超长桩基施工方案的优选与对比分析

丁大勇

DING Dayong

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江湖州313000)

旋挖钻机作为一种快捷、高效、经济的桩基成孔技术，在施工中得到了普遍的认同［1］。但也存在一些弊端和缺陷，如标配钻杆及扭矩的力度限定了作业的深度和广度，目前市场上使用较多的最大扭矩的旋挖钻机能够达到的钻孔深度在75 m 左右，为有效解决这个问题，本文对超长桩基施工如何选用成孔方案给出了建议，并针对当前常用的几种钻机从技术和经济方面进行了分析比较。

1 工程概况

温州绕高速公路西南线工程地处温州地区西南面，经过鹿城区、瓯海区、瑞安市、平阳县四个县市区。本标段为第10 施工标段，起止桩号K42 +580～K44 +875.2，线路长为2.295 km，主要工程内容为:路基、桥梁工程等的施工及缺陷责任期缺陷修复，合同工期36 个月。本项目主要工程量为桥梁工程，占总投资的75%，为控制性工程。桩基69295 m/887根(端承桩和摩擦桩，桩径有1.0、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8 m)，桩基最长106 m，桩长大于75 m的数量占78%。本项目超长桩基为端承桩，地质条件为淤泥、黏土、基岩。桩基计划工期11 个月。

工程区属浙南沿海，东临温州湾广大海域，地势西高东低。本标段钻孔桩大部分为陆上桩，少量位于鱼塘、河沟中，施工时，采取抽干水或用草袋围堰填土筑岛形成钻机作业平台，把水中桩变成陆上桩进行施工。桥梁所在地区位于海积平原区，表面分布厚1 m 左右的软塑—可塑状黏土硬壳层，地基中上部为流塑状淤泥层，厚度一般在22～32 m，工程性质较差;下部为黏土层，黏土为软塑—可塑状，厚度33～68. 5 m，工程性质一般;基岩埋深68. 5～98 m，变化大，岩性为凝灰岩，全风化层呈土状，厚度1～5 m，工程性质一般;强风化岩呈碎块状，岩体破碎，岩块较硬，厚度1～3 m，工程性质较好;中风化基岩，岩体较完整，岩质较硬。

2 施工方案的确定

基于超长桩基成孔方案，针对冲击钻机、回转钻机、旋挖钻机在超长桩基成孔方案进行分析比选。

2.1 技术因素的比较分析

对三种钻机的适用范围、工艺特点、控制要点三个技术层面进行了对比分析，见表1。

表1 技术因素对比分析表

从上述各种钻机各自的使用范围及其工艺特点分析，并结合本项目桥梁桩基特点，工期紧、任务量大、单根桩基长等因素，应优选的施工方案是旋挖钻和反循环回转钻机。

2.2 经济因素比较分析

从目前市场行情单根成孔的每延米工序价格上进行比较，冲击钻机最高，回转钻机最低，旋挖钻机介于两者之间，见表2。

表2 3 种钻机的工序成孔价格对比表

施工成本控制除按上述工序成本考虑外，施工当中不可避免地会产生其他方面的成本，如扩孔率需额外增加的混凝土回填量、泥浆的处理费用、工期因素、其他管理因素等。下面就这些问题作分析比较。

2.2.1 对冲击钻机的其他成本分析

冲击钻钻进速度相比旋挖钻要慢得多，据以往的施工经验，单孔桩径φ1500 mm、孔深60 m 左右的嵌岩桩成孔周期在10～12 d(包括钻机就位、钻孔、清孔、灌注等工序)，因为冲击钻成孔时的上部黏土部分，虽冲程比较大，钻进很快，但为了保证钻孔的扩孔率和不塌孔，必须控制进度，遇到斜岩和较强的中风化岩石，钻进速度就降低很多，甚至一天只有几十厘米的进尺。根据施工经验冲击钻成孔的孔系率为15%，泥浆置换比例在1：2 左右。另外冲击钻机施工作业条件较恶劣，目前市场上的冲击钻机主要靠人工手动操作，机械作业期间的噪音和振动，操作手在身心上都易疲劳，单根作业开始至终孔必须保证24 h 不间断作业，故至少分三个班组，每班组人员至少2～3 人，期间管理费成本均要大幅度提高。此外冲击钻机成孔时孔的垂直度极易发生偏离，且成孔形状欠规则，这些都无形地增加了施工成本。基于本项目桩基数量多、钻孔深度大、工期紧及不经济等因素，方案选择建议放弃冲击钻机成孔。

2.2.2 对反循环回转钻机的其他成本分析

同等条件，反循环回转钻机每天钻孔8～10m，相比冲击钻机施工进度要快很多，根据以往施工经验，反循环回转钻机成孔的扩孔率为10%，泥浆置换比例在1：2 左右。另外，反循环回转钻机作业条件相比冲击钻要好得多，人员配备方面除灌注混凝土时需3～4 人协调作业外，各班组2 人即可，管理费相比冲击钻机要降幅很多。此外反循环回转钻机成孔相对冲击钻较规则，垂直度也较好。若单纯采用反循环回转钻机施工，要满足本项目的工期要求需同时上场至少45 台回转钻机，一台钻机进场费在1 万元左右，在现有的工作面上安放如此多钻机显然不够经济。

