復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域樁基施工方法淺析

劉義平（中鐵城建集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000）

目前，各大中型城市建筑工程單體規(guī)模越來越大，施工過程中對樁基工程施工質(zhì)量、造價、進(jìn)度、安全及環(huán)境保護(hù)等各方面的要求也越來越高。在高層建筑樁基施工中比較成熟、安全可靠的施工工藝主要有旋挖成孔灌注樁和沖擊成孔灌注樁兩種。在大型、多層巖溶發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行施工時，因樁孔內(nèi)清孔困難，旋挖成孔灌注樁施工效率受到較大影響，樁基施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度難以保證，且混凝土超灌嚴(yán)重，不利于成本控制；沖擊成孔灌注樁工藝憑借設(shè)備簡單、易于操作、可確保大型溶洞區(qū)域成樁質(zhì)量等特點(diǎn)，成為該類復(fù)雜地質(zhì)條件下高層建筑樁基施工的優(yōu)選解決方案，被廣泛使用[1]。

1 工程地質(zhì)條件

人工智能科技園安居工程項(xiàng)目位于湖南省長沙市岳麓區(qū)，巖土勘察結(jié)果顯示，施工范圍內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土、雜填土、素填土、強(qiáng)分化和中風(fēng)化鈣質(zhì)礫巖等多種巖層，在場地內(nèi)具有較為復(fù)雜的地質(zhì)情況，存在著面積廣、埋深大、數(shù)量多、無規(guī)則分布的大型溶洞，部分溶洞為多層復(fù)合型溶洞，埋深達(dá)15m以上，最大溶洞高度達(dá)到23.3m，且部分孔內(nèi)有流塑狀物體填充，勘探施工中串孔現(xiàn)象時有發(fā)生。在樁基工程施工時，如按設(shè)計要求采用旋挖成孔灌注樁方法，因樁孔坍塌、清孔困難，效率極低，施工難度極大，施工人員安全及樁基成型質(zhì)量難以保證，且混凝土超灌嚴(yán)重，極大地增加施工成本。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下樁基施工主要方法、技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

2.1 樁基施工主要方法和技術(shù)要點(diǎn)

針對本項(xiàng)目復(fù)雜地質(zhì)條件，根據(jù)地質(zhì)情況合理選用成熟可靠、穩(wěn)定性高的施工工藝，確保在滿足安全、質(zhì)量、進(jìn)度的前提下，將施工成本控制在合理范圍內(nèi)。

超前勘探：在樁基施工設(shè)備進(jìn)場之前，在原地勘基礎(chǔ)上逐樁進(jìn)行超前鉆，對少量溶洞發(fā)育特別復(fù)雜區(qū)域的樁位采用一樁兩孔甚至一樁三孔鉆探；獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)后，采用專業(yè)軟件繪制每一軸線的地質(zhì)剖面圖，將溶洞分布范圍、深度、大小、走向以圖形方式表示出來，并將擬施工的樁位繪制在剖面圖上，準(zhǔn)確、直觀、形象地反映地質(zhì)與樁基設(shè)計情況。

工藝選擇：通過剖面圖分析合理選擇施工工藝，當(dāng)樁孔內(nèi)無溶洞或溶洞高度小于0.5m時，采用旋挖成孔工藝正常施工，沖孔過程中遇溶洞時適當(dāng)控制鉆進(jìn)和提鉆速度，盡量減小對孔壁的沖擊，避免出現(xiàn)負(fù)壓導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)坍塌；當(dāng)樁孔內(nèi)溶洞高度大于0.5m時，為確保施工人員安全和施工質(zhì)量，避免出現(xiàn)大規(guī)模超灌，有效控制施工成本，需采用沖擊成孔工藝進(jìn)行施工；對施工作業(yè)人員進(jìn)行可視化技術(shù)交底，將施工順序、溶洞處理方法、終孔判斷依據(jù)等抽象的施工參數(shù)形象化，便于施工人員掌握，可有效控制樁基施工過程，避免樁孔超深、超灌導(dǎo)致成本浪費(fèi)。

樁位放樣：使用GPS或全站儀進(jìn)行樁位放樣，由專業(yè)質(zhì)檢工程師對樁位進(jìn)行校核，在確保樁位準(zhǔn)確無誤后方可開始沖孔施工。

