戈壁滩光伏项目卵石地质微孔灌注桩成孔工艺的探讨

戈壁滩光伏项目卵石地质微孔灌注桩成孔工艺的探讨

余震波

中国电建集团江西省电力建设有限公司  江西南昌  330001

摘要：西北地区地属冷温带大陆性干旱气候，干燥，降水稀少，昼夜温差大，具有丰富的光照资源，为新能源光伏发电提供了天然优越的地理环境。因为地处我国大陆腹地，常年有效降雨量远远小于蒸发量，所以西北地区逐渐形成了砂土裸石的地形地貌。再加上祁连山脉环境的影响，形成了河西走廊通道独有的大纵深戈壁滩；与华南地区传统微孔灌注桩的施工环境相比，西北地区地质较硬，卵石层较厚，地表土层沙化严重，已基本失去黏性。因此，在桩基施工中易出现孔洞不成型、塌陷、漏浆等现象。因引孔时孔洞塌落不成型，二次引孔返工率较高，导致项目引孔及桩基浇筑施工进度迟滞，人工及机械台班利用率低。如何保证戈壁滩鹅卵石地质微孔灌注桩成孔施工质量，是本文探讨的重点。

关键词：戈壁滩光伏；粉砂卵石；微孔灌注桩；成孔工艺

1  工程项目特点

本项目位于西北地区，施工环境属冷温带大陆性干旱气候，干燥，降水稀少，昼夜温差大，具有丰富的光照资源，为新能源光伏发电提供了天然优越的地理环境。因为地处我国大陆腹地，常年有效降雨量远远小于蒸发量，所以西北地区逐渐形成了砂土裸石的地形地貌。

1）合理布置戈壁滩鹅卵石地质的桩位，避开高低起伏较大的区域，便于机械施工，尽量减少土层地质对施工的影响。可根据现场详尽地勘进行片区划分，对特殊位置进行设计优化。

2）为节约施工成本，光伏多采用微孔灌注桩，桩基直径可根据现场地勘进行优化设计。泥浆护壁作业常规应用于大孔径灌注桩施工，为适应戈壁滩粉砂卵石的特殊地质，本项目首次将微孔灌注桩与泥浆护壁相结合，优势互补，形成新的“微孔灌注桩泥浆护壁作业”。

3）首次钻孔至设计深度后及时清理钻机周围的浮土及石块，避免洞口塌落掉入孔内，引起二次清孔作业。

4）采用“泥浆护壁”作业方法，优化施工工艺流程，操作简单安全可靠，施工难度降低，施工速度加快，缩短施工周期，节约人工及机械费用，有效提升微孔灌注桩成孔合格率。

5）本技术工艺适用于在高山山地、戈壁滩等土质较硬、孔洞不易成型的地带进行光伏电站微孔灌注桩基础的施工。

2  工艺原理

根据戈壁滩土层表面沙化，下方鹅卵石较多，湿土不易保持的地质特点，在进行引孔作业时，向孔内注入适量的水，加入钻杆旋转卸出的沙土，利用钻杆的转动，将沙土和水充分搅拌形成泥浆，利用钻杆转动的离心力将泥浆均匀的涂刷在孔壁四周，待泥浆凝固之后，便在孔壁形成一层泥浆护壁，有效防止成孔塌落和变形，提高成孔质量。

3  施工工艺流程及操作要点

3.1施工工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 桩位测放

根据现场实际情况进行桩位测放，由于现场桩位为双排，前后间距要求较高，为防止组件安装后整组产生不规则变形，桩位测放时需确保每组点位的误差在1cm-3cm可控范围内；因此每个桩位均需单独放点，放点设备采用GPS，GPS的便捷性和高精度性能保证坐标定位的准确性，根据现场工作量的大小可以采用北斗云等批量放点的新型设备和技术，如工程规模体量太大而设备信号弱可以考虑设置临时基站，施工执行标准为GB 50026-2020《工程测量规范》，桩位测放误差符合规范要求。

3.2.2 装机就位

针对项目所处地理环境和地质情况，依托戈壁滩的地势地貌，决定采用泥浆护壁作业来提高成孔质量。传统的山地光伏引孔一次成型，不会存在孔壁不成形、洞口塌落、跑浆漏浆现象。本项目由于处于戈壁滩，地表基本无粘土，表层沙土下布满鹅卵石，引孔后，孔壁四周的砂土和鹅卵石易发生自然塌落，导致孔洞不成型，孔深不够，或者孔壁塌落；设计需求与现场施工相比，成孔质量不符合设计要求。为了解决上述问题，本项目特优化引孔施工流程：

1）改进施工机械：常规引孔设备为履带式引孔装置，一次引孔成型，但不适用于沟壑较多的戈壁滩，机械难以平置操作，因此对操作机械进行改进优化，对引孔机械的加装，找到合适的引孔机械装置。本项目为了解决成孔塌落不成型问题，特采用轮胎式机械，机械前方加装水箱，方便在引孔作业时执行向洞内加水操作，机械后方加装引孔装置，机械操作人员可在控制钻杆上下传动。

