超長(zhǎng)大直徑嵌巖鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工優(yōu)化技術(shù)

忻旭煒

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 概述

鉆孔灌注樁具有承載力大、幾何尺寸靈活多變、地層適應(yīng)性強(qiáng)、抗震性能好等特點(diǎn)，在對(duì)承載可靠性要求較高的超高層建筑樁基工程中被廣泛使用。上海中心大廈（樁徑1 000 mm，樁長(zhǎng)82 m/86 m）[1]、天津117大廈（樁徑1 100 mm，樁長(zhǎng)76.5 m）[2]、廣州新電視塔（樁徑3 800 mm，樁長(zhǎng)15～25 m）[3]、寧波環(huán)球航運(yùn)中心（樁徑1 000 mm，樁長(zhǎng)69 m）[4]等項(xiàng)目的單樁設(shè)計(jì)承載力均不小于10 000 kN，在保護(hù)周邊建（構(gòu)）筑物、減少環(huán)境擾動(dòng)等方面也取得了良好的效果。

寧波中心大廈（以下簡(jiǎn)稱“本項(xiàng)目”）位于浙江省寧波市東部新城核心區(qū)A3-25-2地塊，建筑高度409 m，地下3層，地上80層。本項(xiàng)目采用樁筏基礎(chǔ)，其中塔樓區(qū)樁基直徑1 100 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)90 m，單樁樁底注漿水泥量為4.4 t，單樁抗壓承載力特征值1 500 t，總數(shù)259根；非塔樓區(qū)樁基直徑800 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)46 m/53 m，單樁抗壓承載力特征值220 t，單樁抗拔承載力特征值140 t，總數(shù)170根。由于緊鄰運(yùn)營(yíng)中的地鐵1號(hào)線及已完成的商業(yè)建筑，塔樓區(qū)樁基要求進(jìn)入⑩2c中風(fēng)化玄武玢巖礫內(nèi)不小于1.1 m，屬于典型的超深大直徑嵌巖樁，在寧波地區(qū)同類項(xiàng)目中尚屬首例，同時(shí)受制于現(xiàn)場(chǎng)狹窄的場(chǎng)地條件和極高的工期要求，樁基施工難度極高。

2 基于周邊運(yùn)營(yíng)地鐵保護(hù)的大直徑樁選型及布樁

寧波中心大廈工程場(chǎng)地位于寧波斷陷盆地中部，地貌類型屬第四系沖湖積平原，場(chǎng)內(nèi)表層填土較厚，為典型的軟土地區(qū)。綜合分析本工程超高層建筑性質(zhì)、周邊環(huán)境條件及沉（成）樁可行性，并結(jié)合地勘報(bào)告建議，項(xiàng)目選擇鉆孔灌注樁＋樁底后注漿工藝，以提高單樁承載力和減小沉降變形，控制對(duì)運(yùn)營(yíng)中地鐵的影響。場(chǎng)地地表下114 m深度范圍內(nèi)，由淺至深各地基土可歸納為“硬殼→極軟→稍硬→軟→硬→較軟→硬→較硬→堅(jiān)硬→基巖”的結(jié)構(gòu)特征，適合作為高層建筑持力層，依次為⑦層粉砂（頂板埋深60～68 m）、⑧層粉質(zhì)黏土組合層（頂板埋深68～80 m）、⑨層礫砂層（頂板埋深78～88 m）、⑩2c中風(fēng)化玄武玢巖（頂板埋深98 m）。其中⑨層礫砂層物理力學(xué)性質(zhì)好，壓縮性小，本地區(qū)內(nèi)較多超高層采用⑨層作為持力層，如寧波環(huán)球航運(yùn)中心，其直徑1 m試樁的單樁極限承載力約為22 000 kN。對(duì)本項(xiàng)目而言，當(dāng)采用直徑1.0～1.2 m的鉆孔灌注樁時(shí)，按地勘報(bào)告提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，以⑨層作為持力層的工程樁單樁抗壓承載力特征值可達(dá)到7 000～9 000 kN（有效樁長(zhǎng)約80 m），在塔樓區(qū)采用滿堂布置基本能滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。但由于項(xiàng)目位于地鐵1號(hào)線的50 m保護(hù)線范圍內(nèi)，區(qū)間隧道及車站保護(hù)要求非常高，且地鐵保護(hù)線50 m范圍內(nèi)400 m超高層建筑建造尚無(wú)先例，因此綜合各方面保護(hù)要求后，選定⑩2c中風(fēng)化玄武玢巖作為持力層，以進(jìn)一步降低超高層樁筏基礎(chǔ)沉降影響。同時(shí)采用核心筒梅花形布樁（樁中心距為3倍樁徑）、外框巨柱下集中布樁相結(jié)合的樁基分布形式，以滿足項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。樁位布置圖如圖1所示。