鉆機(jī)就位：樁基需采用跳樁方式進(jìn)行施工，間距不得小于4d，樁基施工完36h后方可進(jìn)行相鄰樁施工。

泥漿制備：現(xiàn)場開挖泥漿池和泥漿槽，在沖擊成孔樁施工鉆進(jìn)期間，要經(jīng)常使用試驗(yàn)設(shè)備測試泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)，按照孔深、地層情況和泥漿性能對泥漿濃度做出動態(tài)性調(diào)整，在必要的情況下加入外加劑；泥漿可以循環(huán)使用，樁孔內(nèi)鉆渣經(jīng)過泥漿池沉淀、晾曬或者固化處理后棄運(yùn)至場外的渣土消納場，防止泥漿外流。

沖孔鉆進(jìn)：鉆機(jī)安裝后要調(diào)試平穩(wěn)，不能出現(xiàn)脫空和晃動；根據(jù)土質(zhì)情況調(diào)整鉆機(jī)沖程和鉆頭鉆進(jìn)速度，沖程過高時，鉆頭沖擊力大，對孔底擾動大，易引起塌孔；沖程過小，則鉆進(jìn)速度較慢，影響施工進(jìn)度；通過斜巖時，需先將孔底用小片石墊平，再用十字形沖擊鉆頭鉆進(jìn)，經(jīng)常調(diào)整沖擊鉆頭方向，防止鉆頭傾斜，產(chǎn)生斜孔、坍孔或者局部較深卡住鉆頭。

過程質(zhì)量控制：施工階段，嚴(yán)格控制沖擊成孔灌注樁樁位和垂直度。開孔2m～3m時，應(yīng)采用低錘密擊方式，確保樁位準(zhǔn)確；進(jìn)入穩(wěn)定巖層后，可適當(dāng)加大沖程，保證整體施工進(jìn)度；當(dāng)孔內(nèi)為軟弱土層時，可就地取材，加入中風(fēng)化片石或者樁頭破碎后的混凝土碎塊，反復(fù)沖擊、擠壓片石造壁，并保持孔內(nèi)泥漿面穩(wěn)定；在軟硬地質(zhì)交界和多層溶洞發(fā)育部位，采用低沖程沖進(jìn)，確認(rèn)進(jìn)入硬質(zhì)地層2m后，再加大沖程沖進(jìn)；遇到孤石可高低沖程隨機(jī)變換，循環(huán)沖擊，將孤石擊碎或擠入孔壁[2]。

溶洞處理：當(dāng)樁基施工過程中遇到大型溶洞、孔內(nèi)泥漿液面突然下降時，邊沖孔邊采用片石、黏土混合物對樁孔進(jìn)行填充，確保泥漿液面穩(wěn)定；片石可選用場內(nèi)強(qiáng)度較高的強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖或前期破碎的樁頭混凝土塊，尺寸150mm～200mm，片石、黏土比例約為4:1；使用沖擊鉆頭反復(fù)沖擊、擠壓樁孔，將樁孔邊溶洞用片石、黏土混合物填充、擠壓密實(shí)；同時，控制沖孔鉆進(jìn)速度，使?jié){液滲入片石孔隙后固結(jié)，形成堅實(shí)、穩(wěn)定的護(hù)壁。

清孔：當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計孔深，滿足設(shè)計最小樁長和樁身進(jìn)入持力層深度要求時，停止鉆進(jìn)；利用泥漿循環(huán)帶走鉆渣，經(jīng)沉淀池沉淀或加入固化劑固化后外棄，孔內(nèi)始終保持泥漿液面高度不變，確保不出現(xiàn)樁孔坍塌，待沉渣厚度和泥漿比重達(dá)到規(guī)范要求時可停止清孔。

鋼筋籠制作安裝：鋼筋籠主筋規(guī)格、數(shù)量需符合設(shè)計要求，鋼筋籠接長時接頭采用單面焊，搭接長度不小于10d，相鄰主筋焊接接頭需錯開。

二次清孔：鋼筋籠和導(dǎo)管下放后需采用泥漿循環(huán)方式進(jìn)行二次清孔；為確保持力層滿足要求，施工中嚴(yán)禁鉆孔超深，不得以孔深滿足設(shè)計要求為由簡化清孔環(huán)節(jié)。

