建筑工程樁基施工關鍵技術研究

蔣利

中國葛洲壩集團股份有限公司 湖北武漢 430000

隨著我國經濟快速發展和城市化進展加快，人口在大中型城市聚集，有限的城市土地供應，推動了高層建筑迅猛發展。在我國城市高層結構建設中，高層結構的基礎采用筏形基礎、箱型基礎和樁基礎等，其中，采用樁基礎最多。在整個房建工程建設中，樁基工程所耗費的工期、成本費用占比較高。因此研究樁基礎施工關鍵技術，有利于平衡樁基質量和成本之間關系，有利于指導施工作業質量，提高施工能力，獲得更好施工效益。

1 樁基礎施工概述

建筑工程基礎質量直接關系著整個單項工程的質量。在樁基施工過程中，把握好個關鍵環節技術能有效保障施工正常運行。各部位施工偏差越小，質量越有保障。機械旋挖樁主要工序是：定樁位-埋護筒-鉆機就位、校準-鉆孔-清孔-測孔深-安放鋼筋籠-導管安裝-檢查沉渣厚度-澆筑混凝土-截樁頭-樁檢測。

旋挖樁鉆機在國際上應用了幾十年，近年來隨著國內對該種設備認識加深，因其具有工作效率高、工作質量好、塵土泥漿污染少、自動化程度高、功能多（電腦控制、自動校準鉆孔垂直度、自動測量鉆孔深度）適應各種復雜地質等特點，通過不斷嘗試應用，成為近年來發展最快的樁基施工方法。

旋挖鉆機通過鉆頭旋挖取土，并通過鉆桿伸縮將鉆頭提升出孔內卸土，在鉆孔時通過泥漿護壁，利用泥漿排渣成孔，孔壁形成明顯的螺旋線。該種施工方法能克服成孔時空地沉淤泥土多、轉孔側摩擦應力低等困難。

通過對房建項目機械旋挖樁施工的觀察分析，認為機械旋挖樁施工過程中的護筒埋設、泥漿護壁施工質量、機械設備對樁基施工具有較大的影響，通過技術研究分析和試驗測試，形成改進處置措施，具有較大規模的經濟成效[1]。

2 護筒埋設工藝研究

2.1 護筒埋設施工要求

一般根據護筒長度采用不用厚度鋼板制作，護筒長度4m以內，采用厚8～10mm的鋼板制作，長度大于4m的護筒，采用厚10～15mm鋼板制作。鋼護筒埋置較深時，采用多節鋼護筒連接使用。護筒高度要高于樁頂標高，地平面標高低于樁頂標高時，鋼護筒應高出樁頂標高0.3m，當地平面高于樁頂標高時，鋼護筒應高于地面0.3m，傾斜率應小于1.3%，樁中心與護筒中心偏差不得大于45mm。為控制護筒安裝高度及樁頂標高，一般在樁心外圍2.5倍孔樁半徑處選擇三個點，用短鋼筋固定好點位。先挖一個孔樁直徑大小的圓坑（留出短鋼筋的位置不挖），再把鋼護筒吊放進孔內，用卷尺測量，調整護筒位置，使護筒外邊緣到到三個短鋼筋頭的距離相等，此時鋼護筒中心與孔樁中心重合。同時用水平尺或線墜檢查鋼護筒垂直度，確定鋼護筒的孔口標高，然后對稱、均勻將護筒外側與孔壁之間的空隙采用其周圍的渣土回填夯實。

2.2 改進措施

根據護筒工藝可發現，隨著地質條件不同、鉆孔深度不同，機械加強強度和震動的下沉頻率時刻在變動，在護筒埋設過程中，部分護筒中心與樁位中心很容易產生較大偏差。通過不同加壓和不同頻率的試驗，得出了適用于不同地質情況下的各項數據，可以保證護筒中心與樁位中心的偏差保持在允許范圍值內[2]。

3 泥漿護壁質量管控研究

3.1 質量管控要點

泥漿護壁主要適用于地下水位以下的粘性土、粉土、沙土、填土、碎石土及風化巖層的轉孔灌注樁施工，屬于濕式旋挖轉孔。樁基護壁泥漿是黏土和水的混合物，一般遵循就地取材，但要考慮影響泥漿性能的因素。根據施工經驗和研究，泥漿的主要性能是粘度、酸堿度、含砂率、膠體率、失水率、泥皮厚度、泥漿比重等。根據記錄分析總結，泥漿的粘度16-34Pa.s，酸堿度保持堿性（PH值8-10），含砂率控制在泥漿總體積的4%以內，失水率控制在泥漿總體積的20%以內，泥皮厚度小于3mm，泥漿比重1.02-1.05之間。相關專業對泥漿的性能指標也有不同的規范標準。

