桥梁桩基旋挖与冲击成孔对比分析研究
时间：2023-06-03 10:30:28 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
倪江斌
（福建第一公路工程集团有限公司，福建 泉州 362000）
国省干线横七线（G356）永春达埔东园至前峰段公路工程主线路线里程7.9km，联三线连接线里程1.2km。该项目包含6 座大桥，其中顶洋大桥位于联三线连接线改造段上，下部结构采用柱式墩、肋式台配桩基础，全桥共计72 根桩基；
桩径为120cm、150cm，桩基类型均为端承桩，因入岩标高要求不同，孔深28～40m不等；
顶洋大桥原地面以下主要岩土层按顺序分别为素填土、粉质黏土、坡积粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗闪长岩、砂土状强风化花岗闪长岩、碎块状强风化花岗闪长岩、中风化花岗闪长岩。主要岩土层特征分述见表1。
表1 主要岩土层特征分述
该项目为永春县重要过境公路，通往即将完工的兴泉铁路永春站，而联三线连接线改造段为蓬壶镇通往永春站的必经道路。顶洋大桥桩基工程计划工期为60 天，前期临电策划仅配备一台容量为400kW 变压器，保证桩基施工进度，选择最优桩基成孔工艺是施工的重点。
3.1 技术特点
3.1.1 冲击成孔原理及特点
冲击钻机成孔工艺在桥梁桩基施工环节中扮演着十分重要的角色。这种工艺设备简单，操作方便，适用于所有岩土层，尤其是在含有较大卵砾石层、漂砾石层中施工成孔效率较高，同时冲击岩土层时的冲挤作用形成的孔壁较为坚固。但冲击成孔工艺大部分作业时间消耗在提放冲锤和循环排渣土上，钻进速度及功效较低。随桩孔加深，循环排渣时间则相对较长。
3.1.2 旋挖成孔原理及特点
旋挖钻机成孔工艺是近年来在我国路桥施工领域推广使用的一种较先进的桩基施工工艺，这种工艺不需要提供动力电源、采用机身柴油发动机提供动力，机台可自行行走，具有成孔速度快、施工精度高、机械化自动化程度高、噪声小有利于环保等特点，近年来在桥梁桩基工程中得到较快的推广应用。但旋挖钻机成孔也存在前期投入大、自重大、对场地要求严格、孔壁护壁差、在软土中孔内容易产生负压等不足之处。
3.2 成孔质量
3.2.1 与孔壁结合度
旋挖成孔利用钻机动力头装置为钻杆提供扭矩，加压装置通过加压动力头的方式将压力传递给钻杆钻头，钻筒底部刀刃回转环切破碎岩土。钻机对地层扰动小，孔壁泥皮薄，且形成的孔壁为粗糙型，有利于增加桩侧摩阻力；
而冲击成孔孔壁泥皮较厚无此效果。
3.2.2 垂直度和扩孔系数
旋挖钻机钻进过程对桩深度、垂直度、钻进角度、钻压、钻筒内装土容量均通过机身电脑控制，可通过机台自我修正系统自动调节钻进角度和垂直度，确保桩孔不发生倾斜，扩孔系数小。冲击钻机基本依赖工人操作，工人的技术水平参差不齐，在遇到斜岩或地质不均的情况下，冲锤摆动容易造成桩孔不圆，扩孔系数高，桩孔易发生倾斜。
3.2.3 护壁成型区别
冲击钻机成孔孔壁泥皮较厚，在下放钢筋笼过程中容易将泥皮刮入孔底，增加二次清孔的难度；
在灌桩混凝土面上升过程中，可能出现孔壁泥皮包裹进入桩身，从而影响成桩质量甚至出现夹层导致断桩。旋挖钻机的钻进仅需要静压泥浆，出现上述质量问题的可能性较小；
但在遇到软弱地层时，特别是浅埋卵石层或淤泥层，因成孔及泥浆护壁的原理不同，旋挖钻机成孔过程中塌孔和缩径现象容易发生。不过，冲击钻机在软弱地层中成孔质量能够得到保证，这也是冲击钻成孔的优势之一。
3.2.4 清孔和沉渣
旋挖钻机是将孔内全部渣土通过钻筒钻杆提出孔外，每次循环进尺均补充泥浆确保浆液水头高度；
泥浆一般采用膨润土与化学药物进行配比，泥浆中只携带残留岩屑，清孔时间短，孔底沉渣厚度容易保证。而冲击钻机孔内渣土是通过泥浆不断循环置换排出，在成孔过程中泥浆含有大量钻渣，特别是在砂层较厚的地层中，要达到规定的含砂率往往需要较长的清孔时间，有时还需要配备滤砂器加以辅助，孔底沉渣厚度也比较难以控制。
3.2.5 岩层判定
旋挖钻机在施工嵌岩桩时，是直接将整段岩石提升到地面，可以非常直观地判断岩石的类型、完整性及是否存在夹层。而冲击钻机需要砍岩一定深度后才能捞取到岩样，若清孔不及时岩样中还会混杂一些前期碎块状风化岩样，造成无法准确判断岩层情况，在遇到地质复杂伴有夹层的岩层时，往往增加了判定入岩和判定终孔的难度。
3.3 功效进度
3.3.1 钻进速度
在工程地质、桩径、桩长、持力层基本一致的情况下，根据施工经验，旋挖钻机平均每分钟进尺可达50cm 左右，旋挖成孔的功效相比冲击成孔快5～6 倍以上。
