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桩基工程中的旋挖桩施工工艺与施工管理应用研究

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王卫东

摘要：随着我国改革开放和经济发展战略的不断推进，特别是国家“一带一路”宏伟建设目标的逐步贯彻执行，越来越多的涉及城市基础设施、铁路交通等各类建设项目孕育而生，同时带动了工程机械以及相应的施工技术的发展和进步。其中，旋挖桩施工工艺在近些年来凭借其独特的技术优势在桩基施工中崭露头角，得到了广大设计、施工、设备制造企业的广泛重视，本文结合笔者近年来连续参与并管理的项目实践经验，论述了旋挖桩施工工艺与施工管理应用要点，研究成果可为相关应用与研究提供参考。

关键词：旋挖桩;施工工艺;施工管理;旋挖桩;护筒;钢筋笼;灌注混凝土

前言

参阅有关资料我们可以了解到，国外在桩基工程旋挖工艺领域已经有半个世纪以上的历史，并多以德国、日本、意大利等欧美发达国家的设备和技术为主，我国的旋挖设备的研发始于上世纪80年代，并在自青藏铁路工程建设以后得以迅猛发展，旋挖设备制造已从当时的全面进口，到目前我国北方三一重工、徐工、福田重工等众多国内企业能够独立制造和生产，彻底改变了过去全部依赖进口的局面，并且随之而来带动了旋挖施工工艺广泛地运用和发展。

作者结合在2016年～2017年两年期间，先后在武汉和西安有幸参加并管理了分别由法国圣戈班和上海某国有大型企业投资建设的改扩建工业厂房项目，在这两个项目中，尽管设计、施工方不同，项目所在场地的地质条件、环境等也均完全不相同，但都選择以旋挖湿成孔、干成孔相结合的成孔方法进行施工组织，施工工期和质量均达到合同和设计以及规范要求，为整个结构工程施工顺利完成打下了的良好的基础，在此笔者将以在西安项目旋挖成孔灌注桩为例，对旋挖桩施工工艺进行总结，以期对同行在今后的类似施工、管理中能有所帮助。

1 工程概况

工程名称：上海汽车联合电子西安厂二期改扩建工程，工程位于陕西省西安市高新开发区，是在原有一期厂房的基础上毗邻进行建设的二期改扩建项目，建筑面积11000平方米，单层钢结构工业厂房，层高10.8米，钢筋砼灌注桩基础，桩径0.5/0.6米两种类型，桩长12米，共计200根桩，单桩设计极限承载力标准值分别为600kN和800kN，工程桩身混凝土强度等级均为C30，保护层厚度为50mm。平面图如下：

本工程桩基施工采用旋挖施工工艺，主要基于如下理由：

1）项目工期短，从2017年1月开工到2017年7月底竣工，包括春节共计7个月，如采用传统钻孔工艺，恐难达到预期进度节点要求;

2）施工场地为二期改扩建，厂容绿化环境好，并且地方政府对治霾、排污等环境要求非常严格;

3）西安建筑市场，旋挖成套设备市场条件好，设备和工艺成熟;

2 旋挖桩施工工艺流程和特点

2.1 旋挖工艺流程

旋挖与传统钻孔施工工艺大体相同，但旋挖机及配套品种多，可以据实际施工需要进行非常方便的选择，这方面与传统设备相比有很大的不同，旋挖施工工艺如下：

2.2旋挖优势和特点

旋挖机是旋挖桩工艺的主要设备，具有机、电、液一体化高度集中，机械化自动化程度高，移动以及对孔方便，辅助时间少，成空效率高，施工环境更环保等优点，其以动力驱动短螺旋钻杆带动筒式钻斗，在孔底切削土体，切下的泥土进入钻头后由钢索将带有后门的筒式钻斗提升到地面倒掉，再将钻头降至孔底进行钻进，如此反复进行直到到达预定设计孔深位置，其操作参数的选择应该满足工程设计特点、现场和操作环境等的需求，其设备主要参数包括：扭矩、发动机功率、钻头直径、整机重量。

