灌注樁旋挖成孔與沖孔的對比分析研究

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

0 引言

旋挖成孔與沖擊成孔是混凝土灌注樁中2種比較常見的成孔工藝。但是關(guān)于先進(jìn)的旋挖成孔與傳統(tǒng)的沖孔工藝間的協(xié)調(diào)作業(yè)的相關(guān)文獻(xiàn)，目前還比較鮮見。本文從施工質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全、文明環(huán)保，以及現(xiàn)場綜合管理的角度出發(fā)，深入對比分析旋挖成孔與沖擊成孔的優(yōu)缺點(diǎn)，從而進(jìn)一步探討2種工藝協(xié)調(diào)作業(yè)的方案，并以深圳蛇口碼頭樁基工程實(shí)例加以說明，旨在為同行們在類似實(shí)際工程中施工工藝的靈活選擇提供參考。

1 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 施工質(zhì)量

旋挖成孔利用筒底鉆頭刀刃切土，成孔后孔壁呈現(xiàn)凹凸紋理，與混凝土樁身結(jié)合程度較高，而沖孔靠沖擊錘成孔無此效果；同時(shí)旋挖成孔泥漿主要提供靜水壓力，與沖孔樁不同，泥漿不需要在孔中動(dòng)態(tài)循環(huán)，旋挖樁體與孔壁間可以忽略泥漿的潤滑劑作用。相比沖孔灌注樁，從成孔與泥漿作用原理來看，旋挖灌注樁樁側(cè)摩擦力較大，成樁效果較好。以深圳大鵬新區(qū)某工程5根試樁為例，其中3組沖孔，2組旋挖成孔，由檢測數(shù)據(jù)可知，幾乎同條件的樁型，旋挖灌注樁最大沉降量較小，成樁效果較好。

旋挖設(shè)備內(nèi)置現(xiàn)代化電子設(shè)備，孔位對準(zhǔn)、垂直度調(diào)節(jié)等方面比較精準(zhǔn)；而沖孔基本依賴人工操作，工人技術(shù)水平和作業(yè)素養(yǎng)參差不齊，誤差較大。從珠海某工程土方開挖后露出開挖面的試驗(yàn)樁效果來看，旋挖樁成樁的樁身明顯比沖孔完整規(guī)則，偏心影響較小，如圖1所示。

圖1 旋挖成孔（左）與沖孔（右）樁身質(zhì)量對比

巖樣判斷方面，旋挖成孔直接在孔底取土到孔外，及時(shí)得到巖樣；而沖孔入巖后，巖樣一般通過泥漿循環(huán)返到地面再取樣，入巖判斷滯后，往往造成實(shí)際孔深大于設(shè)計(jì)孔深。所以在樁長控制方面，旋挖灌注樁更精準(zhǔn)。

在遇到易坍孔的軟弱土層時(shí)，因泥漿護(hù)壁的原理不同，沖孔灌注樁為泥漿動(dòng)態(tài)循環(huán)，從而成孔質(zhì)量較好。而在砂土層時(shí)，因沖孔循環(huán)泥漿的沖刷作用，導(dǎo)致較容易發(fā)生坍孔，故在砂土層中采用旋挖較好。旋挖成孔時(shí)，如果易坍孔軟弱土層處于整個(gè)地層上部，并且土層厚度在一定范圍內(nèi)（施工經(jīng)驗(yàn)判斷為20 m范圍內(nèi)），可以考慮加長護(hù)筒或改善泥漿等措施來避免發(fā)生坍孔[1,2]。

1.2 施工進(jìn)度

旋挖機(jī)靠鉆頭刀刃切土掘進(jìn)，然后提鉆攜土至孔外卸土，依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，一般旋挖機(jī)進(jìn)尺速度可達(dá)1.00～1.50 m/min，沖孔的速度在地質(zhì)條件較好時(shí)，可達(dá)到0.02～0.05 m/min，可見旋挖成孔速度明顯較快。

