橋梁樁基旋挖與沖擊成孔對比分析研究

倪江斌

（福建第一公路工程集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程概況

國省干線橫七線（G356）永春達(dá)埔東園至前峰段公路工程主線路線里程7.9km，聯(lián)三線連接線里程1.2km。該項(xiàng)目包含6 座大橋，其中頂洋大橋位于聯(lián)三線連接線改造段上，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、肋式臺配樁基礎(chǔ)，全橋共計(jì)72 根樁基；樁徑為120cm、150cm，樁基類型均為端承樁，因入巖標(biāo)高要求不同，孔深28～40m不等；頂洋大橋原地面以下主要巖土層按順序分別為素填土、粉質(zhì)黏土、坡積粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗閃長巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖、中風(fēng)化花崗閃長巖。主要巖土層特征分述見表1。

表1 主要巖土層特征分述

2 施工條件及重難點(diǎn)分析

該項(xiàng)目為永春縣重要過境公路，通往即將完工的興泉鐵路永春站，而聯(lián)三線連接線改造段為蓬壺鎮(zhèn)通往永春站的必經(jīng)道路。頂洋大橋樁基工程計(jì)劃工期為60 天，前期臨電策劃僅配備一臺容量為400kW 變壓器，保證樁基施工進(jìn)度，選擇最優(yōu)樁基成孔工藝是施工的重點(diǎn)。

3 兩種成孔工藝比對分析

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

3.1.1 沖擊成孔原理及特點(diǎn)

沖擊鉆機(jī)成孔工藝在橋梁樁基施工環(huán)節(jié)中扮演著十分重要的角色。這種工藝設(shè)備簡單，操作方便，適用于所有巖土層，尤其是在含有較大卵礫石層、漂礫石層中施工成孔效率較高，同時(shí)沖擊巖土層時(shí)的沖擠作用形成的孔壁較為堅(jiān)固。但沖擊成孔工藝大部分作業(yè)時(shí)間消耗在提放沖錘和循環(huán)排渣土上，鉆進(jìn)速度及功效較低。隨樁孔加深，循環(huán)排渣時(shí)間則相對較長。

3.1.2 旋挖成孔原理及特點(diǎn)

旋挖鉆機(jī)成孔工藝是近年來在我國路橋施工領(lǐng)域推廣使用的一種較先進(jìn)的樁基施工工藝，這種工藝不需要提供動力電源、采用機(jī)身柴油發(fā)動機(jī)提供動力，機(jī)臺可自行行走，具有成孔速度快、施工精度高、機(jī)械化自動化程度高、噪聲小有利于環(huán)保等特點(diǎn)，近年來在橋梁樁基工程中得到較快的推廣應(yīng)用。但旋挖鉆機(jī)成孔也存在前期投入大、自重大、對場地要求嚴(yán)格、孔壁護(hù)壁差、在軟土中孔內(nèi)容易產(chǎn)生負(fù)壓等不足之處。

3.2 成孔質(zhì)量

3.2.1 與孔壁結(jié)合度

旋挖成孔利用鉆機(jī)動力頭裝置為鉆桿提供扭矩，加壓裝置通過加壓動力頭的方式將壓力傳遞給鉆桿鉆頭，鉆筒底部刀刃回轉(zhuǎn)環(huán)切破碎巖土。鉆機(jī)對地層擾動小，孔壁泥皮薄，且形成的孔壁為粗糙型，有利于增加樁側(cè)摩阻力；而沖擊成孔孔壁泥皮較厚無此效果。

3.2.2 垂直度和擴(kuò)孔系數(shù)

旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過程對樁深度、垂直度、鉆進(jìn)角度、鉆壓、鉆筒內(nèi)裝土容量均通過機(jī)身電腦控制，可通過機(jī)臺自我修正系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)鉆進(jìn)角度和垂直度，確保樁孔不發(fā)生傾斜，擴(kuò)孔系數(shù)小。沖擊鉆機(jī)基本依賴工人操作，工人的技術(shù)水平參差不齊，在遇到斜巖或地質(zhì)不均的情況下，沖錘擺動容易造成樁孔不圓，擴(kuò)孔系數(shù)高，樁孔易發(fā)生傾斜。

3.2.3 護(hù)壁成型區(qū)別

沖擊鉆機(jī)成孔孔壁泥皮較厚，在下放鋼筋籠過程中容易將泥皮刮入孔底，增加二次清孔的難度；在灌樁混凝土面上升過程中，可能出現(xiàn)孔壁泥皮包裹進(jìn)入樁身，從而影響成樁質(zhì)量甚至出現(xiàn)夾層導(dǎo)致斷樁。旋挖鉆機(jī)的鉆進(jìn)僅需要靜壓泥漿，出現(xiàn)上述質(zhì)量問題的可能性較??；但在遇到軟弱地層時(shí)，特別是淺埋卵石層或淤泥層，因成孔及泥漿護(hù)壁的原理不同，旋挖鉆機(jī)成孔過程中塌孔和縮徑現(xiàn)象容易發(fā)生。不過，沖擊鉆機(jī)在軟弱地層中成孔質(zhì)量能夠得到保證，這也是沖擊鉆成孔的優(yōu)勢之一。

