复杂地质区域桩基施工方法浅析

刘义平（中铁城建集团有限公司，湖南 长沙 410000）

目前，各大中型城市建筑工程单体规模越来越大，施工过程中对桩基工程施工质量、造价、进度、安全及环境保护等各方面的要求也越来越高。在高层建筑桩基施工中比较成熟、安全可靠的施工工艺主要有旋挖成孔灌注桩和冲击成孔灌注桩两种。在大型、多层岩溶发育等复杂地质区域进行施工时，因桩孔内清孔困难，旋挖成孔灌注桩施工效率受到较大影响，桩基施工质量、安全、进度难以保证，且混凝土超灌严重，不利于成本控制；冲击成孔灌注桩工艺凭借设备简单、易于操作、可确保大型溶洞区域成桩质量等特点，成为该类复杂地质条件下高层建筑桩基施工的优选解决方案，被广泛使用[1]。

1 工程地质条件

人工智能科技园安居工程项目位于湖南省长沙市岳麓区，岩土勘察结果显示，施工范围内主要分布有粉质黏土、杂填土、素填土、强分化和中风化钙质砾岩等多种岩层，在场地内具有较为复杂的地质情况，存在着面积广、埋深大、数量多、无规则分布的大型溶洞，部分溶洞为多层复合型溶洞，埋深达15m以上，最大溶洞高度达到23.3m，且部分孔内有流塑状物体填充，勘探施工中串孔现象时有发生。在桩基工程施工时，如按设计要求采用旋挖成孔灌注桩方法，因桩孔坍塌、清孔困难，效率极低，施工难度极大，施工人员安全及桩基成型质量难以保证，且混凝土超灌严重，极大地增加施工成本。

2 复杂地质条件下桩基施工主要方法、技术要点和注意事项

2.1 桩基施工主要方法和技术要点

针对本项目复杂地质条件，根据地质情况合理选用成熟可靠、稳定性高的施工工艺，确保在满足安全、质量、进度的前提下，将施工成本控制在合理范围内。

超前勘探：在桩基施工设备进场之前，在原地勘基础上逐桩进行超前钻，对少量溶洞发育特别复杂区域的桩位采用一桩两孔甚至一桩三孔钻探；获得准确的地质勘探数据后，采用专业软件绘制每一轴线的地质剖面图，将溶洞分布范围、深度、大小、走向以图形方式表示出来，并将拟施工的桩位绘制在剖面图上，准确、直观、形象地反映地质与桩基设计情况。

工艺选择：通过剖面图分析合理选择施工工艺，当桩孔内无溶洞或溶洞高度小于0.5m时，采用旋挖成孔工艺正常施工，冲孔过程中遇溶洞时适当控制钻进和提钻速度，尽量减小对孔壁的冲击，避免出现负压导致孔壁失稳坍塌；当桩孔内溶洞高度大于0.5m时，为确保施工人员安全和施工质量，避免出现大规模超灌，有效控制施工成本，需采用冲击成孔工艺进行施工；对施工作业人员进行可视化技术交底，将施工顺序、溶洞处理方法、终孔判断依据等抽象的施工参数形象化，便于施工人员掌握，可有效控制桩基施工过程，避免桩孔超深、超灌导致成本浪费。

桩位放样：使用GPS或全站仪进行桩位放样，由专业质检工程师对桩位进行校核，在确保桩位准确无误后方可开始冲孔施工。

钻机就位：桩基需采用跳桩方式进行施工，间距不得小于4d，桩基施工完36h后方可进行相邻桩施工。

泥浆制备：现场开挖泥浆池和泥浆槽，在冲击成孔桩施工钻进期间，要经常使用试验设备测试泥浆各项性能指标，按照孔深、地层情况和泥浆性能对泥浆浓度做出动态性调整，在必要的情况下加入外加剂；泥浆可以循环使用，桩孔内钻渣经过泥浆池沉淀、晾晒或者固化处理后弃运至场外的渣土消纳场，防止泥浆外流。

冲孔钻进：钻机安装后要调试平稳，不能出现脱空和晃动；根据土质情况调整钻机冲程和钻头钻进速度，冲程过高时，钻头冲击力大，对孔底扰动大，易引起塌孔；冲程过小，则钻进速度较慢，影响施工进度；通过斜岩时，需先将孔底用小片石垫平，再用十字形冲击钻头钻进，经常调整冲击钻头方向，防止钻头倾斜，产生斜孔、坍孔或者局部较深卡住钻头。