圖1 寧波中心大廈樁位布置

3 大直徑端承摩擦樁的嵌巖深度優(yōu)化

本項(xiàng)目塔樓嵌巖樁設(shè)計(jì)沉樁要求以有效樁長(zhǎng)（90 m）與樁端進(jìn)入持力層深度（嵌巖深度不小于1.1 m）進(jìn)行雙控。基礎(chǔ)底板面標(biāo)高－14.95 m，厚度4.2 m，基樁錨入底板內(nèi)100 mm，塔樓區(qū)非深坑部位樁頂標(biāo)高－19.05 m；局部最大落深7.45 m（核心筒深坑），深坑部位樁頂相對(duì)標(biāo)高－26.50 m。以90 m有效樁長(zhǎng)控制時(shí)，塔樓樁樁底標(biāo)高范圍為－116.50 ～－109.05 m。

根據(jù)地勘報(bào)告，超高層塔樓范圍內(nèi)持力層“中風(fēng)化玄武玢巖”板頂標(biāo)高為－110.59～－100.13 m（地面標(biāo)高－1.20 m）。表1為以90 m有效樁長(zhǎng)控制時(shí)，以塔樓區(qū)各勘探孔巖層高度試算的樁基入巖深度理論值。

表1中，Z33、Z35、Z38等3個(gè)勘探孔位于核心筒最大落深區(qū)，且Z35孔位處，持力層巖面起伏較大。因未采用一樁一孔，每個(gè)勘探孔代表的樁群以勘探孔之間連線的1/2范圍內(nèi)為界。表中樁頂標(biāo)高以勘探孔代表范圍內(nèi)占最多數(shù)的樁頂標(biāo)高為例，當(dāng)樁群大多數(shù)均位于斜坡時(shí)，標(biāo)高不再統(tǒng)計(jì)。

從表1可以看出，在滿足有效樁長(zhǎng)90 m的控制要求下，工程樁入巖深度均大于1.1 m，局部已打穿⑩2c中風(fēng)化玄武玢巖巖層，進(jìn)入⑩2d微風(fēng)化玄武玢巖巖層，給項(xiàng)目整體施工效率與成本控制帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

3.1 樁基入巖深度的設(shè)計(jì)優(yōu)化

截至2019年3月18日，樁基施工絕對(duì)工期共1.5個(gè)月，因深坑部位先行施工，現(xiàn)場(chǎng)僅完成10根塔樓樁混凝土澆筑，單根正常施工時(shí)間4～7 d，平均單樁耗時(shí)5.5 d；正常入巖時(shí)間為1～2 d，入巖耗時(shí)為4 h/m。

表1 工程樁入巖深度理論值

對(duì)樁基施工時(shí)間較長(zhǎng)的原因進(jìn)行分析，盡管存在由于場(chǎng)地過于緊張?jiān)斐晒ぷ髅骐y以鋪開、渣土清運(yùn)困難等諸多因素，但工程樁入巖深度過大也是施工效率難以保證的原因之一。同時(shí)，過大的入巖深度一方面造成機(jī)械鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)、鉆頭損壞及故障概率提升，另一方面成孔時(shí)間長(zhǎng)也使超長(zhǎng)大直徑樁孔坍孔隱患增加，不利于現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。

