復雜環境條件下48 m長灌注樁的施工技術

韓 鋒

(中央美術學院，北京100102)

中央美術學院雕塑系教學樓原結構為2層框架，平面布局為環形，根據使用需要，上部加建兩層。經核算，加層后原結構基礎承載力不足，故將新加建結構與原結構完全脫開，在原結構天井內設置四個鋼骨混凝土筒體，加層結構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，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計要求。根據結構設計，擴建工程采用直徑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內部庭院，施工場地緊鄰既有教學樓，教學樓仍在使用，場地狹小，樁基施工難度大，且施工對周邊環境的影響控制要求極高。灌注樁的施工質量直接影響著整個工程的安全，根據現場條件及工程地質特點，本工程樁基采用了旋挖施工工藝，并通過采取多項有效的技術措施，樁基工程最終得以順利實施并取得了良好的效果。本文對雕塑系擴建工程超長灌注樁的施工技術進行了總結，對以后類似或相關工程具有參考作用。

1 工程概況

中央美術學院位于北京市朝陽區花家地南街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。從兩側筒體結構外側起算，加層結構東側懸挑21.6 m，西側懸挑10.4 m，南北兩側各懸挑10.4 m。根據結構驗算，在4個鋼骨混凝土筒體下各布置14根樁，共設計56根樁。由于加層懸挑結構不對稱，此樁基方案考慮在東側兩個筒體下樁基采用樁底、樁側后壓漿工藝，以提高單樁承載力并減少樁基沉降。本工程要求東側筒體下注漿單樁極限抗壓承載力R≥12 000 kN，西側未注漿單樁極限抗壓承載力R≥8 000 kN。混凝土筒下樁承臺板厚均為1 500 mm。

工程場區處于原南湖渠磚廠的取土坑范圍內，取土坑深度一般為10 m左右，在20世紀80年代末期至20世紀90年代逐步進行了不規則回填、整平，并成為城市建設用地。根據對現場鉆探、原位測試與室內土工實驗成果的綜合分析，勘察深度范圍內地層，按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層和第四紀沉積層兩大類，并按巖性及工程特性進一步分為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;粘質粉土填土①2層，中密，濕，可塑～硬塑;粉質粘土填土①3層，濕，軟塑～可塑，較軟。人工堆積層以下為第四紀沉積的粘質粉土、粉質粘土②層，中密，濕～飽和，可塑～硬塑，中等強度;細砂、粉砂③層，密實，飽和，較硬;粘質粉土、砂質粉土④層，濕～飽和，中～較硬;含有機質重粉質粘土⑤層，濕～飽和，可塑;其下為密實，飽和的卵石、圓礫⑥層、細砂、中砂⑥1層、細砂、粉砂⑥2層;粉質粘土、粘質粉土⑦層，飽和～濕，可塑～硬塑，較硬;第⑧大層卵石，密實，飽和，該層是樁基的持力層;再往下為粉質粘土、粘質粉土⑨層，濕～飽和，硬塑～可塑，較硬;細砂、中砂⑩層，密實，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

2.1 施工場地狹小

施工場地位于既有教學樓內部庭院，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場機械設備的運轉，限制了施工功效;②不具備多上設備、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，需要對渣土進行多次倒運，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，需分節起吊，孔口連接，影響施工速度與質量;⑤配套設備(如吊車、鏟車等)無法發揮最大功效，增加了施工成本。

2.2 施工場地條件復雜

施工場地處于原南湖渠磚廠的取土坑范圍內，取土坑深度約10 m，在20世紀80年代末至20世紀90年代逐漸進行了不規則回填、整平。原教學樓施工時，采用了碎石樁擠密。施工場地范圍內地下埋設有上、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，施工范圍內有廢棄的原雨棚基礎下直徑800 mm的灌注樁。

回填土層成分復雜，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。部分雨棚基礎樁和現設計樁位相隔很近，如有施工偏差，會出現兩者打架的情況，給施工帶來困難。本工程最近處離既有建筑僅1 m，應確保所采取的施工工藝不至于產生對既有建筑基礎的不利影響。

2.3 樁基施工難度大，對設備要求高

本工程樁基樁徑800 mm，樁長約48 m，從現地面算起，施工樁長超過50 m，普通的小型設備無法滿足要求。另外地下水、第⑥大層砂卵石層均給成孔造成一定的影響，應采取適宜、可靠的機械設備，并可能需要針對不同的條件采用不同的施工工藝、設備相互配合施工。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，必須制定詳細的施工方案和預案，并根據現場的實際情況進行及時調整，才有可能在約定工期內保質保量完成合同內容。

