鉆孔灌注樁在沙漠地區建筑工程中的應用

尤文博

鉆孔灌注樁技術在現代基礎建設工程中的應用十分普遍，適用于建筑、鐵路、公路與橋梁等各類工程。近年來，我國西部欠發達地區也獲得了快速發展，而且在基礎建設工程數量增多、規模擴大的情況下增加了對鉆孔灌注樁技術的應用頻率。以沙漠地區為例，由于土層結構本身的脆弱性，在建筑項目樁基礎工程中往往需要應用鉆孔灌注樁技術來提高地基的穩定性。

1 鉆孔灌注樁在沙漠地區的應用難點

鉆孔灌注樁技術在理論與實踐方面已經趨于成熟，但與非沙漠地區相比，在沙漠地區的應用比例相對較低，積累的實踐經驗比較少，加上沙漠地區的自然環境復雜、地質條件與水文條件較差，因此在實際應用該技術時仍然會存在一些難點。例如，沙漠地區的建筑工程施工場地多為砂層，土層較為松軟，會給基礎工程建設造成一定的困難，而且在實際成孔作業過程中，隨著施工深度的增加，也需要結合實際情況調整鉆孔灌注樁技術[1]。

在地下土質結構相對松散的情況下，土層的地基承載力有限，此時需要將標貫擊數控制在5 ～25，預防因擊打范圍過大造成塌孔；但當土層結構為細砂時則可將數值調整到40 ～100。另外，為了確保該技術的應用效果，施工時還要避免使用單孔作業法，盡可能選擇泥漿護壁方案。

2 鉆孔灌注樁施工工藝及關鍵技術分析

2.1 施工工藝

目前，鉆孔灌注樁施工中的常見工藝主要包括長螺旋鉆孔灌注樁、沖擊成孔灌注樁、機械旋挖成孔灌注樁以及泵吸反循環成孔等，當建筑項目樁基礎工程存在差異時，要選擇適配性較高的施工工藝以確保工程質量。

長螺旋鉆孔灌注樁在小粒徑卵石層和砂層中已經得到廣泛應用，能夠有效保障成孔質量。從實踐經驗來看，應用該工藝時需要配置長螺旋鉆機，并按照設計圖紙中的標高進行鉆孔，然后借助混凝土泵將混合料壓出成樁，再通過專門振動裝置一次性插入鋼筋籠，從而完成鋼筋混凝土灌注樁的成形工作。雖然該工藝適用范圍廣，承載能力強，污染較小，但是電能損耗量較大，而且遇到堅硬巖層時往往會出現鉆進難的問題。

沖擊成孔灌注樁工藝在軟質巖、風化巖、漂礫層以及砂礫卵石層方面的適用性較好，特別是在地下水位以下土層中的應用效果十分顯著。該工藝的主要設備為沖擊式鉆機，沖擊鉆頭在相應高度內通過重復自由落體運動完成成樁孔的制作[2]。考慮到沖擊時會產生巖屑、鉆渣等，施工人員應結合泥漿循環與撈渣方式將其排出，以保障成孔質量。

機械旋挖成孔灌注樁工藝在風化巖、卵石、砂土以及粉土等方面具有明顯的優勢，而且成孔作業時自動化程度較高，可以較好地實現預期成孔作業目標。施工人員應用時可借助機械結構中的傳導力，使用短螺旋鉆或者回轉鉆頭（由伸縮鉆桿帶動）進行反復循環施工直至成孔，該過程通常包括旋轉、挖土、卸土等流程。目前，該工藝可以選擇干鉆進方案，也可根據實際情況選用濕鉆進方案，具體操作時應以實際土層為主。由于該工藝成孔時存在木桶效應，因此孔壁在承受負壓與出渣反復沖刷的條件下容易發生塌孔事故。

泵吸反循環成孔與長螺旋鉆孔灌注樁工藝的適用范圍基本相同，確定成孔作業所用的離心泵后，可借助抽吸、大氣壓以及孔內液柱負壓的多重作用將沖洗液壓入孔底。當鉆渣通過鉆桿內腔排出、沉淀后沖洗液再以反循環方式流入孔內，即可實現反循環成孔作業。其護壁效果較好，但也不適用于堅硬巖層。

2.2 關鍵技術

建筑項目樁基礎工程中應用鉆孔灌注樁技術時，工藝較多，但無論選擇哪一種工藝，均需要結合設備、工作原理、配置設施設置以及施工管理等進行實踐。其中，鉆孔灌注樁工藝使用時的關鍵技術如下。

