灌注樁旋挖成孔與沖孔的對比分析研究

上海市基礎工程集團有限公司 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。但是關于先進的旋挖成孔與傳統的沖孔工藝間的協調作業的相關文獻，目前還比較鮮見。本文從施工質量、進度、成本、安全、文明環保，以及現場綜合管理的角度出發，深入對比分析旋挖成孔與沖擊成孔的優缺點，從而進一步探討2種工藝協調作業的方案，并以深圳蛇口碼頭樁基工程實例加以說明，旨在為同行們在類似實際工程中施工工藝的靈活選擇提供參考。

1 優缺點分析

1.1 施工質量

旋挖成孔利用筒底鉆頭刀刃切土，成孔后孔壁呈現凹凸紋理，與混凝土樁身結合程度較高，而沖孔靠沖擊錘成孔無此效果；同時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態循環，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，旋挖灌注樁樁側摩擦力較大，成樁效果較好。以深圳大鵬新區某工程5根試樁為例，其中3組沖孔，2組旋挖成孔，由檢測數據可知，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。

旋挖設備內置現代化電子設備，孔位對準、垂直度調節等方面比較精準；而沖孔基本依賴人工操作，工人技術水平和作業素養參差不齊，誤差較大。從珠海某工程土方開挖后露出開挖面的試驗樁效果來看，旋挖樁成樁的樁身明顯比沖孔完整規則，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，及時得到巖樣；而沖孔入巖后，巖樣一般通過泥漿循環返到地面再取樣，入巖判斷滯后，往往造成實際孔深大于設計孔深。所以在樁長控制方面，旋挖灌注樁更精準。

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

1.2 施工進度

旋挖機靠鉆頭刀刃切土掘進，然后提鉆攜土至孔外卸土，依據施工經驗，一般旋挖機進尺速度可達1.00～1.50 m/min，沖孔的速度在地質條件較好時，可達到0.02～0.05 m/min，可見旋挖成孔速度明顯較快。

旋挖機因鉆桿、鉆頭強度等問題，在硬質地層中鉆進容易受阻。引言中提到，盡管旋挖機及配套設施更新改進取得了很大進步，但完全推廣于市場還不夠成熟，施工現場經常出現卡鉆、埋鉆、別桿、掛籠、漏漿等情況。若設備因此損壞待修，勢必會影響施工進度，而沖孔工藝對地質條件不挑剔，可以考慮沖孔工藝在地質條件復雜時，配合旋挖機施工。尤其在孔底入巖，隨著成孔加深，旋挖機提桿卸土的輔助時間增多，進度放緩，若此時更換沖孔機配合，則解決了旋挖機入巖易出現鉆頭損壞或鉆桿折斷等問題，同時能減少旋挖機提桿卸土所產生的額外時間。

若旋挖成孔在遇到需要使用長護筒時，長護筒的制作、試埋、正式埋設、位置糾偏等都需要增加作業時間，從而導致成樁時間加長。故在樁長較短、總體工程量不大的情況下，旋挖成孔的優勢不能體現出來，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，材料費應單獨計價，因旋挖成孔樁身比較規則，樁長與設計圖紙偏差小，混凝土、鋼筋材料浪費較少；沖孔因泥漿攜帶巖樣的滯后性，實際孔深要比設計值偏大，從而鋼筋籠偏長，充盈系數偏大，故消耗材料偏多，成本略高。旋挖成孔往往要特制長護筒，初始投入較大，但是鋼制護筒可循環利用，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、機械費方面，在相同地質條件下，依據市場行情，旋挖機成孔綜合單價為380～560元/m，其中包括旋挖司機、維修人員的人工費；沖孔樁架機械費單價為250～280元/m，估算旋挖機成本為沖孔機的1.40～2.00倍。尤其在樁端嵌巖施工中，可旋挖入巖的設備造價高、數量少，沖孔工藝更具有優勢。

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，差距會逐漸縮小。

1.4 文明環保

旋挖成孔所用泥漿主要是提供靜水壓力，地質條件較好時，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護壁，對泥漿需求量較大，據實際工程經驗，沖孔灌注樁產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，減少了對環境的影響。

另外沖孔時沖錘從一定高度落下，與土體撞擊產生的噪聲要遠大于旋挖機成孔時所產生的噪聲。對環境要求較高的中心區來說，顯然旋挖成孔更適合。

1.5 安全施工

旋挖機一般體積大、高度大、質量大，相比沖孔樁架危險系數大；同時旋挖機配套的挖機、吊車等大型設備與自身空間形成了相互干擾，容易發生設備間碰撞或機械回旋碰人等機械傷害事故。

電擊事故是建筑常發五大事故之一，沖擊成孔必須用電，但沖孔施工效率低，樁架較多，從而導致用電量較大，故安全隱患也較大。從現場條件看，操作規范要求電線必須埋地鋪設，因此經常出現挖機挖斷電線事故。

