多节钻扩灌注桩施工工艺及成套设备研制

李连祥，李先军，龚 强，张宝成（山东大学 基坑与深基础工程技术研究中心，济南 250061）

[摘 要] 变径灌注桩（含旋扩珠盘桩、挤扩支盘桩及DX桩等）通过桩身扩径增大截面积提高其承载能力，与等直径灌注桩相比，具有显著的技术经济优势。传统变径灌注桩施工工艺往往是钻孔与扩径分离，两种或多种设备交替，导致施工效率、桩基质量难遂人意，因此推广应用受限。在此背景下，形成钻扩清合一工艺理念，整合钻孔与扩径装置，改造钻杆与钻头，实施正转钻进成孔，反转旋切扩径形成腔体，渣土伴随泥浆反循环连续排出，研发出钻扩清一体机成套设备，集成钻孔、扩径、清孔工序，同时开发了多种配套技术，极大提高施工效率，提升成桩质量和承载能力，形成多节钻扩灌注桩新桩型。

0 引 言

旋扩珠盘桩及挤扩支盘桩、DX桩等，可以统称为变径灌注桩，都是利用特殊的扩径工具在桩的既定位置形成扩径体，在原来承载力的基础上增加了扩径体的端阻力，进而提高桩基承载力，减小沉降，达到了节省造价的目的。

经过多年发展，变径灌注桩不断优化进步，设备性能提升，理论逐步系统完善[1-9]，扩径设备和扩径体形状出现新形式。但关键施工工艺依然是钻孔、扩径、清孔工序，需要多种设备反复交替作业，不能精确把握扩径过程，扩径体成型[10-11]难以保证规则，桩底沉渣多，二次清理困难，变径灌注桩的推广应用也因此受限。所以开展工艺革新研究，发明相关设备，是变径灌注桩的发展应用之路。

1 传统工艺的不足

现有技术施工条件下，变径灌注桩需要多种施工机械和设备交替施工，即钻孔、扩径和清孔三道工序需要更换不同的施工设备来完成（图1）。工序繁杂，施工进度慢，质量监控难度大，对成孔成桩质量将产生不利影响。如挤扩灌注桩扩径体成型效果不稳定，掉入扩径腔体内的沉渣难以清理，而掉入孔底的沉渣较多，回钻二次清孔工作量大，严重影响施工进度和桩基质量。

图1 传统变径桩扩径工序

Fig.1 Traditional diameter-expanding procedure for diameter-changed piles

就目前的变径灌注桩扩径体施工方法上看，大体可分为挤扩扩径与旋扩扩径，并且都是钻孔与扩径分离，分为两道工序，存在明显不足：

1.1 挤扩扩径质量不易保证

传统挤扩设备是由吊车将挤扩装置下放到预定位置再实施挤扩，一般需要7—10次挤扩方可扩径成型。首次挤扩时因孔壁完整挤扩臂能够较好的挤入孔壁土体中，但后续挤扩时，挤扩臂旋转较小角度后在临近位置继续挤扩，被挤土体实际上处于半侧限受压状态，土体极易向已挤压区的空腔侧移动，亦称挤扩臂侧滑，结果使得土体沉渣大量增加，填充已形成的空腔，不仅使土体挤密效应大大减小且使扩径体形状较预期相差很大，这也是挤扩首压值远大于后压值的原因所在；另外随着挤扩臂的下压，臂上部会形成空腔，空腔内土体经过了挤压压缩，必然会产生压缩回弹，这种回弹加上重力作用，可能会导致腔体上部土体块状脱落，造成扩径体质量的严重下降，桩端沉渣进一步加厚。

1.2 旋扩扩径易偏心

相比于挤扩，旋扩扩径腔体质量更高，旋扩臂对土体切削而非挤压，对土体扰动小，更易扩径。但由于传统旋扩径置仍然是单独吊装施放，下部没有固定支撑点，若桩周土不均匀，旋切时各支臂受力不均，易使旋扩设备晃动，导致装置轴心偏离竖直中央位置，则旋切形成的扩径腔体几何形状不规则，桩基受荷产生偏心，影响承载能力，且同样不能克服沉渣弊病，使桩基质量下降。

1.3 钻、扩、清工序分离施工效率低

传统的施工工艺需钻孔、扩径、清孔三道工序才能够完成一根桩的成孔施工，给施工带来极大不便。如图1所示，先由钻机钻进成孔，然后钻机撤离孔口位置，吊车就位，吊装扩径装置在孔内特定位置扩径，之后将扩径装置吊离孔口，吊车撤离，重新安置机械进行二次清孔，然后再一次将钻杆、钻头提出孔口，下放钢筋笼，下放灌注导管，灌注混凝土成桩。且往往施工场地紧张，钻机、吊车、扩径设备、钢筋笼下放、混凝土泵车浇筑等互相制约，进一步降低工效，减小变径灌注桩使用信心。

