超長(zhǎng)樁基施工方案的優(yōu)選與對(duì)比分析

丁大勇

DING Dayong

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州313000)

旋挖鉆機(jī)作為一種快捷、高效、經(jīng)濟(jì)的樁基成孔技術(shù)，在施工中得到了普遍的認(rèn)同［1］。但也存在一些弊端和缺陷，如標(biāo)配鉆桿及扭矩的力度限定了作業(yè)的深度和廣度，目前市場(chǎng)上使用較多的最大扭矩的旋挖鉆機(jī)能夠達(dá)到的鉆孔深度在75 m 左右，為有效解決這個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)超長(zhǎng)樁基施工如何選用成孔方案給出了建議，并針對(duì)當(dāng)前常用的幾種鉆機(jī)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行了分析比較。

1 工程概況

溫州繞高速公路西南線工程地處溫州地區(qū)西南面，經(jīng)過(guò)鹿城區(qū)、甌海區(qū)、瑞安市、平陽(yáng)縣四個(gè)縣市區(qū)。本標(biāo)段為第10 施工標(biāo)段，起止樁號(hào)K42 +580～K44 +875.2，線路長(zhǎng)為2.295 km，主要工程內(nèi)容為:路基、橋梁工程等的施工及缺陷責(zé)任期缺陷修復(fù)，合同工期36 個(gè)月。本項(xiàng)目主要工程量為橋梁工程，占總投資的75%，為控制性工程。樁基69295 m/887根(端承樁和摩擦樁，樁徑有1.0、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8 m)，樁基最長(zhǎng)106 m，樁長(zhǎng)大于75 m的數(shù)量占78%。本項(xiàng)目超長(zhǎng)樁基為端承樁，地質(zhì)條件為淤泥、黏土、基巖。樁基計(jì)劃工期11 個(gè)月。

工程區(qū)屬浙南沿海，東臨溫州灣廣大海域，地勢(shì)西高東低。本標(biāo)段鉆孔樁大部分為陸上樁，少量位于魚(yú)塘、河溝中，施工時(shí)，采取抽干水或用草袋圍堰填土筑島形成鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)，把水中樁變成陸上樁進(jìn)行施工。橋梁所在地區(qū)位于海積平原區(qū)，表面分布厚1 m 左右的軟塑—可塑狀黏土硬殼層，地基中上部為流塑狀淤泥層，厚度一般在22～32 m，工程性質(zhì)較差;下部為黏土層，黏土為軟塑—可塑狀，厚度33～68. 5 m，工程性質(zhì)一般;基巖埋深68. 5～98 m，變化大，巖性為凝灰?guī)r，全風(fēng)化層呈土狀，厚度1～5 m，工程性質(zhì)一般;強(qiáng)風(fēng)化巖呈碎塊狀，巖體破碎，巖塊較硬，厚度1～3 m，工程性質(zhì)較好;中風(fēng)化基巖，巖體較完整，巖質(zhì)較硬。

2 施工方案的確定

基于超長(zhǎng)樁基成孔方案，針對(duì)沖擊鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)在超長(zhǎng)樁基成孔方案進(jìn)行分析比選。

2.1 技術(shù)因素的比較分析

對(duì)三種鉆機(jī)的適用范圍、工藝特點(diǎn)、控制要點(diǎn)三個(gè)技術(shù)層面進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)因素對(duì)比分析表

從上述各種鉆機(jī)各自的使用范圍及其工藝特點(diǎn)分析，并結(jié)合本項(xiàng)目橋梁樁基特點(diǎn)，工期緊、任務(wù)量大、單根樁基長(zhǎng)等因素，應(yīng)優(yōu)選的施工方案是旋挖鉆和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

2.2 經(jīng)濟(jì)因素比較分析

從目前市場(chǎng)行情單根成孔的每延米工序價(jià)格上進(jìn)行比較，沖擊鉆機(jī)最高，回轉(zhuǎn)鉆機(jī)最低，旋挖鉆機(jī)介于兩者之間，見(jiàn)表2。

表2 3 種鉆機(jī)的工序成孔價(jià)格對(duì)比表

施工成本控制除按上述工序成本考慮外，施工當(dāng)中不可避免地會(huì)產(chǎn)生其他方面的成本，如擴(kuò)孔率需額外增加的混凝土回填量、泥漿的處理費(fèi)用、工期因素、其他管理因素等。下面就這些問(wèn)題作分析比較。

