河北省地矿局地质测绘院河北廊坊065000
摘要：基础工程施工发展至今，已经成为一门综合性的应用技术科学。尤其人类对物质文化生活要求日益增长，活动空间不断扩大，生活、交通、工农业生产现代化，使得现代基础工程施工的任务日趋繁重，其技术也日益复杂，以适应现代化建筑的要求。本文就国内外基础工程施工的新技术、新方法和新成就，对现代基础工程施工应用的设备、工艺、方法进行了阐述，可供施工单位借鉴，进一步推动我国基础工程施工技术和设备的快速发展。
关键词：基础工程；应用领域；设备与工艺；发展现状
1概述
近年来，随着现代工程建筑、交通、水电等事业发展，工程钻探技术（包括工程勘察钻和工程施工钻）相应迅速发展。世界工业先进国家用于各项工程钻探的工作量日增，其重要性愈益引起工程界与有关科研设计部门的注视。许多钻探设备制造与承包公司，大多已发展为同时从事包括石油天然气钻探、矿山岩心钻探、水文水井钻探和工程钻探技术方法、设备的研究、应用与开发，并且出现了专门从事工程钻探设备制造与施工的公司。为进一步推动该领域的钻探技术发展，我国还成立了国际大口径工程井（桩）协会，定期还举办中国国际桩与深基础峰会，这都说明了大口径基础工程施工在国民经济建设中的重要性。
如果说早期工程钻探技术是借镜或移用了岩心钻探抑或水井钻探和石油钻探的设备和工艺，那么现在包括地表、工程基础施工、基础处理等发展要求各异，工程钻探所用设备与工艺愈益趋向于多样化及专用化，并且形成了钻探技术一大分支。
如今工程钻探除了出现一系列工程基础勘察用的钻探装备外，还出现了许多工程处理的钻孔装备，尤其是各种大口径基础工程施工用钻机----如各种基桩孔工程施工钻机和连续墙工程施工钻机等装备及其工艺方法。日本利根公司的“BH”工法（灌注桩）和”BW”工法（连续墙）即为一例。所有这些工程钻和工程施工钻，对于经济有效地快速施工、促进现代化工程建筑、交通、水电等事业的发展，已成为不可缺少的技术因素，而且现在以至将来都要不断发展前进。
2工程钻探（工程钻和工程施工钻）技术发展应用领域
按照工况条件与目的不同，目前工程钻探技术发展应用领域可以大致分为以下五个方面：
2.1各种地面建筑工程基础勘察方面：所有地面建筑物包括大型设备安装，均需依赖建筑物所在地的基础承载能力作前提，亦即基础的每单位面积所能承受的载荷（t/㎡）而定。这载荷有垂直载荷亦有水平或侧向载荷；有静载亦有动载。现代建筑愈来愈高大沉重，要求基础更加坚固。因此，在施工前首先要进行基础勘察----进行基础工程钻探。在取得足够的地层资料与力学试验资料之后，才许可建筑施工。这类工程基础勘察如：
（1）高层房屋、超大型建筑、烟囱、碑塔等基础勘察；
（2）大型设备、重型机器安装基础勘察；
（3）大型输送管道（输送液体、气体、矿粉）敷设基础勘察等。
以上工程基础勘察，大都钻探第四纪沉积层和风化层，很多情况下如水库电站坝址和傍山建筑，亦要钻探基岩。然而工程基础勘察要求严格取样，进行各种分析、试验以及井下专门试验和地下水观测等。
2.2各种地下建筑工程基础勘察方面
由于现代化城市发展，大城市人口稠密，除地面建筑向空间立体发展外，许多建筑工程向地下发展，已成为现代国际建筑行业一种发展趋势。2017年以内以至更远的将来，国内外要建筑比现今若干倍的地下铁道网、仓库、地下城市、医院、娱乐厅等。地下建筑工程的发展，促进了探岩体（包括土层）力学的发展，这是一门研究各种条件下岩体运动、变形和破坏规律的科学。这样地下建筑工程基础勘察就比地面建筑更为复杂和重要了，因为它大多将在地下施工。这类工程基础勘察如：