旋挖機(jī)因鉆桿、鉆頭強(qiáng)度等問題，在硬質(zhì)地層中鉆進(jìn)容易受阻。引言中提到，盡管旋挖機(jī)及配套設(shè)施更新改進(jìn)取得了很大進(jìn)步，但完全推廣于市場還不夠成熟，施工現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、別桿、掛籠、漏漿等情況。若設(shè)備因此損壞待修，勢必會(huì)影響施工進(jìn)度，而沖孔工藝對地質(zhì)條件不挑剔，可以考慮沖孔工藝在地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，配合旋挖機(jī)施工。尤其在孔底入巖，隨著成孔加深，旋挖機(jī)提桿卸土的輔助時(shí)間增多，進(jìn)度放緩，若此時(shí)更換沖孔機(jī)配合，則解決了旋挖機(jī)入巖易出現(xiàn)鉆頭損壞或鉆桿折斷等問題，同時(shí)能減少旋挖機(jī)提桿卸土所產(chǎn)生的額外時(shí)間。

若旋挖成孔在遇到需要使用長護(hù)筒時(shí)，長護(hù)筒的制作、試埋、正式埋設(shè)、位置糾偏等都需要增加作業(yè)時(shí)間，從而導(dǎo)致成樁時(shí)間加長。故在樁長較短、總體工程量不大的情況下，旋挖成孔的優(yōu)勢不能體現(xiàn)出來，可考慮直接使用沖孔樁施工。

1.3 施工成本

如果樁端要求入巖，材料費(fèi)應(yīng)單獨(dú)計(jì)價(jià)，因旋挖成孔樁身比較規(guī)則，樁長與設(shè)計(jì)圖紙偏差小，混凝土、鋼筋材料浪費(fèi)較少；沖孔因泥漿攜帶巖樣的滯后性，實(shí)際孔深要比設(shè)計(jì)值偏大，從而鋼筋籠偏長，充盈系數(shù)偏大，故消耗材料偏多，成本略高。旋挖成孔往往要特制長護(hù)筒，初始投入較大，但是鋼制護(hù)筒可循環(huán)利用，故對成本影響不大，綜合來說，沖孔樁材料成本略高。

在人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)方面，在相同地質(zhì)條件下，依據(jù)市場行情，旋挖機(jī)成孔綜合單價(jià)為380～560元/m，其中包括旋挖司機(jī)、維修人員的人工費(fèi)；沖孔樁架機(jī)械費(fèi)單價(jià)為250～280元/m，估算旋挖機(jī)成本為沖孔機(jī)的1.40～2.00倍。尤其在樁端嵌巖施工中，可旋挖入巖的設(shè)備造價(jià)高、數(shù)量少，沖孔工藝更具有優(yōu)勢。

總體來說，在施工成本方面，沖孔灌注樁成本偏低，但是隨著科技水平的不斷提高，差距會(huì)逐漸縮小。

1.4 文明環(huán)保

旋挖成孔所用泥漿主要是提供靜水壓力，地質(zhì)條件較好時(shí)，甚至可以使用清水代替泥漿或者不用泥漿；沖孔灌注樁因需泥漿循環(huán)護(hù)壁，對泥漿需求量較大，據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，沖孔灌注樁產(chǎn)生的廢漿為樁孔體積的4～6倍。故旋挖成孔大大減少了泥漿排放，減少了對環(huán)境的影響。

另外沖孔時(shí)沖錘從一定高度落下，與土體撞擊產(chǎn)生的噪聲要遠(yuǎn)大于旋挖機(jī)成孔時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。對環(huán)境要求較高的中心區(qū)來說，顯然旋挖成孔更適合。

1.5 安全施工

旋挖機(jī)一般體積大、高度大、質(zhì)量大，相比沖孔樁架危險(xiǎn)系數(shù)大；同時(shí)旋挖機(jī)配套的挖機(jī)、吊車等大型設(shè)備與自身空間形成了相互干擾，容易發(fā)生設(shè)備間碰撞或機(jī)械回旋碰人等機(jī)械傷害事故。

電擊事故是建筑常發(fā)五大事故之一，沖擊成孔必須用電，但沖孔施工效率低，樁架較多，從而導(dǎo)致用電量較大，故安全隱患也較大。從現(xiàn)場條件看，操作規(guī)范要求電線必須埋地鋪設(shè)，因此經(jīng)常出現(xiàn)挖機(jī)挖斷電線事故。

