李峰， 徐壮涛， 郑振鹏
（上海市城市建设设计研究总院，上海200125）
[摘要] 以中国2%年上海世界博览会B片区地下空间工程为依托，对旋挖扩底灌注桩和两种桩径的钻孔灌注桩、后注浆灌注桩共五种布桩方案的造价进行了对比分析，从而对旋挖扩底灌注桩在软土地基工程应用中的经济性作出了评价。研究结果表明，旋挖扩底灌注桩相对于钻孔灌注桩，能有效提高单桩的抗压与抗拔承载力，可以有效减少总桩数，施工工期短，总造价最低，比较适用于采用逆作法施工的软土地基地下空间工程。
[关键词] 旋挖扩底灌注桩；经济性分析；软土地基；工程应用；地下空间
0 引言
随着我国基础设施建设的快速发展，城市和环境保护对桩基施工技术及工艺标准的要求越来越高。由于地质和环境条件的限制，传统的泥浆反循环成孔施工工艺越来越不适应对工程质量要求高、工期紧、工程量大、环保要求高的工程项目。旋挖钻机因其场地适应性好、效率高、污染少、噪声小等特点，逐渐在现浇混凝土灌注桩施工中得到了广泛应用。近年来，一些学者对旋挖扩底灌注桩的工作机理及工程应用开展了一系列研究，但关于旋挖扩底灌注桩在工程应用中的经济性分析研究较少。本文以中国2%年上海世界博览会B片区地下空间工程为例，分别对布置旋挖扩底灌注桩和不同桩径的钻孔灌注桩及后注浆灌注桩方案的造价进行对比分析，以期对旋挖扩底灌注桩在软土地基工程应用中的经济性作出评价。
1 工程概况
中国2%年上海世界博览会B片区地下空间工程即上海世博会B02，B03地块规划一路、规划二路道路及公共绿地地下空间工程，包括规划一路全段（北段、中段、南段）、规划二路全段（西段、东段）、公共绿地（西段、东段）、穿博成路地下1#连通道（西段）和2#连通道（中段）及3#连通道（东段）、穿世博馆路地下4#连通道（北段）和5#连通道（南段），总面积约5. 40万m2（图1）。本文研究的区域为该工程不包含5个连通道的区域，根据地下空间底板板底的标高，将研究区域划分为4个小区域，见图2。每个区域的桩布置信息见表1。本项目采用了旋挖扩底灌注桩，桩身直径取850mm。
2 桩型方案
为了分析桩径为850mm旋挖扩底灌注桩在本项目应用中的经济性，与各取700mm和850mm两种桩径的钻孔灌注桩与后注浆灌注桩共五种方案进行对比分析，桩型方案汇总见表2。
为了便于分析，各种桩型均取相同桩长，采用相同的箍筋布置方案，纵筋采用不同的分段布置方案。根据单桩的抗拔承载力及裂缝允许宽度，确定桩身纵筋的配筋面积。桩身裂缝控制等级为三级，环境类别为二a类，最大裂缝宽度限制为0. 3mm。工程桩的配筋示意图见图3，图中桩端虚线为旋挖扩底灌注桩的桩端轮廓，实线为钻孔灌注桩与后注浆灌注桩的桩端轮廓。本文根据各区域的总浮力进行抗拔桩的布置，除方案一外，各方案布桩时均未考虑逆作法施工对立柱桩抗压承载能力的要求。根据对上部结构进行的计算，逆作法施工时要求立柱桩的抗压承载力设计值为3 900kN。
3 造价分析
按照表2列出的方案，计算各种方案的单桩抗拔承载力、抗压承载力、桩身纵筋的配筋、裂缝宽度、总混凝土量及总钢筋用量，进而计算各种方案的总造价。
3.1方案一
对于方案一，公共区地下空间逆作法施工时采用桩身作为立柱桩，且为一柱一桩的布置方式，施工过程中桩身承压，施工完成后桩身整体抗浮。经计算，本方案抗拔桩施工过程中所需的单桩抗压承载力为3 900kN，据此计算的桩端扩大头直径为1 500mm。方案一单桩承载力及总材料用量见表3，其总造价计算见表4。由表3可知，本方案各区域单桩抗拔承载力设计值均为2 800kN，桩身在抗拔承载力设计值作用下的裂缝小于0. 3mm，单桩抗压承载力设计值大于3 900kN，满足在逆作法施工阶段的抗压及施工完成后的抗浮要求。