（1）地下铁路、公路、隧道、涵洞、暗渠基础勘察；
（2）地下街道、仓库、储存罐和防护设施等基础勘察；
（3）越江、越海隧道工程基础勘察；
（4）地下核实验工程、国防工程勘察等。
以上工程基础勘察，钻探第四纪沉积层以及基岩，要求严格取样，进行各种分析、试验。很多情况下要作井下观测或专门试验，如标准贯入试验及“VaneShearTesting”等。
2.3各种工程施工钻孔方面；
目前各项工程基础施工方法很多，除了根据工程要求与地层情况有采用直接基础、底座基础、沉箱基础等方法外，大量工程基础采用桩基础，包括预制桩和就地灌注桩。在采用预制桩施工中除采用冲击（打桩机）法、压入法、振动法和喷射法预制桩埋设到地下外，同时发展了钻孔法埋设预制桩。而当采用就地灌注桩（尤其是大口径桩宜用之）施工时，除人工开挖或打套管灌注桩方法外，则广泛采用机械钻孔法就地灌注混凝土桩，尤其当在基岩上成桩时必须用钻孔法贯入岩层一定深度（基岩贯入桩），因此，目前各种钻孔桩用途愈来愈广泛。例如：
（1）基桩孔施工（CAST-1N-PLACEP1L1NG）。广泛用作加固房屋、堤、仓库等之地基。其目的是用人工法改善原来基础条件之不足，提高承重与抗震能力，防止下沉、倾塌、滑坡，延长建筑物保险期限。这种施工法亦用作某些濒水的工区作水下支柱，在海上开采石油天然气时用作海上平台支承桩。
（2）管桩孔施工（P1PEJACK1NE）。分钢管桩和混凝土管桩，同样用作桥墩与其它建筑物基桩。
（3）连续墙施工（LONGWALLDR1LL）。连续墙分排柱式和壁式两种施工方式，广泛用作上下水道、输水涵洞、地下铁路、地下公路、地下街道、地下停车场、以及蓄水池、汗水处理池、油库之挡土墙、隔水墙、遮水壁、重力坝防渗墙和地下建筑骨架。已大量代替以往露天开挖与钢板桩等施工。
（4）锚桩孔施工（T1EBACKSANDANCHORBORINGS）。广泛用以锚锭结构，锚固易坍倒塌方的挡土墙和顺层坡。亦用于加固地下建筑和坑道、隧洞之顶邦（ROOFBOLTDR1LLING）。例如暴露之坡角超过了危险坡面（FA1LUREPLANE）时，为确保路面或建筑物之安全，均宜进行锚桩锚固。有为专门滑坡治理而采用之则称斜坡地基础桩或滑坡地防滑桩。
2.4各种已竣工程基础注浆加固、处理方面（GROUTINGHOLEDRILLING）：这方面用途甚广，例如：
（1）已有混凝土桥基、坝基、码头等发现裂隙泄漏而注浆加固；
（2）混凝土、砖石及其它建筑物之隙缝注浆堵塞粘合；
（3）古建筑物基础注浆、加固处理；
（4）沉降路基注浆加固填实；
（5）建筑物或道路下基岩发现溶洞下陷注浆充填等。
2.5其它用途方面：方方面的工程钻孔用途甚多，发展亦较早，仅举若干例如下：
（1）为监视地震；
（2）为观察地壳活动和地面沉降；
（3）为安设标杆、遁构埋设线缆、管道；
（4）为储存液化石油气（FouLPGStorage）；
（5）为排放某种废液废气；
（6）为矿山采矿交通运输、竖井通风；
（7）为沼气释放（METHANEDRALNAGEHOLEDRILL）在深部含有煤层气、油页岩、油砂层中采矿矿井用常规竖井法都不如钻孔法安全。
（8）为应急抢险救援；
（9）为考古发掘；
