水泥搅拌桩工艺与造价关系分析

2020-04-07吴清吟

广东土木与建筑 2020年3期

吴清吟

（中交四航局第二工程有限公司广州510230）

0 引言

水泥土搅拌桩是用于加固软弱地基的一种方法，它利用水泥作为固化剂，通过回转搅拌机械，使软弱土体和固化剂强制搅拌混合，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土固结成具有较好的整体性、稳定性，形成一定强度的地基［1］。在华南地区水工项目的软基处理、基础加固、基坑支护中普遍应用［2］。按施工方法可分为单轴搅拌桩、同心双轴双向搅拌桩、三轴搅拌桩，不同的成桩方法有各自特点及适用条件，本文分别从施工工艺、成桩质量、费用上进行综合分析，对适用条件进行小结，可为类似项目提供参考。

1 概况

1.1 搅拌桩工艺概况

目前陆上搅拌桩主要有单轴搅拌桩、同心双轴双向搅拌桩、三轴搅拌桩，工艺概况如下：

单轴搅拌桩：采用单根空心钻杆，设置2～3 组旋转叶片，喷浆口设置在最底叶片下，通过钻杆下钻或提升过程中对土体的切削搅拌，达到水泥浆与土体均匀搅拌的方法。

同心双轴双向搅拌桩：采用双向、双轴、多层叶片同时搅拌，在内钻杆设置正向旋转叶片并设置喷浆口，在外钻杆安装反向旋转叶片，通过正反向旋转叶片同时搅拌，并利用外钻杆叶片反向旋转过程中的压浆作用阻断水泥浆上冒途径，把水泥浆控制在两组叶片之间，保证桩体水泥浆分布均匀和搅拌均匀，叶片具体形状如图1所示。因此克服了常规搅拌桩施工时搅拌不均匀、浆液上冒的缺陷，桩身强度有较大提高。

图1 同心双轴双向叶片及桩机叶片实物Fig.1 Concentric Biaxial Bidirectional Blade and Pile Driver Blade in Kind

三轴搅拌桩［3］：利用专门的多轴搅拌就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，经充分搅拌混合后，在水泥土混合体未固化前将H型钢或其他型钢插入搅拌桩体内，形成具有一定强度和刚度的、连续完整的地下连续墙体，该墙体可作为基坑支护结构或止水帷幕。

由于三轴搅拌桩采用螺旋钻，有效的搅拌区间更长，3 根钻杆可同时正、反转，每个质点的土体经过4 遍搅拌，即正循环钻进、反循环提钻并喷浆搅拌，再往复一次，再辅以下钻时输送高压气体松动土体，使土体的搅拌方式更类似于强制式搅拌机的搅拌，大大提高了搅拌土体的均匀性。

1.2 搅拌桩施工组织方式

搅拌桩分包施工组织一般采用“甲供水泥+乙供劳务及设备”，单价包干形式，其中甲供水泥包括水泥、减水剂或其他固化剂，乙供劳务及设备包括施工作业人员、搅拌桩机（含动力头）、施工用电、设备维修费、专利费等。施工中按试桩取得的参数控制成桩速度、水泥用量等［4］。因施工工艺简单且成熟，场平后周边条件影响较小，水泥等主材市场供应也较充足，只要现场组织、监管到位，施工功效及施工质量较可把控［5］。因此，合同一般都能有效执行。

2 搅拌桩施工工艺与费用关系

2.1 搅拌桩工艺比较

搅拌桩在珠三角地区的软弱土层地基处理中普遍采用，现选取南沙明珠湾区域、不同工艺的使用情况进行比较分析，具体设计及施工参数如表1所示。

表1 搅拌桩设计参数Tab.1 Design Parameters of Mixing Pile

从设计参数来看，单轴搅拌桩的设计强度只有0.6 MPa，搅拌桩用于新旧结构过渡区的软基处理。在同比例水泥掺量条件下，同心双轴双向搅拌桩的设计强度提高到0.8 MPa，说明同心双轴双向搅拌桩能使土体得到更充分、更均匀的搅拌，提高桩体质量［6］。

三轴搅拌桩的桩径为800 mm，水泥掺量20%，设计强度为1 MPa，从3种工艺的设计参数来看，增加水泥掺量使桩体强度相应提高。其实是三轴搅拌桩主要因其成桩搅拌方式较复杂，能使土体得到更充分搅拌，从而提高桩身强度。

2.2 搅拌桩成桩费用分析

根据2016～2018 年期间南沙明珠湾区域搅拌桩施工的劳务分包价格，按“甲供水泥+乙供劳务及设备”，现场使用市电，具体参数如表2所示。

表2 搅拌桩施工单价Tab.2 Unit Price List for Mixing Pile Construction

从价格上分析，单轴搅拌桩与同心双轴搅拌桩价格接近，主要是因其使用的搅拌桩机、生产功效类似；虽然同为搅拌桩，但从单价上分析，三轴搅拌桩明显比单轴、双轴搅拌桩更贵，主要因三轴搅拌桩的设备较大型、搅拌成桩工艺相对复杂、掺入水泥量也更多，但成桩质量及保证率也更高。

在都是采用散装水泥、砂浆搅拌机集中搅拌供浆，并配备水泥下料电脑控制后台、深度仪、测斜仪、流量计等，采用信息化管理的情况下［7］，各类搅拌桩每延米的劳务分包单价如表3所示。

