復(fù)雜環(huán)境條件下48 m長灌注樁的施工技術(shù)

韓 鋒

(中央美術(shù)學(xué)院，北京100102)

中央美術(shù)學(xué)院雕塑系教學(xué)樓原結(jié)構(gòu)為2層框架，平面布局為環(huán)形，根據(jù)使用需要，上部加建兩層。經(jīng)核算，加層后原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力不足，故將新加建結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)完全脫開，在原結(jié)構(gòu)天井內(nèi)設(shè)置四個鋼骨混凝土筒體，加層結(jié)構(gòu)采用巨型鋼桁架從筒體中向外懸挑。因整棟新建雕塑館荷載全部由四個混凝土筒承擔(dān)，筒下荷載較大，而布樁面積有限，故需采用承載力較高的樁方能滿足設(shè)計要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，擴(kuò)建工程采用直徑800 mm的鉆孔灌注樁，以第⑧大層砂卵石層作為樁端持力層，且樁端須進(jìn)入該土層1.0 m，樁長≥48 m，屬于超長樁。

本工程樁基施工在雕塑系西側(cè)內(nèi)部庭院，施工場地緊鄰既有教學(xué)樓，教學(xué)樓仍在使用，場地狹小，樁基施工難度大，且施工對周邊環(huán)境的影響控制要求極高。灌注樁的施工質(zhì)量直接影響著整個工程的安全，根據(jù)現(xiàn)場條件及工程地質(zhì)特點(diǎn)，本工程樁基采用了旋挖施工工藝，并通過采取多項(xiàng)有效的技術(shù)措施，樁基工程最終得以順利實(shí)施并取得了良好的效果。本文對雕塑系擴(kuò)建工程超長灌注樁的施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對以后類似或相關(guān)工程具有參考作用。

1 工程概況

中央美術(shù)學(xué)院位于北京市朝陽區(qū)花家地南街8號，建成后為地上五層，首層層高為6.00 m，二層為5.35 m，夾層為3.15 m，三層為3.90 m，四層為4.82 m。從兩側(cè)筒體結(jié)構(gòu)外側(cè)起算，加層結(jié)構(gòu)東側(cè)懸挑21.6 m，西側(cè)懸挑10.4 m，南北兩側(cè)各懸挑10.4 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，在4個鋼骨混凝土筒體下各布置14根樁，共設(shè)計56根樁。由于加層懸挑結(jié)構(gòu)不對稱，此樁基方案考慮在東側(cè)兩個筒體下樁基采用樁底、樁側(cè)后壓漿工藝，以提高單樁承載力并減少樁基沉降。本工程要求東側(cè)筒體下注漿單樁極限抗壓承載力R≥12 000 kN，西側(cè)未注漿單樁極限抗壓承載力R≥8 000 kN?；炷镣蚕聵冻信_板厚均為1 500 mm。

工程場區(qū)處于原南湖渠磚廠的取土坑范圍內(nèi)，取土坑深度一般為10 m左右，在20世紀(jì)80年代末期至20世紀(jì)90年代逐步進(jìn)行了不規(guī)則回填、整平，并成為城市建設(shè)用地。根據(jù)對現(xiàn)場鉆探、原位測試與室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)成果的綜合分析，勘察深度范圍內(nèi)地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層兩大類，并按巖性及工程特性進(jìn)一步分為10個大層及亞層。

表層人工堆積層厚度為6.10～10.60 m，主要為房渣土①1層，稍密，稍濕;粘質(zhì)粉土填土①2層，中密，濕，可塑～硬塑;粉質(zhì)粘土填土①3層，濕，軟塑～可塑，較軟。人工堆積層以下為第四紀(jì)沉積的粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土②層，中密，濕～飽和，可塑～硬塑，中等強(qiáng)度;細(xì)砂、粉砂③層，密實(shí)，飽和，較硬;粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土④層，濕～飽和，中～較硬;含有機(jī)質(zhì)重粉質(zhì)粘土⑤層，濕～飽和，可塑;其下為密實(shí)，飽和的卵石、圓礫⑥層、細(xì)砂、中砂⑥1層、細(xì)砂、粉砂⑥2層;粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑦層，飽和～濕，可塑～硬塑，較硬;第⑧大層卵石，密實(shí)，飽和，該層是樁基的持力層;再往下為粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑨層，濕～飽和，硬塑～可塑，較硬;細(xì)砂、中砂⑩層，密實(shí)，飽和，較硬。