过程质量控制：施工阶段，严格控制冲击成孔灌注桩桩位和垂直度。开孔2m～3m时，应采用低锤密击方式，确保桩位准确；进入稳定岩层后，可适当加大冲程，保证整体施工进度；当孔内为软弱土层时，可就地取材，加入中风化片石或者桩头破碎后的混凝土碎块，反复冲击、挤压片石造壁，并保持孔内泥浆面稳定；在软硬地质交界和多层溶洞发育部位，采用低冲程冲进，确认进入硬质地层2m后，再加大冲程冲进；遇到孤石可高低冲程随机变换，循环冲击，将孤石击碎或挤入孔壁[2]。

溶洞处理：当桩基施工过程中遇到大型溶洞、孔内泥浆液面突然下降时，边冲孔边采用片石、黏土混合物对桩孔进行填充，确保泥浆液面稳定；片石可选用场内强度较高的强风化岩、中风化岩或前期破碎的桩头混凝土块，尺寸150mm～200mm，片石、黏土比例约为4:1；使用冲击钻头反复冲击、挤压桩孔，将桩孔边溶洞用片石、黏土混合物填充、挤压密实；同时，控制冲孔钻进速度，使浆液渗入片石孔隙后固结，形成坚实、稳定的护壁。

清孔：当钻孔达到设计孔深，满足设计最小桩长和桩身进入持力层深度要求时，停止钻进；利用泥浆循环带走钻渣，经沉淀池沉淀或加入固化剂固化后外弃，孔内始终保持泥浆液面高度不变，确保不出现桩孔坍塌，待沉渣厚度和泥浆比重达到规范要求时可停止清孔。

钢筋笼制作安装：钢筋笼主筋规格、数量需符合设计要求，钢筋笼接长时接头采用单面焊，搭接长度不小于10d，相邻主筋焊接接头需错开。

二次清孔：钢筋笼和导管下放后需采用泥浆循环方式进行二次清孔；为确保持力层满足要求，施工中严禁钻孔超深，不得以孔深满足设计要求为由简化清孔环节。

水下混凝土浇筑：浇筑前导管需进行气密性试验，混凝土浇筑时应确保首灌混凝土量；水下混凝土应连续浇筑，边浇筑边提升、拆除多余导管，导管埋深始终保持在2m～6m；灌注完毕后，桩顶超灌高度不小于0.8 m[3]。

2.2 冲击成孔灌注桩施工注意事项

在冲击成孔施工过程中，需随时对孔内泥浆液面的变化情况进行记录，并做出详细的分析，如出现泥浆液面突然下降，应在最短时间内对桩孔溶洞采用片石和黏土混合物填充，保持泥浆液面高度稳定。

在冲击钻采用大冲程冲破大型溶洞顶部高强度的钙质砾岩层时，钻头容易出现倾斜、卡钻的情况，通常可以采用以下措施进行处理：钻头要经常小范围上下提升、晃动，使泥浆不停循环，防止钻渣沉积后埋住钻头，导致冲击钻头无法取出的现象发生；如发生小范围的塌孔埋钻，不可强行提升钢丝绳和钻头，以免主绳拉力超限断裂造成钻头无法取出，桩孔作废后只能变更设计处理，在经济和工期上都会遭受较大损失；应利用钻机缓慢回旋主钢丝绳，使钻头改变角度或方向，小幅度、试探性地提升钻头，土石松散后，若钻头可以提升，则继续使用此方法慢慢将钻头提出；如桩孔内塌落物较多，采用回旋法无法取出钻头时，可利用高压泥浆冲击坍塌土石，并用泥浆循环方式把覆盖在钻头上的土石冲出孔外，再将钻头提出[4]。

冲击成孔灌注桩浇筑水下混凝土前应再次探测孔底沉渣厚度，如沉渣厚度超出设计允许值要进行二次清孔。清孔采用泥浆循环法，对孔内注入清水或者比重较小的泥浆，使沉渣悬浮在泥浆中，随泥浆流入沉淀池，然后立即灌注水下混凝土；采用导管法灌注水下混凝土，应在导管顶部设置足够容量的料斗，料斗打开后，进入导管内的第一批混凝土需完全排除导管内的水或泥浆，并使导管底部埋入混凝土内一定深度，避免泥浆回流至导管内或已浇筑的混凝土下，这是避免桩基成型后出现断桩或夹渣等质量问题的关键[5]。

