建筑工程桩基施工关键技术研究

蒋利

中国葛洲坝集团股份有限公司 湖北武汉 430000

随着我国经济快速发展和城市化进展加快，人口在大中型城市聚集，有限的城市土地供应，推动了高层建筑迅猛发展。在我国城市高层结构建设中，高层结构的基础采用筏形基础、箱型基础和桩基础等，其中，采用桩基础最多。在整个房建工程建设中，桩基工程所耗费的工期、成本费用占比较高。因此研究桩基础施工关键技术，有利于平衡桩基质量和成本之间关系，有利于指导施工作业质量，提高施工能力，获得更好施工效益。

1 桩基础施工概述

建筑工程基础质量直接关系着整个单项工程的质量。在桩基施工过程中，把握好个关键环节技术能有效保障施工正常运行。各部位施工偏差越小，质量越有保障。机械旋挖桩主要工序是：定桩位-埋护筒-钻机就位、校准-钻孔-清孔-测孔深-安放钢筋笼-导管安装-检查沉渣厚度-浇筑混凝土-截桩头-桩检测。

旋挖桩钻机在国际上应用了几十年，近年来随着国内对该种设备认识加深，因其具有工作效率高、工作质量好、尘土泥浆污染少、自动化程度高、功能多（电脑控制、自动校准钻孔垂直度、自动测量钻孔深度）适应各种复杂地质等特点，通过不断尝试应用，成为近年来发展最快的桩基施工方法。

旋挖钻机通过钻头旋挖取土，并通过钻杆伸缩将钻头提升出孔内卸土，在钻孔时通过泥浆护壁，利用泥浆排渣成孔，孔壁形成明显的螺旋线。该种施工方法能克服成孔时空地沉淤泥土多、转孔侧摩擦应力低等困难。

通过对房建项目机械旋挖桩施工的观察分析，认为机械旋挖桩施工过程中的护筒埋设、泥浆护壁施工质量、机械设备对桩基施工具有较大的影响，通过技术研究分析和试验测试，形成改进处置措施，具有较大规模的经济成效[1]。

2 护筒埋设工艺研究

2.1 护筒埋设施工要求

一般根据护筒长度采用不用厚度钢板制作，护筒长度4m以内，采用厚8～10mm的钢板制作，长度大于4m的护筒，采用厚10～15mm钢板制作。钢护筒埋置较深时，采用多节钢护筒连接使用。护筒高度要高于桩顶标高，地平面标高低于桩顶标高时，钢护筒应高出桩顶标高0.3m，当地平面高于桩顶标高时，钢护筒应高于地面0.3m，倾斜率应小于1.3%，桩中心与护筒中心偏差不得大于45mm。为控制护筒安装高度及桩顶标高，一般在桩心外围2.5倍孔桩半径处选择三个点，用短钢筋固定好点位。先挖一个孔桩直径大小的圆坑（留出短钢筋的位置不挖），再把钢护筒吊放进孔内，用卷尺测量，调整护筒位置，使护筒外边缘到到三个短钢筋头的距离相等，此时钢护筒中心与孔桩中心重合。同时用水平尺或线坠检查钢护筒垂直度，确定钢护筒的孔口标高，然后对称、均匀将护筒外侧与孔壁之间的空隙采用其周围的渣土回填夯实。

2.2 改进措施

根据护筒工艺可发现，随着地质条件不同、钻孔深度不同，机械加强强度和震动的下沉频率时刻在变动，在护筒埋设过程中，部分护筒中心与桩位中心很容易产生较大偏差。通过不同加压和不同频率的试验，得出了适用于不同地质情况下的各项数据，可以保证护筒中心与桩位中心的偏差保持在允许范围值内[2]。

3 泥浆护壁质量管控研究

3.1 质量管控要点

泥浆护壁主要适用于地下水位以下的粘性土、粉土、沙土、填土、碎石土及风化岩层的转孔灌注桩施工，属于湿式旋挖转孔。桩基护壁泥浆是黏土和水的混合物，一般遵循就地取材，但要考虑影响泥浆性能的因素。根据施工经验和研究，泥浆的主要性能是粘度、酸碱度、含砂率、胶体率、失水率、泥皮厚度、泥浆比重等。根据记录分析总结，泥浆的粘度16-34Pa.s，酸碱度保持碱性（PH值8-10），含砂率控制在泥浆总体积的4%以内，失水率控制在泥浆总体积的20%以内，泥皮厚度小于3mm，泥浆比重1.02-1.05之间。相关专业对泥浆的性能指标也有不同的规范标准。

