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混凝土灌注桩旋挖成孔与冲击成孔工效比较
黄** **公司

摘要：旋挖钻机钻近年来在施工中广泛应用，本文通过对采用旋挖及冲孔方式成孔的桩基础工程进行分析，得出相同条件下两种成孔工艺的工效对比，浅析影响两种成孔方式工效的因素。
关键词：灌注桩、旋挖、冲孔、工效对比
一、概述
近年来，旋挖钻机在我国工程施工中得到广泛应用，为了解旋挖钻机的实际工效及特点，以我公司于2007年施工的一个高层住宅楼基础工程进行研究，通过统计、分析、研究旋挖成孔与冲击成孔的混凝土灌注桩成孔工效比较，浅析影响两种成孔方式工效的因素。
二、工程概况
工程实例：广州市某高层住宅楼工程，桩基础工程为混凝土灌注桩，桩径分1.2m、1.5m两种，桩长初步设计为18～50m，实际施工桩长为22～60.8m，共324根桩。施工中因工期紧，首先选用了旋挖钻机进行施工（超前钻探同时进行），但施工了一部分后，根据超前钻探资料显示有多处位置初步设计桩长接近或超过已进场的旋挖钻机的钻孔深度，不宜采用该旋挖钻机施工，故采用冲桩机配合施工，因此出现了同一基础工程中采用了两种成孔方式施工的现象。
工程采用的旋挖钻机型号为BG-15，功率146kw，钻孔深度52m，累计成孔146根桩；采用的冲桩机型号为CK-1500，累计成孔178根桩。
施工场地地质情况：由上至下为人工填土层、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。
三、工效比较
通过对工程施工过程中的各基础桩成孔记录进行详细的分类统计，包括桩径、整桩及非岩层(指除中风化、微风化岩层以外土层)、中风化岩层、微风化岩层的施工时长、成孔数量，采用表格形式，按桩径及钻(冲)孔深度(每10m范围划分一个区段)、成孔方式进行分类汇总，形成“旋挖成孔与冲击成孔工效统计表”及“旋挖成孔与冲击成孔工效统计表”，详见表1及表2。
表1 旋挖成孔与冲击成孔工效统计表
序
号
施工 工艺
桩
径
钻孔 深度
成孔数量 (m3)
工效（m3/台班)
整桩
非岩层
中风化
微风化
整桩
非岩层
中风化
微风化
1
冲孔
1.2
20~30m
473.0
388.5
55.9
28.6
5.37
7.46
3.40
1.81
2
旋挖
1.2
20~30m
816.2
699.6
66.6
49.9
16.41
22.38
12.40
8.28
3
冲孔
1.5
20~30m
1434.3
1177.7
150.5
106.1
7.50
11.07
4.16
2.66
4
旋挖
1.5
20~30m
1908.5
1553.0
212.4
143.1
20.98
30.56
17.88
10.13
5
冲孔
1.2
30~40m
421.3
330.1
64.8
26.4
4.77
6.75
3.04
1.66
6
旋挖
1.2
30~40m
314.9
254.0
39.6
21.3
19.53
29.15
16.00
7.60
7
冲孔
1.5
30~40m
2659.2
2283.0
202.7
173.5
8.23
10.55
4.90
3.03
8
旋挖
1.5
30~40m
2664.9
2112.6
352.2
200.0
21.72
31.82
16.18
9.90
9
冲孔
1.2
40~50m
878.2
760.2
74.1
43.9
5.02
6.13
3.43
2.26
10
旋挖
1.2
40~50m
493.4
427.5
47.8
18.1
22.11
28.49
14.59
10.93
11
冲孔
1.5
40~50m
2096.7
1764.7
213.1
118.8
8.31
11.43
4.52
3.29
12
旋挖
1.5
40~50m
771.4
681.4
50.9
39.1
24.12
29.54
11.75
9.82
13
冲孔
1.2
50~61m
827.4
693.8
106.1
27.5
5.68
7.12
3.58
2.17
14
旋挖
1.2
50~61m
56.8
48.6
6.8
1.4
24.56
25.94
21.75
10.86
15
冲孔
1.5
50~61m
1872.3
1676.6
121.1
74.6
9.40
11.12
5.21
4.04
16
旋挖
1.5
50~61m
277.3
247.2
18.4
11.7
28.62
32.83
19.79
9.97
注：篇幅限制，未列出各成孔工时统计，表中：工效=成孔数量/成孔工时×8小时/台班。
表2 旋挖成孔与冲击成孔工效对比表
比较项目
1.2m整桩
1.2m非岩层
1.2m微风化
冲孔
旋挖
旋:冲
冲孔
旋挖
旋:冲
冲孔
旋挖
旋:冲
20-30m
5.37
16.41
3.06
7.46
22.38
3.00
1.81
8.28
4.56
30-40m
4.77
19.53
4.09
6.75
29.15
4.32
1.66
7.60
4.59
40-50m
5.02
22.11
4.41
6.13
28.49
4.65
2.26
10.93
4.84
50-60m
5.68
24.56
4.32
7.12
25.94
3.64
2.17
10.86
5.01
平均值

3.97

3.90

4.75
比较项目
1.5m整桩
1.5m非岩层
1.5m微风化
冲孔
旋挖
旋:冲
冲孔
旋挖
旋:冲
冲孔
旋挖
旋:冲
20-30m
7.50
20.98
2.80
11.07
30.56
2.76
2.66
10.13
3.81
30-40m
8.23
21.72
2.64
10.55
31.82
3.02
3.03
9.90
3.27
40-50m
8.31
24.12
2.90
11.43
29.54
2.58
3.29
9.82
2.98
50-60m
9.40
28.62
3.04
11.12
32.83
2.95
4.04
9.97
2.47
平均值