3.2.4 清孔和沉渣

旋挖鉆機(jī)是將孔內(nèi)全部渣土通過鉆筒鉆桿提出孔外，每次循環(huán)進(jìn)尺均補(bǔ)充泥漿確保漿液水頭高度；泥漿一般采用膨潤土與化學(xué)藥物進(jìn)行配比，泥漿中只攜帶殘留巖屑，清孔時(shí)間短，孔底沉渣厚度容易保證。而沖擊鉆機(jī)孔內(nèi)渣土是通過泥漿不斷循環(huán)置換排出，在成孔過程中泥漿含有大量鉆渣，特別是在砂層較厚的地層中，要達(dá)到規(guī)定的含砂率往往需要較長的清孔時(shí)間，有時(shí)還需要配備濾砂器加以輔助，孔底沉渣厚度也比較難以控制。

3.2.5 巖層判定

旋挖鉆機(jī)在施工嵌巖樁時(shí)，是直接將整段巖石提升到地面，可以非常直觀地判斷巖石的類型、完整性及是否存在夾層。而沖擊鉆機(jī)需要砍巖一定深度后才能撈取到巖樣，若清孔不及時(shí)巖樣中還會混雜一些前期碎塊狀風(fēng)化巖樣，造成無法準(zhǔn)確判斷巖層情況，在遇到地質(zhì)復(fù)雜伴有夾層的巖層時(shí)，往往增加了判定入巖和判定終孔的難度。

3.3 功效進(jìn)度

3.3.1 鉆進(jìn)速度

在工程地質(zhì)、樁徑、樁長、持力層基本一致的情況下，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，旋挖鉆機(jī)平均每分鐘進(jìn)尺可達(dá)50cm 左右，旋挖成孔的功效相比沖擊成孔快5～6 倍以上。

3.3.2 施工準(zhǔn)備和工序銜接

沖擊鉆機(jī)在前期施工準(zhǔn)備時(shí)，臨電布設(shè)、機(jī)臺組拼、焊錘、開挖泥漿池及沉淀池等花費(fèi)的時(shí)間要比旋挖鉆機(jī)長很多，且旋挖鉆機(jī)由于自帶底盤可以通過履帶進(jìn)行快速移動。沖擊鉆機(jī)無法自行移動，在進(jìn)行下一根樁基施工時(shí)需要吊車進(jìn)行場內(nèi)盤吊，旋挖鉆機(jī)就位效率遠(yuǎn)高于沖擊鉆機(jī)。

3.4 經(jīng)濟(jì)成本

3.4.1 充盈系數(shù)和混凝土消耗

按照以往的施工經(jīng)驗(yàn)，旋挖鉆機(jī)成孔的樁在灌注混凝土?xí)r，充盈系數(shù)一般在1.03～1.05 之間，而采用沖擊鉆機(jī)成孔的充盈系數(shù)則一般為1.08～1.15，沖擊鉆比旋挖鉆擴(kuò)孔系數(shù)大。故采用沖擊成孔消耗混凝土偏多，成本也略高。

3.4.2 成孔泥漿需求量

沖擊鉆機(jī)需加大量清水用于稀釋泥漿進(jìn)行清渣，成孔產(chǎn)生的泥漿量大，據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，沖擊鉆機(jī)產(chǎn)生的泥漿為樁孔體積的3～5 倍。對于沖擊成孔工藝往往需要配備泥漿分離器或者合規(guī)指定的場地專門用來臨時(shí)堆放泥漿，因此所產(chǎn)生的成本要大于旋挖鉆機(jī)。

3.4.3 人工機(jī)械費(fèi)

在人工費(fèi)、機(jī)械費(fèi)方面，旋挖鉆單價(jià)相比沖擊鉆要高。在相同地質(zhì)條件下依據(jù)市場行情，旋挖成孔綜合單價(jià)為600～680 元/m3，其中包括旋挖司機(jī)、維修人員的人工費(fèi)、輔助機(jī)械的機(jī)械費(fèi)以及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的柴油費(fèi)用；沖擊成孔綜合單價(jià)為260～290 元/m3（含電費(fèi)）。估算旋挖鉆成本為沖擊鉆的2.3～2.5 倍左右。