首先，在設計施工一體化實踐模式下，需要根據地質勘察報告、設計圖和施工圖等比選出性價比較高的工藝，然后根據工藝進行設備選型、原理分析，并在此基礎上配置各項設施。其次，在常規的施工準備、施工建設以及竣工驗收3 大階段，需要按照地質條件分析→確定成孔工藝→施工準備→樁位放樣→施工鉆孔機就位→鉆井工藝→成孔質量檢測等基本流程進行操作[3]。由于工藝選擇存在差異，因此在實踐中往往需要對基本流程進行精細化處理，保障工藝流程的全面性。最后，由于現代建筑項目樁基礎工程施工與施工管理始終處于同步應用狀態，因此要做好技術質量控制等配套工作。

3 鉆孔灌注樁在沙漠地區建筑工程中的應用

3.1 工程概況

以某建筑項目樁基礎工程為例，該工程所在區域屬于天然荒漠草原，總體地勢平坦，具有以下地質特點。

（1）場地所在區域的地貌形成于第三系末期至第四系初期，其中表層素填土與沖積砂層均由第四系全新統沖積而成，主要成分為細砂。白堊系志丹群第3組青灰色砂巖構成下伏基巖，上覆層與下伏基巖間為不整合接觸關系。（2）地下水位埋深較淺，由潛水與承壓水構成，地下靜止水位埋深在0.43 ～0.77 m，水位標高1283.06 ～1281.75 m。（3）分析勘察報告中的全風化、強風化以及中風化砂巖后，明確了三者的側摩擦阻力特征值分別為45 kPa、70 kPa、85 kPa。

3.2 成孔工藝

首先，根據地質勘察結果可將相對穩定的中風化砂巖層作為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁的樁端持力層，并控制持力層深度在4.5 m 以上，樁的長度、直徑分別設計為19.0 m 與0.80 m。考慮到該工程所在區域地質和水文條件的復雜性以及土層結構的脆弱性，施工單位結合設計參數進行了試樁檢驗，實驗過程主要按照施工場地中的A、B、C 區域對單樁進行靜載試驗，試驗內容包括了抗壓與抗拔靜載試驗以及水平靜載試驗。

以A 區AS4 ～AS6 樁 為 例，水 平臨界荷載值均為200 kN，位移的數值分別 為2.52 mm、6.35 mm、3.81 mm；而水平極限荷載值卻是臨界荷載值的兩倍均為400 kN，位移分別為8.76 mm、35.84 mm、34.45 mm。由此可見，可以選取200 kN 作為施工樁的水平承載力特征值。另外，對A、B、C 區域進行同等數量的樁水平靜載試驗時，若B、C 區將設計樁徑縮小到0.60 m，則需要選擇100 kN 作為其水平承載力特征值。

其次，以工程所在區域的地質條件、水文條件、樁設計參數以及靜載試驗結果為依據進行綜合考慮后，施工單位認為長螺旋鉆孔灌注樁工藝耗電量過大且存在鉆孔困難的問題，泵吸反循環成孔工藝比較費時費力，沖擊成孔灌注樁工藝施工速度相對較慢，需要投入大量資源且不能如期竣工，機械旋挖成孔灌注樁工藝則容易塌孔。沖擊成孔灌注樁工藝流程如圖1 所示。

圖1 沖擊成孔灌注樁工藝流程

因此，施工單位從優勢互補的思路出發，利用“反循環+旋挖”聯合工藝規避不足，提升成孔質量[4]。在常規流程基礎上可將其工藝流程細化為12 個具體環節：（1）準備；（2）樁位放樣；（3）制備泥漿；（4）反循環鉆機鉆孔；（5）旋挖鉆機鉆孔；（6）清孔；（7）安放鋼筋籠；（8）導管安裝；（9）二次清孔；（10）水下灌注混凝土；（11）拆卸導管；（12）成樁。

3.3 施工要點

第一，埋設護筒在本工程中發揮著重要作用，有利于有效預防孔口坍塌，并在水頭抬高的同時有效控制樁位。因此，按照樁的設計參數與實際施工工藝應用中的鉆孔設備情況，將其高度控制設置為2.0 m，直徑設置為1.0 m。

第二，首先，在制備泥漿時根據工藝要求在現場施工區域開挖兩個同樣大小的泥漿池，泥漿池的長、寬、高尺寸分別為8.0 m、3.0 m、1.0 m。其次，制備時的材料包括水、纖維素、燒堿以及鈉基膨潤土，比重為1.3 左右，可根據情況適當調整。