本工程地層中共有4層地下水，第1層地下靜止水位標(biāo)高為29.24～30.42 m(埋深7.00～8.10 m)，地下水類型為臺地潛水;第2層地下水靜止水位標(biāo)高為28.16～28.69 m(埋深8.70～9.20 m)，地下水類型為具承壓性的層間水;第3層地下水靜止水位標(biāo)高為21.26 m(埋深16.10 m)，地下水類型為具承壓性的層間水;第4層地下水靜止水位標(biāo)高為16.66 m(埋深20.70 m)，地下水類型為承壓水。深部的卵石層中也分布有承壓水。

本次施工內(nèi)容為，鋼筋籠加工制作、灌注樁成孔、水下混凝土灌注、樁基后壓漿、上部回填土層加固處理。

2 樁基工程難點(diǎn)

2.1 施工場地狹小

施工場地位于既有教學(xué)樓內(nèi)部庭院，庭院面積約22 m×24 m，四個筒體緊靠庭院的四角布置，最近處離既有建筑約1 m。狹小的施工場地給施工帶來的具體困難主要有:①狹小的施工場地不利于現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，限制了施工功效;②不具備多上設(shè)備、大面積施工的條件，施工工期具有一定的壓力;③由于本工程需采用泥漿護(hù)壁的施工工藝，狹小的施工場地給泥漿池的布置帶來困難，需要對渣土進(jìn)行多次倒運(yùn)，增加了施工成本;④受施工場地的影響，鋼筋籠無法一次起吊，需分節(jié)起吊，孔口連接，影響施工速度與質(zhì)量;⑤配套設(shè)備(如吊車、鏟車等)無法發(fā)揮最大功效，增加了施工成本。

2.2 施工場地條件復(fù)雜

施工場地處于原南湖渠磚廠的取土坑范圍內(nèi)，取土坑深度約10 m，在20世紀(jì)80年代末至20世紀(jì)90年代逐漸進(jìn)行了不規(guī)則回填、整平。原教學(xué)樓施工時，采用了碎石樁擠密。施工場地范圍內(nèi)地下埋設(shè)有上、下水管道及雨水蓄水池。周圍1 m為既有建筑，既有建筑為一柱一樁，樁長20 m，施工范圍內(nèi)有廢棄的原雨棚基礎(chǔ)下直徑800 mm的灌注樁。

回填土層成分復(fù)雜，其中混雜有大塊徑的硬塊(如塊石、混凝土塊等雜物)，因此成孔成樁均會遇到很大的困難。部分雨棚基礎(chǔ)樁和現(xiàn)設(shè)計樁位相隔很近，如有施工偏差，會出現(xiàn)兩者打架的情況，給施工帶來困難。本工程最近處離既有建筑僅1 m，應(yīng)確保所采取的施工工藝不至于產(chǎn)生對既有建筑基礎(chǔ)的不利影響。

2.3 樁基施工難度大，對設(shè)備要求高

本工程樁基樁徑800 mm，樁長約48 m，從現(xiàn)地面算起，施工樁長超過50 m，普通的小型設(shè)備無法滿足要求。另外地下水、第⑥大層砂卵石層均給成孔造成一定的影響，應(yīng)采取適宜、可靠的機(jī)械設(shè)備，并可能需要針對不同的條件采用不同的施工工藝、設(shè)備相互配合施工。本工程鋼筋籠長近50 m，制作、起吊均對場地、設(shè)備提出了更高的要求。