3 冲击成孔与旋挖成孔工艺对比分析

在土层适应性方面，旋挖成孔工艺适用于砂土层、低强度的胶结砂岩层等，冲击成孔适用于淤泥质土层、填土层、黏土层、碎石层等土质，尤其是在地下存在大量埋深大、范围广、无规则分布的大型多层溶洞时，旋挖成孔工艺往往无法顺利钻进、清孔，无法发挥其施工速度优势，施工质量和安全也无法保证。因此，从安全和质量方面考虑，溶洞发育等复杂地质区域优先选择冲击成孔工艺。

在施工进度方面，旋挖成孔使用螺旋钻头不断开挖钻进，在开挖到溶洞顶板中风化钙岩时极难穿透，施工速度极慢，且穿透溶洞后易出现塌孔、清孔困难等情况，往往需要反复回填桩孔、复钻，并存在一定概率的卡钻风险，极端情况下甚至出现掉钻、桩孔作废的情况，需进行设计变更，施工进度不可控；冲孔桩利用冲锥的自重反复冲击孔内岩土层，以泥浆护壁冲孔钻进，正常施工速度约为旋挖钻的1/5，但是遇到砾石或者夹层深、溶洞大的情况基本不存在塌孔返工，施工速度较为稳定，工期基本可控。因此，从进度方面考虑，溶洞发育等复杂地质区域也应优先选择冲击成孔工艺[6]。

在成本控制方面，因旋挖钻孔遇到溶洞易塌孔、串孔，随着钻进深度增加，如不采取措施封堵溶洞，桩孔内溶洞空腔会越来越大，混凝土浇筑量会严重超出设计值；冲击成孔利用冲锥的自重挤压、冲击孔内土层和岩石，遇大型溶洞时采用片石和黏土混合物对溶洞进行填充，持续钻进，在孔壁四周形成一层密实的护壁，稳固桩孔，减少塌孔现象，可提高大型溶洞区域桩基承载能力，有效控制混凝土超灌方量，达到节约成本，保证桩基施工质量的目的。经测算，在满足相同承载力条件下，冲击成孔灌注桩可比旋挖灌注桩节省材料费用约60%，极大地节约了施工成本，保证项目收益。

在安全环保方面，冲击成孔灌注桩设备简易、体积小、重量较轻，在溶洞发育等地质条件下，遇溶洞时先将桩孔内溶洞采用片石和黏土进行填充，施工中无须担心塌孔风险，可保障施工设备和人员安全；施工时产生的噪音为60dB～75dB，噪音较小，且产生的扬尘小，符合现行环境保护相关要求；施工中采用片石加黏土回填，片石种类无特殊要求，可选用场内强度较高的强风化岩、中风化岩或前期破碎的桩头混凝土块，减少桩头固体建筑垃圾外运工程量；同时，采用冲击成孔工艺可减少60%混凝土超灌方量，直接减少了加工类砂、石、水泥及各种外加剂用量，间接减少了能源消耗和粉尘污染。

在社会效益方面，大型溶洞区域采用冲击成孔工艺施工，所需施工人员、机械设备数量少，解决了旋挖桩机施工过程中配套大型机械设备多、对场地要求高、设备闲置时间长、协调难度大的问题，另将原燃油驱动的旋挖机替换为电力驱动的冲孔钻机，减少施工过程中的尾气排放，符合国家节能减排、低碳环保要求。

4 结语

在高层建筑施工过程中，当场地内地质情况较为复杂，存在大面积、无规则分布的大型溶洞时，采用旋挖成孔方法施工效率极低，施工难度大，桩机安全及成桩质量难以保证，且混凝土超灌严重，对成本造成极大浪费；采用冲击成孔灌注桩工艺可确保溶洞区域桩基施工质量，同时显著降低人员及设备面临的安全风险，并取得较好的经济效益和社会效益，是安全、质量、进度、环保等因素综合考虑下溶洞发育、地质复杂区域高层建筑桩基施工的最优选择。