1.6 現(xiàn)場綜合管理

因沖孔設(shè)備體型小、效率低，工地現(xiàn)場一般布置數(shù)量較多的設(shè)備才能滿足進(jìn)度要求，大量的設(shè)備對應(yīng)泥漿池?cái)?shù)量也較多，又因沖孔使用的泥漿量大，一定會(huì)產(chǎn)出大量的廢漿。大量廢漿的處理，給現(xiàn)場管理帶來了難度，大量的泥漿池給現(xiàn)場臨時(shí)道路的布設(shè)也提出了更高的要求。另外，沖孔設(shè)備電路、電箱布設(shè)也占據(jù)了一定的場地空間。

旋挖成孔靠柴油驅(qū)動(dòng)，無需用電，產(chǎn)生的廢漿少，容易清理。另外，旋挖成孔所需人工數(shù)較少，給現(xiàn)場管理減小了難度。但旋挖機(jī)體型龐大，質(zhì)量達(dá) 60～120 t，為沖孔樁架的10倍以上，對場地承載力要求較高；又因?yàn)樾跈C(jī)成孔后，還需要吊車等其他大型設(shè)備來配合施工，故場地內(nèi)旋挖機(jī)的設(shè)備數(shù)量受到了明顯的限制[3-6]。

2 旋挖成孔與沖孔協(xié)調(diào)作業(yè)

從上述旋挖成孔與沖孔優(yōu)缺點(diǎn)對比分析得出[7-9]：

1）在施工質(zhì)量方面，除軟弱土層外，旋挖成孔要優(yōu)于沖孔灌注樁。

2）在施工進(jìn)度方面，一般情況下可優(yōu)選旋挖成孔；若入巖困難，可考慮旋挖成孔與沖孔工藝配合施工；若存在軟弱層，恰逢工程量不大，樁長較短時(shí)，可考慮直接采用沖孔工藝。

3）在施工成本方面，沖孔樁成本要比旋挖樁低，尤其在樁端嵌巖施工。但隨著旋挖機(jī)設(shè)備技術(shù)的不斷改進(jìn)，差距會(huì)逐步縮小。

4）在文明環(huán)保方面，旋挖成孔要優(yōu)于沖孔。

5）從安全角度來說，旋挖成孔稍保險(xiǎn)。因沖孔時(shí)用電涉及面較廣，事故發(fā)生的概率較大，另外一旦有電擊事故，直接威脅到生命安全，后果較為嚴(yán)重。

6）在綜合管理方面，旋挖機(jī)具有優(yōu)勢，但設(shè)備數(shù)量具有現(xiàn)場條件制約性。施工現(xiàn)場應(yīng)盡量考慮安排旋挖機(jī)的施工，場地空間余量下，可以適當(dāng)安排沖孔設(shè)備施工。

總體來說，地質(zhì)條件良好時(shí)，可以優(yōu)選旋挖成孔；在地質(zhì)條件復(fù)雜，樁長較短，樁數(shù)量不多時(shí)，可考慮直接沖孔；一般情況下，可以嘗試旋挖成孔與沖孔配合施工，主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：一方面是總體工程量分工，劃分出能獨(dú)立完成的灌注樁，具體可以依據(jù)工程實(shí)際條件來決定分配的比例；另一方面表現(xiàn)在單根樁工藝上的配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，取長補(bǔ)短。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

深圳蛇口郵輪中心樁基工程共計(jì)有618根工程樁，其中抗拔樁401根，抗壓樁217根。所有樁徑均為1 300 mm。樁從地面施工，樁型為摩擦端承樁，因入巖標(biāo)高要求不同，孔深35～66 m不等（包括約6 m空樁）。合同要求工期為140 d。地層由上至下分別為：人工填土（石）層（平均厚約15 m），淤泥層（平均厚約1 m），粉質(zhì)黏土層（平均厚約5 m），淤泥質(zhì)黏土層（平均厚約8.50 m），粗砂層（平均厚約2.80 m，局部存在），砂質(zhì)黏性土層（平均厚約7.60 m），全風(fēng)化花崗巖（平均厚約7.60 m），強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（平均厚約11.80 m），中風(fēng)化花崗巖。