3.3.2 施工准备和工序衔接
冲击钻机在前期施工准备时，临电布设、机台组拼、焊锤、开挖泥浆池及沉淀池等花费的时间要比旋挖钻机长很多，且旋挖钻机由于自带底盘可以通过履带进行快速移动。冲击钻机无法自行移动，在进行下一根桩基施工时需要吊车进行场内盘吊，旋挖钻机就位效率远高于冲击钻机。
3.4 经济成本
3.4.1 充盈系数和混凝土消耗
按照以往的施工经验，旋挖钻机成孔的桩在灌注混凝土时，充盈系数一般在1.03～1.05 之间，而采用冲击钻机成孔的充盈系数则一般为1.08～1.15，冲击钻比旋挖钻扩孔系数大。故采用冲击成孔消耗混凝土偏多，成本也略高。
3.4.2 成孔泥浆需求量
冲击钻机需加大量清水用于稀释泥浆进行清渣，成孔产生的泥浆量大，据实际工程经验，冲击钻机产生的泥浆为桩孔体积的3～5 倍。对于冲击成孔工艺往往需要配备泥浆分离器或者合规指定的场地专门用来临时堆放泥浆，因此所产生的成本要大于旋挖钻机。
3.4.3 人工机械费
在人工费、机械费方面，旋挖钻单价相比冲击钻要高。在相同地质条件下依据市场行情，旋挖成孔综合单价为600～680 元/m3，其中包括旋挖司机、维修人员的人工费、辅助机械的机械费以及机械运转所产生的柴油费用；
冲击成孔综合单价为260～290 元/m3（含电费）。估算旋挖钻成本为冲击钻的2.3～2.5 倍左右。
3.5 安全文明环保
旋挖成孔所产生的泥浆少，在施工过程当中泥浆可循环利用无需外弃。另外冲击成孔时冲锤从一定高度落下，与岩土体撞击产生振动，会对周边房屋结构产生影响，且钢丝绳带动冲锤上下往复运动会产生较刺耳的噪声，从而对环境形成噪声污染。
3.6 现场综合管理
3.6.1 冲击成孔
冲击钻机设备体型小、功效低，施工现场往往需布置一定数量的设备才能满足进度要求。每台冲击钻机均需设置独立的泥浆池和沉淀池，一次投入的设备量越多，对应的泥浆池和沉淀池数量就越多，占用空间也就越大。在施工准备阶段还需考虑电线布设走向、运输便道、吊车作业平台、挖掘机掏渣工作面等，这就需要对场地进行非常细致的排比规划，增加了现场管理的难度。
3.6.2 旋挖成孔
旋挖成孔所需人工数较少，给现场管理降低了难度。但旋挖机体型庞大，单机重量达80～120t，为冲击钻机机台的10 倍以上，对场地承载力要求较高。又因为旋挖钻机成孔后，还需要吊车等其他大型设备来配合施工，故场地内旋挖钻机的设备数量受到了明显的限制。另外，旋挖成孔提到地面的渣土需及时清除外弃，若形成堆积会对其他辅助机械的施工及运输便道产生影响。
4.1 桩基成孔工艺的选择
该桥地质良好，并无卵石或淤泥等易塌孔软土层，故综合考虑到施工现场条件、周边环境、施工进度及成本等因素，顶洋大桥0#台～12#墩共计41 根桩基采用旋挖成孔工艺（投入设备量1 台），13#墩～21#台共计30 根桩基采用冲击成孔工艺（投入设备量6 台）。
4.2 施工进度及成孔率
根据现场钻孔原始记录报表数据分析，在相同地质条件下旋挖钻机要比冲击钻机施工快6 倍。在无卵石地层、易塌软弱地层时，两种成孔工艺的成孔率并无差异。不同成孔方式桩基成孔时间及混凝土浇筑方量见表2。
表2 不同成孔方式桩基成孔时间及混凝土浇筑方量
4.3 成本分析
顶洋大桥桩基工程旋挖成孔综合单价610 元/m³，冲击成孔综合单价为260 元/m³。旋挖钻机渣土外运每千米单价约6 元/m³，因泥浆需采用专用密闭环保车进行运输，冲孔桩机泥浆外运每千米单价需达到约24 元/m³。不同成孔方式桩基经济对比见表3。
表3 不同成孔方式桩基经济对比
通过上述对比分析，在相同的条件下适用旋挖钻成孔产生费用为（单根）：61.8×610+6×50+0×35+3.1×410+23.2÷24/1×50000=8.76 万元。适用冲击钻成孔产生的费用为（单根）：61.8×260+24×240+95×35+6.8×410+147.5÷24÷7×50000=7.18 万元。由此得出旋挖成孔工艺成本略高于冲击成孔工艺。
通过对两种桥梁桩基成孔工艺多方面的对比分析，得出结论：桥梁桩基成孔工艺的选择要根据工程具体条件，从质量、进度、成本、安全环保、综合管理等多个角度进行分析，优选适合工程实际情况的施工工艺，必要时考虑旋挖与冲孔的合理布局、协调作业。工艺的灵活选择及结合是管理者在制定施工方案时需改进和创新的关键点，可供类似桥梁桩基工程成孔工艺选择时借鉴。
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