旋挖成孔工艺有三个显著的特点：（1）对粘结性好的土质，在成孔的过程中可用干式和甚至清水，不需要泥浆护壁，即使在特殊地质环境的条件下，泥浆护壁也仅起保护作用，钻屑中的泥浆含量较少，泥浆抽入沉淀池到泥浆池后，可以反复使用，大大改善了的施工环境。（2）钻头在成孔过程中，侧壁较粗糙，这样桩体砼与土体之间的咬合较好，能较好地反映砼与土体特别是粘性土之间的相互作用效应。（3）功效高，是传统冲孔设备的4倍以上。

3 旋挖施工监督要点

3.1 施工前技术准备

1）熟悉国家有关规范和标准对灌注桩的技术要求，特别是有关强制条文的规定;

2）熟悉桩基工程施工图设计文件以及图纸会审资料;

3）编制旋挖成孔灌注桩专项施工方案并进行审批;

4）熟悉了解现有场地的地下障碍物情况，对影响桩基施工的要及时予以排除;

3.2 收集并了解现有场地水文地质条件状况，查阅地质报告和结构施工图有关对地质要求。

3.2.1 本项目地质条件状况

旋挖机适合绝大多数的地质条件，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、桥梁、工业厂房的施工环境的要求（目前国内已过单轴抗压强度120MPa岩层中的旋挖成孔施工的成功案例）。

本项目地勘报告试验结果表明：设计要求桩端持力层为②层黄土状土，场地内②层黄土状土湿陷系数和自重湿陷系数均小于0.015。因此，地基土为非湿陷性土。按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025—2004），建筑物地基可按一般地区的规定设计。

值得注意的是，应充分阅读地勘报告，了解场地内的各层土质的状况，特别是要注意是否有孤岩，土质不均匀的情况存在，应针对这些情况对号入座，本项目经过了解在二期场平期间的土质状况时，在35#桩位附近有孤石，在成孔前采用洛阳铲进行探挖，基本确定了该孤石的位置、深度和大小，并经过设计同意对原桩位的位置进行了相应调整，为项目的顺利进行争取了时间。

3.2.2 对场地、水文的要求

通常旋挖机的设备自重大，场地路况条件要好。本项目旋挖桩机工作状态自重一般在63t左右，但其履带与地面接触面积约6.2m2，所以要求的地基承载力在100KPa左右，本工程场地地势平坦，地表土坚实，经过现场轻便触探，能够满足旋挖机运行要求，本工程地下潜水稳定水位埋深10.4～10.9m，水位高程401.37～402.29m。室内±0.000相对绝对标高412.7米。据区域水文地质资料，拟建场地地下水位年变幅为1.5～2.0m，对干作业成孔有利，因施工期间为冬季枯水期，本项目大部分桩可以采用干成孔工艺。

3.3 转换桩位平面图并进行桩位编号和测量定位

用CAD 相关命令将施工图桩平面图转换为实际坐标的桩位平面图，载入插件“坐标王”输入“xzbh” 命令对桩位进行编号，得出本项目可提取坐标值的桩位平面图。

根据规划提供的2个BM 点坐标和高程，用极坐标法放线定位单个桩心位置并请监理和规划进行验收。为了保证各桩位点测量定位后不出现移位及便于寻找，各桩位点用钢筋打孔，注入白灰，再用20～30cm 长的Ф8 钢筋或竹筷作标记，标记固定后再进行一次复查。在开钻前，测量人员及现场技术负责人对桩点应再次检查复核，桩位测量定位误差≤5mm。

关于保护层，本项目采用100mm长水泥砂浆圆柱体，每层不少于4个，竖向2米间隔，另外在下钢筋笼时要特别注意不要刮到侧壁，以免碎块掉下增加沉渣层厚度。

3.4 旋挖工艺试桩工艺测试

在正式开始前，应先根据设计要求进行试桩，为此，首先要在空余场地采用拟成孔工艺进行试成孔2个（一个采用干成孔工艺，一个采用泥浆护壁成孔工艺），以测试成孔参数和适用性，本项目试成孔见照片，成孔速度在1.2～1.4m/min，成孔垂直度满足规范要求，测试孔完成后用砂石回填。