3.2 進(jìn)度分析

考慮到地質(zhì)條件的限制，按設(shè)計(jì)圖紙要求，灌注樁成孔工藝為沖孔灌注樁。按試樁階段估算，單根樁成品平均需要10 d，按現(xiàn)場容納40臺沖孔設(shè)備計(jì)，并扣除施工準(zhǔn)備階段10 d時(shí)間，在理想情況下能完成約436根樁，遠(yuǎn)達(dá)不到工期要求。

3.3 解決方案

若通過增加沖孔設(shè)備來提高產(chǎn)量，則需要增加約16臺，可行性較小。由前文分析得知，增加沖孔設(shè)備從質(zhì)量、安全、成本、環(huán)保、現(xiàn)場綜合管理等方面均不適合；另外，增加的設(shè)備需要業(yè)主提供1臺容量為500～600 kVA變壓器，短期內(nèi)無法解決。

從前文綜合管理方面得出，因本場地為港口填土區(qū)，全部采用旋挖機(jī)成孔替代沖孔不適合。旋挖成孔不適用于土質(zhì)復(fù)雜土層，因鉆孔過程中難免會(huì)碰到漂石等障礙物，從而使施工受到影響；另外施工至硬土層時(shí)，旋挖施工也較為困難或者受阻，導(dǎo)致成孔時(shí)間延長，從而影響工期。

此工程考慮旋挖成孔與沖孔協(xié)調(diào)作業(yè)，依照前文分析，表現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，總工程量中，依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)文件，挑選出土層較好，入巖強(qiáng)風(fēng)化的樁，供旋挖機(jī)成孔施工；另一方面，在部分單根樁上部采用旋挖機(jī)成孔，接近入巖時(shí)更換成沖孔樁機(jī)施工。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，可將場地分為3個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 場地分塊布局示意

在圖2中，沖擊灌注樁區(qū)域樁數(shù)為301根，旋挖成孔區(qū)約有200根，待定區(qū)域約有117根，此區(qū)域表現(xiàn)為單樁上旋挖成孔與沖孔的配合，利用旋挖機(jī)對入巖中風(fēng)化以上土質(zhì)適合的部分進(jìn)行施工，沖孔樁機(jī)施工中風(fēng)化入巖部分與土層中可能存在的拋石部位。為了防止上部填土層坍孔，設(shè)計(jì)長護(hù)筒穿越填土層，經(jīng)多次旋挖成孔試驗(yàn)，最終確認(rèn)護(hù)筒長度為15 m。此方案經(jīng)參建方同意后實(shí)施，最終提前38 d完成任務(wù)。本工程合同額近1億元人民幣，單位時(shí)間內(nèi)完成工作量大，且無安全事故發(fā)生，質(zhì)量控制嚴(yán)格。經(jīng)超聲波取芯試驗(yàn)，靜載荷試驗(yàn)檢測，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。協(xié)調(diào)作業(yè)流程為：放線定位→下護(hù)筒→旋挖機(jī)就位→（遇障礙或需沖孔時(shí)→沖孔機(jī)就位→沖孔）→旋挖成孔→清孔。

4 結(jié)語

一般情況下，施工單位依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，選取單一的旋挖成孔或沖孔工藝施工，雖然有時(shí)也能順利完工，但往往達(dá)不到最優(yōu)效果。另外，旋挖成孔新工藝不是十全十美，過度依賴新工藝，追求工程目標(biāo)，往往適得其反。通過對2種工藝優(yōu)缺點(diǎn)的對比分析，加以工程實(shí)例的說明，得出結(jié)論：灌注樁成孔工藝的選擇要根據(jù)工程具體條件，從施工管理多個(gè)角度分析，優(yōu)選適合工程特色的施工工藝，必要時(shí)考慮旋挖與沖孔的合理布局、協(xié)調(diào)作業(yè)。工藝的靈活選擇及協(xié)調(diào)作業(yè)是施工方案的改進(jìn)和創(chuàng)新，可供類似工程工藝選擇時(shí)借鑒。