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、粉質粘土、粘質粉土填土，結構松散，強度低。灌注樁成孔施工過程中，易塌孔、漏漿，如不采取可靠的護壁措施，將導致無法成孔。另外松散的上部填土對后期樁基的抗水平承載力的發揮不利，影響整體結構的安全，必須采取可靠的措施對上部土層進行加固處理。

3 樁基施工工藝

根據現場實際條件，本工程樁基采用泥漿護壁鉆孔灌注樁施工工藝。

(1)成孔方式:采用旋挖鉆機成孔;

(2)護壁方式:泥漿護壁，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:鋼筋采取直螺紋機械連接方式，分成三節，每節單獨起吊，孔口連接;

(4)清孔方式:二次清孔，鉆頭掏渣結合泵吸清渣;

(5)澆灌方式:導管法水下混凝土澆注;

(6)注漿:樁端、樁側后注漿;

(7)回填土加固:花管注漿。

3.1 鉆孔設備

北京地區常用的鉆孔灌注樁的成孔工藝主要有:正、反循環成孔、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壁，因而長螺旋成孔是最環保的一種施工工藝。但長螺旋成孔受設備的限制，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，遠遠超過了長螺旋設備的施工能力，無法采用該工藝。沖擊成孔施工效率最慢，且泥漿污染最嚴重，一般用于含有較多卵石、碎石、基巖的地層，且采用常規施工工藝施工困難的地層，顯然不適合在本工程中采用。正循環工藝常用在細粒土層中，對于孔深較大的端承型樁和粗粒土層中的摩擦型樁，則宜采用反循環工藝成孔。旋挖施工工藝是近十年來發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條件，功效高且環保。根據以上分析，對于本工程，宜采用反循環或是旋挖鉆機成孔。

同旋挖鉆機相比，反循環鉆機施工速度慢，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，不可能多上設備同時施工，且不夠條件挖設大型的泥漿坑，若全采用反循環鉆機，施工工期、文明施工不易保證。采用旋挖鉆機施工有以下幾方面的好處:①鉆機施工能力強，穿過回填土層和第⑥層卵石層容易;②施工速度快，按現施工條件，24 h施工每套設備可成樁2根，工期有保證;③泥漿少，可減少渣土外運工作量，現場文明施工程度高。綜上，本工程選用旋挖鉆機進行施工，型號為宇通YTR220。施工過程中發現，到達持力層第⑧層卵石層后，采用常規的旋挖鉆頭難以鉆進，施工速度緩慢，后采用短螺旋鉆頭預鉆松工藝，成功解決了在密實卵石層中鉆進困難的問題。

3.2 護壁工藝

鉆孔前在測定的樁位，準確埋設護筒，隔離地面積水，穩定孔口土壤和保護孔壁不塌。由于施工場地上部地層為松散的人工填土層，同常規項目相比，本工程對護筒進行了加長，護筒長度為4 m。在鉆孔灌注樁的施工過程中，為了防止坍孔，穩定孔內水位及便于挾帶鉆碴，采用優質鈉基膨潤土制備成泥漿進行護壁。

泥漿循環系統包括制漿池、沉淀池、儲漿池、出漿槽、泥漿泵和進漿管等。各組成部分需有適當的高差，以利泥漿自然流動循環，經沉淀凈化后的泥漿由泥漿泵輸送到鉆孔中繼續使用。鉆機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PE薄膜，泥漿池周圍設置圍護措施。泥漿調制采用機械攪拌，攪拌時將定量的清水加入攪拌機，然后慢慢地加進與水量相應的膨潤土，并開動機器攪拌，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，并根據不同的地層對泥漿性能的不同要求及時調整造漿和補漿。在鉆進過程中試驗人員嚴格控制泥漿稠度、比重等性能指標。

3.3 清孔工藝

(1)第一次清孔。

第一次清孔在成孔結束之后并在吊裝鋼筋籠之前立即進行。第一次清孔，采用鉆機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。置換泥漿并及時補充新泥漿，直至各項指標合格。清孔過程中須保持孔內水頭，防止坍孔，不得采用加深鉆孔深度的方法來代替清孔。清孔結束后3～5 min，用標準測繩測量沉渣厚度。定期復測測繩標尺位置的準確度，且有備用測繩。

(3)鉆渣處理。

樁基施工過程中產生的鉆渣用鏟車轉運。在不影響樁基施工的情況下，進行現場臨時晾曬，并集中清理出現場。

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，根據現場條件分成三節起吊。具體施工時為保證鋼筋在孔口準確對位，鋼筋采取直螺紋機械連接方式，鋼筋籠一次制作成形，制作完成后旋開套筒，分成三節，每節單獨起吊，孔口連接。