3.5 旋挖机的选择

旋挖机结构主要由地盘、钻杆、钻具、动力头、电控系统这五大部分组成。

3.5.1 旋挖机的额定功率

一般为125～450kW，输出扭矩为120～400KN.目前市场上各类机型较多，常用的有SR，SWDM 系列，对于一般以沙土、粘性土、强风化岩地基的工地均可以满足要求，本项目选择住友旋挖机SD205 额定功率为120KW，动力头扭矩205KN.m。在进场前，要核查相关设备维护信息，检查液压、钻头等关键部件的完整性。

3.5.2 钻具的选择

3.6 现场设施的准备，

1）钢筋加工厂和堆放场地的准备;

2）? 现场泥浆池和沉底池的准备，

泥浆一般采用膨润土制作，掺量按照泥浆的比重进行，并用系列泥浆检测仪器进行量定调整，这些仪器存放在现场，以备随时测定使用。

泥浆的调制对钻孔中的护壁效果和成孔质量有较大影响，其主要性能指标有：泥浆比重、粘度、膠体率、酸碱度、含砂率等，本项目按照下面泥浆比重配制表进行调配。

本项目试桩泥浆制作实际指标为：泥浆比重1.25g/cm3，粘度：20～22s，含砂率1.7%，胶体率96%，PH值8.本工程现场泥浆池6m*7m*2.5m，旋挖泥浆可以反复使用，这也是与传统长杆螺旋钻的显著的不同之处。

3.7 护筒的埋设

1）护筒的厚度要符合不少于10mm，内径大于钻头直径200～300mm 为标准;

2）埋置深度根据工程土质情况，一般以2m～4m为宜，筒心偏差不大于50mm，垂直度不大于1%。

3）高出自然地面200mm，要有吊装耳和泥浆溢流口;

3.8 钻机的就位

1）旋挖机自带水平调节装置，以调整钻杆的垂直度，应将钻机钻头中心对准桩位中心，以保证不发生偏移（钻机定位后，有锁定功能，钻机不移动，钻杆可以自由旋转。

2）钻头的配备应根据不同的土层和功能要求进行调换，如短螺旋钻头，普通钻头，捞渣钻头。

3）钻机钻杆中心线与桩位中心的容许偏差≤10mm。

3.9 成孔

利用泥浆池，采用泥浆泵造浆，根据试桩及施工经验确定各层土质条件下的钻进参数成孔，成孔后对孔深、沉渣厚度、泥浆比重等指标进行检查，其中孔深，一般采用测绳配合线锤、水准仪进行量测。

值得注意的是应采用间隔成桩的施工顺序，刚进行完砼浇筑的桩与相邻将要成孔桩的安全距离不应小于4倍桩径，或间隔时间不少于36小时，钻斗到出的土距桩成孔的最小距离应大于6米，并应及时清除。

3.10 安放钢筋笼

一般情况下，钢筋笼长度在30米以内可以一次在现场绑扎成形吊装入孔，当超过该长度时采用拼装搭接后入口。利用吊机将绑扎好的钢筋笼吊入孔内，放置到标高后，与临时支架进行固定，以避免上浮，其中要注意保护层的控制。钢筋笼预制安装为隐蔽验收项，其接头等质量控制应满足钢筋分项工程验收规范要求。

关于保护层，本项目采用100mm长水泥砂浆圆柱体，每层不少于4个均匀绑扎在主筋外侧上，竖向2米间隔，另外在下钢筋笼时要特别注意不要刮到侧壁，以免碎块掉下增加沉渣层厚度，此时监理旁站特别重要，应保证在插入前，钢筋笼的长度、搭接方法等符合要求。