3.5 安全文明環(huán)保

旋挖成孔所產(chǎn)生的泥漿少，在施工過程當(dāng)中泥漿可循環(huán)利用無需外棄。另外沖擊成孔時(shí)沖錘從一定高度落下，與巖土體撞擊產(chǎn)生振動，會對周邊房屋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，且鋼絲繩帶動沖錘上下往復(fù)運(yùn)動會產(chǎn)生較刺耳的噪聲，從而對環(huán)境形成噪聲污染。

3.6 現(xiàn)場綜合管理

3.6.1 沖擊成孔

沖擊鉆機(jī)設(shè)備體型小、功效低，施工現(xiàn)場往往需布置一定數(shù)量的設(shè)備才能滿足進(jìn)度要求。每臺沖擊鉆機(jī)均需設(shè)置獨(dú)立的泥漿池和沉淀池，一次投入的設(shè)備量越多，對應(yīng)的泥漿池和沉淀池?cái)?shù)量就越多，占用空間也就越大。在施工準(zhǔn)備階段還需考慮電線布設(shè)走向、運(yùn)輸便道、吊車作業(yè)平臺、挖掘機(jī)掏渣工作面等，這就需要對場地進(jìn)行非常細(xì)致的排比規(guī)劃，增加了現(xiàn)場管理的難度。

3.6.2 旋挖成孔

旋挖成孔所需人工數(shù)較少，給現(xiàn)場管理降低了難度。但旋挖機(jī)體型龐大，單機(jī)重量達(dá)80～120t，為沖擊鉆機(jī)機(jī)臺的10 倍以上，對場地承載力要求較高。又因?yàn)樾阢@機(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)旋挖鉆機(jī)的設(shè)備數(shù)量受到了明顯的限制。另外，旋挖成孔提到地面的渣土需及時(shí)清除外棄，若形成堆積會對其他輔助機(jī)械的施工及運(yùn)輸便道產(chǎn)生影響。

4 工程實(shí)例分析

4.1 樁基成孔工藝的選擇

該橋地質(zhì)良好，并無卵石或淤泥等易塌孔軟土層，故綜合考慮到施工現(xiàn)場條件、周邊環(huán)境、施工進(jìn)度及成本等因素，頂洋大橋0#臺～12#墩共計(jì)41 根樁基采用旋挖成孔工藝（投入設(shè)備量1 臺），13#墩～21#臺共計(jì)30 根樁基采用沖擊成孔工藝（投入設(shè)備量6 臺）。

4.2 施工進(jìn)度及成孔率

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔原始記錄報(bào)表數(shù)據(jù)分析，在相同地質(zhì)條件下旋挖鉆機(jī)要比沖擊鉆機(jī)施工快6 倍。在無卵石地層、易塌軟弱地層時(shí)，兩種成孔工藝的成孔率并無差異。不同成孔方式樁基成孔時(shí)間及混凝土澆筑方量見表2。

表2 不同成孔方式樁基成孔時(shí)間及混凝土澆筑方量

4.3 成本分析

頂洋大橋樁基工程旋挖成孔綜合單價(jià)610 元/m3，沖擊成孔綜合單價(jià)為260 元/m3。旋挖鉆機(jī)渣土外運(yùn)每千米單價(jià)約6 元/m3，因泥漿需采用專用密閉環(huán)保車進(jìn)行運(yùn)輸，沖孔樁機(jī)泥漿外運(yùn)每千米單價(jià)需達(dá)到約24 元/m3。不同成孔方式樁基經(jīng)濟(jì)對比見表3。

表3 不同成孔方式樁基經(jīng)濟(jì)對比

通過上述對比分析，在相同的條件下適用旋挖鉆成孔產(chǎn)生費(fèi)用為（單根）：61.8×610+6×50+0×35+3.1×410+23.2÷24/1×50000=8.76 萬元。適用沖擊鉆成孔產(chǎn)生的費(fèi)用為（單根）：61.8×260+24×240+95×35+6.8×410+147.5÷24÷7×50000=7.18 萬元。由此得出旋挖成孔工藝成本略高于沖擊成孔工藝。

5 結(jié)語

通過對兩種橋梁樁基成孔工藝多方面的對比分析，得出結(jié)論：橋梁樁基成孔工藝的選擇要根據(jù)工程具體條件，從質(zhì)量、進(jìn)度、成本、安全環(huán)保、綜合管理等多個角度進(jìn)行分析，優(yōu)選適合工程實(shí)際情況的施工工藝，必要時(shí)考慮旋挖與沖孔的合理布局、協(xié)調(diào)作業(yè)。工藝的靈活選擇及結(jié)合是管理者在制定施工方案時(shí)需改進(jìn)和創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)，可供類似橋梁樁基工程成孔工藝選擇時(shí)借鑒。