2.4 工序較多，相互影響

本工程涉及成孔、鋼筋籠加工、混凝土灌注、后壓漿、樁基檢測等諸多工序，相互之間相互穿插、相互制約，必須制定詳細(xì)的施工方案和預(yù)案，并根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行及時調(diào)整，才有可能在約定工期內(nèi)保質(zhì)保量完成合同內(nèi)容。

2.5 上部人工填土對施工影響大

場地上部有近10 m的人工填土層，為新近堆積，主要為房渣土、粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土填土，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低。灌注樁成孔施工過程中，易塌孔、漏漿，如不采取可靠的護(hù)壁措施，將導(dǎo)致無法成孔。另外松散的上部填土對后期樁基的抗水平承載力的發(fā)揮不利，影響整體結(jié)構(gòu)的安全，必須采取可靠的措施對上部土層進(jìn)行加固處理。

3 樁基施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，本工程樁基采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工工藝。

(1)成孔方式:采用旋挖鉆機(jī)成孔;

(2)護(hù)壁方式:泥漿護(hù)壁，控制泥漿比重，采用專用膨潤土和外加劑人工拌制;

(3)鋼筋籠制作安裝:鋼筋采取直螺紋機(jī)械連接方式，分成三節(jié)，每節(jié)單獨(dú)起吊，孔口連接;

(4)清孔方式:二次清孔，鉆頭掏渣結(jié)合泵吸清渣;

(5)澆灌方式:導(dǎo)管法水下混凝土澆注;

(6)注漿:樁端、樁側(cè)后注漿;

(7)回填土加固:花管注漿。

3.1 鉆孔設(shè)備

北京地區(qū)常用的鉆孔灌注樁的成孔工藝主要有:正、反循環(huán)成孔、沖擊成孔、旋挖成孔、長螺旋成孔。其中，除長螺旋成孔外，其余的均需采用泥漿護(hù)壁，因而長螺旋成孔是最環(huán)保的一種施工工藝。但長螺旋成孔受設(shè)備的限制，一般施工樁長不超過30 m，且穿越砂層、卵石、回填土層的能力較差。本工程樁長約50 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了長螺旋設(shè)備的施工能力，無法采用該工藝。沖擊成孔施工效率最慢，且泥漿污染最嚴(yán)重，一般用于含有較多卵石、碎石、基巖的地層，且采用常規(guī)施工工藝施工困難的地層，顯然不適合在本工程中采用。正循環(huán)工藝常用在細(xì)粒土層中，對于孔深較大的端承型樁和粗粒土層中的摩擦型樁，則宜采用反循環(huán)工藝成孔。旋挖施工工藝是近十年來發(fā)展最快的一種灌注樁施工工藝，該工藝幾乎適用于任何地質(zhì)條件，功效高且環(huán)保。根據(jù)以上分析，對于本工程，宜采用反循環(huán)或是旋挖鉆機(jī)成孔。

同旋挖鉆機(jī)相比，反循環(huán)鉆機(jī)施工速度慢，泥漿多，且穿過厚層的人工填土層及第⑥層卵石層有一定的困難，本工程施工場地狹小，不可能多上設(shè)備同時施工，且不夠條件挖設(shè)大型的泥漿坑，若全采用反循環(huán)鉆機(jī)，施工工期、文明施工不易保證。采用旋挖鉆機(jī)施工有以下幾方面的好處:①鉆機(jī)施工能力強(qiáng)，穿過回填土層和第⑥層卵石層容易;②施工速度快，按現(xiàn)施工條件，24 h施工每套設(shè)備可成樁2根，工期有保證;③泥漿少，可減少渣土外運(yùn)工作量，現(xiàn)場文明施工程度高。綜上，本工程選用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工，型號為宇通YTR220。施工過程中發(fā)現(xiàn)，到達(dá)持力層第⑧層卵石層后，采用常規(guī)的旋挖鉆頭難以鉆進(jìn)，施工速度緩慢，后采用短螺旋鉆頭預(yù)鉆松工藝，成功解決了在密實(shí)卵石層中鉆進(jìn)困難的問題。