3.2方案二
方案二桩型为建筑工程中最常见的桩型之一。方案二单桩承载力及总材料用量见表3，其总造价计算见表4。由表3知，按照底板总浮力值进行抗拔桩的布置时，本方案抗拔桩的总数为1 097根，桩身在抗拔承载力设计值作用下的裂缝小于0.3 mm，但单桩抗压承载力远小于3 900kN，不满足逆作法施工对单桩抗压承载力的要求。
3.3方案三
对于桩径大于850mm的大直径灌注桩，应采用桩端后注浆工艺，当桩身范围内有较厚的砂层时，宜采用泥浆除砂器。因此，方案三后注浆灌注桩采用桩端后注浆。方案三单桩承载力及总材料用量见表3，其总造价计算见表4。由表3可知，按照底板总浮力值进行抗拔桩的布置时，本方案抗拔桩的总数为915根，桩身在抗拔承载力设计值作用下的裂缝小于0.3 mm，但单桩抗压承载力小于3 900kN，不满足逆作法施工对单桩抗压承载力的要求。
3.4方案四
方案四单桩承载力及总材料用量见表3，其总造价计算见表4。由表3可知，按照底板总浮力值进行抗拔桩的布置时，本方案抗拔桩的总数为1 374根，桩身在抗拔承载力设计值作用下的裂缝小于0.3 mm，但单桩抗压承载力小于3 900kN，不满足逆作法施工对单桩抗压承载力的要求。
3.5方案五
方案五单桩承载力及总材料用量见表3，其总造价计算见表4。由表3可知，按照底板总浮力值进行抗拔桩的布置时，本方案抗拔桩的总数为1 147根，桩身在抗拔承载力设计值作用下的裂缝小于0.3 mm，但单桩抗压承载力小于3 900kN，不满足逆作法施工对单桩抗压承载力的要求。
4 五种方案对比分析
将方案一作为基准方案，将其余四种方案与之进行对比，各种方案总造价对比见表5。五种方案施工耗时对比见表6。
由表5可知，方案二比方案四的总造价高，方案三比方案五的总造价高，这说明采用钻孔灌注桩或后注浆灌注桩时，随着桩径的增大其总造价增加。
由表3可知，方案二与方案三的单桩抗压承载力均达不到3 900kN，如果将其作为逆作法施工的立柱桩，需增大桩径或加大桩长，这两种方案的总造价会进一步增加。方案四的总造价比方案一的仅增加了2. 06 %，方案五的总造价低于方案一的，但由表3可知，方案四与方案五的单桩抗压承载力远低于3 900kN，不能满足逆作法施工对立柱桩抗压承载力的要求。因此，在满足施工立柱桩的抗压承载力要求的前提下，方案一的总造价最低。
由表6可知，方案一采用旋挖钻机成孔，而其余方案均采用回旋钻机成孔。对于上海地区软土地基中40m长的单桩，旋挖钻机成孔的时间仅仅是回旋钻机成孔的时间的一半。由表5可知，方案一总桩数远少于其他方案。因此，采用方案一总工期最短。
综上分析可知，旋挖扩底灌注桩相对于钻孔灌注桩，既提高了单桩抗拔承载力又提高了单桩抗压承载力；相同条件下，采用旋挖扩底灌注桩总工期最短。因此，在中国2%年上海世界博览会B片区公共区地下空间项目中，采用4850mm的旋挖扩底灌注桩是较为经济的方案。
5 结论
本文以中国2%年上海世界博览会地区B片区地下空间工程为例，对软土地基地下空间工程的五种布桩方案的成本费用及工期进行统计与对比分析，得到如下结论：
(1)在软土地基中，旋挖扩底灌注桩相对于钻孔灌注桩，既提高了单桩抗拔承载力也提高了单桩抗压承载力，比较适合工程桩在施工阶段抗压、在施工完成后抗拔的逆作法施工的地下空间工程。
(2)当采用相同直径、相同桩长的旋挖扩底灌注桩、钻孔灌注桩与后注浆灌注桩时，旋挖扩底灌注桩的总桩数最少，施工工期最短，在满足施工立柱桩的抗压承载力要求的前提下，总造价最低。
