超高層建筑超深旋挖灌注樁施工質(zhì)量控制

熊 歡，王少良，聶付松，黃 亮，胡勵(lì)耘

（中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 武漢 430040）

1 項(xiàng)目工程概況及設(shè)計(jì)要求

武漢某項(xiàng)目用地面積為28 100 m2，總建筑面積約為323 000 m2，地面建筑面積約256 400 m2，主樓高為88 層，建筑高度438 m，巨型柱-核心筒-伸臂桁架體系，地下4 層，基礎(chǔ)埋深為18.30～27.50 m，樁基礎(chǔ)采用后壓漿鉆孔灌注樁。

塔樓樁基礎(chǔ)直徑?1 000 mm，單樁豎向抗壓承載力特征值為13 500 kN，樁端持力層為（6-4）層微風(fēng)化泥巖層，樁端進(jìn)入持力層深度為10～15 m，有效樁長(zhǎng)42～48 m，成孔深度65～70 m，樁身混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C50，水下灌注混凝土按C55 強(qiáng)度等級(jí)配制，總樁數(shù)448 根。圖1 為塔樓樁基平面布置圖。

圖1 塔樓樁基平面布置圖

場(chǎng)區(qū)地面標(biāo)高為21.93～22.35 m，地貌上屬長(zhǎng)江I 級(jí)階地。場(chǎng)區(qū)在勘探深度86.3 m 范圍內(nèi)所分布的地層除表層分布有（1）素填土（Qml）外，其下為第四系全新統(tǒng)沖積成因的黏性土和砂土（Q4al）和沖洪積成因的含圓礫細(xì)砂（Q4al+pl），下伏基巖為志留系中統(tǒng)墳頭組（S2f）泥巖、泥質(zhì)頁(yè)巖，各巖土層分布埋藏情況及特征如表1。

表1 各巖土層分布埋藏情況及特征

2 樁基施工重難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 該項(xiàng)目是華中地區(qū)首座超高層建筑物，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量要求高

（1）基樁單樁抗壓承載力檢測(cè)最大加載值達(dá)到27 000 kN，采用反力錨樁法加載。

（2）樁基垂直度誤差不大于1/200，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范1/100 要求。

（3）試樁正式施工前需試成孔，且要求靜置48 h，每6 h 檢測(cè)一次孔徑、垂直度、孔內(nèi)泥漿參數(shù)、孔底沉渣厚度等，在未進(jìn)行清孔的情況下，孔壁應(yīng)保持穩(wěn)定，孔底沉渣厚度不超過(guò)20 cm；工程樁的樁位孔，終孔前均需進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測(cè)。

（4）設(shè)計(jì)試樁及工程試樁需要消除空樁段的樁身側(cè)摩阻力值，需要采取措施能檢測(cè)出試樁有效樁長(zhǎng)的承載力值。

以上技術(shù)問(wèn)題的解決措施，在武漢地區(qū)均屬于首創(chuàng)，沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

2.2 項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)較大，工序多，各個(gè)環(huán)節(jié)不能出現(xiàn)任何異常

（1）塔樓區(qū)域基礎(chǔ)為深厚筏板基礎(chǔ)，一旦基樁出現(xiàn)問(wèn)題或隱患，后續(xù)處理十分復(fù)雜。

（2）終孔后，除安裝鋼筋籠外，還要安裝聲波透射檢測(cè)管3 根、注漿管5 根、鉆芯導(dǎo)向管1 根、地?zé)峁芤约鞍惭b監(jiān)測(cè)設(shè)備，且鋼筋籠采用機(jī)械套筒螺接，單樁施工時(shí)間長(zhǎng)。

（3）空樁段最深達(dá)20～27 m，且基樁分布較密，基樁施工完畢后，空樁段內(nèi)的殘余泥漿如不經(jīng)處理，易引起空樁段孔壁坍塌，進(jìn)而引發(fā)地陷，導(dǎo)致發(fā)生安全質(zhì)量事故。

3 施工技術(shù)措施

為確保成樁質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目采取多項(xiàng)技術(shù)措施進(jìn)行預(yù)防及管控。