2）由于特殊地质与引孔步骤所需，对钻机进行了一定的改装，引孔工作开始前，先检查钻机的机械性能是否良好，保证钻机正常工作。由于引孔机械多为改装机械，性能参差不齐，所以为确保引孔的质量，将机械影响成孔的因素降到最低，在引孔前需对机械进行全面检查，每台机械人员配置合理。在引孔前调整钻机桅杆角度，垂直度参数，使钻杆垂直，同时稍微提升钻具，确保钻头尖端对准桩位中心点。每台机械均需配置观察员，检测成孔过程，检测孔洞深度。钻机作业场地需视野开阔、平整，保证机械、人员安全。

3.2.3 钻孔

初次引孔与传统引孔相同，由观察人员引导机械操作手，将钻头对准点位中心，开始初次引孔，因为土质坚硬，对第一次引孔主要技术要求是点位找正，形成初步孔洞，对引孔位置附近的较大石块进行清理。以方便随后的引孔作业。首次引孔效果如图5.2.3-5所示，可明显看出钻孔难以成型，孔壁松散，无法有效成孔。初次引孔后，需对孔内较大石块以及周围杂物进行清理，方便后续作业。

3.2.4 清理孔口

清孔的主要目的是清除孔底沉渣，而孔底沉渣则是影响灌注桩承载能力的主要因素之一。如果孔内存在较大石块，或者是沉渣过多，如果不采取措施，容易引起桩基底部不稳，直接影响桩基的承载力。因此，必须高度重视灌注前的清孔工作。在初步的引孔结束后，一些碎土和石块会跟随提钻，堆积在洞口，洞内的洞壁杂石也会松动，这一步主要技术要求便是对洞口堆积的杂土清理，洞内的较大石块清出洞外。保持洞口无堆积，为下一步的操作提供便捷。

3.2.5 泥浆护壁作业

初次引孔后，对洞口清理完成，机械操作人员打开水箱开关，向孔洞内注水，观察人员同时向洞内填入部分粘土；根据钻孔深度，确定加水量以及泥土混合量。以直径300mm、深度为1.8m的桩基为例，根据多次引孔实践所得，初次引孔完成后，向洞内加入大概20升水（总需水量的80%），视清孔出沙土数量，注水同时向孔内填入4-6铁锹沙土。

完成注水和加土操作后，钻机再次重复引孔作业，利用钻杆的转动，在孔内将水、粘土和细砂石进行搅拌形成黏稠泥浆，泥浆初步形成，根据形成的泥浆程度，再次向孔内注入大概5升水量，同时清理孔四周的积石；引孔机械臂转动的同时，上下传动，使得泥浆可以均匀的布满孔壁四周，形成光滑的护壁。多余的泥浆利用钻杆提出，引导人员可利用孔内提出的泥浆，将孔四周包裹，形成倒喇叭口，待泥浆干燥之后，孔四周形成坚固的护壁，有效起到支撑、防止塌落的作用。

泥浆护壁作业中，要特注意以下：（1）由于土质中含有较多石块，小石块会跟随引孔作业，排出孔外，但是随着引孔作业的大面积推进，难免会遇到直径超过10cm的碎石，由于桩基基础以及支架需定位定点，不可偏移较大，引孔作业可采取在石块四周进行多次引孔换填，使得石块松动后，再在点位进行引孔作业，钻杆可使得较大石块位移或清理出孔位。如点位存在存在风化较多的石块时，只能采用机械进行开挖并回填夯实，形成的泥浆护壁足以支撑回填后的土层不塌落。（2）根据引孔作业多次实践，得出单个桩孔需注水量约50升。水量过少时，会导致孔内沙石不成块，局部不成型，注水量过多时，泥浆虽会跟随钻杆布满孔洞，但是不能牢固贴附，未干燥成型前，泥浆会下移，导致成孔上大下小，预制的钢筋笼无法全部放入孔内。

3.2.6 成孔验收

泥浆护壁作业完成后，确保泥浆护壁形成，引导人员在作业后，利用定位竿（总长2.2m，其中测量部分1.8米，测量时置于洞底，刻度线位置正位于洞口）进行初步测量，检查深度，初步判定深度合格后，本次引孔基本结束。

每个单元引孔完成后，作业人员会对本单元成孔进行自检，自检合格后，由项目技术员进行抽查，对成孔的直径、深度、每组桩位偏移进行复核，复核结果合格后，方可进行基础浇筑作业。

至此，检验合格后，引孔作业结束，可转入下一道工序，基础浇筑。

自秋季引孔施工至冬季施工完成，施工作业环境温度低至零下12℃，仍可进行作业，能形成良好的护壁。同时西北地区少雨，泥浆护壁干燥形成后，不论是洞口还是洞壁，都能坚固成型，如无机械等人工因素影响外，护壁型态可保持数月之久，给下一道工序开展提供足够的作业时间，随时可转下一道施工工序。