2.2.1 對(duì)沖擊鉆機(jī)的其他成本分析

沖擊鉆鉆進(jìn)速度相比旋挖鉆要慢得多，據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，單孔樁徑φ1500 mm、孔深60 m 左右的嵌巖樁成孔周期在10～12 d(包括鉆機(jī)就位、鉆孔、清孔、灌注等工序)，因?yàn)闆_擊鉆成孔時(shí)的上部黏土部分，雖沖程比較大，鉆進(jìn)很快，但為了保證鉆孔的擴(kuò)孔率和不塌孔，必須控制進(jìn)度，遇到斜巖和較強(qiáng)的中風(fēng)化巖石，鉆進(jìn)速度就降低很多，甚至一天只有幾十厘米的進(jìn)尺。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)沖擊鉆成孔的孔系率為15%，泥漿置換比例在1：2 左右。另外沖擊鉆機(jī)施工作業(yè)條件較惡劣，目前市場(chǎng)上的沖擊鉆機(jī)主要靠人工手動(dòng)操作，機(jī)械作業(yè)期間的噪音和振動(dòng)，操作手在身心上都易疲勞，單根作業(yè)開(kāi)始至終孔必須保證24 h 不間斷作業(yè)，故至少分三個(gè)班組，每班組人員至少2～3 人，期間管理費(fèi)成本均要大幅度提高。此外沖擊鉆機(jī)成孔時(shí)孔的垂直度極易發(fā)生偏離，且成孔形狀欠規(guī)則，這些都無(wú)形地增加了施工成本。基于本項(xiàng)目樁基數(shù)量多、鉆孔深度大、工期緊及不經(jīng)濟(jì)等因素，方案選擇建議放棄沖擊鉆機(jī)成孔。

2.2.2 對(duì)反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的其他成本分析

同等條件，反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)每天鉆孔8～10m，相比沖擊鉆機(jī)施工進(jìn)度要快很多，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔的擴(kuò)孔率為10%，泥漿置換比例在1：2 左右。另外，反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)作業(yè)條件相比沖擊鉆要好得多，人員配備方面除灌注混凝土?xí)r需3～4 人協(xié)調(diào)作業(yè)外，各班組2 人即可，管理費(fèi)相比沖擊鉆機(jī)要降幅很多。此外反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔相對(duì)沖擊鉆較規(guī)則，垂直度也較好。若單純采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工，要滿足本項(xiàng)目的工期要求需同時(shí)上場(chǎng)至少45 臺(tái)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，一臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)費(fèi)在1 萬(wàn)元左右，在現(xiàn)有的工作面上安放如此多鉆機(jī)顯然不夠經(jīng)濟(jì)。

2.2.3 對(duì)旋挖鉆機(jī)的其他成本分析

對(duì)比沖擊鉆機(jī)和回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，旋挖鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)就表現(xiàn)得非常明顯，在一般地層，旋挖鉆機(jī)成孔速度是上述兩種鉆機(jī)的4～6 倍。比如在一般地層，樁長(zhǎng)按60 m 考慮來(lái)估算，按照正常的樁基成孔的質(zhì)量控制要求，成孔一根合格的樁基，回轉(zhuǎn)鉆機(jī)大約需48～60 h。而熟練的旋挖鉆機(jī)操作手再配備技術(shù)員指導(dǎo)鉆孔，樁基成孔則只需要12～15 h。旋挖鉆機(jī)成孔質(zhì)量可靠，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，旋挖鉆機(jī)成孔的擴(kuò)孔率基本可控制在8%以內(nèi)，且泥漿置換比例為1：1左右。用旋挖鉆機(jī)對(duì)本項(xiàng)目樁長(zhǎng)小于75 m 的樁基成孔是最為經(jīng)濟(jì)高效的。

2.3 選定方案

基于上述技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素的分析比較，并結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，綜合考慮樁長(zhǎng)大于75 m 的樁基，單用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)雖可滿足要求，但方案不夠經(jīng)濟(jì)、高效。然而僅用旋挖鉆機(jī)，客觀條件又限定了鉆孔深度達(dá)不到要求。故優(yōu)選方案為旋挖鉆機(jī)配合反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，即樁長(zhǎng)大于75 m 的樁基，75 m以內(nèi)用旋挖鉆機(jī)來(lái)完成，而后旋挖鉆機(jī)移開(kāi)，轉(zhuǎn)由反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位來(lái)完成剩余部分的作業(yè)任務(wù)。具體綜合造價(jià)分析見(jiàn)表3。

表3 各工藝成孔綜合造價(jià)對(duì)比表

施工機(jī)械配備方案，采用5 臺(tái)旋挖鉆機(jī)配備20臺(tái)反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，完成樁長(zhǎng)大于75 m 的鉆孔灌注樁的施工任務(wù)。

