钻孔灌注桩在沙漠地区建筑工程中的应用

尤文博

钻孔灌注桩技术在现代基础建设工程中的应用十分普遍，适用于建筑、铁路、公路与桥梁等各类工程。近年来，我国西部欠发达地区也获得了快速发展，而且在基础建设工程数量增多、规模扩大的情况下增加了对钻孔灌注桩技术的应用频率。以沙漠地区为例，由于土层结构本身的脆弱性，在建筑项目桩基础工程中往往需要应用钻孔灌注桩技术来提高地基的稳定性。

1 钻孔灌注桩在沙漠地区的应用难点

钻孔灌注桩技术在理论与实践方面已经趋于成熟，但与非沙漠地区相比，在沙漠地区的应用比例相对较低，积累的实践经验比较少，加上沙漠地区的自然环境复杂、地质条件与水文条件较差，因此在实际应用该技术时仍然会存在一些难点。例如，沙漠地区的建筑工程施工场地多为砂层，土层较为松软，会给基础工程建设造成一定的困难，而且在实际成孔作业过程中，随着施工深度的增加，也需要结合实际情况调整钻孔灌注桩技术[1]。

在地下土质结构相对松散的情况下，土层的地基承载力有限，此时需要将标贯击数控制在5 ～25，预防因击打范围过大造成塌孔；但当土层结构为细砂时则可将数值调整到40 ～100。另外，为了确保该技术的应用效果，施工时还要避免使用单孔作业法，尽可能选择泥浆护壁方案。

2 钻孔灌注桩施工工艺及关键技术分析

2.1 施工工艺

目前，钻孔灌注桩施工中的常见工艺主要包括长螺旋钻孔灌注桩、冲击成孔灌注桩、机械旋挖成孔灌注桩以及泵吸反循环成孔等，当建筑项目桩基础工程存在差异时，要选择适配性较高的施工工艺以确保工程质量。

长螺旋钻孔灌注桩在小粒径卵石层和砂层中已经得到广泛应用，能够有效保障成孔质量。从实践经验来看，应用该工艺时需要配置长螺旋钻机，并按照设计图纸中的标高进行钻孔，然后借助混凝土泵将混合料压出成桩，再通过专门振动装置一次性插入钢筋笼，从而完成钢筋混凝土灌注桩的成形工作。虽然该工艺适用范围广，承载能力强，污染较小，但是电能损耗量较大，而且遇到坚硬岩层时往往会出现钻进难的问题。

冲击成孔灌注桩工艺在软质岩、风化岩、漂砾层以及砂砾卵石层方面的适用性较好，特别是在地下水位以下土层中的应用效果十分显著。该工艺的主要设备为冲击式钻机，冲击钻头在相应高度内通过重复自由落体运动完成成桩孔的制作[2]。考虑到冲击时会产生岩屑、钻渣等，施工人员应结合泥浆循环与捞渣方式将其排出，以保障成孔质量。

机械旋挖成孔灌注桩工艺在风化岩、卵石、砂土以及粉土等方面具有明显的优势，而且成孔作业时自动化程度较高，可以较好地实现预期成孔作业目标。施工人员应用时可借助机械结构中的传导力，使用短螺旋钻或者回转钻头（由伸缩钻杆带动）进行反复循环施工直至成孔，该过程通常包括旋转、挖土、卸土等流程。目前，该工艺可以选择干钻进方案，也可根据实际情况选用湿钻进方案，具体操作时应以实际土层为主。由于该工艺成孔时存在木桶效应，因此孔壁在承受负压与出渣反复冲刷的条件下容易发生塌孔事故。

泵吸反循环成孔与长螺旋钻孔灌注桩工艺的适用范围基本相同，确定成孔作业所用的离心泵后，可借助抽吸、大气压以及孔内液柱负压的多重作用将冲洗液压入孔底。当钻渣通过钻杆内腔排出、沉淀后冲洗液再以反循环方式流入孔内，即可实现反循环成孔作业。其护壁效果较好，但也不适用于坚硬岩层。

2.2 关键技术

建筑项目桩基础工程中应用钻孔灌注桩技术时，工艺较多，但无论选择哪一种工艺，均需要结合设备、工作原理、配置设施设置以及施工管理等进行实践。其中，钻孔灌注桩工艺使用时的关键技术如下。