4  质量控制

4.1 质量控制措施

1）根据设计方案，每组桩基基础分为前后桩，每排桩基要在同一条水平线，引孔前后位置偏差小于5cm。

2）成孔直径大于30cm，成孔深度大于2.1m。

3）基础施工质量符合设计图纸、《光伏发电站施工规范》和《光伏发电工程验收规范》要求。

4）泥浆护壁作业中，孔内不能加入太多的水，泥浆搅拌至可以均匀摊开即可。

4.2 质量保证措施

1）项目开工前必须对施工人员进行具体操作培训，并进行安全技术交底

2）定位放线中筷子扎入深度不小于50mm的中心点，筷子需保持直立，不可倾斜。

3）引孔操作中，机械停放位置需平整，不可倾斜停放。

4）由于引孔机械属于改装设备，在每日施工前，需对机械进行全面检查，对关键部位进行联调联试。

5）每日引孔作业完成后，需对钻杆进行检查维护，对磨损部位进行整改。

5 桩基质量问题对策

该工程的主要质量问题是基桩施工控制引起。针对该工程地质条件和基桩设计要求，可采用如下措施进行桩基质量控制：

1）塌孔与漏浆问题 ：最常采用的措施是泥浆护壁，而卵石地层中泥浆护壁漏失严重。其桩身范围内卵石层最为常见，防止塌孔的措施是全长采用钢护筒。对于护筒下桩端的部分，如果没有护牢，在混凝土浇筑之前有可能因孔外水位高于孔内水位在动水力作用下产生塌孔，成功的工程案例采用干抛粘土法 ，即将优质粘土抛入筒内，静置吸水后开钻搅拌均匀，然后低速钻进并在筒底1m 范围内往返几次。该措施实际上是利用了泥浆护壁的原理。对于该工程仅桩端在卵石层，采用全长护筒不经济泥浆护壁仍是维持孔壁稳定的主要措施。JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》第6.3.19条指出，泥浆护壁旋挖钻机成孔应配备成孔和清孔用泥浆及泥浆池（箱），在容易产生泥浆渗漏的土层中可采取提高泥浆相对密度，掺入锯末、增粘剂提高泥浆粘度等维持孔壁稳定性的措施。因此，调整泥浆参数很关键。一般情况下可调整泥浆密度、掺入锯末加以解决。但当卵石颗粒大、粒间孔隙大以上措施难奏效时，可采用化学泥浆护壁方式；也有工程采用孔底泵压水泥浆方式取得成功。施工人员可根据现场情况综合经济技术指标后选用。

2）后注浆问题 ：后注浆是提高桩端承载力的重要方式，在本工程中因串浆未能有效加固桩端“软弱层”。JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》规定，对于饱和土层注浆压力应为1.2~4.0 MPa，软土宜取低值，密实粘土宜取高值。对于饱和无粘性土，注浆压力未给出参考值。由于卵石层的高渗透性，注浆压力取低值就可以顺利注入，北京某工程卵石中桩径1.0 m 桩长26 m 注浆压力不小于1.5 MPa。参考该值，本工程注浆压力控制在1.5~2.0 MPa。对于饱和土，水灰比应为0.45~0.65 ；基于卵石的强扩散能力，同样可取低值。当注浆压力长时间低于正常值或地面出现冒浆或串孔，改为间歇注浆，间歇时间应为30~60 min，或加入速凝剂或调低浆液水灰比。由于地下水的存在使桩端注浆扩散性强，该工程地下水位高于桩端约2.5 m，降水之后再进行桩端注浆也会达到较好的效果。

3）施工机械与工艺问题。两桩成桩工艺对比可见，旋挖成孔化学泥浆护壁取得了良好的施工效果。分析其原因，旋挖钻机采用特殊的钻头直接成孔出土，遇卵石层时采用化学泥浆护壁，且成桩精度控制好、工效快，成孔工艺有效控制了沉渣及泥皮问题，因此效果良好。对于该工程选择的车载反循环泥浆护壁成孔并非绝对不适用。对于卵石层，除了应采用优质泥浆外，卵石层中控制钻进速度、采用正循环出渣可以有效控制塌孔及漏浆问题。

6 结语

采用戈壁滩鹅卵石地质灌注桩引孔泥浆护壁施工工艺，桩基引孔施工因地质条件影响原因基本得到解决，不会再出现重复引孔返工工作，施工成本有了明显的降低。保证了桩基基础引孔施工的质量，每个阵区2台机械施工共需10天内可完成，重复返工作业需2天进行整改，现引孔速度不变的情况下，一次性可引孔完成，每个阵区即可提前三天完成引孔施工。

通过以上技术工艺的顺利实施，有效地解决了砂卵石地层成孔过程中遇到的难题，钻孔灌注桩成孔效率和成孔质量得到了提高，钻孔灌注桩成桩质量缺陷明显降低，施工进度明显提高，成本和费用均在控制范围内。

参考文献

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