（10）为回灌储能；
（11）为大型供水（如：火力发电站供水）；
（12）为检查工程质量；
（13）为某种爆破（BLASTHOLEDRILLING）或地下核试验；
（14）为种植挖坑；
（15）为化学冻结钻孔（CHEMICALFREEZEHOLEDRILLING）等。
3国内外工程钻与工程施工现状梗概
3.1工程钻
某种工程施工前以勘察工程基础（砂土层或岩层）条件为目的的钻探谓之工程钻。其应用领域已如前述。根据工程目的、所钻岩层不同选用钻探设备与工艺各异。但工程钻对取出的砂土层或岩层一般严格要求，作为工程基础供分析试验用。必要时要求定向取心和采取不扰动砂土样。
国外工程钻多用回转法.很多场合下可利用常规岩心钻机，如立轴式机械传动钻机、动力头式钻机、转盘式钻机等进行取心钻进，并进行简化安装，用随机桅杆或三角架，用电或空气马达作动力等。取样时采用各种型式的岩心管，包括各种双管、三层管、薄壁管取样器以及绳索取心器，螺旋取样器（AugerSampling）、取心螺旋钻（HollowStemAuger）以及其它压入法，冲击法砂土取样器等。美国还有公司专门为工程钻探取样提供各种器具，并有专门的取样器标准。
为适应工程钻以取砂土样为主，钻孔直径不大于200mm为多、钻孔也不太深。这样许多国家也就设计了专用的工程勘察钻机系列，包括采用回转、冲击、震动、静压等功能的钻机。
3.2工程施工钻
用钻探方法作为某种工程施工手段的工程钻谓之工程施工钻。其应用领域亦如前述。目前应用最广的是基桩孔施工（亦称钻孔桩施工--Foundationpiling），其次是连续墙施工（亦称长墙钻一LongWallDrill），以及其他用途的工程施工钻，并简述如下：
（1）基桩孔施工钻
基桩孔钻孔直径视工程目的而异，除做形桩直径小于300mm外，一般基桩孔直径从300至500—800mm以至1000-1200-1500mm，大型基桩孔1500-3000mm以至4000-5000mm。例如：日本国铁施工的大口径桩多数是直径2000mm以内的钻孔灌注桩和预应力混凝土桩。钻孔深度一般均在20-30m以至50m以内，只有承载层很深的情况下（如日本东京附近）才到达50-70m。基桩孔施工之优点主要是成本低，施工简便效率高，占地面积小，无噪音，可以通过各种砾卵石并可钻入基岩，桩之刚性较大，桩的直径、长度、型式《如平底桩、扩底桩等）可随工程情况多样化。并且根据工程需要可以钻入基岩，使基桩牢固嵌入基岩，强度和承毅力加大。
但是基桩孔也有很多缺点，如受天气影响某些地层如不注意会产生地层流、下沉，给成桩带来困难，质量验收增加一定难度等。
为了使基桩孔顺利施工，首先要在施工地区进行工程勘察钻孔，对地层作详细取样了解，而后设计基桩孔直径、深度、型式等，并据此选用钻孔、护孔方法与设备工艺。
基桩孔施工方法有：
（1）回转法：代表性的是在土层、沙土层中用的螺旋钻、包括单轴和多轴螺旋钻，在基岩中用的环形钻或全断面钻进。钻头有各型翼状钻头和牙轮钻头。钻机可以是车装或散装的转盘钻机。立轴式钻机或全液压动力头式钻机。