表3 搅拌桩施工单价分析Tab.3 Analysis of Unit Price of Mixing Pile Construction

从价格分析，单轴搅拌桩与双轴搅拌桩主要区别在人工费、电费、设备费、施工耗材辅助费及双轴专利费等，分别分析如下：

⑴ 人工费：单轴搅拌桩机与双轴搅拌桩机人员配置基本相同，均为3 人/班/台安排，其中操作手1名，后台放料、拌浆及巡查共2名，另外现场管理人员1～2 名。三轴搅拌桩机设备较大，一般为5 人/班/台安排，其中操作手2名，后台放料、拌浆2名，开空压机及管线巡查1名，另外现场管理人员1～2名。

从现场人员配置可见，单轴搅拌桩与双轴搅拌桩人员配置基本相同，人工费比较接近。但因双轴搅拌桩的成桩质量更好，对工人的技能也有更多细节要求，从工程价值角度来讲，其略高的人工费也是合理。单轴、双轴搅拌桩机与三轴搅拌桩机的人员配置相比，三轴搅拌桩机需5名工人，且至少需保持有1名管理人员值班，主要三轴搅拌桩机设备较复杂，涉及主机定位、钻进速度控制、压力控制、泵浆管线及气压管线检查等，需很专业的技术工人及管理人员相互配合，所以综合的人工费用较高。

⑵ 电费：电费组成按使用市电考虑。双轴搅拌桩机的功率较大，2个45 kW电机组成1个动力头，共90 kW。而单轴搅拌桩机动力头约45～55 kW/台（视土层而定）；其后台配置基本相同，拌浆机、压力泵合计约60 kW。在相同钻进速度情况下，因双轴搅拌桩机的叶片为8片、单轴为4片，双轴搅拌桩机叶片多一倍，每个质点土体的搅拌次数也多一倍，功率大用电量也大些。

三轴搅拌桩机的总功率约400 kW，其中主机约300 kW，后台拌浆机、空压机等约100 kW，三轴搅拌桩机一般采用两喷两搅工艺，如钻进、提升平均按1 m/min计算，1小时可搅拌成桩约30 m，设备总功率为400 kW，每小时耗电量约250 kW，电费约10.5元/m。

⑶ 设备费：设备费包括设备自身的采购费及维修费，设备采购费用按施打的桩长来摊销，维修费按一定的比例计算。

单轴搅拌桩机与双轴搅拌桩机的基本相同，主要区别在动力头及钻杆。以滚轴移动式桩机为例，单轴搅拌桩机约18 万/台，双轴搅拌桩机约22 万/台；其中双轴搅拌桩机的动力头约2.5～3.0 万，双轴比单轴多1条钻杆，钻杆约1万元/根。

单轴搅拌桩设备费为1.8 元/m，需施打10 万m 才摊销完，根据现场四搅四喷工艺，施打工效约4 000 m/（台·月），则需25 个月才完成摊销；双轴搅拌桩设备费为2.8元/m，工效与单轴相同，需20个月完成摊销。

三轴搅拌桩机设备较大型，设备自重约200 t，采购单价约250万元/台，组装约7～10 d。可见，从设备的采购费上比较，已决定三轴搅拌桩的价值，比普通的单轴、双轴搅拌桩更高。三轴搅拌桩的设备费为17.5元/m，一般采用两搅两喷工艺，施工场地条件较好情况下，施打工效约6 000 m/（台·月），需24个月完成摊销。

从设备的摊销费用、摊销周期分析，基本需约2年，3种设备的设备费用基本符合市场行情。

⑷ 施工耗材及辅助工序等费用：施工耗材费主要为支垫枕木、润滑油脂及泵浆管线等，辅助工序主要包括开挖置换土、场内调迁等辅助措施。

单轴、双轴搅拌桩机设备相对轻巧，其所用施工耗材较少，如步履式桩机，不需要枕木；滚轴移动式桩机，支垫枕木可重复利用、损耗低。当双轴搅拌桩呈格栅状布置时（或置换率大于30%时），施工前需开挖沟槽或降低地面标高，成桩后还需清除置换土，所以需要反铲开挖、自卸车清运置换土的费用。

三轴搅拌桩机的施工消耗较多，包括枕木、支垫钢箱或钢板、润滑油脂、开挖沟槽、开挖置换土等耗材或辅助措施；三轴搅拌桩机重达200 t，对场地平整要求也较高［8］，需认真核算场地回填、平整费用；因三轴桩的水泥掺量也较大，且搅拌得更充分，所以置换土也更多些，在淤泥质粘土层置换土能达20%。施工耗材及辅助措施方面，摊入每m成桩费用约3～5元不等。

⑸ 双轴专利费：同心双轴双向搅拌工艺由南京某公司取得专利权，使用南京某公司授权单位的动力头时，其设备性能稳定，施工过程中也能得到专业技术人员的支持。为确保本项目搅拌桩施工质量，采用了该公司的动力头，其价值通过收取专利费体现，市场价为2.0～2.5元/m。

3 价值工程角度分析

搅拌桩成桩质量主要通过抽芯，分别做无侧限抗压强度及完整性分析，芯样强度要满足设计要求，完整性要大于85%［9］。根据现场抽芯质量及类似工程调查结果来看，施工质量及价值情况如表4所示。

由表4 可见，同心双轴双向搅拌桩在单价提高约50%的情况下，芯样强度、完整性上比起单轴搅拌桩得到明显提高［10］，且施工质量稳定可靠，性价比较高；从价值工程角度分析，同心双轴双向搅拌桩属于价格适当提高，产品性价比大大提高的选项。三轴搅拌桩单价翻4 倍，完整性及质量稳定性上与双轴双向搅拌桩相当，芯样强度比较高，性价比并没竞争力，但基坑支护或止水帷幕对桩基的咬合、完整性方面要求较高，一般的单轴搅拌桩机与同心双轴双向搅拌桩机因设备性能因素，处理深度大于20 m 的桩基时，存在较大困难，一般会选用三轴搅拌桩。