采用直螺紋機械連接方式主要有如下優點:

(1)孔口連接速度快，鋼筋籠下放時間縮短，有利于孔壁穩定和工效提高;

(2)機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的風險;

(3)機械連接接頭便于籠內各種檢測管、注漿管的安裝和保護;

(4)機械接頭便于施工質量控制和檢查。

3.5 水下混凝土澆注

樁設計要求混凝土強度為C35，采用普通硅酸鹽水泥，配制的混凝土應具有良好的工作性能。根據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，且必須嚴格控制水灰比。

采用導管法進行水下混凝土澆注。導管直徑為300 mm，導管組裝時接頭必須密合不漏水(要求加密封圈，黃油封口)。在第一次使用前進行閉水打壓試驗，試水壓力0.6 MPa，20 min不漏水為合格。導管底端下至孔底標高上30～50 cm左右。導管內使用的隔水塞球膽大小要合適，安裝要正，應位于水面以上。灌注混凝土前孔口要蓋嚴，防止混凝土落入孔中污染泥漿。混凝土首灌量應灌至導管下口2 m以上，保證首灌導管埋入混凝土為3 m左右。混凝土澆注時，導管下口埋入混凝土的深度不小于2 m，不大于6 m。混凝土灌注到樁孔上部5 m以內時，可不再提升導管，直到灌注至設計標高后一次拔出。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度。

3.6 樁底、樁側后注漿

根據設計要求本工程有28根灌注樁需采用樁底樁側復式注漿。根據相關規范要求及以往工程經驗，對于本工程樁基設置兩根樁端壓漿管，樁側設置三道壓漿管，分別在樁頂標高下－11 m、－22 m、－33 m處設置樁側壓漿閥。采取上述壓漿閥的布置方案，可盡量使樁側壓漿閥布置于粗粒土層中，提高壓漿效果。

本工程鋼筋籠分節起吊，由于壓漿導管綁扎于鋼筋籠上，隨鋼筋籠一起沉放入孔，所以壓漿導管也需分節制作，每節長度與鋼筋籠相匹配，分別綁扎在相應的鋼筋籠上，在鋼筋籠對接時，采用套管焊接。后壓漿質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，每道樁側壓漿量為400 kg，樁端壓漿量為1000 kg。后壓漿起始作業時間一般于基樁成樁2 d以后即可進行，具體時間可視基樁施工態勢進行調整，但一般不宜超過成樁后30 d。樁側注漿壓力不宜小于1.0 MPa，樁底注漿壓力不宜小于1.5 MPa。注漿作業與成孔作業點的距離不宜小于8～10 m。注漿順序先樁側后樁端，樁側注漿應先上后下。若水泥漿從樁側溢出或地面出現冒漿，則調小水灰比，或改間歇壓漿至水泥量滿足預定值。

3.7 樁側回填土層加固

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

由于注漿施工前，4個承臺坑已開挖至基底標高，承臺內樁與樁之間的凈間距約為1.4 m，地質鉆機無法進入內部施工，故采用腳手架和跳板搭設施工平臺平現有地面進行鉆孔施工。此外，鑒于加固區域為承臺下及一定外擴范圍的回填土，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。澆注封閉層時根據注漿孔位布置預留注漿孔口。

注漿孔采用地質鉆機成孔，成孔直徑150 mm，間距1.2 m，成孔深度以穿透回填土層為準。成孔后孔內置入注漿花管，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進行控制。注漿順序按跳孔間隔注漿，先外圍后內部的原則進行。

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，既解決了施工場地、交通運輸的問題，又最大限度發揮了設備、人員的功效。后壓漿施工可在成樁結束2 d后進行，考慮到后壓漿施工可能會對樁基施工產生一定的影響，后壓漿施工與樁基施工之間應留出一定的安全距離，應在樁基施工結束后再進行后壓漿的施工。

4 工程樁檢測

工程樁施工結束后，根據設計要求，在每個承臺中隨機選取一根樁進行承載力靜載荷試驗，并對每根樁采用低應變動測法檢測樁身的完整性。檢測結果表明，樁身質量完整性良好，I類樁占總樁數的88%，II類樁占總樁數的12%，沒有III類和IV類樁。4根試驗樁在相應各自設計極限承載力標準值的荷載作用下，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，均滿足設計要求。分析檢測結果以及工程實施過程中的施工功效，可以認為在上述復雜的環境條件中，所采用的各項施工措施是有效的。

5 結束語

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

［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:中國建筑工業出版社，2003

［2］JGJ 94－2008建筑樁基技術規范［S］

［3］張雁，劉金波.樁基手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009