水下混凝土澆筑：澆筑前導(dǎo)管需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，混凝土澆筑時應(yīng)確保首灌混凝土量；水下混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，邊澆筑邊提升、拆除多余導(dǎo)管，導(dǎo)管埋深始終保持在2m～6m；灌注完畢后，樁頂超灌高度不小于0.8 m[3]。

2.2 沖擊成孔灌注樁施工注意事項(xiàng)

在沖擊成孔施工過程中，需隨時對孔內(nèi)泥漿液面的變化情況進(jìn)行記錄，并做出詳細(xì)的分析，如出現(xiàn)泥漿液面突然下降，應(yīng)在最短時間內(nèi)對樁孔溶洞采用片石和黏土混合物填充，保持泥漿液面高度穩(wěn)定。

在沖擊鉆采用大沖程沖破大型溶洞頂部高強(qiáng)度的鈣質(zhì)礫巖層時，鉆頭容易出現(xiàn)傾斜、卡鉆的情況，通常可以采用以下措施進(jìn)行處理：鉆頭要經(jīng)常小范圍上下提升、晃動，使泥漿不停循環(huán)，防止鉆渣沉積后埋住鉆頭，導(dǎo)致沖擊鉆頭無法取出的現(xiàn)象發(fā)生；如發(fā)生小范圍的塌孔埋鉆，不可強(qiáng)行提升鋼絲繩和鉆頭，以免主繩拉力超限斷裂造成鉆頭無法取出，樁孔作廢后只能變更設(shè)計處理，在經(jīng)濟(jì)和工期上都會遭受較大損失；應(yīng)利用鉆機(jī)緩慢回旋主鋼絲繩，使鉆頭改變角度或方向，小幅度、試探性地提升鉆頭，土石松散后，若鉆頭可以提升，則繼續(xù)使用此方法慢慢將鉆頭提出；如樁孔內(nèi)塌落物較多，采用回旋法無法取出鉆頭時，可利用高壓泥漿沖擊坍塌土石，并用泥漿循環(huán)方式把覆蓋在鉆頭上的土石沖出孔外，再將鉆頭提出[4]。

沖擊成孔灌注樁澆筑水下混凝土前應(yīng)再次探測孔底沉渣厚度，如沉渣厚度超出設(shè)計允許值要進(jìn)行二次清孔。清孔采用泥漿循環(huán)法，對孔內(nèi)注入清水或者比重較小的泥漿，使沉渣懸浮在泥漿中，隨泥漿流入沉淀池，然后立即灌注水下混凝土；采用導(dǎo)管法灌注水下混凝土，應(yīng)在導(dǎo)管頂部設(shè)置足夠容量的料斗，料斗打開后，進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)的第一批混凝土需完全排除導(dǎo)管內(nèi)的水或泥漿，并使導(dǎo)管底部埋入混凝土內(nèi)一定深度，避免泥漿回流至導(dǎo)管內(nèi)或已澆筑的混凝土下，這是避免樁基成型后出現(xiàn)斷樁或夾渣等質(zhì)量問題的關(guān)鍵[5]。

3 沖擊成孔與旋挖成孔工藝對比分析

在土層適應(yīng)性方面，旋挖成孔工藝適用于砂土層、低強(qiáng)度的膠結(jié)砂巖層等，沖擊成孔適用于淤泥質(zhì)土層、填土層、黏土層、碎石層等土質(zhì)，尤其是在地下存在大量埋深大、范圍廣、無規(guī)則分布的大型多層溶洞時，旋挖成孔工藝往往無法順利鉆進(jìn)、清孔，無法發(fā)揮其施工速度優(yōu)勢，施工質(zhì)量和安全也無法保證。因此，從安全和質(zhì)量方面考慮，溶洞發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域優(yōu)先選擇沖擊成孔工藝。