（2）冲抓斗加摇管（跟管）法；又称“贝诺特法（Benotemethod）”五十年代源自法国而由日本三菱合作改进。为履带式钻机，其特点之一有摇（搓）、压（液压）套管机构，特点之二是冲抓斗机构，在套管内冲击、冲抓，也可用螺旋钻。此种施工法适应范围广，除岩层而外所有地层大多可用之。此法无噪音.无振动，只是要解决排渣问题。日本曾用它作新干线城市内线路高架桥之基桩施工并称之“贝诺特桩”。深可30~50m，直径多为1000-1500mm至2000mm，最大不超过3000mm。日本三菱生产的MT系列和加藤生产的TH系列贝诺特钻机具有代表性。近年来结合贝诺特钻机加反循环和扩底钻使该施工法更为完善而受到欢迎。
（3）“阿司特利法”：（EARTHDRILLL）与“贝诺特法”同。其优异之处除可全套管钻进外，尤宜在某些地下水位低的干的黏性土层中用之，钻进时可用隐定液护孔实行无套管钻进。钻孔探度大多为15至30m。钻进时钻头一面钻进—面装渣，提出倒渣再重复钻进。
（4）反循环法：反循环始于矿山竖井施工，五十年代末期用于基桩孔施工。其优点有利于在第四纪冲积层厚的地区进行大口径灌注桩施工，效率高，用循环液（稳定液）保护井壁，井深可达100~120m至200m。钻孔直径可达1.5〜3m以至4〜6m。反循环钻进要用内径较大的钻杆，内径有150、200、300mm，通过转盘或动力头进行回转钻进。其反循环工艺包括泵吸法、气举法或泵射流法，而且在实际施工中因地制宜实行泵吸和气举互换使用，正反循环互换使用。由于反循环施工法优点突出，所以在基础工程中我国应用也很广，既可在陆地也可在海上施工，钻机类型多，除在第四纪地层应用外还可在岩层中采用。
（5）气动潜孔锤法：又称“DHD”法（DownHoleDrill）。同矿山钻探、水井钻探用气动潜孔锤，基桩钻孔直径600—2000mm，是目前国内外钻探界公认的高效钻进技术，在基桩施工中钻进基岩地层受到青睐。我国目前已在旋挖钻机、长螺旋钻机入岩钻进进行配套推广。
（6）冲击法：冲击法系历史悠久的一种钻孔方法，有钻杆冲击法和钢绳冲击法两种，尤其以钢绳冲击钻应用最多。冲击钻头有一字形、工字形、环形中空钻头等多种形式。冲击法设备、工艺比较简单，成本较低。在某些卵砾层中钻进具有独特优点。因此在各种工程施工中有时还被采用。目前我国采用冲击破碎岩石再加上泵吸反循环排渣效果很好。此类钻机施工直径650一2000mm，钻深100m。能适应土层、卵砾石层及风化基岩。
3.3连续墙施工钻机：
1950年意大利首先在水库与蓄水池施工采用地下连续墙作截水墙。日本在1967年11月至1972年5月曾有41处工程采用了连续墙，并称这种施工法为“BW工法”。目前连续墙在厂房一船闸基坑防渗墙、在上下水道、地下铁（包括地下铁或其它遁构基坑）、地下街道建筑、污水处理池、地下仓库和油库建筑等方面的防渗墙等方面应用愈来愈广。并很快在世界各国推广应用。
3.4其它用途的工程施工钻：
这方面的用途甚多，亦如前述。这里仅列举除以上钻进方法和设备外的几种工程施工钻。
（1）涡轮钻：系从在油井钻探井下动力钻具。涡轮钻具的直径从4英寸至10英寸，可以用作某些工程施工打定向孔。亦可用作为敷设输电线路或通讯线路及其他功用之水平孔施工。
（2）螺杆钻：钻孔直径可以从70至445mm，亦是井下动力钻具，其功用和涡轮钻雷同。由于螺杆钻制造使用更加简便，在某些工程钻孔应用更为有利，特别是用它钻准直孔、冻结孔、水平孔、斜孔和各种定向孔。
（3）导向式钻机：在某些工程施工需要斜孔桩（如港口工程要解决水平力斜孔支承桩），需要能导向的钻机。钻机用自重加压，有专门支撑孔壁的导向机构，可钻直井及40°以上斜井。