綜合考慮施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本等后，在確保樁基承載力的前提下對(duì)工程樁入巖開展優(yōu)化。本項(xiàng)目工程樁為端承摩擦樁，樁周側(cè)阻約占樁基總承載力的50%～60%，其中樁基側(cè)阻中考慮了入巖段樁周側(cè)阻[5]。根據(jù)地勘報(bào)告，基巖段樁周側(cè)阻約為其他土層側(cè)阻的2～10倍，在樁基總承載力與樁端承載力保持不變的情況下，按樁周總側(cè)阻不變?cè)瓌t對(duì)樁基入巖進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)確保核心筒深坑區(qū)（落深7.45 m）有效樁長(zhǎng)不小于83 m、核心筒深坑區(qū)以外（含一般深坑）有效樁長(zhǎng)不小于86 m、進(jìn)入⑩2c中風(fēng)化玄武玢巖巖層前有效樁長(zhǎng)不小于77 m，優(yōu)化原則如表2和表3所示（可插值）。

表2 核心筒深坑區(qū)的樁基入巖深度優(yōu)化

表3 核心筒深坑區(qū)以外范圍的樁基入巖深度優(yōu)化

3.2 特殊部位的樁基入巖深度優(yōu)化

如圖2所示，本項(xiàng)目在Z34勘探孔位置存在斷層破碎帶，按照設(shè)計(jì)要求，塔樓樁基需穿越破碎帶之后進(jìn)入穩(wěn)定基巖內(nèi)不小于1.1 m或樁底距破碎帶頂面不小于3倍樁徑。根據(jù)Z34勘探孔巖層數(shù)據(jù)，基巖不考慮斷裂帶的巖面標(biāo)高為－103.35 m，斷裂帶位于巖面以下1～6 m范圍內(nèi)。斷裂帶影響范圍內(nèi)塔樓樁頂標(biāo)高－19.05 m/－20.30 m，考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化后的入巖深度為5.70 m/4.95 m，均位于斷裂帶范圍。如按設(shè)計(jì)要求，在確保全部穿越破碎帶要求下，影響范圍內(nèi)樁基入巖深度約7.50 m，而如果考慮斷裂帶傾斜走向，樁基入巖深度將高達(dá)10 m以上。

圖2 Z34勘探孔位置斷裂破碎帶范圍

考慮其他勘探孔均未揭示斷裂帶，斷裂影響范圍內(nèi)僅有16根樁，為降低施工成本，確保工程質(zhì)量，對(duì)斷裂帶影響范圍內(nèi)的樁位進(jìn)行一樁一孔的補(bǔ)充勘察，目的是進(jìn)一步查明場(chǎng)地樁基位置處中風(fēng)化基巖樁端持力層是否存在斷層破碎帶，以及斷裂帶巖土體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、性質(zhì)狀態(tài)、規(guī)模及空間分布等，以確保樁端承載。補(bǔ)勘結(jié)果表明，在全部16個(gè)樁位中僅2個(gè)樁位存在斷裂帶，且兩者樁端設(shè)計(jì)標(biāo)高與破碎帶頂部最小距離3 m，基本滿足設(shè)計(jì)對(duì)樁端持力層的要求，塔樓工程樁的成樁施工及入巖深度可不考慮斷裂破碎帶影響。

4 狹窄場(chǎng)地內(nèi)百米孔深大直徑嵌巖樁的關(guān)鍵施工技術(shù)優(yōu)化

4.1 場(chǎng)地布置優(yōu)化

本項(xiàng)目紅線內(nèi)場(chǎng)地面積約7 870 m2，紅線范圍內(nèi)幾乎全部為施工范圍，其中塔樓工程樁施工區(qū)域面積約3 600 m2，可用場(chǎng)地極為有限。

樁基施工場(chǎng)地布置以滿足塔樓工程樁施工為基準(zhǔn)，隨施工階段動(dòng)態(tài)調(diào)整：

1）塔樓工程樁前期施工階段。本階段利用場(chǎng)地西側(cè)非塔樓區(qū)布置現(xiàn)場(chǎng)辦公室、倉(cāng)庫(kù)、塔樓樁鋼筋籠加工場(chǎng)地和泥漿池等臨時(shí)設(shè)施，并加快完成場(chǎng)地南側(cè)非塔樓樁及土體加固施工以盡快提供周轉(zhuǎn)場(chǎng)地。同時(shí)，完成北側(cè)已竣工裙房二樓項(xiàng)目辦公室施工。