公路方面，根据《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50--2011第74页表8.7.3规定：清孔后泥浆指标→相对密度：1.03-1.10；粘度：17-20Pa.s；含砂率：＜2%；胶体率：＞98%；建筑工程方面，根据《建筑工程地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-2018第5章，表5.64泥浆护壁成孔灌注桩质量验收标准里规定，泥浆比重（黏土或砂石土）清孔后距孔底500mm处取样测量值：1.10-1.25；含砂率小于8%；粘度：18-28s。

3.2 质量管控难点

由于施工各部位、不同深度地质、含水量、密实度等存在差异化，另外泥浆也会受季节、天气、光照影响。保持泥浆的稳定性尤为关键。另外需考虑经济成本、施工资源和工期要求因素。

3.3 控制措施

泥浆主要有加膨润土泥浆和聚合物泥浆两种。膨润土泥浆里主要添加剂材料是膨润土、烧碱和纯碱。首先要对原材料进行验收查看是否合格过期，然后通过工地实验室制定不同的泥浆配方。最后，按照试验配合比按照工艺流程，选择熟练操作工人制备泥浆，按照建筑工程有关规范指标，对泥浆的比重、粘度、含砂率、胶体率和PH值进行检测[3]。

针对承压水、流沙层、风积沙地质，容易出现塌孔、缩孔、沉渣较厚等情况，可以加大泥浆比重至1.2～1.3，泥浆里添加纤维素，施工时尽量缩短泥浆护壁时间。

4 塌孔处置研究

4.1 塌孔危害

钻孔遇到不良地质条件或者操作不当，易出现塌孔情况，塌孔不及时处理，会埋钻、堵钻、卡钻等事故，可能留下导水通道，形成质量隐患。

4.2 塌孔成因

一是地质影响。经分析发现回填土深度超过5米，堆填无序、土质松散、地下水渗透较大、回填密实度差，钻孔过程中已发生塌孔。二是施工操作影响。在钻孔过程中，钻孔速度、停钻时长、钻孔附近大型设备施工振动影响、清孔未及时浇筑混凝土、下放钢筋笼剐蹭等也会导致塌孔。

4.3 塌孔处置措施

针对地质原因造成，常采用泥浆护壁、回填素混凝土、埋设钢护筒等措施进行处理。从经济角度讲，泥浆护壁处理降级效益比较高，随着桩基深度不同，不同地段含水率不同，就需要调整泥浆比重，通过试验，得出适用于不同地质情况下的各项和数据，防止钻孔坍塌。另外发生塌孔时，要结合本项目的地质报告中本桩位附近的地质条件，判断塌孔位置，可采取回填砂和黏土沉积密实后进行二次转孔。

针对操作方面造成，钻孔前对工人师傅详细交底不同深度转孔速度、垂直角度，并做好技术指导并做好记录，根据变化及时调整钻速、泥浆粘度等。一般钻孔时连续作业，附近5米范围内尽量避免大型设备施工作业或车辆通过。同时根据地质条件，要检查钢丝绳磨损、牢固情况和钻头磨损程度，及时进行修补或更换材料。

5 机械设备选择研究

5.1 常用机械设备优劣分析

建筑桩基础工程打桩施工使用旋挖钻机、冲击钻机、回转钻机三种常见机械设备。下面先对三种机械优势和不足做对比分析如下：

5.1.1 钻挖钻机

旋挖钻机施工土层速度快，移位快，可以满足工期要求较高的工程，自带的平衡系统可以很好地控制、检查成孔垂直度。但仅局限于挖取土层和强风化土层成桩，而且不适用于桩径较大的成孔，并容易造成塌孔。

5.1.2 冲击钻机

冲击钻机适应性强，在土层和质坚的岩层都可以顺利成桩，但整体成孔效率低，移机速度慢，影响进度，在土层中施工易出现倾斜、扩孔的状况，导致混凝土超灌，增加材料成本。

5.1.3 回转钻机

转钻机中无论正循环还是分循环的钻机，均适用于粘性土、含少量砾石、卵石的土层、软岩，不适用于大量卵石层及硬岩层。其中正循环钻机也适用于粉砂、细中粗砂层。反循环钻机在砂层中钻机如果泥浆调治的指标不够或钻机速度过快，可能会造成塌孔的事故。

回转钻机特别适用于内陆冲积层较厚的平原、沿海地区滩涂地区的摩擦桩成孔。从成孔速度上分析，回转钻机快于冲击钻机，不及旋挖钻机。从工程造价上分析，回转钻机是三种钻机中最经济的，价格最便宜的。