2.85

2.83

3.13
注：表中数据单位除“旋:冲”为比值以外，其他数值均为m3/台班。
1．总体数据对比
从表1和表2的统计数据中可以看出如下几点：
(因旋挖成孔50m以上，仅有一桩51.5m，因此50－60m数据只作参考)：
① 旋挖钻机、冲桩机整桩成孔工效随着成孔深度加深逐步提高，但旋挖钻机的工效的提升速率比冲桩机的大。
因旋挖钻机在开始成孔施工阶段需埋设护筒，视土质条件不同，埋设护筒的深度也不同，一般埋设5~10m，因此需埋设护筒阶段综合施工进度较慢；而冲桩机在开始施工阶段因提锤、落锤高度较小，因此在刚开始成孔阶段的施工进度也较慢。显而易见，旋挖钻机受此影响比冲桩机的大，故随着成孔深度加深旋挖钻机工效的提升速率比冲桩机的大。
说明旋转钻机的成孔工效高的优势要在长桩成孔中方能更好的体现出来，并且成孔深度越大，采用旋挖钻机的优势就越大。但是旋挖钻机有钻孔深度限制，所以施工接近旋转钻机钻孔深度的桩基础时，能最大限度的发挥旋挖钻机成孔速度快的优势。
② 旋挖钻机、冲桩机整桩成孔工效随着成孔直径加大逐步提高，但冲桩机提高的速率比旋挖钻机的大。
因旋转钻机的最大输出扭矩是固定的，因此桩径变大其施工效率基本不变；而冲桩机因桩径变大时，通过采用更大的桩锤，增大了输出功率，因此较大幅度提升了施工效率。
说明在小桩径桩基础的施工中采用旋挖钻机较冲桩机有更突出的优势，而随着桩径的加大，这种优势逐渐减弱。(由于样本中只有两种桩径，未能更进一步说明：是否存在桩径达到何种程度，旋挖成孔的优势将会消失？)
③ 在入微风化岩时，旋挖钻机比冲桩机的工效比达到最大值。
因为旋挖钻机是带动力的钻进，其掘进力是机械自身的重量通过钻杆直接传递到岩、土层，故对岩、土层的破坏力是一致的；而冲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。
说明旋挖钻机比冲桩机更适合在岩层丰富的地质条件下施工，即入岩深度大或岩层地质条件多的条件下，选用旋挖钻机比冲桩机更适合。
④ 冲桩机在入岩时，成孔工效随桩径变大而变大；旋挖钻机在入岩时，成孔工效受深度、桩径变化影响不大。
因为冲桩机在桩径变大时，可通过改换大桩锤来提高冲击力，直接提高输出功率，提高成桩工效；而旋挖钻机不论桩径大小，其输出扭矩、最大功率是恒定的，因此在入岩时，成孔工效基本不受桩径变化影响。
结合第①、②、③、④点，说明旋挖钻机在桩长较深、桩径较小、岩层丰富的条件下，能最大限度的发挥其优越性，其相对冲桩机的工效比也将达到最大化。
2. 最优数据对比
通过对工程施工过程中的旋挖钻机与冲桩机各自施工最顺利、进度最快的特例进行分类对比，得出“旋挖成孔与冲击成孔最优数据工效对比表”，详见表3。
表3 旋挖成孔与冲击成孔最优数据工效对比表
比较项目
1.2m桩径
1.5m桩径
成孔深度
（m）
成孔时间
（h）
工效
(m3/台班)
成孔深度
（m）
成孔时间
（h）
工效
(m3/台班)
旋挖最优成孔
31
7
40.05
34.6
8
61.11
冲孔最优成孔
51.4
60
7.75
35
38
13.01
工效比

5.17

4.70
冲孔平均成孔

5.21

8.36
从上表中可以看出，在最顺利的情况下，旋挖成孔与冲击成孔的实际工效比在4.7～5.1之间，同样存在桩径变小，旋挖的优势变大。
旋挖成孔的最高工效(40.05；61.11)比冲桩机的一般工效（5.21；8.36）甚至达将近8倍，但这个结果是建立在最优数据比平均数据的基础下的，因此不能作为两者的真实工效比。
3．其他工效对比
①桩机 就位。旋挖钻机由于自带底盘可以灵活在施工现场转移，从一个桩位转移到另一桩位一般15～20分钟即可；同条件下冲桩机从一个桩位转移到另一桩位一般则需60～90分钟，甚至更长。就位时间缩短也是工效提高的一个体现。
②灌注混凝土时间。因旋转钻机的成孔孔径准确，扩孔系数比冲击成孔的小。在上述工程实例中，旋挖钻机成孔的桩在浇捣混凝土时，充盈系数一般在1.03～1.05之间。而采用冲桩机成孔的充盈系数则一般为1.08～1.15。以一根40m长、1.2m桩径的灌注桩计算，旋挖成孔可以节约5～10％约2～4m3的混凝土，不仅仅节约了材料成本，也节约了浇注混凝土的时间，这也算是工效提高的另一个体现。
③入岩判断准确。因旋挖钻机直接将挖掘的岩土提升到地面，能直接观察到孔底基岩情况，能及时准确判断入岩情况；冲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深20~30cm才能终孔。及时准确判断入岩，能减少不必要的成孔，直接提高施工工效。
四、结语
通过数据分析及比较后，可以看出：旋挖钻机成孔的工效是采用冲桩机成孔工效的3～5倍，旋转钻机在施工桩径小、成孔深度大、地质条件岩层丰富等条件下，能相对冲桩机取得更好的工效比。故除了在特殊情况下，不宜使用旋挖钻机，一般情况下采用旋转钻机能比采用冲桩机取得3-5倍的工效，可缩短桩基础施工工期的2/3～4/5。
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