2 施工设备与工艺研究

由于传统工艺的不足，变径灌注桩施工技术渴望新设备新工艺的整合，实现变径灌注桩成孔施工的三个基本工序无缝衔接，即钻孔、扩径、清孔一体化，改善施工场地环境，提高施工效率，降低材料消耗，体现环保可持续发展理念。

2.1 钻扩清三工序合一不间断成孔

正常桩基成孔时，钻头带动钻杆在动力牵引下钻进，钻头转动过程中，采用泥浆护壁法，使泥浆维持孔壁土体稳固平衡，避免塌孔，钻进产生的土渣通过不间断循环流动的泥浆携带排出孔外。

为了实现钻扩清三工序一体化施工，新型设备至少要设置有钻孔钻头、扩径装置和泥浆泵，既能使得三者独立运行，又能使得三者交叉运行，三者各功能间转换自如。

对比挤扩与旋切扩径工艺，考虑采用旋切工艺。为解决偏心问题，拟利用钻头在孔底固定提供支点来稳定旋转中轴线。欲将钻孔与扩径工序合二为一，则需使扩径设备嫁接在钻机上，并考虑钻孔与扩径功能交替转换：正常钻孔时，扩径设备能够跟随钻杆正转向下钻孔，达到既定位置后，钻头停钻，固定于临时孔底，钻扩臂开始张开，钻杆反转带动钻扩臂切削土体，旋切出扩径体。完成一个扩径体施工后，钻扩臂收回，跟随钻杆正转，继续利用钻头钻孔，施工下一个扩径体，直至完成桩孔施工（图2）。由上而下正序施工，一次性形成多节钻扩灌注桩孔。

采用旋切式扩径，避免挤扩形式对土体的局部剧烈扰动，更易形成扩径体，几何形状更理想。旋扩时，钻头嵌入临时孔底固定，钻头与钻杆上部两点形成稳定的旋转中轴线，使得旋转过程稳定匀速，克服了设备晃动及旋转易偏心的缺陷，所成腔体最终形态也是完全关于中轴线对称，使扩径体质量有了很大提升，扩径体内腔圆滑饱满，减少了沉渣淤积，加快扩径速度，最终扩径形状与理想腔体几何形状几乎一致（见图3）；并且钻、扩工序合一交替，避免了多种机械设备转换施工，效率大大提高，质量检测难度明显降低。

图2 钻扩桩成孔示意图

Fig.2 Drill diagram for drilled expanded pile

图3 理想扩径体与实图对比

Fig.3 Comparison between ideal and real diameter-expanded section

2.2 泥浆反循环工艺实施沉渣置换

普通等直径桩孔施工时，钻孔同时伴随泥浆循环清渣，垂直向的孔壁使土渣易于清理。但是钻扩桩施工时桩孔内多出扩径腔体这一特殊构造，沉渣清理与循环难度增大。为改进清孔工艺，考虑扩径体特殊构造以及反循环工艺在桩孔清渣时具有较高效率[12-13]，将泥浆反循环清渣应用于新型钻扩合一工艺。

⑴反循环钻机的旋转动力装置和泥浆泵设置在机架上，可与钻杆同步在机架间上下移动，不论钻孔、扩径或钻机移位作业时均无须再拆卸钻扩装置，可以大大节省钻扩作业的辅助时间。

⑵钻扩合一工艺对应的反循环钻机的转速通常较低，可以对土体产生较大切削力，易于扩径体的施工。因此反循环钻机有利于扩大钻扩工艺的适用土层范围，且有效延长相关部件的使用寿命，同时也有利于设备运行稳定和减小能耗。

⑶反循环工艺采用的是强制循环清孔模式，钻进和扩径产生的土渣能够连续被钻头吸口强力吸入并置换到泥浆池里（图4）。反循环工艺孔壁处自上而下的泥浆流向配合土粒自重恰好可以带走折线形腔体中产生的土渣，使之一起流向孔底泥浆吸口，通过钻杆中的强大抽吸能力，使泥浆与土渣快速的输送到地面泥浆池中，保证清孔持续，桩端无沉渣，实现钻孔、扩径、清孔一体化。

图4 反循环工艺示意图

Fig.4 Diagram for reverse circulation technology

2.3 可调式扩径体形状

变径灌注桩设计时，有腔体边缘高度参数Z，传统工艺无法调整该值，钻扩合一的特殊工艺突破了这一限制。如图5所示，当钻扩臂张开至设定位置达到设定直径后，钻扩臂不回收，钻头开始带动钻扩臂正转钻孔，使钻扩臂切削土体同时竖直向下移动，移动距离视腔缘高度而定，达到预定高度后，钻扩臂收回，继续实施正常钻孔作业，从而实现了可以人为设定腔缘高度的目的，提高扩径体的抗剪能力，这是钻扩合一工艺的特有优势。