3 施工工藝要點(diǎn)

旋挖鉆機(jī)和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)各自的施工工藝已非常成熟，在本案例當(dāng)中不贅述。僅就各環(huán)節(jié)的施工要點(diǎn)，簡(jiǎn)述如下:

(1)必須確保旋挖鉆機(jī)在施工作業(yè)完成移開(kāi)后，反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位作業(yè)前，樁基不縮孔、不塌孔。這就要求旋挖鉆機(jī)施工作業(yè)時(shí)要規(guī)范操作，嚴(yán)控鉆進(jìn)速度，避免尺度過(guò)大和升降鉆斗時(shí)速度過(guò)快。有些廠家生產(chǎn)的雙門底開(kāi)式回轉(zhuǎn)斗，回轉(zhuǎn)斗提升力明顯增大，形成活塞效果，極易造成塌孔、縮孔;回轉(zhuǎn)斗提升時(shí)下方產(chǎn)生較大負(fù)壓，導(dǎo)致提升阻力增大及孔壁收縮、坍塌;這個(gè)原因?qū)е乱恍┭睾┩寇浕貐^(qū)禁止采用旋挖鉆機(jī)。可通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，側(cè)壁加焊導(dǎo)流槽，以有利于泥漿的導(dǎo)流，減小樁孔內(nèi)的負(fù)壓解決這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)底盤加焊?jìng)?cè)齒，控制回轉(zhuǎn)斗與刀尖間的距離，防止回轉(zhuǎn)斗升降旋轉(zhuǎn)時(shí)碰壞孔壁。寶峨公司的雙底旋挖鉆斗是在鉆斗的簡(jiǎn)體內(nèi)側(cè)，自上而下作了一個(gè)通道，在提升鉆斗前，鉆斗上部的泥漿經(jīng)通道迅速補(bǔ)充到鉆斗下方，有效地防止了抽空現(xiàn)象，避免樁基的塌孔縮徑。其他的鉆頭、設(shè)備部件在以后應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行改進(jìn)，滿足各方面的要求。

(2)旋挖鉆機(jī)就位前應(yīng)根據(jù)原地面情況填筑鉆機(jī)平臺(tái)，鋼護(hù)筒埋設(shè)應(yīng)滿足規(guī)范要求。鉆進(jìn)過(guò)程中要確保泥漿的相對(duì)密度，并滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工作業(yè)前，應(yīng)將泥漿重新置換，泥漿的相對(duì)密度至關(guān)重要，它是確保樁基不縮孔、不塌孔的重要因素。遇到易塌陷地層時(shí)，采用高質(zhì)量靜態(tài)泥漿造壁，同樣應(yīng)嚴(yán)格遵守鉆機(jī)慢進(jìn)多掃的技術(shù)要求。不能只求體現(xiàn)旋挖鉆機(jī)鉆孔進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)而飲鴆止渴，忽略泥漿護(hù)壁的質(zhì)量和掃孔的次數(shù)，給樁基成孔和樁基灌注留下隱患。旋挖鉆機(jī)在通過(guò)膨脹性土層時(shí)，也應(yīng)該加強(qiáng)掃孔，防止縮徑的發(fā)生［3］。

(3)鉆孔完成后，需要鋼筋工班、混凝土工班、運(yùn)輸車輛、灌注工班等多方面的組織與配合。如果因鋼筋籠加工不及時(shí)、組織不力等因素、機(jī)械故障造成已成孔的樁基不能及時(shí)灌注而長(zhǎng)時(shí)間擱置就易引發(fā)塌孔等事故。

4 結(jié) 語(yǔ)

樁基施工中選擇合理的施工方案，需要考慮多方面的因素。首先應(yīng)考慮地質(zhì)情況，根據(jù)地質(zhì)柱狀圖，有針對(duì)性地選擇成孔的機(jī)械;其次是考慮鉆機(jī)本身工藝的適用范圍、成孔的局限性及經(jīng)濟(jì)成本等因素。

本案例通過(guò)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素的分析比較，并結(jié)合本項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，綜合優(yōu)選了樁長(zhǎng)大于75 m 的樁基成孔方案，即旋挖鉆機(jī)配合反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔。此方案節(jié)約費(fèi)用350 萬(wàn)元，縮短工期2 個(gè)月，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1]張金樹(shù).旋挖鉆機(jī)與沖擊、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)之比較［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2010(6):35 -36.

［2]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/TF 50—2011 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［3]趙志健，張穎超.旋挖鉆機(jī)與沖擊鉆結(jié)合進(jìn)行灌注樁造孔施工［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014(8):178.