首先，在设计施工一体化实践模式下，需要根据地质勘察报告、设计图和施工图等比选出性价比较高的工艺，然后根据工艺进行设备选型、原理分析，并在此基础上配置各项设施。其次，在常规的施工准备、施工建设以及竣工验收3 大阶段，需要按照地质条件分析→确定成孔工艺→施工准备→桩位放样→施工钻孔机就位→钻井工艺→成孔质量检测等基本流程进行操作[3]。由于工艺选择存在差异，因此在实践中往往需要对基本流程进行精细化处理，保障工艺流程的全面性。最后，由于现代建筑项目桩基础工程施工与施工管理始终处于同步应用状态，因此要做好技术质量控制等配套工作。

3 钻孔灌注桩在沙漠地区建筑工程中的应用

3.1 工程概况

以某建筑项目桩基础工程为例，该工程所在区域属于天然荒漠草原，总体地势平坦，具有以下地质特点。

（1）场地所在区域的地貌形成于第三系末期至第四系初期，其中表层素填土与冲积砂层均由第四系全新统冲积而成，主要成分为细砂。白垩系志丹群第3组青灰色砂岩构成下伏基岩，上覆层与下伏基岩间为不整合接触关系。（2）地下水位埋深较浅，由潜水与承压水构成，地下静止水位埋深在0.43 ～0.77 m，水位标高1283.06 ～1281.75 m。（3）分析勘察报告中的全风化、强风化以及中风化砂岩后，明确了三者的侧摩擦阻力特征值分别为45 kPa、70 kPa、85 kPa。

3.2 成孔工艺

首先，根据地质勘察结果可将相对稳定的中风化砂岩层作为钢筋混凝土钻孔灌注桩的桩端持力层，并控制持力层深度在4.5 m 以上，桩的长度、直径分别设计为19.0 m 与0.80 m。考虑到该工程所在区域地质和水文条件的复杂性以及土层结构的脆弱性，施工单位结合设计参数进行了试桩检验，实验过程主要按照施工场地中的A、B、C 区域对单桩进行静载试验，试验内容包括了抗压与抗拔静载试验以及水平静载试验。

以A 区AS4 ～AS6 桩 为 例，水 平临界荷载值均为200 kN，位移的数值分别 为2.52 mm、6.35 mm、3.81 mm；而水平极限荷载值却是临界荷载值的两倍均为400 kN，位移分别为8.76 mm、35.84 mm、34.45 mm。由此可见，可以选取200 kN 作为施工桩的水平承载力特征值。另外，对A、B、C 区域进行同等数量的桩水平静载试验时，若B、C 区将设计桩径缩小到0.60 m，则需要选择100 kN 作为其水平承载力特征值。

其次，以工程所在区域的地质条件、水文条件、桩设计参数以及静载试验结果为依据进行综合考虑后，施工单位认为长螺旋钻孔灌注桩工艺耗电量过大且存在钻孔困难的问题，泵吸反循环成孔工艺比较费时费力，冲击成孔灌注桩工艺施工速度相对较慢，需要投入大量资源且不能如期竣工，机械旋挖成孔灌注桩工艺则容易塌孔。冲击成孔灌注桩工艺流程如图1 所示。

图1 冲击成孔灌注桩工艺流程

因此，施工单位从优势互补的思路出发，利用“反循环+旋挖”联合工艺规避不足，提升成孔质量[4]。在常规流程基础上可将其工艺流程细化为12 个具体环节：（1）准备；（2）桩位放样；（3）制备泥浆；（4）反循环钻机钻孔；（5）旋挖钻机钻孔；（6）清孔；（7）安放钢筋笼；（8）导管安装；（9）二次清孔；（10）水下灌注混凝土；（11）拆卸导管；（12）成桩。

3.3 施工要点

第一，埋设护筒在本工程中发挥着重要作用，有利于有效预防孔口坍塌，并在水头抬高的同时有效控制桩位。因此，按照桩的设计参数与实际施工工艺应用中的钻孔设备情况，将其高度控制设置为2.0 m，直径设置为1.0 m。

第二，首先，在制备泥浆时根据工艺要求在现场施工区域开挖两个同样大小的泥浆池，泥浆池的长、宽、高尺寸分别为8.0 m、3.0 m、1.0 m。其次，制备时的材料包括水、纤维素、烧碱以及钠基膨润土，比重为1.3 左右，可根据情况适当调整。

