近年来,随着建筑施工行业的迅速发展,钻(冲)孔桩在工程施工中得到了广泛的应用。目前,钻(冲)孔桩除了在成孔方式上不同之外,其在钢筋笼制作、钢筋笼安装、混凝土浇筑等方面均采用了相同的工艺。其成孔方式主要有旋挖成孔和冲击成孔两种,在不同的施工条件下,这两种成孔工艺的适应性、施工效率、成本等也不尽相同。本文旨在通过对旋挖成孔、冲击成孔这两种成孔方式进行对比、分析,为同类工程施工提供借鉴。

一.概述

(1)旋挖桩

旋挖桩机是用回转斗、短螺旋钻头进行干、湿钻进,逐次取土,反复循环作业成孔为基本功能的机械设备。旋挖机采用动力头形式,其工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗,利用强大的扭矩直接将土或砂砾等钻渣旋转挖掘,然后快速提出孔外,形成具有一定直径和深度的桩孔。

(2)冲孔桩

冲孔桩机是利用冲击钻头对孔底冲击破碎成孔的机械设备。其工作原理是利用冲孔桩机动力装置将具有一定重量的冲击钻头提升到一定高度后让其自由下落,利用自由下落的冲击动力对孔底进行周期性的冲击破碎,过程中用泥浆循环的方式对孔内碎屑进行清理,形成具有一定直径和深度的桩孔。

二.技术特点对比

适用地层

1. 旋挖桩:适用于粘土层、淤泥层、砂土层、强度不高的胶结砂岩层、中风化泥岩和强风化岩,在单轴抗压强度30MPa以下硬岩中成孔速度较理想。能满足绝大多数的高层建筑和桥梁施工环境的要求。(目前国内已成功进行过单轴抗压强度120MPa岩层中的旋挖成孔施工)。

2. 冲孔桩:适用于填土层、粘土层、粉土层、淤泥层和碎石土层,也适用于卵石层、岩溶发育岩层和裂隙发育的岩层施工,在复杂的场地条件下(如地下漂石、建筑垃圾含筋量高的钢筋砼垃圾等场地内)一般无须采取其他处理手段可直接进行桩基施工,其适用性高,善于“啃硬骨头”。

对场地

1. 旋挖桩:要求 自重大,对场地要求比较严格。旋挖桩机工作状态自重一般在70t左右,但其履带与地面接触面积约7.0m2,所以要求的地基承载力在100KPa左右,在地表水比较丰富或雨季施工情况下,一般需采取回填砖渣的方式保证旋挖桩机的正常运转。

2. 冲孔桩:桩锤重量约10t,桩机重量约15t,加上施工时产生的振动荷载对施工作业面层的要求高,在地表水比较丰富或雨季施工情况下,需采取挤填级配砂石方式提高土层承载力。

成孔方式

1. 旋挖桩:可用短螺旋钻头进行干挖作业,也可用回转钻头在泥浆护壁的情况下进行湿挖作业。

2. 冲孔桩:只能采取泥浆护壁的方式冲击成孔。

钻进速度

1. 旋挖桩:旋挖机采用动力钻头,钻头的钻进力加上钻杆、桩机的重量,钻进能力强。据统计,旋挖桩机成孔速度最快能达到 1m/min,在相同的地层中,旋挖机的成孔速度是冲孔桩机的 3-5倍,优势明显。

2.冲孔桩:钻机自身重量有限,进行硬土地层钻孔时,难以保证钻头施加足够的压力,从而影响了成孔的速率,且每钻进1~2m需停钻掏渣,大部分作业时间消耗在提放钻头和停钻掏渣上,桩孔越深,提钻、掏渣耗时越长,其整体冲进速度较低。

清渣方式

1. 旋挖桩: 利用旋挖钻头直接将土、砂砾等钻渣旋转挖掘,然后快速提出孔外,清渣相对干净、彻底,孔底沉渣厚度一般可控制在3cm以内。 通过泥浆循环清渣, 1.2m桩可控制在5-7cm, 1.4m以上桩一般在7-10cm。