3.1 設(shè)備選型及管理

工程樁施工前，前期試樁施工單位采用回旋鉆孔設(shè)備施工，單樁施工時(shí)間平均長(zhǎng)達(dá)7～9 d，最長(zhǎng)達(dá)到15 d，試樁施工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 個(gè)月，工期及質(zhì)量控制成為項(xiàng)目推進(jìn)的痛點(diǎn)。為吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在對(duì)巖土工程勘察報(bào)告進(jìn)行分析論證后，并與項(xiàng)目建設(shè)單位、項(xiàng)目顧問(wèn)專家組溝通、論證后，項(xiàng)目決定選用3 臺(tái)280～320 型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工。如采用回旋設(shè)備，則需20～22 臺(tái)，在塔樓區(qū)域2 500 m2區(qū)域內(nèi)，施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置極其困難，僅20～22 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)泥漿池、沉淀池、泥漿池與孔口間的泥漿溝等就無(wú)法布設(shè)，且施工質(zhì)量無(wú)法保證，工期無(wú)法估測(cè)。

旋挖鉆機(jī)較之于回旋鉆機(jī)，自帶成孔參數(shù)控制系統(tǒng)，對(duì)基樁成孔、成樁質(zhì)量更有保障：

（1）旋挖鉆機(jī)可自身調(diào)整桅桿垂直度，通過(guò)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的表盤，可查看桅桿的垂直度情況，并可及時(shí)人工調(diào)整，鉆桅的垂直度可控制誤差在1/200 以內(nèi)，這是回旋鉆機(jī)無(wú)法比擬的。

（2）在施工過(guò)程中，由于旋挖鉆機(jī)自帶加強(qiáng)對(duì)旋挖鉆機(jī)的控制與管理：

a.可及時(shí)修正動(dòng)力頭與桅桿之間的間隙；

b.通過(guò)鉆機(jī)控制系統(tǒng)，可保持桅桿隨動(dòng)架中心和動(dòng)力頭中心一致；

c.確保鉆桿和鉆桿的方頭不偏斜；

d.下護(hù)筒時(shí)確保護(hù)筒垂直；

e.鉆頭方頭箱和中心錐不偏斜。

（3）在開(kāi)孔前及施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要多方向架設(shè)水準(zhǔn)儀，對(duì)桅桿垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)提出預(yù)警，要求施工班組糾偏。

3.2 場(chǎng)地硬化處理

為確保旋挖重型樁工設(shè)備的行走安全及施工的穩(wěn)定性，項(xiàng)目在正式開(kāi)工前對(duì)塔樓樁施工區(qū)域均鋪設(shè)30 cm厚混凝土，并預(yù)留樁位孔，并分區(qū)塊設(shè)置泥漿溝；在施工場(chǎng)周圍形成混凝土環(huán)形道路。

3.3 泥漿質(zhì)量控制

場(chǎng)區(qū)地層土中，在較厚的粉細(xì)砂層、細(xì)砂、含砂中粗砂，且入強(qiáng)、中微風(fēng)巖層深達(dá)10～15 m，如何調(diào)整、控制泥漿指標(biāo)參數(shù)，直接決定孔壁的穩(wěn)定性和成孔的可靠度。為此，在正式開(kāi)工前，布設(shè)好泥漿池、沉淀池、泥砂過(guò)濾器、泥漿溝等，確保泥漿循環(huán)系統(tǒng)布局科學(xué)合理。泥漿池、沉淀池埋設(shè)突破常規(guī)，側(cè)壁均采用鋼板預(yù)埋，避免機(jī)械設(shè)備在清理泥漿、沉定池時(shí)泥漿池不至于垮塌。

開(kāi)孔前，先用膨潤(rùn)土、純堿、纖維素等進(jìn)行造漿，并經(jīng)24 h 以上膨化，檢測(cè)指標(biāo)達(dá)到要求后，旋挖鉆機(jī)方可正式開(kāi)鉆。

項(xiàng)目首先進(jìn)行了2 根樁的試驗(yàn)性成孔，成孔過(guò)程中，及時(shí)監(jiān)控并調(diào)整機(jī)身平整和桅桿垂直度，確保成孔的垂直度誤差。終孔后，用新鮮泥漿對(duì)孔內(nèi)泥漿進(jìn)行置換，樁位孔再靜置48 h，靜置時(shí)每6 h 對(duì)泥漿比重、黏度、含砂率等進(jìn)行檢測(cè)，含砂率控制均在3%以內(nèi)；同時(shí)對(duì)孔徑、垂直度、孔底沉渣等進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在工程樁施工過(guò)程中，結(jié)合試成孔的施工效果，形成了成孔施工技術(shù)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制和檢查。

3.4 試樁側(cè)摩阻力消除——雙套管施工技術(shù)

