后提出钻杆弃土。钻出的土及时运走，不要在孔口处堆放。孔底所余松土用夯锤夯实。钢筋笼宜一次整体吊放，如过长也可分段接长。吊放钢筋笼时应缓慢沉入，严防碰撞孔壁。经检查合格后，应及时灌注混凝土。浇筑振捣应分层进行，每层高度不大于1.5m。混凝土坍落度在一般黏性土中为50～70mm，砂类土中为70～90mm。干作业成孔灌注桩常用机扩法扩底，以增大桩的承载能力。图2-29为双管双螺旋钻孔机，用同一钻头，既能钻孔又能扩孔，一面切土，一面输土。这种钻孔直径为350mm，扩孔最大直径为1000～1200mm，最大钻孔深度为4～5m。

图2-29　双管双螺旋钻孔机钻孔示意图

这种钻机有两根并列的管子，内装有输土螺旋叶片。两根管子上段是并列焊在一起的，管子上段和下段铰接，并装有两组切削刀刃，下端装有钻孔刀，侧面装有扩孔刀。管子的下段可绕铰点转动，像两条腿一样，可以并拢或张开。钻孔时两腿并拢，土被钻头切削后由高速旋转的螺旋叶片带上地面，土从管壁的缺口甩出来。

当钻孔达设计标高时，开动液压机构使两条腿逐渐张开，侧面扩孔刀开始切土，切碎的土屑从刀旁缝隙进入管内，由螺旋叶片输上地面。当扩大头直径达到设计要求后，收拢下部支管，提起钻头，即成扩孔桩孔。

3.沉管灌注桩施工

图2-30为沉管灌注桩施工过程。沉管灌注桩是利用锤击沉桩或振动沉桩方法，将带有桩尖的钢制桩管沉入土中，然后在钢管内放入钢筋骨架，边浇筑混凝土，边锤击、振动套管，边上拔套管，最后成桩。前者利用锤击沉管成孔，则称为锤击沉管灌柱桩；后者利用振动沉管成孔，称为振动沉管灌注桩。套管成孔灌注桩整个施工过程在套管护壁条件下进行，不受地下水位高低和土质条件好坏的限制，适合地下水位高，地质条件差的可塑、软塑、流塑以上黏土、淤泥及淤泥质土、稍密和松散的砂土中施工。

图2-30　沉管灌注桩施工过程

1）锤击沉管灌注桩施工

锤击沉管灌注桩又称为打拔管式灌注桩，是用锤击沉桩设备（落锤、汽锤、柴油锤）将桩管打入土中成孔。施工设备如图2-31所示，其施工工艺流程如下：

图2-31　锤击灌注桩机械

1—柱帽钢丝绳；2—桩管钢丝绳；3—吊斗钢丝绳；4—桩锤；5—桩帽；6—混凝土漏斗；7—桩管；8—桩架；9—漏斗；10—回绳；11—行驶用钢管；12—桩靴；13—卷扬机；14—枕木

桩机就位→安放桩尖→吊放桩管→扣上桩帽→锤击沉管至要求贯入度或标高，用吊铊检查管内有无泥水并测孔深→提起桩锤→安放钢筋笼→浇筑混凝土→拔管成桩

锤击沉管灌注桩施工时，首先将打桩机就位，吊起桩管，对准预先在桩位埋好的预制混凝土桩尖，放置麻、草绳垫于桩管和桩尖连接处，以作缓冲和防止泥水进入桩管之用，然后缓慢放下桩管，套入桩尖，将桩管压入土中。然后在桩管上部扣上桩帽，检查桩管与桩锤、桩尖是否在一条垂直线上。其垂直度偏差应小于0.5%桩管高度。

初打时应低锤轻击，观察桩管无偏移时，方能正常施打。桩锤施打的冲击频率，视桩锤的类型和土质而定。宜采用低锤密击方式，即小落距、高频率，尽量控制1min击打70次以上，直至将桩管打至设计要求贯入度或桩尖标高，并检查管内有无泥、水浆灌入。

2）振动沉管灌注桩

振动沉管灌注桩是采用振动冲击锤（激振器）沉入套管。它与锤击沉管灌注桩的区别是用振动箱代替桩锤。振动箱与桩管刚性连接，桩管下安设活瓣桩尖。活瓣桩尖应有足够的强度和刚度，活瓣间缝隙应紧密。图2-32为振动沉管桩机，活瓣桩尖见图2-33。