2）立柱樁、非塔樓樁與塔樓工程樁穿插施工階段。現(xiàn)場(chǎng)辦公室搬遷，原有場(chǎng)地布置集裝箱式泥漿池；已完成的塔樓工程樁進(jìn)行樁孔回填，路面道砟平整后施工硬化道路，作為大型吊裝設(shè)備進(jìn)出塔樓區(qū)的路線；倉(cāng)庫(kù)借用場(chǎng)地東側(cè)的三期空地進(jìn)行場(chǎng)外放置；鋼筋籠場(chǎng)地外加工，鋼筋籠和格構(gòu)柱隨運(yùn)隨吊，及時(shí)就位。場(chǎng)地南側(cè)非塔樓區(qū)樁基加固完成經(jīng)平整后，作為樁底注漿的水泥筒倉(cāng)布置場(chǎng)地。本階段通過與當(dāng)?shù)刂鞴懿块T協(xié)調(diào)，將場(chǎng)地西側(cè)的主要場(chǎng)外道路和源路由6 m道拓寬至10 m，以保證大型車輛進(jìn)出現(xiàn)場(chǎng)需要。

3）土體加固、立柱樁、工程樁與塔樓工程樁穿插施工階段。延續(xù)上一階段場(chǎng)地布置，并完成南側(cè)永久圍墻及備用大門施工。場(chǎng)內(nèi)多種工序交織，場(chǎng)地需求嚴(yán)峻，多次與主管部門協(xié)調(diào)和源路臨時(shí)占道，作為渣土車輛停靠及臨時(shí)卸料場(chǎng)地。

4.2 施工機(jī)械優(yōu)化

根據(jù)試成孔情況，綜合考慮工期、機(jī)械效率，本項(xiàng)目直徑1.1 m超深嵌巖樁采用全液壓鉆機(jī)（ZJD1800及ZJD2300）進(jìn)行施工，計(jì)劃總體施工工效為3～4 d/根。以春節(jié)后2周施工為例，在場(chǎng)內(nèi)2臺(tái)鉆機(jī)作業(yè)的情況下，2周內(nèi)僅完成2根塔樓工程樁打設(shè)，后續(xù)雖有所提升，但整體工效仍遠(yuǎn)低于預(yù)期，如表4所示。經(jīng)成孔質(zhì)量檢測(cè)，鉆機(jī)鉆進(jìn)速度穩(wěn)定，在嵌巖施工中性能優(yōu)異，成孔垂直度可達(dá)1/300，但由于場(chǎng)地80 m范圍內(nèi)分布較厚黏土層，造成鉆頭纏繞及堵管現(xiàn)象嚴(yán)重[6]，鉆機(jī)提鉆及下鉆工序耗工耗時(shí)，造成各工序嚴(yán)重滯后。

表4 鉆機(jī)全樁成孔時(shí)間

如表5所示，鉆孔灌注樁施工除成孔外的其他工序施工耗時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，如提高工效，在成孔階段最為關(guān)鍵。因此，在考慮盡快增加3臺(tái)全液壓鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)（總數(shù)達(dá)到5臺(tái)）、增設(shè)夜間施工勞動(dòng)力等優(yōu)化措施外，現(xiàn)場(chǎng)增加1臺(tái)SQ45配合ZJD2300設(shè)備進(jìn)行鉆孔。

表5 塔樓工程樁固定工序耗時(shí)