在施工進(jìn)度方面，旋挖成孔使用螺旋鉆頭不斷開挖鉆進(jìn)，在開挖到溶洞頂板中風(fēng)化鈣巖時極難穿透，施工速度極慢，且穿透溶洞后易出現(xiàn)塌孔、清孔困難等情況，往往需要反復(fù)回填樁孔、復(fù)鉆，并存在一定概率的卡鉆風(fēng)險，極端情況下甚至出現(xiàn)掉鉆、樁孔作廢的情況，需進(jìn)行設(shè)計變更，施工進(jìn)度不可控；沖孔樁利用沖錐的自重反復(fù)沖擊孔內(nèi)巖土層，以泥漿護(hù)壁沖孔鉆進(jìn)，正常施工速度約為旋挖鉆的1/5，但是遇到礫石或者夾層深、溶洞大的情況基本不存在塌孔返工，施工速度較為穩(wěn)定，工期基本可控。因此，從進(jìn)度方面考慮，溶洞發(fā)育等復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域也應(yīng)優(yōu)先選擇沖擊成孔工藝[6]。

在成本控制方面，因旋挖鉆孔遇到溶洞易塌孔、串孔，隨著鉆進(jìn)深度增加，如不采取措施封堵溶洞，樁孔內(nèi)溶洞空腔會越來越大，混凝土澆筑量會嚴(yán)重超出設(shè)計值；沖擊成孔利用沖錐的自重擠壓、沖擊孔內(nèi)土層和巖石，遇大型溶洞時采用片石和黏土混合物對溶洞進(jìn)行填充，持續(xù)鉆進(jìn)，在孔壁四周形成一層密實(shí)的護(hù)壁，穩(wěn)固樁孔，減少塌孔現(xiàn)象，可提高大型溶洞區(qū)域樁基承載能力，有效控制混凝土超灌方量，達(dá)到節(jié)約成本，保證樁基施工質(zhì)量的目的。經(jīng)測算，在滿足相同承載力條件下，沖擊成孔灌注樁可比旋挖灌注樁節(jié)省材料費(fèi)用約60%，極大地節(jié)約了施工成本，保證項(xiàng)目收益。

在安全環(huán)保方面，沖擊成孔灌注樁設(shè)備簡易、體積小、重量較輕，在溶洞發(fā)育等地質(zhì)條件下，遇溶洞時先將樁孔內(nèi)溶洞采用片石和黏土進(jìn)行填充，施工中無須擔(dān)心塌孔風(fēng)險，可保障施工設(shè)備和人員安全；施工時產(chǎn)生的噪音為60dB～75dB，噪音較小，且產(chǎn)生的揚(yáng)塵小，符合現(xiàn)行環(huán)境保護(hù)相關(guān)要求；施工中采用片石加黏土回填，片石種類無特殊要求，可選用場內(nèi)強(qiáng)度較高的強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖或前期破碎的樁頭混凝土塊，減少樁頭固體建筑垃圾外運(yùn)工程量；同時，采用沖擊成孔工藝可減少60%混凝土超灌方量，直接減少了加工類砂、石、水泥及各種外加劑用量，間接減少了能源消耗和粉塵污染。

在社會效益方面，大型溶洞區(qū)域采用沖擊成孔工藝施工，所需施工人員、機(jī)械設(shè)備數(shù)量少，解決了旋挖樁機(jī)施工過程中配套大型機(jī)械設(shè)備多、對場地要求高、設(shè)備閑置時間長、協(xié)調(diào)難度大的問題，另將原燃油驅(qū)動的旋挖機(jī)替換為電力驅(qū)動的沖孔鉆機(jī)，減少施工過程中的尾氣排放，符合國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保要求。

4 結(jié)語

在高層建筑施工過程中，當(dāng)場地內(nèi)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，存在大面積、無規(guī)則分布的大型溶洞時，采用旋挖成孔方法施工效率極低，施工難度大，樁機(jī)安全及成樁質(zhì)量難以保證，且混凝土超灌嚴(yán)重，對成本造成極大浪費(fèi)；采用沖擊成孔灌注樁工藝可確保溶洞區(qū)域樁基施工質(zhì)量，同時顯著降低人員及設(shè)備面臨的安全風(fēng)險，并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是安全、質(zhì)量、進(jìn)度、環(huán)保等因素綜合考慮下溶洞發(fā)育、地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域高層建筑樁基施工的最優(yōu)選擇。