5.2 选择原则

5.2.1 优先考虑操作

冲击钻机也可以根据工地的实际情况自行组装，并且具有操作简单的特点。在钻机的结构和操作程序的繁简上，冲击钻优于回转和旋挖钻机。

5.2.2 优先考虑经济成本

冲击钻机和回转钻机的共同的特点是本身设备价格便宜，操作简单，经过几十年的市场选择，已经成为桩基成孔的主流机械。从工程造价上分析，回转钻机是三种钻机中最经济的，价格最便宜的。

5.2.3 优先考虑性价比

随着社会的进步与发展，冲击钻机和回转钻机也逐步暴露出一些难以克服的缺点：一是效率低。按照正常的施工质量要求和一般地质地层情况，回转钻机每天钻孔8～lOm左右，而冲击钻成孔速度则更慢。二是自动化程度低，操作工人劳动强度大，工作环境差冲击钻机和回转钻机的自动化程度不高，基本是露天操作，工人工作的环境恶劣，已不符合现在社会人性化和高度自动化的潮流。

使用旋挖钻机施工，干法成孔时，不会对现场和周遍环境造成污染。即便采用静态泥浆成孔时，相对于冲击钻机和回转钻机的污染，旋挖钻机对现场产生污染要少。在一般地层，旋挖钻机成孔速度是普通钻机的4～6倍。按照在一般地层和桥梁桩长30米以内估算，按照正常的桩基成孔的质量控制要求，成孔一根合格的桩基，回转钻机大约是24～36小时。而熟练的旋挖钻机操作手再配备技术员指导钻孔，桩基成孔则只需要6-9个小时。在这方面旋挖钻机的优势明显。

旋挖钻机可配备不同钻头，常见的旋挖钻头有螺旋钻头、旋挖斗，另外还有针对不同地质情况的筒式取芯钻头、扩底钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头，可用于砂层、土层岩层等不同地层的钻孔。

旋挖钻机靠履带可以自行走，钻孔前的定位非常准确和方便。旋挖钻机不仅钻垂直桩，还可以钻斜桩。

高度自动化，操作工人劳动强度小，工作环境舒适。旋挖钻机是集大功率、全液压、机电一体化、操作舒适化（人性化）于一体产物。

5.3 旋挖钻机需要注意事项

旋挖钻机也会受地层地质情况的制约，在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层时，钻进就变得比较困难，不更换钻头，易发生事故。虽然可以针对硬岩层、粒径超过lOcm的卵石层、直径大于20cm的漂石地层的配备筒式取芯钻头、冲击钻头、冲抓锥钻头，但其实际效率和实际效果与传统的冲击钻机相比，其效果仍然不理想。

5.4 小结

桩基施工中选择成孔机械时，需要考虑多方面因素。选择成孔机械时，首先考虑地层地质情况。根据地质柱状图，有针对性的选择成孔的机械。其次是考虑钻机成孔的经济成本、工期、环保和文明施工等因素。同时要对不同钻机有客观的认识，充分认识人为和机械设计本身缺陷，才能避免事故发生，控制桩基施工质量。

6 研究成效

在不同地质条件下，采用不同的桩基的施工技术，在保证结构安全的前提下不仅可以同时施工，节省材料，还可节省人力成本，缩短工期。同时通过对机械旋挖桩的研究，发现该项施工技术在成孔率、成本控制、工期、安全、环保、自动化方面有优势，此项技术已在孝感安置房项目、荆州还建房项目应用，成功解决了在桩基施工中对环境噪音污染、垂直度控制、塌孔控制、孔壁紧缩等技术难题，该技术应用保证桩基础施工成孔率大大提高，桩质量有保证，安全可靠，施工效率得以提高，同时降低了桩基施工的直接成本和桩基施工质量不达标返工、人员设备窝工、施工效率低下造成的间接成本。

7 结语

当前，我国正在实施“碳中和”“碳达峰”这一国家重大战略，全社会、各行业将共同承担、共同参与，必将引起新一轮产业和技术革命，我国作为基建大国，建筑行业是践行“碳中和”“碳达峰”战略目标的关键领域和主战场之一。建筑领域的技术创新、绿色施工工艺迭代升级将会迎来更大发展机遇。桩基础施工关键技术研究理论和实践成果，有助于建筑企业提高竞争力，主动适应新的建筑市场体系，推动建筑施工工艺、技术的升级换代，创造更多经济效益和社会效益。