2.2.3 对旋挖钻机的其他成本分析

对比冲击钻机和回转钻机，旋挖钻机的优势就表现得非常明显，在一般地层，旋挖钻机成孔速度是上述两种钻机的4～6 倍。比如在一般地层，桩长按60 m 考虑来估算，按照正常的桩基成孔的质量控制要求，成孔一根合格的桩基，回转钻机大约需48～60 h。而熟练的旋挖钻机操作手再配备技术员指导钻孔，桩基成孔则只需要12～15 h。旋挖钻机成孔质量可靠，根据以往的施工经验，旋挖钻机成孔的扩孔率基本可控制在8%以内，且泥浆置换比例为1：1左右。用旋挖钻机对本项目桩长小于75 m 的桩基成孔是最为经济高效的。

2.3 选定方案

基于上述技术因素和经济因素的分析比较，并结合本项目的特点，综合考虑桩长大于75 m 的桩基，单用反循环回转钻机虽可满足要求，但方案不够经济、高效。然而仅用旋挖钻机，客观条件又限定了钻孔深度达不到要求。故优选方案为旋挖钻机配合反循环回转钻机成孔，即桩长大于75 m 的桩基，75 m以内用旋挖钻机来完成，而后旋挖钻机移开，转由反循环回转钻机就位来完成剩余部分的作业任务。具体综合造价分析见表3。

表3 各工艺成孔综合造价对比表

施工机械配备方案，采用5 台旋挖钻机配备20台反循环回转钻机，完成桩长大于75 m 的钻孔灌注桩的施工任务。

3 施工工艺要点

旋挖钻机和反循环回转钻机各自的施工工艺已非常成熟，在本案例当中不赘述。仅就各环节的施工要点，简述如下:

(1)必须确保旋挖钻机在施工作业完成移开后，反循环回转钻机就位作业前，桩基不缩孔、不塌孔。这就要求旋挖钻机施工作业时要规范操作，严控钻进速度，避免尺度过大和升降钻斗时速度过快。有些厂家生产的双门底开式回转斗，回转斗提升力明显增大，形成活塞效果，极易造成塌孔、缩孔;回转斗提升时下方产生较大负压，导致提升阻力增大及孔壁收缩、坍塌;这个原因导致一些沿海滩涂软基地区禁止采用旋挖钻机。可通过技术改进，侧壁加焊导流槽，以有利于泥浆的导流，减小桩孔内的负压解决这个问题。同时底盘加焊侧齿，控制回转斗与刀尖间的距离，防止回转斗升降旋转时碰坏孔壁。宝峨公司的双底旋挖钻斗是在钻斗的简体内侧，自上而下作了一个通道，在提升钻斗前，钻斗上部的泥浆经通道迅速补充到钻斗下方，有效地防止了抽空现象，避免桩基的塌孔缩径。其他的钻头、设备部件在以后应用过程中应根据现场实际进行改进，满足各方面的要求。

(2)旋挖钻机就位前应根据原地面情况填筑钻机平台，钢护筒埋设应满足规范要求。钻进过程中要确保泥浆的相对密度，并满足各项技术指标要求。回转钻机施工作业前，应将泥浆重新置换，泥浆的相对密度至关重要，它是确保桩基不缩孔、不塌孔的重要因素。遇到易塌陷地层时，采用高质量静态泥浆造壁，同样应严格遵守钻机慢进多扫的技术要求。不能只求体现旋挖钻机钻孔进度和经济效益的优势而饮鸩止渴，忽略泥浆护壁的质量和扫孔的次数，给桩基成孔和桩基灌注留下隐患。旋挖钻机在通过膨胀性土层时，也应该加强扫孔，防止缩径的发生［3］。

(3)钻孔完成后，需要钢筋工班、混凝土工班、运输车辆、灌注工班等多方面的组织与配合。如果因钢筋笼加工不及时、组织不力等因素、机械故障造成已成孔的桩基不能及时灌注而长时间搁置就易引发塌孔等事故。

4 结 语

桩基施工中选择合理的施工方案，需要考虑多方面的因素。首先应考虑地质情况，根据地质柱状图，有针对性地选择成孔的机械;其次是考虑钻机本身工艺的适用范围、成孔的局限性及经济成本等因素。

本案例通过技术与经济因素的分析比较，并结合本项目的具体特点，综合优选了桩长大于75 m 的桩基成孔方案，即旋挖钻机配合反循环回转钻机成孔。此方案节约费用350 万元，缩短工期2 个月，带来显著的经济效益和社会效益。

［1]张金树.旋挖钻机与冲击、回转钻机之比较［J］.现代制造技术与装备，2010(6):35 -36.

［2]中华人民共和国交通运输部.JTG/TF 50—2011 公路桥涵施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3]赵志健，张颖超.旋挖钻机与冲击钻结合进行灌注桩造孔施工［J］.建筑工程技术与设计，2014(8):178.