公路方面，根據《公路橋涵施工技術規范》JTG/TF50--2011第74頁表8.7.3規定：清孔后泥漿指標→相對密度：1.03-1.10；粘度：17-20Pa.s；含砂率：＜2%；膠體率：＞98%；建筑工程方面，根據《建筑工程地基基礎工程施工質量驗收規范》GB50202-2018第5章，表5.64泥漿護壁成孔灌注樁質量驗收標準里規定，泥漿比重（黏土或砂石土）清孔后距孔底500mm處取樣測量值：1.10-1.25；含砂率小于8%；粘度：18-28s。

3.2 質量管控難點

由于施工各部位、不同深度地質、含水量、密實度等存在差異化，另外泥漿也會受季節、天氣、光照影響。保持泥漿的穩定性尤為關鍵。另外需考慮經濟成本、施工資源和工期要求因素。

3.3 控制措施

泥漿主要有加膨潤土泥漿和聚合物泥漿兩種。膨潤土泥漿里主要添加劑材料是膨潤土、燒堿和純堿。首先要對原材料進行驗收查看是否合格過期，然后通過工地實驗室制定不同的泥漿配方。最后，按照試驗配合比按照工藝流程，選擇熟練操作工人制備泥漿，按照建筑工程有關規范指標，對泥漿的比重、粘度、含砂率、膠體率和PH值進行檢測[3]。

針對承壓水、流沙層、風積沙地質，容易出現塌孔、縮孔、沉渣較厚等情況，可以加大泥漿比重至1.2～1.3，泥漿里添加纖維素，施工時盡量縮短泥漿護壁時間。

4 塌孔處置研究

4.1 塌孔危害

鉆孔遇到不良地質條件或者操作不當，易出現塌孔情況，塌孔不及時處理，會埋鉆、堵鉆、卡鉆等事故，可能留下導水通道，形成質量隱患。

4.2 塌孔成因

一是地質影響。經分析發現回填土深度超過5米，堆填無序、土質松散、地下水滲透較大、回填密實度差，鉆孔過程中已發生塌孔。二是施工操作影響。在鉆孔過程中，鉆孔速度、停鉆時長、鉆孔附近大型設備施工振動影響、清孔未及時澆筑混凝土、下放鋼筋籠剮蹭等也會導致塌孔。

4.3 塌孔處置措施

針對地質原因造成，常采用泥漿護壁、回填素混凝土、埋設鋼護筒等措施進行處理。從經濟角度講，泥漿護壁處理降級效益比較高，隨著樁基深度不同，不同地段含水率不同，就需要調整泥漿比重，通過試驗，得出適用于不同地質情況下的各項和數據，防止鉆孔坍塌。另外發生塌孔時，要結合本項目的地質報告中本樁位附近的地質條件，判斷塌孔位置，可采取回填砂和黏土沉積密實后進行二次轉孔。

針對操作方面造成，鉆孔前對工人師傅詳細交底不同深度轉孔速度、垂直角度，并做好技術指導并做好記錄，根據變化及時調整鉆速、泥漿粘度等。一般鉆孔時連續作業，附近5米范圍內盡量避免大型設備施工作業或車輛通過。同時根據地質條件，要檢查鋼絲繩磨損、牢固情況和鉆頭磨損程度，及時進行修補或更換材料。

5 機械設備選擇研究

5.1 常用機械設備優劣分析

建筑樁基礎工程打樁施工使用旋挖鉆機、沖擊鉆機、回轉鉆機三種常見機械設備。下面先對三種機械優勢和不足做對比分析如下：

5.1.1 鉆挖鉆機

旋挖鉆機施工土層速度快，移位快，可以滿足工期要求較高的工程，自帶的平衡系統可以很好地控制、檢查成孔垂直度。但僅局限于挖取土層和強風化土層成樁，而且不適用于樁徑較大的成孔，并容易造成塌孔。

5.1.2 沖擊鉆機

沖擊鉆機適應性強，在土層和質堅的巖層都可以順利成樁，但整體成孔效率低，移機速度慢，影響進度，在土層中施工易出現傾斜、擴孔的狀況，導致混凝土超灌，增加材料成本。

5.1.3 回轉鉆機

轉鉆機中無論正循環還是分循環的鉆機，均適用于粘性土、含少量礫石、卵石的土層、軟巖，不適用于大量卵石層及硬巖層。其中正循環鉆機也適用于粉砂、細中粗砂層。反循環鉆機在砂層中鉆機如果泥漿調治的指標不夠或鉆機速度過快，可能會造成塌孔的事故。

回轉鉆機特別適用于內陸沖積層較厚的平原、沿海地區灘涂地區的摩擦樁成孔。從成孔速度上分析，回轉鉆機快于沖擊鉆機，不及旋挖鉆機。從工程造價上分析，回轉鉆機是三種鉆機中最經濟的，價格最便宜的。