3.2 護(hù)壁工藝

鉆孔前在測定的樁位，準(zhǔn)確埋設(shè)護(hù)筒，隔離地面積水，穩(wěn)定孔口土壤和保護(hù)孔壁不塌。由于施工場地上部地層為松散的人工填土層，同常規(guī)項(xiàng)目相比，本工程對護(hù)筒進(jìn)行了加長，護(hù)筒長度為4 m。在鉆孔灌注樁的施工過程中，為了防止坍孔，穩(wěn)定孔內(nèi)水位及便于挾帶鉆碴，采用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土制備成泥漿進(jìn)行護(hù)壁。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)包括制漿池、沉淀池、儲漿池、出漿槽、泥漿泵和進(jìn)漿管等。各組成部分需有適當(dāng)?shù)母卟?，以利泥漿自然流動循環(huán)，經(jīng)沉淀凈化后的泥漿由泥漿泵輸送到鉆孔中繼續(xù)使用。鉆機(jī)開始鉆孔前需要挖好泥漿池，泥漿池位置可選擇在不影響車輛出入且相對固定的地方，具體可選擇在兩個承臺之間的部位。挖好后為防止漏漿底部鋪設(shè)PE薄膜，泥漿池周圍設(shè)置圍護(hù)措施。泥漿調(diào)制采用機(jī)械攪拌，攪拌時將定量的清水加入攪拌機(jī)，然后慢慢地加進(jìn)與水量相應(yīng)的膨潤土，并開動機(jī)器攪拌，成漿后打開出漿門出漿。在鉆孔過程中隨時注意觀測泥漿性能的變化情況，并根據(jù)不同的地層對泥漿性能的不同要求及時調(diào)整造漿和補(bǔ)漿。在鉆進(jìn)過程中試驗(yàn)人員嚴(yán)格控制泥漿稠度、比重等性能指標(biāo)。

3.3 清孔工藝

(1)第一次清孔。

第一次清孔在成孔結(jié)束之后并在吊裝鋼筋籠之前立即進(jìn)行。第一次清孔，采用鉆機(jī)放慢鉆速利用雙底撈渣鉆頭將懸浮沉渣全部帶出的方式進(jìn)行。

(2)第二次清孔。

在下放鋼筋籠后，澆灌混凝土之前，再次測量孔底沉渣的厚度，如沉渣厚度超出允許值，需進(jìn)行二次清孔。清孔時采用流量為120 m3/h的3PN泥漿泵將孔底沉渣清出。置換泥漿并及時補(bǔ)充新泥漿，直至各項(xiàng)指標(biāo)合格。清孔過程中須保持孔內(nèi)水頭，防止坍孔，不得采用加深鉆孔深度的方法來代替清孔。清孔結(jié)束后3～5 min，用標(biāo)準(zhǔn)測繩測量沉渣厚度。定期復(fù)測測繩標(biāo)尺位置的準(zhǔn)確度，且有備用測繩。

(3)鉆渣處理。

樁基施工過程中產(chǎn)生的鉆渣用鏟車轉(zhuǎn)運(yùn)。在不影響樁基施工的情況下，進(jìn)行現(xiàn)場臨時晾曬，并集中清理出現(xiàn)場。

3.4 鋼筋籠制作安裝

本工程鋼筋籠長近50 m，受施工場地限制，無法一次起吊，根據(jù)現(xiàn)場條件分成三節(jié)起吊。具體施工時為保證鋼筋在孔口準(zhǔn)確對位，鋼筋采取直螺紋機(jī)械連接方式，鋼筋籠一次制作成形，制作完成后旋開套筒，分成三節(jié)，每節(jié)單獨(dú)起吊，孔口連接。

采用直螺紋機(jī)械連接方式主要有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)孔口連接速度快，鋼筋籠下放時間縮短，有利于孔壁穩(wěn)定和工效提高;