因前期試樁采用回旋設(shè)備施工，調(diào)整成孔施工工藝后，設(shè)計(jì)院要求再進(jìn)行5 組試樁，試樁檢測(cè)結(jié)果要求真實(shí)反映基樁在空樁段截除后有效樁長(zhǎng)段的側(cè)摩阻力、樁端阻力值。

同心鋼制雙套管技術(shù)，可將內(nèi)外套管間進(jìn)行有效隔離，套管經(jīng)專業(yè)廠家制作完成后，在旋挖鉆機(jī)成孔至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高深度時(shí)，將雙套管整體安裝入孔。吊裝時(shí)，由于雙套管長(zhǎng)度達(dá)到19～21 m，現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)吊車，四點(diǎn)起吊。雙套管在安裝入孔前，內(nèi)外套筒連接均為剛性連接，安裝完畢、混凝土灌注成樁后套管內(nèi)外套管變?yōu)槿嵝赃B接，內(nèi)套管與樁身混凝土連為一體。在試樁靜載檢測(cè)時(shí)，試樁靜荷載作用于樁身上，由于外套管與樁身為柔性連接，隔離了空樁段樁身與土體之間的作用力，從而達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3.5 試樁靜載檢測(cè)

由于試樁單樁抗壓承載力極限值為27 000 kN，檢測(cè)加載能力應(yīng)達(dá)到30 000 kN。常規(guī)施工技術(shù)很難達(dá)到檢測(cè)要求。

項(xiàng)目采用反力錨樁法，在試樁周圍施工4 根反力錨樁，用來(lái)為試樁加載提供反力，采用1 根鋼制主梁、4 根次梁，垂直交叉，次梁通過(guò)傳力鋼構(gòu)件與反力錨樁的樁身主縱筋焊接，同時(shí)對(duì)試樁樁頭的鋼筋及樁身混凝土進(jìn)行加強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)5 組試樁進(jìn)行的靜載試驗(yàn)，最大加載值達(dá)到30 000 kN，加載至27 000 kN 時(shí)，樁頂沉降量在9.14～9.91 mm 之間，樁底沉降量在2.11～2.43 mm 之間。通過(guò)對(duì)套管外管的標(biāo)高測(cè)定，外套管頂部基本無(wú)下沉，試樁檢測(cè)效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

3.6 鋼筋籠制作安裝

（1）在鋼筋棚內(nèi)加工鋼筋籠時(shí)，制作了鋼筋主縱筋加工定位器，確?？v筋間距誤差小于2 mm。

（2）每根樁的鋼筋籠在吊運(yùn)至孔口前，在加工棚內(nèi)均進(jìn)行試連接，確保套筒連接順利。

（3）為縮短孔口套筒連接時(shí)間，鋼筋籠采用每?jī)晒?jié)整體制作。

（4）為確?？卓阡摻钐淄策B接工作間距，將主縱筋調(diào)整為加勁筋內(nèi)外各布一圈，確保套套連接的工作間距，同時(shí)將一個(gè)加勁箍調(diào)整為兩個(gè)并排。

通過(guò)以上措施，鋼筋籠孔口套筒連接時(shí)間由原試樁施工時(shí)的17 h，縮短至6 h，工效提高極為明顯，也避免了樁位孔坍孔風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 二次清孔質(zhì)量控制

成孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度后，經(jīng)第三方檢測(cè)合格，及時(shí)安裝鋼筋及其他各類檢測(cè)元件及地源熱泵管完畢。二次清孔采用氣舉反循環(huán)。項(xiàng)目配置了12 m3的空壓機(jī)，并根據(jù)孔內(nèi)泥漿參數(shù)指標(biāo)調(diào)整送氣管的深度，氣管底部深度在35～45 m，清孔時(shí)風(fēng)壓控制在0.6～0.8 MPa，以確保反循環(huán)清孔的效果，清孔質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再澆注混凝土成樁。

3.8 樁身混凝土灌注

樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50，且要求水下灌注強(qiáng)度按C55 配置。為此，項(xiàng)目與商砼公司共同進(jìn)行研究，進(jìn)行了多次試配，并對(duì)混凝土的和易性、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、3 d、7 d、14 d、28 d 的強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求后，方在現(xiàn)場(chǎng)使用。

為確?，F(xiàn)場(chǎng)混凝土灌注的連續(xù)性和初始灌注量，現(xiàn)場(chǎng)首批混凝土必須達(dá)到4 整車時(shí)，方可以開(kāi)始灌注。