（4）水平孔钻机：大口径水平钻机用于在不开挖条件下专门敷设大型管道，其直径从200〜300mm至2000mm或更大。也就是目前水平孔施工的非开挖钻机，这种施工法关键是施工过程中的监测方向与纠偏。
4基础工程钻探技术展望
4.1工程钻探技术（包括工程勘察钻与工程施工钻）在世界范围内现以高速度发展，今后仍将在技术与应用方面不断创新发展。其原因是：
（1）现代化城市、交通、水电、工矿和国防等建筑工程，愈来愈向大型化发展，要求基桩大型、整体和深部化；
（2）很多工程向空间、地下和水下发展，向交通困难气候恶劣地区发展；
（3）古旧城市和旅游区环境设施现代化改造的迫切要求；
（4）山区房屋、道路塌方滑坡事故祸患防止的要求；
（5）要求施工严守噪音、振动、污染规则法律，环保要求；
（6）施工高速度、高质量和防地震能力要求；
（7）提髙施工机械化程度，要求减轻工人体力劳动强度和施工安全等。
4.2根据地层条件不同如漂砾（Boulder）、卵石（Cobble）、砾石（Gravel）、砂层（Sand—分粗、中、细砂）、粉砂（Silt）和粘土（Clay），基岩及风化完整程度，含地下水情况等等，考虑施工口径深度与孔壁稳定性，选择合适的钻探设备和工艺，以达到经济安全优质的目的。已有的各种施工方法及其设备工艺，不可能对所有地层有效，这都要在实践中不断改进。
4.3对于孔径和孔深都不大时，可用比较成熟的工程地质钻和注浆孔钻设备与工艺进行勘察施工，特殊情況下可利用岩心钻机改装。目前工程地质钻孔深度一般从30~50m以至100m左右。为达到工程地质精密取样目的，在工艺上要发展回转、冲击、压入、震动、干钻、带循环液钻进，并要有完善的取样标准器具，发展多用途钻机。目前海上建筑如海上平台基础之工程钻探设备与取样（如双壁钻具连续取样、绳索取心取原状样）技术已在不断发展与完善。
4.4在低水位砂土层采用螺旋钻与取心螺旋钻作为勘察钻施工效果显著。螺旋钻属无循环钻进，有利于环境保护，尤其大口径螺旋钻将广泛用于基桩孔施工。
4.5带冲击作用的施工法如：钢绳重锤式冲击钻、冲抓钻和钻斗钻，在卵砾层中钻进优势明显，易坍塌的情况下全套管冲抓施工较为有效。大直径冲击钻头磨损与套管底部磨损修复困难，关键要进一步提高耐磨损能力。在某些难度大的漂砾、卵石层钻进，可利用旋挖钻机配全回转技术来解决施工难的问题。
4.6由于正循环钻进在一些情况下还存在不足，与此相反，反循环钻进被视为能对付包括第四纪地层和基岩钻进的有效方法。把反循环与冲击法相结合，即实现冲击碎岩、反循环排渣，被认为在某些条件下很有前景。现提倡钻探设备要满足多工艺钻进，以利于施工过程中可按地层情况，灵活变换工艺方法，提高钻进效率，缩短施工周期，降低施工成本，创造更大经济效益。
5结语
尽管基础工程钻探技术以髙速发展了许多设备与工艺，但今后仍将要适应时代的要求，如建筑物大型化，更讲究环境保护、低公害、安全施工、保证工程质量与节约成本等要求而继续研究与发展新的技术装备与工艺。为进一步搞好桩基础施工技术发展，必须深化国内外技术交流合作，不断开阔视野，了解国内国际技术市场，增强开拓，让基础工程施工钻探技术更加广泛的推广应用。
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作者简介：
陈青山，男，汉族，1963年生，工程师，矿产地质专业，院纪委书记分管矿产地质工作。