SQ45全液壓循環(huán)鉆機(jī)鉆速快，可以有效地解決鉆頭被黏土纏繞的問題，不易堵管，鉆桿全部機(jī)械化安拆，拆裝速度是ZJD2300的2倍以上，成孔垂直度基本可保證1/200，能滿足設(shè)計(jì)要求。ZJD2300鉆機(jī)鉆進(jìn)80 m平均需要65 h，同樣深度內(nèi)SQ45約需18 h（4.5 m/h）。經(jīng)估算，考慮SQ45移位及ZJD2300就位下鉆時(shí)間，如上部80 m鉆進(jìn)采用SQ45型鉆機(jī)，下部28～30 m采用ZJD2300鉆機(jī)鉆進(jìn)，聯(lián)合施工理論上可節(jié)約39 h，工效提升顯著。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，在采用SQ45配合后，即使在入巖深度超過12 m的工程樁施工中，成孔總耗時(shí)也能達(dá)到99.5 h，在入巖深度6 m時(shí)平均成孔時(shí)間123 h。與表4相比，未達(dá)到預(yù)期39 h提升，這主要是與場(chǎng)地狹窄造成的機(jī)械移位延后、與ZJD2300配合后的SQ45鉆進(jìn)速度下降等因素有關(guān)，但單樁成孔時(shí)間可節(jié)約6～9 h。在正常工作條件下，機(jī)械優(yōu)化后的現(xiàn)場(chǎng)塔樓工程樁施工速度基本保持在每月20～30根。

4.3 施工順序優(yōu)化

1）因塔樓工程樁前期進(jìn)度滯后，非塔樓區(qū)樁基加固需提前穿插，因此在施工順序上改變?cè)兴菢稒C(jī)械分散打樁的方案，將打樁機(jī)械以允許的最小安全距離集中在場(chǎng)地南側(cè)，以便為塔樓區(qū)南側(cè)地鐵50 m保護(hù)線范圍內(nèi)及核心筒深坑內(nèi)的滿堂土體加固創(chuàng)造施工條件，并讓出北側(cè)區(qū)域?yàn)榉撬菢妒┕ぬ峁﹫?chǎng)地。

2）考慮后續(xù)挖土工序，插入前必須完成試樁。因此，在后期施工時(shí)，根據(jù)工期進(jìn)度要求優(yōu)先考慮試樁及周邊影響區(qū)域施工。

3）塔樓密集樁群隔一跳一，大直徑工程樁施工順序從分區(qū)域細(xì)化至每臺(tái)打樁機(jī)械、每根樁，以便于狹窄場(chǎng)地內(nèi)的密集機(jī)械安全高效移位。

4.4 樁基檢測(cè)優(yōu)化

本項(xiàng)目工程樁屬于大直徑超深樁，要求采用鉆芯法檢測(cè)樁底沉渣厚度，但在試樁階段，取芯檢測(cè)存在越深越偏離中心并鉆透?jìng)?cè)壁的情況，造成檢測(cè)結(jié)果不具備參考性。由于鄰近地鐵，如鉆透承壓水層，將對(duì)地鐵造成難以估量的破壞性后果。此外，采用灌注樁側(cè)邊鉆孔檢測(cè)鋼筋籠長(zhǎng)度，極易造成承壓水突涌事故。因此在本項(xiàng)目的大直徑超深樁基檢測(cè)中，鋼筋籠長(zhǎng)度檢測(cè)則以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量以及留存照片、錄像等方式進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用了100%埋設(shè)聲測(cè)管檢查樁身完整性，并運(yùn)用數(shù)字化測(cè)井系統(tǒng)對(duì)成孔質(zhì)量及樁底沉渣厚度進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過設(shè)計(jì)施工過程中的優(yōu)化，本項(xiàng)目塔樓工程樁自2019年1月正式打設(shè)，至2019年11月全部完成，平均每天完成0.9根，高峰期每天完成1.33根（單月40根），并在極其有限的場(chǎng)地內(nèi)穿插了土體加固、非塔樓工程樁、支護(hù)樁等多項(xiàng)工序后，基本保證了既定的工期目標(biāo)，為后續(xù)節(jié)前首道支撐及棧橋的完成創(chuàng)造了條件。

通過樁基前期檢測(cè)結(jié)果，表明塔樓工程樁垂直度均小于等于1/200，樁底沉渣厚度5～9 cm，樁基成孔質(zhì)量及試樁承載力滿足要求。本文論述了超長(zhǎng)大直徑嵌巖樁施工過程中為保證質(zhì)量、進(jìn)度、安全所采取的關(guān)鍵優(yōu)化措施，旨在為同類地質(zhì)條件下鄰近地鐵的大直徑超深嵌巖樁設(shè)計(jì)施工提供參考，以推動(dòng)超深樁基技術(shù)的發(fā)展。