5.2 選擇原則

5.2.1 優先考慮操作

沖擊鉆機也可以根據工地的實際情況自行組裝，并且具有操作簡單的特點。在鉆機的結構和操作程序的繁簡上，沖擊鉆優于回轉和旋挖鉆機。

5.2.2 優先考慮經濟成本

沖擊鉆機和回轉鉆機的共同的特點是本身設備價格便宜，操作簡單，經過幾十年的市場選擇，已經成為樁基成孔的主流機械。從工程造價上分析，回轉鉆機是三種鉆機中最經濟的，價格最便宜的。

5.2.3 優先考慮性價比

隨著社會的進步與發展，沖擊鉆機和回轉鉆機也逐步暴露出一些難以克服的缺點：一是效率低。按照正常的施工質量要求和一般地質地層情況，回轉鉆機每天鉆孔8～lOm左右，而沖擊鉆成孔速度則更慢。二是自動化程度低，操作工人勞動強度大，工作環境差沖擊鉆機和回轉鉆機的自動化程度不高，基本是露天操作，工人工作的環境惡劣，已不符合現在社會人性化和高度自動化的潮流。

使用旋挖鉆機施工，干法成孔時，不會對現場和周遍環境造成污染。即便采用靜態泥漿成孔時，相對于沖擊鉆機和回轉鉆機的污染，旋挖鉆機對現場產生污染要少。在一般地層，旋挖鉆機成孔速度是普通鉆機的4～6倍。按照在一般地層和橋梁樁長30米以內估算，按照正常的樁基成孔的質量控制要求，成孔一根合格的樁基，回轉鉆機大約是24～36小時。而熟練的旋挖鉆機操作手再配備技術員指導鉆孔，樁基成孔則只需要6-9個小時。在這方面旋挖鉆機的優勢明顯。

旋挖鉆機可配備不同鉆頭，常見的旋挖鉆頭有螺旋鉆頭、旋挖斗，另外還有針對不同地質情況的筒式取芯鉆頭、擴底鉆頭、沖擊鉆頭、沖抓錐鉆頭，可用于砂層、土層巖層等不同地層的鉆孔。

旋挖鉆機靠履帶可以自行走，鉆孔前的定位非常準確和方便。旋挖鉆機不僅鉆垂直樁，還可以鉆斜樁。

高度自動化，操作工人勞動強度小，工作環境舒適。旋挖鉆機是集大功率、全液壓、機電一體化、操作舒適化（人性化）于一體產物。

5.3 旋挖鉆機需要注意事項

旋挖鉆機也會受地層地質情況的制約，在硬巖層、較致密的卵礫石、孤石層時，鉆進就變得比較困難，不更換鉆頭，易發生事故。雖然可以針對硬巖層、粒徑超過lOcm的卵石層、直徑大于20cm的漂石地層的配備筒式取芯鉆頭、沖擊鉆頭、沖抓錐鉆頭，但其實際效率和實際效果與傳統的沖擊鉆機相比，其效果仍然不理想。

5.4 小結

樁基施工中選擇成孔機械時，需要考慮多方面因素。選擇成孔機械時，首先考慮地層地質情況。根據地質柱狀圖，有針對性的選擇成孔的機械。其次是考慮鉆機成孔的經濟成本、工期、環保和文明施工等因素。同時要對不同鉆機有客觀的認識，充分認識人為和機械設計本身缺陷，才能避免事故發生，控制樁基施工質量。

6 研究成效

在不同地質條件下，采用不同的樁基的施工技術，在保證結構安全的前提下不僅可以同時施工，節省材料，還可節省人力成本，縮短工期。同時通過對機械旋挖樁的研究，發現該項施工技術在成孔率、成本控制、工期、安全、環保、自動化方面有優勢，此項技術已在孝感安置房項目、荊州還建房項目應用，成功解決了在樁基施工中對環境噪音污染、垂直度控制、塌孔控制、孔壁緊縮等技術難題，該技術應用保證樁基礎施工成孔率大大提高，樁質量有保證，安全可靠，施工效率得以提高，同時降低了樁基施工的直接成本和樁基施工質量不達標返工、人員設備窩工、施工效率低下造成的間接成本。

7 結語

當前，我國正在實施“碳中和”“碳達峰”這一國家重大戰略，全社會、各行業將共同承擔、共同參與，必將引起新一輪產業和技術革命，我國作為基建大國，建筑行業是踐行“碳中和”“碳達峰”戰略目標的關鍵領域和主戰場之一。建筑領域的技術創新、綠色施工工藝迭代升級將會迎來更大發展機遇。樁基礎施工關鍵技術研究理論和實踐成果，有助于建筑企業提高競爭力，主動適應新的建筑市場體系，推動建筑施工工藝、技術的升級換代，創造更多經濟效益和社會效益。