3.9 空樁段泥漿固化技術(shù)

塔樓區(qū)域均為裙樁，樁分布較密，且空樁段較深。成樁后，為了防止空樁段孔壁坍塌造成地表沉陷，項(xiàng)目采用了固化灰漿技術(shù)對(duì)空樁段泥漿進(jìn)行固化，確保地面硬化混凝土路面下不出現(xiàn)空洞，以確保旋挖鉆機(jī)施工及行走安全。

4 成樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

4.1 檢測(cè)設(shè)備及其原理

項(xiàng)目成孔質(zhì)量檢測(cè)采用CZ-2S 灌注樁孔質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)：JJY-1D 型井徑儀、JJX-3D 型測(cè)斜儀、CZ-2 型沉渣儀，其檢測(cè)原理如下：

4.1.1 成孔直徑檢測(cè)

在檢測(cè)前，將檢測(cè)井口架置于護(hù)筒上，先對(duì)樁位中心進(jìn)行測(cè)量定位，連接儀器，將井口滑輪置于井口架上，將井徑儀通過(guò)井口滑輪下放至孔底，上提井徑儀時(shí)，井徑儀機(jī)械臂在彈簧的作用下，其末端張開(kāi)緊貼井壁。隨著絞車提升井徑儀，不同深度井徑的變化，機(jī)械臂的末端也隨著張開(kāi)或合攏，同時(shí)帶動(dòng)電位器滑臂移動(dòng)，井徑的變化就變成了電阻的變化，變化的電阻間電位差就反映了井徑的變化，地面計(jì)算機(jī)同步記錄電位差變化，并自動(dòng)保存成孔深度與井徑之間的檢測(cè)曲線。

4.1.2 垂直度檢測(cè)

將儀器通過(guò)井口滑輪從井口下放至孔底，每隔5 m讀取一次數(shù)據(jù)，根據(jù)儀器測(cè)量的頂角、方位、深度等參數(shù)，傳輸并存儲(chǔ)在計(jì)算中，用計(jì)算機(jī)顯示打印數(shù)據(jù)成果表及計(jì)算機(jī)解釋的平面投影圖、側(cè)面投影圖、剖面投影圖和空間軌跡圖，并計(jì)算出成孔垂直度，并在地面儀器中顯示。

4.1.3 孔底沉渣

將沉渣探頭通過(guò)井口滑輪下放到孔底，啟動(dòng)沉渣儀伸出探針，主機(jī)讀取探針狀態(tài)，當(dāng)探針傾斜超過(guò)一定范圍時(shí)提示調(diào)整探頭位置直至探頭近似直立。主機(jī)控制探針緩慢伸出，同時(shí)測(cè)定探針壓力和伸出長(zhǎng)度，當(dāng)壓力大于一定值時(shí)停止，根據(jù)計(jì)算機(jī)記錄的曲線，探針伸出長(zhǎng)度即為當(dāng)前位置沉渣厚度，讀取沉渣厚度。

4.2 項(xiàng)目樁基質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)塔樓區(qū)域448 根工程樁進(jìn)行了成孔質(zhì)量檢測(cè)，其中對(duì)227 個(gè)孔進(jìn)行孔徑、垂直度檢測(cè)，占工程樁總數(shù)的50.7%，全數(shù)進(jìn)行了孔底沉渣檢測(cè)，所有檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)結(jié)果顯示：孔徑誤差在+0.9～95 mm 之間，個(gè)別孔位處坍孔直徑達(dá)1 129 mm；成孔后二次清孔前的沉渣厚度在4.0～17.5 cm 之間；成孔垂直度誤差在1/312～1/222 之間，均小于設(shè)計(jì)要求小于1/200 的要求，成孔質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.3 樁身質(zhì)量檢測(cè)

4.3.1 單樁抗壓靜載檢測(cè)

檢測(cè)采用反力錨桿提供反力，慢速維持荷載法加載，用電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)7 個(gè)并聯(lián)同型5 000 kN 油壓千斤頂，在加載至極限承載力24 000～27 000 kN 時(shí)，沉降桿法測(cè)得樁頂沉降為9.14～9.91 mm，樁端位移為2.11～2.39 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 基樁完整性檢測(cè)