2. 冲孔桩:孔底沉渣难以掏尽,将会使桩承载力不够稳定。

成桩质量

1. 旋挖桩:孔壁比较平滑、桩径上下一致,孔壁极少出现泥渣沉结物,出现断桩、桩身夹泥、蜂窝等质量问题的可能性较小。

2. 冲孔桩:成孔直径难以统一、孔壁相对不够平滑,在泥浆护壁、掏渣的情况下,极易导致孔壁附有大量泥渣沉结物,存在断桩、桩身夹泥、蜂窝等风险较高。

护筒埋设

1.旋挖桩:护筒安装方便,利用钻机动力头的自重、加压油缸、额定转矩和提升力可自动将钢护筒压入或拔出。

2.冲孔桩:依靠有操作经验的工人采取冲锤及挖机等埋设。

扩底

1. 旋挖桩:配置有配合扩大头工具,可进行扩底施工。

2. 冲孔桩:无法扩底。

混凝土充盈系数

1.旋挖桩: 由于采用电脑精确控制,旋挖桩钻进过程中,钻头反复钻进过程中钻进角度、垂直度控制精确,孔径精确成孔质量高,充盈系数一般为1.03~1.05。

2.冲孔桩: 由于冲锤上下往复运动,随着钢丝绳的旋转带动冲锤摆动容易造成桩孔不圆,扩孔率较高,其混凝土充盈系数一般大于1.2。

持力层判定

1. 旋挖机在进入强度较高的岩层时,旋挖机的钻进速度明显降低,钻杆有明显的抖动,当达到预判的深度后可直接将挖掘的岩土提升到地面,直接观察孔底基岩情况,及时准确判断入岩情况。

2. 冲孔桩机需要靠泥浆循环才能将孔底的岩渣带出,并且还混杂了一直悬浮在其中前期岩渣,以致未能及时准确判断入岩,往往比设计要求入岩20~30cm才能终孔。

单桩承载力

1. 旋挖桩机靠筒底角刃切土成孔,成孔后孔壁比较粗糙,同钻孔桩比较孔壁几乎没有泥浆的涂抹作用,成桩后桩体与土体的结合程度比较高,相对而言单桩承载力要高。

2. 冲击成孔,在泥浆的涂抹作用下,孔壁相对光滑,单桩承载力相对要低。

环境保护

1. 旋挖在正常情况下可进行干法施工,不需要泥浆护壁,即使在特殊地层需要泥浆护壁的情况下,泥浆也只起支护作用,钻削中的泥浆含量相当低,污染源大大减少。

2. 冲击钻在钻进、掏渣过程中多采用泥浆循环方式,在施工中需在场内设置泥浆池,文明施工难以控制。

淤泥排放

1. 旋挖桩采用干法成孔,余泥较为干燥,余泥量大约是理论方量的1.3倍左右,可降低运输成本且运输较为方便。

2. 冲击桩因采用泥浆循环方式清渣,余泥含水量高,余泥量大约是理论方量的1.8倍左右,运输工程量增大且运输不便。

噪音

1. 旋挖桩机施工的噪声主要来自机身发动机的声音和钻筒倒渣时的活门撞击声。旋挖机操作中发出的噪音在70~90db 左右,对场地周边环境的生活生产影响相对较小。

2. 冲击桩受冲孔桩机工作原理的制约,噪音污染很难避免,检测30m范围噪音竟达100db以上,尤其是进入岩层冲孔施工时,噪音将更大,容易造成噪音污染。

行走

1. 旋挖钻移位靠自身履带可以自行移动,无需其他机械配合,从一个桩位转移到另一桩位一般15~20分钟即可。

2. 冲击钻靠自身卷扬或者起重机械配合,从一个桩位转移到另一桩位一般则需60~90分钟甚至更长。

桩机定位

1. 旋挖桩:利用先进的电子控制设备进行桩孔的定位,并保证旋挖机始终处于最佳的钻进状态。

2. 冲击桩:人工控制移位、定位,定位缓慢且不精确。

桩孔

1. 旋挖桩:垂直钻掘精度高,通过电液先导自动控制系统,可以精确地调整机座水平度和桅杆的垂直度,垂直精度控制在1‰以内。

2. 冲击桩:用冲孔桩机机身的水平度、机架的垂直度、冲锤的自重来保证,精准度大约控制在8‰以内,施工过程中容易出现斜孔、弯孔。

用电负荷

1. 旋挖桩:采用机身柴油发动机提供动力,对施工场地没有用电的情况尤其适用,同时也省去对电缆的拖运布设和防护,安全性相对较高。

2. 冲击桩: 2.2m桩径以下桩机单机用电量为60kw,泥浆泵用电量约30kw,总用电量约90kw。正常情况下,若配备20台桩机,用电负荷约1800kw,用电负荷大,且存在一定的安全隐患。

人员配置

1. 旋挖桩:移机、掏渣均由桩机操作人员一人控制即可完成,另需配备2~3人负责定位、埋设护筒时的辅助工作,一般一台旋挖桩机需配备3-4人。

2.冲击桩:移机、定位、泥浆护壁、清渣等均需配备人员,一般一台冲孔桩机需配备6-10人。

三.成孔工效对比

以广州某高层住宅工程A为例,该工程桩基础为混凝土灌注桩,桩径分1.2m、1.5m两种,桩长初步设为22~50m,实际施工桩长为22~60.8m,共324根桩。场地地质情况由上至下分别为人工填土层、冲积层、残积层和基岩层。其中基岩依据其风化程度分为:全风化、强风化、中风化、微风化四个岩带。桩端持力层为微风化岩层,其单轴抗压强度为11MPa,完全符合旋挖机的施工要求。

该工程在桩基施工过程中采用了旋挖、冲孔两种成孔方式,通过对比,我们得出如下结论:

(1)旋挖机、冲孔桩机整桩成孔工效随着成孔深度的增加而逐步提高,但旋挖机的工效提升速率比冲孔桩机的大。说明旋挖机成孔工效高的优势在长桩成孔中能更好的体现出来,并且成孔深度越大,旋挖成孔的优势就越大。

(2)旋挖机、冲孔桩机整桩成孔工效随着成孔直径的增大而逐步提高,但冲孔桩机提高的速率比旋挖机的大。由于旋挖机的最大输出扭矩是固定的,改用更大的钻头时,其施工效率也基本不变;而冲孔桩机因桩径变大时,可采用更大的桩锤,增大了输出功率,因此较大幅度的提升了施工效率。说明在小桩径桩基础的施工中采用旋挖机较冲孔桩机更有优势,而随着桩径的增大,这种优势逐渐减小。

(3)在入微风化岩时,旋挖机与冲孔桩机的工效比达到最大值。因为旋挖机是带动力的主动钻进,在输出功率保持一致的情况下,其对土层、岩层的破坏力是一致的;而冲孔桩机是靠桩锤的自由落体产生的冲击力作为掘进力,故对岩层的破坏力远远比对土层破坏力低;所以在入岩阶段,冲孔桩机会大大的降低工效,而旋挖机虽然也降低工效,但降低的幅度没有那么大。说明旋挖机比冲孔桩机更适合在入岩深度大或岩层地质条件多变的情况下施工。

结合以上几点,可以看出旋挖机在桩长较深、桩径较小、岩层丰富的条件下,能最大限度的发挥其优越性,其相对冲孔桩机的工效比也将达到最大化。 

四.成本对比

以广州某高层住宅工程B为例,该工程桩基础设计采用冲孔灌注桩施工,桩数量为1499根,桩身长度约为8~12m(平均值取10m),桩端持力层为微风化粉砂岩,工程桩入岩深度为2m。场地地质情况由上至下分别为人工填土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、泥质粉砂岩。取样岩石单轴抗压强度在6~19MPa之间,属于较软质岩,完全符合旋挖桩机的施工要求。

施工成本对比

通过对比,得出如下结论:在相同地质条件下,冲击成孔的施工成本低于旋挖成孔,其单价差最大为303.6元/m3。随着桩径的变大,单价差也在随之缩小。

结合工效对比可以看出,旋挖成孔相对于冲击成孔而言,其成孔工效为后者的3-5倍,而成孔费用平均为后者的1.24倍,其费用增速较缓但工效增速迅速。在增加费用的同时,其成孔工效大幅度提高,这对缓解工期压力、保证如期完工是极为有利的。

其他成本对比:购机费用

1. 旋挖钻机:整机的价格较贵,国产旋挖机价格约为 400~500 万元,进口钻机价格要 600 多万元人民币。对于一般的基础施工企业,一次性投资几百甚至上千万元购置设备有一定困难。

2. 冲击桩机:1米桩径的桩机,每台大概11万左右,1.5米桩径的桩机,大概12万左右。价格相对低廉,设备购置费用较低。

其他成本对比:维修费

1.旋挖钻:用时长,旋挖机的全负荷正常工作寿命为 6000 多个小时,超过这一寿命后,一些部件就需要更换修理,尤其是液压系统主泵、动力头以及钻杆钻具,而往往这些关键部件的维修费用较高,时间也较长。 需经常检查钢丝绳磨损情况、卡扣松紧程度、转向装置是否灵活,以免突然掉钻;

2. 冲击桩机:冲击钻头磨损较快,每天均需检修补焊;遇地层不均匀,特别是岩溶地区容易出现卡锤、掉锤、斜孔等事故,维修耗时较长,但是维修成本较低。

其他成本对比:材料成本

冲击桩的混凝土充盈系数约为1.03-1.05。 混凝土充盈系数约为1.2以上,混凝土用量远多于旋挖桩。

其他成本对比:淤泥排放

1. 旋挖桩:余泥量大约是理论方量的1.3倍左右,可降低运输成本且运输较为方便。

2. 冲击桩:余泥量大约是理论方量的1.8倍左右,运输工程量增大且运输不便。

五.结语

通过各方面的对比分析发现,相对于冲孔桩机而言,旋挖机机动灵活,成孔速度快,施工精度高,环境污染少,适应的地层和施工条件范围广,在成本略增加的情况下,其成孔工效可大幅度增加,极大程度上满足了建筑对施工周期及施工质量上的要求。虽然旋挖桩在设备上的一次性投入较大,但是在质量、效率以及整体费用上考虑仍然是较为理想的施工工艺,能够从根本上保证经济效益及施工质量。

参考文献:

  1. 张威、曹汝义,中冶集团武汉勘察研究院有限公司:《多种钻孔工艺在基坑支护桩中的应用》;
  2. 山西建筑,2012年7月 赵金祥,广州地质勘察基础工程公司:《浅析旋挖桩机施工的优缺点,西部探矿工程》,2010年第4期

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