其施工过程如下。

（1）柱机就位。将桩尖活瓣合拢对准柱位中心，利用振动器及柱管自重，把柱尖压入土中；

（2）沉管。开动振动箱，桩管即在强迫振动下迅速沉入土中。沉管过程中，应经常探测管内有无水或泥浆，如发现水、泥浆较多，应拔出桩管，用砂回填桩孔后方可重新沉管；

图2-32　振动沉管设备示意图

1—滑轮组；2—激振器；3—漏斗口；4—桩管；5—前拉索；6—遮栅；7—滚筒；8—枕木；9—架顶；10—架身顶段；11—黝；12—架身中段；13—吊斗；14—架身下段；15—导向滑轮；16—后拉索；17—架底；18—卷扬机；19—架压滑轮；20—活瓣桩尖

图2-33　活瓣桩尖

1—桩管；2—锁轴；3—活瓣

（3）上料。桩管沉到设计标高后停止振动，放入钢筋笼，再上料斗将混凝土灌入桩管内，一般应灌满桩管或略高于地面；

（4）开始管时，应先启动振动箱8～10mim，并用吊铊测得框尖活瓣确已张开，混凝土确已从桩管中流出以后，卷扬机方可开始抽拔桩管，边振边拔。拔管速度应控制在1.5m/min以内。

振动沉管灌注桩可采用单振法、反插法和复振法。

4.人工挖孔灌注桩施工

采用人工挖孔灌注桩，具有机具设备简单，施工操作方便，占用施工场地小，对周围建筑物影响小，施工质量可靠，可全面展开施工，工期缩短，造价低等优点，因此得到广泛应用。

1）适用范围

人工挖孔灌注桩适用于土质较好，地下水位较低的黏土、亚黏土及含少量砂卵石的黏土层等地质条件。可用于高层建筑、公用建筑、水工结构（如泵站、桥墩）作桩基，起支承、抗滑、挡土之用。对软土、流砂及地下水位较高、涌水量大的土层不宜采用。

2）一般构造要求

桩直径一般为800～2000mm，最大直径可达3500mm。底部采取不扩底和扩底两种方式，扩底直径为1.3d～3.0d（d为桩直径），最大扩底直径可达4500mm。桩底应支承在可靠的持力层上。

3）施工工艺

（1）施工程序。

场地整平，放线，定桩位→挖第一节桩孔土方→支模浇灌第一节混凝土护壁→在护壁上二次投测标高及桩位十字轴线→安装活动井盖，设置垂直运输架，安装卷扬机（或电动葫芦）、吊土桶、潜水泵、鼓风机、照明设施等→挖第二节桩孔土方→清理桩孔四壁，校核桩孔垂直度和直径→拆上节模板，支第二节模板，浇筑第二节混凝土护壁→重复上述施工过程直至设计深度→检查持力层后进行扩底→对桩孔直径、深度、扩底尺寸、持力层进行全面检查验收→清虚土，排除孔底积水→吊放钢筋笼→浇筑桩身混凝土。

当桩孔不设支承护壁和不扩底时，无支护和扩底两道工序。

（2）护壁设计和施工。

为防止桩孔土体坍滑，确保施工操作安全，大直径桩孔在施工中一般需设置护壁。护壁可采用现浇混凝土（或配少量钢筋）、喷射混凝土或型钢-木板工具式护壁、沉井等。由于现浇混凝土护壁整体性好，能紧靠土壁，受力均匀，因而应用较为广泛。对于桩径较小、深度不大、土质较好、地下水量少的桩孔也可采用型钢-木板组合工具式护壁，甚至不设护壁。

混凝土护壁分段高度根据土质情况和施工方便而定，一般为0.9～1.0m。

混凝土护壁一般采用C30或C25混凝土，厚度经计算确定，一般取100～150mm。可以加配适量直径为6～8mm的钢筋，相邻两节护壁之间用钢筋拉接。

护壁施工采取一节组合钢模板（或4～8块弧形工具式钢模）拼装而成，拆上节、支下节，循环周转使用。模板间用U形卡连接，上下设两道槽钢护圈顶紧。钢圈由2～3块弧形槽钢组成，中间用螺栓连接，不另设支撑。第一节混凝土护壁宜高出地面200mm，便于挡水和定位，也可防止地面土块滚入桩孔中。

（3）挖孔方法。

由人工从上到下逐层用锹、镐挖土，遇硬土用大锤、钢钎破碎。挖土次序为先挖中间部分，后挖周边。按设计桩直径加2倍护壁厚度控制截面，允许尺寸误差30mm。扩底部分采取先挖桩身圆柱体，再按扩底尺寸从上到下削土修成扩底形。弃土装入活底吊桶或箩筐内，垂直运输，在孔口上安支架、轨道，用电动葫芦或慢速卷扬机提升。

如有少量地下水，可随挖土用吊桶将泥水一起吊出。如遇大量渗水，可在一侧挖集水坑，用潜水泵排除。