第三，中風化巖層鉆孔作業時根據雙工藝流程進行操作，其中泵吸反循環成孔應用時先檢查、啟動并試運行離心泵，確認無誤后進入正常循環工作狀態；然后啟動配套的鉆機，并以實際的進尺、排水量和出渣量為參考依據調整鉆機速度。而強風化與全風化巖層則根據實際情況應用旋挖鉆機進行成孔作業，具體操作時要求以“慢速鉆進，適度增加泥漿比重”的原則確保成孔質量，提鉆時應設置靜置環節，本工程以1 min 左右作為靜置時間，有效預防了因負壓產生的孔壁損壞及塌孔現象。同時，在提升出渣過程中要求在完成一次提渣后根據現場情況進行補漿處理等[5]。

第四，本工程中的鋼筋籠需要成孔后再進行安放，因此鋼筋籠的制作質量要求較高，為了防止下放鋼筋籠時出現碰壁、掛壁以及成孔垮塌等問題，施工單位專門設置了保護層墊塊。具體設置時以4 個為一組，每組間隔2 m 進行布置；安放時先調整好鋼筋籠與孔的位置，確認對準后再居中下放并緩慢放入，這樣既保護了孔壁也較好地完成了鋼筋籠安放目標。需要說明的是，鋼筋籠的制作與安放會直接影響后續的澆筑質量，因此質量員與監理人員需要先對進場鋼筋進行分批次抽檢，確認其質量與施工設計標準相符合后，先簽字再入庫堆放。進入施工階段后，應該結合鋼筋籠的制作與安裝情況，對制作日期、樁位編號、主筋間距、箍筋規格間距、鋼筋籠直徑、鋼筋籠搭接長度偏差、焊接質量及放置深度等因素進行細致檢查。

第五，鋼筋籠安放作業完成后進入水下灌注混凝土階段。本工程中主要以預拌混凝土為灌注混合料，因此當成品混合料進場后要求先檢驗坍落度，經工程質量檢測員采集樣品快速檢驗并確認合格后，方可進場直接使用。具體灌注時要求一次性連續灌注，初始灌注時混合料的量應控制在導管埋入深度1 m以上，進入連續灌注狀態后中途嚴禁中斷作業。混凝土面位置的測量由工程質量檢測人員現場操作，并根據測量結果實時調整導管埋深。另外，為了預防鋼筋籠上浮，本工程以鋼筋籠所在位置為參照，結合孔內混凝土與其位置距離調慢灌注進度并在灌注后面層超過鋼筋籠底面4 m 位置時再提升導管，當導管底口提升至鋼筋籠底面以上時則按照連續灌注時的正常速度進行作業。

3.4 注意事項

本工程應用鉆孔灌注樁技術時，因沙漠地區的客觀條件限定而選擇了雙工藝方案，雖然能夠滿足不同類型的砂巖鉆孔需求，但是在實際應用時卻比較復雜，施工時涉及人、機、材、技以及施工現場的質量監督等，而且鉆孔、灌注始終處于動態狀態，任何一項要素配置不到位或出現差錯均可導致成孔質量問題[6]。因此，本工程結合實際情況列舉了施工流程要素清單，并結合清單檢查了技術指標。

在應用鉆孔灌注樁技術時涉及參數檢驗問題，本工程采用樁體靜載試驗辦法，通過不同的樁徑檢驗并科學驗證了設計參數的有效性。另外，沙漠地區的施工作業條件限定性較大，一旦發生施工問題，變更的可能性較小。因此，施工人員在靜載試驗的基礎上利用有限元軟件分析了相關力學，同時基于BIM 技術的信息管理平臺，按照計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）設計圖與施工圖→Revit 設計模型與施工模型→Navisworks 施工模擬→Project 自動進度表單等應用流程進行設計方案優化處理與施工過程四維動畫模擬，提前預測了潛在風險[7]。

4 結語

在沙漠地區的建筑工程中使用鉆孔灌注樁技術時仍存在一些問題，而且對于成孔工藝的要求較高。因此，應根據實際樁基礎工程中的鉆孔灌注樁設計參數，合理確定施工工藝并在細化施工流程的基礎下按部就班地完成施工作業。尤其在設計施工一體化實踐模式下，施工單位應配套開展全過程管理，以此增強該技術在沙漠地區的應用效果。