(2)機(jī)械連接的鋼筋籠整體垂直度較好，易于下放，減少鋼筋籠卡在孔壁內(nèi)的風(fēng)險;

(3)機(jī)械連接接頭便于籠內(nèi)各種檢測管、注漿管的安裝和保護(hù);

(4)機(jī)械接頭便于施工質(zhì)量控制和檢查。

3.5 水下混凝土澆注

樁設(shè)計要求混凝土強(qiáng)度為C35，采用普通硅酸鹽水泥，配制的混凝土應(yīng)具有良好的工作性能。根據(jù)超長鉆孔灌注樁的施工要求，混凝土必須具備良好的流動性和較大的坍落度，且必須嚴(yán)格控制水灰比。

采用導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土澆注。導(dǎo)管直徑為300 mm，導(dǎo)管組裝時接頭必須密合不漏水(要求加密封圈，黃油封口)。在第一次使用前進(jìn)行閉水打壓試驗(yàn)，試水壓力0.6 MPa，20 min不漏水為合格。導(dǎo)管底端下至孔底標(biāo)高上30～50 cm左右。導(dǎo)管內(nèi)使用的隔水塞球膽大小要合適，安裝要正，應(yīng)位于水面以上。灌注混凝土前孔口要蓋嚴(yán)，防止混凝土落入孔中污染泥漿?；炷潦坠嗔繎?yīng)灌至導(dǎo)管下口2 m以上，保證首灌導(dǎo)管埋入混凝土為3 m左右。混凝土澆注時，導(dǎo)管下口埋入混凝土的深度不小于2 m，不大于6 m?；炷凉嘧⒌綐犊咨喜? m以內(nèi)時，可不再提升導(dǎo)管，直到灌注至設(shè)計標(biāo)高后一次拔出。灌注至樁頂超灌量不小于2 m，以保證鑿去浮漿后樁頂混凝土的強(qiáng)度。

3.6 樁底、樁側(cè)后注漿

根據(jù)設(shè)計要求本工程有28根灌注樁需采用樁底樁側(cè)復(fù)式注漿。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及以往工程經(jīng)驗(yàn)，對于本工程樁基設(shè)置兩根樁端壓漿管，樁側(cè)設(shè)置三道壓漿管，分別在樁頂標(biāo)高下－11 m、－22 m、－33 m處設(shè)置樁側(cè)壓漿閥。采取上述壓漿閥的布置方案，可盡量使樁側(cè)壓漿閥布置于粗粒土層中，提高壓漿效果。

本工程鋼筋籠分節(jié)起吊，由于壓漿導(dǎo)管綁扎于鋼筋籠上，隨鋼筋籠一起沉放入孔，所以壓漿導(dǎo)管也需分節(jié)制作，每節(jié)長度與鋼筋籠相匹配，分別綁扎在相應(yīng)的鋼筋籠上，在鋼筋籠對接時，采用套管焊接。后壓漿質(zhì)量控制采用注漿量和注漿壓力雙控方法，以水泥注入量控制為主，泵送終止壓力控制為輔。水泥采用P.S.A32.5礦渣水泥，注漿水灰比為0.50～0.65，每道樁側(cè)壓漿量為400 kg，樁端壓漿量為1000 kg。后壓漿起始作業(yè)時間一般于基樁成樁2 d以后即可進(jìn)行，具體時間可視基樁施工態(tài)勢進(jìn)行調(diào)整，但一般不宜超過成樁后30 d。樁側(cè)注漿壓力不宜小于1.0 MPa，樁底注漿壓力不宜小于1.5 MPa。注漿作業(yè)與成孔作業(yè)點(diǎn)的距離不宜小于8～10 m。注漿順序先樁側(cè)后樁端，樁側(cè)注漿應(yīng)先上后下。若水泥漿從樁側(cè)溢出或地面出現(xiàn)冒漿，則調(diào)小水灰比，或改間歇壓漿至水泥量滿足預(yù)定值。