图5 设定腔缘高度钻扩示意图

Fig.5 Diagram for side height setting

3 成套施工设备研制

根据钻扩清合一新型工艺理念，研制具有钻、扩、清功能的一体化设备，发明“钻扩清一体机”，制造多节钻扩灌注桩成套设备，推动变径灌注桩施工工艺和设备技术性能的革新。

3.1 钻扩清一体机之钻扩装置

为顺利地完成钻孔与扩径的功能应用与转换，对钻扩装置的钻杆与钻头进行改造。将钻杆改成内外双管嵌套形式，钻扩臂上下连接跤点与外管相连，即可通过外管沿内管的上下移动促使钻扩臂的伸张与收缩，达到扩径的目的；在钻杆与钻头的连接处通过独特的机械设计，使钻杆正转时顺利传递扭矩带动钻头向下钻进，反转时，钻头不受扭矩作用，固定不动，钻杆仅能带动钻扩臂进行反转扩径。图6左为钻扩装置钻进状态，图6右为钻扩装置扩径状态。

图6 钻扩装置示意图

Fig.6 Diagram for drilling-expanding equipment

3.2 钻扩臂嵌固合金切削导流块

钻扩装置下钻扩臂设置有若干个斜向合金切削块，该块具有切削孔壁土体和沉渣导流的双重作用，能够在钻扩臂旋转切削成腔的过程中随时将腔体底部沉渣导流至孔径范围内，使得沉渣跟随着孔内泥浆流向孔底，被持续循环的泥浆携带出孔口，使得扩大头腔体内清孔更干净，几何形状更规整。

3.3 钻杆采用紧固无间隙型连接方式

钻杆加接和拆卸是成孔施工过程中必备作业。钻扩清一体机独创的专利技术紧固无间隙型钻杆接头，满足了钻杆施工过程中正转钻孔、反转扩径的需要，使钻杆对接后仍然具备良好的刚度，为准确高效地将动力传递给钻头和钻扩臂创造了可靠条件，使钻成孔的垂直精度得以保障。

3.4 重力式卷扬机加压设备

通过理论分析和大量的试验研究，钻扩清一体机采用由卷扬机直接操控动力头、泥浆泵、钻杆、钻扩装置的方式，利用上述机件的自重力（自重压力大于20kN）来施加对钻头的压力和对钻扩臂的扩张力，卷扬机的升降幅度则可以准确反映出钻扩臂的收缩及扩张程度，从而达到监控钻扩臂扩张、收缩及钻扩功能准确转换的目的。实践证明，这种由卷扬机配合机件自重式加压方式更为操作简单、灵敏准确。

3.5 标尺与指针组合监控扩径过程

钻扩清一体机在机架竖架上设置有钻杆提放刻度标尺（图7），而在动力头箱体上设置有指针。作业过程中可以通过指针所在标尺的刻度值来准确判定钻扩成型腔体的直径，从而可以实时准确地监控扩径作业的整个过程，扩径体成型质量进一步提高。

图7 扩径判定标尺

Fig.7 Confirmation scales for diameter-expanding

4 钻扩清一体机及钻扩多节灌注桩

钻扩清一体机（见图8）主要由机架（含钻杆垂直扶正机构、旋转动力机构、钻扩装置提放机构、扩径体扩径稳定支撑机构、液压步履行走机构以及钢筋笼下放与混凝土灌注机构等）、钻扩机构（含扩径机构、钻孔机构、钻扩功能转换机构、钻头单向转动机构、旋转密封机构及扩径腔体尺寸控制机构等）、紧固无间隙型正反转钻杆、电器控制机构及泥浆循环机构等构成。钻扩清一体机施工成就多节钻扩灌注桩。

多节钻扩灌注桩成孔施工采用新型工艺及机械，所成扩径体质量可靠，几何形状完全能够达到设计要求。但因桩身扩径产生新的扩径体形状，有别于传统意义上的变径灌注桩，需要深入研究桩身扩径体的荷载传递机理，建立与施工工艺和成套设备相适应的专门理论。

图8 钻扩清一体机

Fig.8 Drilling-expanding-cleaning integrative machine

5 结论与展望

1）基于工程实践，针对变径灌注桩施工工艺的不足，采用稳定轴心式的旋切扩径工艺，钻孔扩径清孔三道工序合一，交替连续施工，并可根据需要调节扩径体高度，同时利用泥浆反循环工艺连续清孔，一次性形成多节钻扩灌注桩孔，有效提高了施工质量与效率，将变径灌注桩施工工艺优化到新高度。

2）基于钻扩清一体施工新工艺，将钻孔装置与扩径装置合二为一，改进钻杆与钻头的特殊构造，同时配套制造出多项关键设备，研制出钻扩清一体机，成就多节钻扩灌注桩。钻扩清一体化桩基新设备将变径灌注桩应用和施工提升到新阶段。

3）新型多节钻扩灌注桩施工工艺及设备与现有变径灌注桩存在明显不同，实际桩型与承载能力必然存在差异。因此，希望业内关注并重视多节钻扩灌注桩承载力理论研究，明确桩身扩径最佳传力路径和受力状态，建立多节钻扩灌注桩最优承载力的几何构造，编制相关技术标准及施工工法，加快推广新型桩基节能技术，促进工程建设可持续发展。

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