第三，中风化岩层钻孔作业时根据双工艺流程进行操作，其中泵吸反循环成孔应用时先检查、启动并试运行离心泵，确认无误后进入正常循环工作状态；然后启动配套的钻机，并以实际的进尺、排水量和出渣量为参考依据调整钻机速度。而强风化与全风化岩层则根据实际情况应用旋挖钻机进行成孔作业，具体操作时要求以“慢速钻进，适度增加泥浆比重”的原则确保成孔质量，提钻时应设置静置环节，本工程以1 min 左右作为静置时间，有效预防了因负压产生的孔壁损坏及塌孔现象。同时，在提升出渣过程中要求在完成一次提渣后根据现场情况进行补浆处理等[5]。

第四，本工程中的钢筋笼需要成孔后再进行安放，因此钢筋笼的制作质量要求较高，为了防止下放钢筋笼时出现碰壁、挂壁以及成孔垮塌等问题，施工单位专门设置了保护层垫块。具体设置时以4 个为一组，每组间隔2 m 进行布置；安放时先调整好钢筋笼与孔的位置，确认对准后再居中下放并缓慢放入，这样既保护了孔壁也较好地完成了钢筋笼安放目标。需要说明的是，钢筋笼的制作与安放会直接影响后续的浇筑质量，因此质量员与监理人员需要先对进场钢筋进行分批次抽检，确认其质量与施工设计标准相符合后，先签字再入库堆放。进入施工阶段后，应该结合钢筋笼的制作与安装情况，对制作日期、桩位编号、主筋间距、箍筋规格间距、钢筋笼直径、钢筋笼搭接长度偏差、焊接质量及放置深度等因素进行细致检查。

第五，钢筋笼安放作业完成后进入水下灌注混凝土阶段。本工程中主要以预拌混凝土为灌注混合料，因此当成品混合料进场后要求先检验坍落度，经工程质量检测员采集样品快速检验并确认合格后，方可进场直接使用。具体灌注时要求一次性连续灌注，初始灌注时混合料的量应控制在导管埋入深度1 m以上，进入连续灌注状态后中途严禁中断作业。混凝土面位置的测量由工程质量检测人员现场操作，并根据测量结果实时调整导管埋深。另外，为了预防钢筋笼上浮，本工程以钢筋笼所在位置为参照，结合孔内混凝土与其位置距离调慢灌注进度并在灌注后面层超过钢筋笼底面4 m 位置时再提升导管，当导管底口提升至钢筋笼底面以上时则按照连续灌注时的正常速度进行作业。

3.4 注意事项

本工程应用钻孔灌注桩技术时，因沙漠地区的客观条件限定而选择了双工艺方案，虽然能够满足不同类型的砂岩钻孔需求，但是在实际应用时却比较复杂，施工时涉及人、机、材、技以及施工现场的质量监督等，而且钻孔、灌注始终处于动态状态，任何一项要素配置不到位或出现差错均可导致成孔质量问题[6]。因此，本工程结合实际情况列举了施工流程要素清单，并结合清单检查了技术指标。

在应用钻孔灌注桩技术时涉及参数检验问题，本工程采用桩体静载试验办法，通过不同的桩径检验并科学验证了设计参数的有效性。另外，沙漠地区的施工作业条件限定性较大，一旦发生施工问题，变更的可能性较小。因此，施工人员在静载试验的基础上利用有限元软件分析了相关力学，同时基于BIM 技术的信息管理平台，按照计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）设计图与施工图→Revit 设计模型与施工模型→Navisworks 施工模拟→Project 自动进度表单等应用流程进行设计方案优化处理与施工过程四维动画模拟，提前预测了潜在风险[7]。

4 结语

在沙漠地区的建筑工程中使用钻孔灌注桩技术时仍存在一些问题，而且对于成孔工艺的要求较高。因此，应根据实际桩基础工程中的钻孔灌注桩设计参数，合理确定施工工艺并在细化施工流程的基础下按部就班地完成施工作业。尤其在设计施工一体化实践模式下，施工单位应配套开展全过程管理，以此增强该技术在沙漠地区的应用效果。