（1）聲波透射法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)總樁數(shù)的30%進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)，在抽檢的135 根樁中，Ⅰ類樁達(dá)到91.1%，Ⅱ類樁為8.9%，無(wú)Ⅲ、Ⅳ類樁。

（2）低應(yīng)變檢測(cè)

對(duì)全部448 根工程樁均進(jìn)行了低應(yīng)變檢測(cè)，其中Ⅰ類樁達(dá)到97.1%，Ⅱ類樁為2.9%，無(wú)Ⅲ、Ⅳ類樁。

（3）鉆芯法檢測(cè)

按總樁的2%進(jìn)行了鉆芯法檢測(cè)，受檢的9 根樁，樁身混凝土連續(xù)、完整、混凝土膠結(jié)完好，混凝土強(qiáng)度均達(dá)到C50 強(qiáng)度等級(jí)要求，均為Ⅰ類樁。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目在施工過(guò)程中，由于前期準(zhǔn)備充分，進(jìn)展極為順利，施工過(guò)程中未出現(xiàn)樁身質(zhì)量問(wèn)題或留下質(zhì)量隱患，并按建設(shè)單位要求，提前17 d 完成施工任務(wù)。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，為武漢地區(qū)長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地區(qū)域，超高層建筑施工，提供了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)。

（1）項(xiàng)目開(kāi)工前，準(zhǔn)備充分。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)從設(shè)計(jì)文件理解、巖土工程勘察報(bào)告分析、施工平面布置、設(shè)備選型、工藝過(guò)程控制節(jié)點(diǎn)等技術(shù)措施及應(yīng)急預(yù)案等均做了詳細(xì)策劃，編制了專項(xiàng)施工方案，并對(duì)操作班組進(jìn)行技術(shù)交底，必要的項(xiàng)目，先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演練再正式實(shí)施，有效預(yù)防了各類可能出現(xiàn)的問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)，施工及質(zhì)量控制效果得到各方的高度贊譽(yù)。

（2）加強(qiáng)了與參建各方的溝通協(xié)調(diào)。開(kāi)工前期，即將樁基檢測(cè)單位、商砼公司、地緣熱泵安裝等單位組織到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行專項(xiàng)研究，確保各個(gè)環(huán)節(jié)不出現(xiàn)空檔。如成孔質(zhì)量檢測(cè)，需要檢測(cè)人員24 小時(shí)值班，特別是晚上，終孔后，需要對(duì)成孔技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)人員均能及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)，確保施工過(guò)程連續(xù)。

（3）開(kāi)展新技術(shù)研究和創(chuàng)新，為項(xiàng)目技術(shù)質(zhì)量保駕護(hù)航。本項(xiàng)目諸多施工技術(shù)，諸如垂直度控制、空樁段消除側(cè)摩阻力、50%的樁位孔成孔質(zhì)量檢測(cè)、C55 強(qiáng)度等級(jí)水下混凝土灌注等，在武漢地區(qū)創(chuàng)造了多項(xiàng)第一，為相關(guān)工程領(lǐng)域提供了經(jīng)驗(yàn)。

但在施工過(guò)程中，也存在一些不足之處：

（1）由于成孔深度較深，地層中粉砂、粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂中夾卵、礫石較厚，對(duì)泥漿質(zhì)量要求極高，部分樁孔在終孔后，需要較長(zhǎng)時(shí)間沉淀，再用清底鉆頭清除孔底沉渣，但效果仍然有限，清底鉆頭型式需進(jìn)一步改進(jìn)。

（2）終孔后，為確保孔壁穩(wěn)定，需要泥漿的比例、黏度達(dá)到護(hù)壁要求，但如果泥漿濃度超過(guò)一定值，且孔內(nèi)泥漿所生的應(yīng)力較大，井徑儀機(jī)械臂在孔底伸張不開(kāi)，影響檢測(cè)效果，井徑儀機(jī)械臂的強(qiáng)度與剛度需要提升。

（3）終孔后，由于安裝鋼筋籠及其他檢測(cè)元件及地?zé)峁軙r(shí)間較長(zhǎng)，孔內(nèi)泥漿經(jīng)時(shí)間靜置后，孔底泥漿比重增大，部分孔位氣舉反循環(huán)清孔時(shí)間長(zhǎng)，且氣管埋深需要根據(jù)泥漿指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，個(gè)別孔位清孔最長(zhǎng)時(shí)間達(dá)6 h，如何進(jìn)一步提升氣舉反循環(huán)的效率，在工藝上有待進(jìn)一步改進(jìn)。