3.11 安装导管

在导管安装时，首先检查导管是否完好，使用前做水密试验，12米孔深，按照1.5倍，即180Kpa，实际按照200Kpa做水密性测试。连接时使用橡胶密封圈，并用扳手打紧根据孔深计算出导管尺寸，使导管底端到孔底距离控制在0.3m以内，并保持在砼浇筑时，导管在砼中的含入长度不少于1.2m。

3.12 清孔

清孔要分两次进行，第一次清孔应在成孔完成后采用清孔钻头进行，第二次应在安放钢筋笼和导管后进行，一般干成孔作业不需要清孔，清除底部沉渣用双层捞底钻斗，在不进尺的情况下，回转钻斗时沉渣尽可能流入斗内，反转，封闭斗门，提升钻斗，即可达到清孔的目的;泥浆护壁成孔，二次清孔指标为孔内泥浆性能和沉淀厚度，泥浆比重小于1.1，含砂率小于2%，黏度17～20s，沉渣厚度端承桩不大于5cm ，即满足标准，现场量测方法一般使用测绳、线锤，靠经验和手感量测。

3.13 砼浇筑

（1）浇灌砼前要安装好导管，并现场检测砼塌落度12～16cm为宜。

（2）首罐砼浇筑，导管要悬空30～40cm，为防止导管内滞留空气，提升导管要缓慢，提升到地面时，应单节拆除，并用水冲洗干净对方整齐，以备再用，重要是检查橡胶圈是否有损坏漏水现象，如有老化要及时更换。

（3）质检员在浇灌现场直接参与管理，勤测砼面深度（測绳），判断理论值与已浇灌砼量反算，确定测量数据无误后方可卸导管。根据本工程的具体桩结构特点，浇注砼顶面标高应高出桩基设计砼面标高不小于0.60m。

（4）按规范要求制做砼试块，砼试块脱模后应进行养护。

（5）浇注砼时，要准确记录砼量，计算充盈系数，本项目充盈系数为1.15。

4 旋挖桩竖向承载力

经过有关研究和本项目的静载检测报告结果表明，西安地区黄土、粉质粘土地基中采用旋挖成孔工艺完成的桩，桩土作用效应显著，其单桩竖向承载力的试验结果比按照《桩基规范》的计算结果要高30%左右。

本项目经过低应变和静载测试，结论为达到一类桩标准，单桩竖向承压承载力特征值满足设计要求。

5 常见问题的预防和处理措施

6 成本分析对比

本项目一期工程（2012年竣工）采用传统螺旋长杆钻，设计孔径和深度等均与本项目二期相同，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，其单价最大差值换算成砼为240元/m3，但桩径越大，差价随之缩小。

综合功效对比可以看出，旋挖成孔相对于冲击成孔而言，其功效为后者的4倍左右（以相同设备数量，绝对完成工期考虑），成孔费用为后者的约1.2倍，也就是说在比冲孔费用适当增加的情况下，其功效却有显著增加，对于工期紧的项目，采用旋挖工艺对整体项目工期顺利完成十分有利。

7 结论与建议

鉴于旋挖桩适应性强、成孔速度快、环保特点突出、移动方便、可提高桩的承载力（与传统工艺相比）等有优点，在项目成本和当地旋挖机市场条件许可的情况下，旋挖工艺可以广泛地运用到工业建筑砼灌注桩基础施工中但在方案编制阶段，应对地勘报告认真阅读，特别是对硬岩层和孤石层，要认真对待，因其成孔速度慢，钻头损耗大，旋挖的优势不能得到明显体现，因此，在遇到此类地质状态地基土层时应有谨慎采用。

参考文献：

[1]刘伟.旋挖钻机的发展和应用[J].建筑机械化，2004，（11）。

[2]张炜、茹伯勋，西安地区旋挖钻孔灌注桩竖向承载力特性的试验研究，《岩土工程技术》1999年第4期，第40～43页。

[3]旋挖成孔灌注桩工程技术规程（DBJ50-156-2012）。

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