3.7 樁側(cè)回填土層加固

承臺下直至地面以下約10 m深度范圍內(nèi)皆為松散雜填土，難以對工程樁形成有效的水平約束，對樁基抗震不利。根據(jù)各方會商結(jié)果，需對承臺下及一定外擴(kuò)范圍內(nèi)的回填土進(jìn)行注漿加固處理。

由于注漿施工前，4個承臺坑已開挖至基底標(biāo)高，承臺內(nèi)樁與樁之間的凈間距約為1.4 m，地質(zhì)鉆機(jī)無法進(jìn)入內(nèi)部施工，故采用腳手架和跳板搭設(shè)施工平臺平現(xiàn)有地面進(jìn)行鉆孔施工。此外，鑒于加固區(qū)域?yàn)槌信_下及一定外擴(kuò)范圍的回填土，已開挖的承臺部分無上覆土層，為防止返漿跑漿在已開挖的承臺范圍澆筑150 mm厚C20素混凝土封閉層。澆注封閉層時根據(jù)注漿孔位布置預(yù)留注漿孔口。

注漿孔采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，成孔直徑150 mm，間距1.2 m，成孔深度以穿透回填土層為準(zhǔn)。成孔后孔內(nèi)置入注漿花管，并回填碎石料，水泥砂漿封閉孔口。注漿材料采用P.S.A32.5水泥漿液，水灰比0.5～1.0，注漿流量7～10 L/min，注漿壓力0.5～1.0 MPa。漿液注入率為水泥量50～100 kg/m，注漿壓力不小于1.0 MPa進(jìn)行控制。注漿順序按跳孔間隔注漿，先外圍后內(nèi)部的原則進(jìn)行。

3.8 施工順序安排

施工順序采用在兩個承臺下輪流成孔、灌注的方式，形成流水作業(yè)，既解決了施工場地、交通運(yùn)輸?shù)膯栴}，又最大限度發(fā)揮了設(shè)備、人員的功效。后壓漿施工可在成樁結(jié)束2 d后進(jìn)行，考慮到后壓漿施工可能會對樁基施工產(chǎn)生一定的影響，后壓漿施工與樁基施工之間應(yīng)留出一定的安全距離，應(yīng)在樁基施工結(jié)束后再進(jìn)行后壓漿的施工。

4 工程樁檢測

工程樁施工結(jié)束后，根據(jù)設(shè)計要求，在每個承臺中隨機(jī)選取一根樁進(jìn)行承載力靜載荷試驗(yàn)，并對每根樁采用低應(yīng)變動測法檢測樁身的完整性。檢測結(jié)果表明，樁身質(zhì)量完整性良好，I類樁占總樁數(shù)的88%，II類樁占總樁數(shù)的12%，沒有III類和IV類樁。4根試驗(yàn)樁在相應(yīng)各自設(shè)計極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的荷載作用下，沉降僅為7～8 mm，單樁豎向極限承載力對于非壓漿樁不小于8 000 kN，對于壓漿樁不小于12 000 kN，均滿足設(shè)計要求。分析檢測結(jié)果以及工程實(shí)施過程中的施工功效，可以認(rèn)為在上述復(fù)雜的環(huán)境條件中，所采用的各項(xiàng)施工措施是有效的。

5 結(jié)束語

通過各方努力，中央美術(shù)學(xué)院雕塑系擴(kuò)建工程的樁基施工最終圓滿完成，取得了良好的效果，為擴(kuò)建工程的順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件。實(shí)踐證明，針對工程施工過程中遇到的各項(xiàng)難題而采取的技術(shù)措施被證明是有效的。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，建筑用地越來越緊張，類似的工程項(xiàng)目會越來越多，本工程采用的技術(shù)措施對今后的類似工程將具有很強(qiáng)的參考借鑒意義。

［1］建筑施工手冊(第四版)編寫組.建筑施工手冊(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003

［2］JGJ 94－2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］

［3］張雁，劉金波.樁基手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009