1.6 現場綜合管理

因沖孔設備體型小、效率低，工地現場一般布置數量較多的設備才能滿足進度要求，大量的設備對應泥漿池數量也較多，又因沖孔使用的泥漿量大，一定會產出大量的廢漿。大量廢漿的處理，給現場管理帶來了難度，大量的泥漿池給現場臨時道路的布設也提出了更高的要求。另外，沖孔設備電路、電箱布設也占據了一定的場地空間。

旋挖成孔靠柴油驅動，無需用電，產生的廢漿少，容易清理。另外，旋挖成孔所需人工數較少，給現場管理減小了難度。但旋挖機體型龐大，質量達 60～120 t，為沖孔樁架的10倍以上，對場地承載力要求較高；又因為旋挖機成孔后，還需要吊車等其他大型設備來配合施工，故場地內旋挖機的設備數量受到了明顯的限制[3-6]。

2 旋挖成孔與沖孔協調作業

從上述旋挖成孔與沖孔優缺點對比分析得出[7-9]：

1）在施工質量方面，除軟弱土層外，旋挖成孔要優于沖孔灌注樁。

2）在施工進度方面，一般情況下可優選旋挖成孔；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，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。但隨著旋挖機設備技術的不斷改進，差距會逐步縮小。

4）在文明環保方面，旋挖成孔要優于沖孔。

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

6）在綜合管理方面，旋挖機具有優勢，但設備數量具有現場條件制約性。施工現場應盡量考慮安排旋挖機的施工，場地空間余量下，可以適當安排沖孔設備施工。

總體來說，地質條件良好時，可以優選旋挖成孔；在地質條件復雜，樁長較短，樁數量不多時，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，主要表現為2個方面：一方面是總體工程量分工，劃分出能獨立完成的灌注樁，具體可以依據工程實際條件來決定分配的比例；另一方面表現在單根樁工藝上的配合，發揮各自優勢，取長補短。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

深圳蛇口郵輪中心樁基工程共計有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），粉質黏土層（平均厚約5 m），淤泥質黏土層（平均厚約8.50 m），粗砂層（平均厚約2.80 m，局部存在），砂質黏性土層（平均厚約7.60 m），全風化花崗巖（平均厚約7.60 m），強風化花崗巖（平均厚約11.80 m），中風化花崗巖。

3.2 進度分析

考慮到地質條件的限制，按設計圖紙要求，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，按現場容納40臺沖孔設備計，并扣除施工準備階段10 d時間，在理想情況下能完成約436根樁，遠達不到工期要求。

3.3 解決方案

若通過增加沖孔設備來提高產量，則需要增加約16臺，可行性較小。由前文分析得知，增加沖孔設備從質量、安全、成本、環保、現場綜合管理等方面均不適合；另外，增加的設備需要業主提供1臺容量為500～600 kVA變壓器，短期內無法解決。

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

此工程考慮旋挖成孔與沖孔協調作業，依照前文分析，表現在2個方面：一方面，總工程量中，依據地質勘察報告和設計文件，挑選出土層較好，入巖強風化的樁，供旋挖機成孔施工；另一方面，在部分單根樁上部采用旋挖機成孔，接近入巖時更換成沖孔樁機施工。根據現場實際情況，可將場地分為3個區域，如圖2所示。

圖2 場地分塊布局示意

在圖2中，沖擊灌注樁區域樁數為301根，旋挖成孔區約有200根，待定區域約有117根，此區域表現為單樁上旋挖成孔與沖孔的配合，利用旋挖機對入巖中風化以上土質適合的部分進行施工，沖孔樁機施工中風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，設計長護筒穿越填土層，經多次旋挖成孔試驗，最終確認護筒長度為15 m。此方案經參建方同意后實施，最終提前38 d完成任務。本工程合同額近1億元人民幣，單位時間內完成工作量大，且無安全事故發生，質量控制嚴格。經超聲波取芯試驗，靜載荷試驗檢測，結果均滿足設計和規范要求。協調作業流程為：放線定位→下護筒→旋挖機就位→（遇障礙或需沖孔時→沖孔機就位→沖孔）→旋挖成孔→清孔。

4 結語

一般情況下，施工單位依據施工經驗，選取單一的旋挖成孔或沖孔工藝施工，雖然有時也能順利完工，但往往達不到最優效果。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，往往適得其反。通過對2種工藝優缺點的對比分析，加以工程實例的說明，得出結論：灌注樁成孔工藝的選擇要根據工程具體條件，從施工管理多個角度分析，優選適合工程特色的施工工藝，必要時考慮旋挖與沖孔的合理布局、協調作業。工藝的靈活選擇及協調作業是施工方案的改進和創新，可供類似工程工藝選擇時借鑒。