超長大直徑嵌巖鉆孔灌注樁設計與施工優化技術

忻旭煒

上海建工集團股份有限公司 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、地層適應性強、抗震性能好等特點，在對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82 m/86 m）[1]、天津117大廈（樁徑1 100 mm，樁長76.5 m）[2]、廣州新電視塔（樁徑3 800 mm，樁長15～25 m）[3]、寧波環球航運中心（樁徑1 000 mm，樁長69 m）[4]等項目的單樁設計承載力均不小于10 000 kN，在保護周邊建（構）筑物、減少環境擾動等方面也取得了良好的效果。

寧波中心大廈（以下簡稱“本項目”）位于浙江省寧波市東部新城核心區A3-25-2地塊，建筑高度409 m，地下3層，地上80層。本項目采用樁筏基礎，其中塔樓區樁基直徑1 100 mm，設計樁長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259根；非塔樓區樁基直徑800 mm，設計樁長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170根。由于緊鄰運營中的地鐵1號線及已完成的商業建筑，塔樓區樁基要求進入⑩2c中風化玄武玢巖礫內不小于1.1 m，屬于典型的超深大直徑嵌巖樁，在寧波地區同類項目中尚屬首例，同時受制于現場狹窄的場地條件和極高的工期要求，樁基施工難度極高。

2 基于周邊運營地鐵保護的大直徑樁選型及布樁

寧波中心大廈工程場地位于寧波斷陷盆地中部，地貌類型屬第四系沖湖積平原，場內表層填土較厚，為典型的軟土地區。綜合分析本工程超高層建筑性質、周邊環境條件及沉（成）樁可行性，并結合地勘報告建議，項目選擇鉆孔灌注樁＋樁底后注漿工藝，以提高單樁承載力和減小沉降變形，控制對運營中地鐵的影響。場地地表下114 m深度范圍內，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→堅硬→基巖”的結構特征，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中風化玄武玢巖（頂板埋深98 m）。其中⑨層礫砂層物理力學性質好，壓縮性小，本地區內較多超高層采用⑨層作為持力層，如寧波環球航運中心，其直徑1 m試樁的單樁極限承載力約為22 000 kN。對本項目而言，當采用直徑1.0～1.2 m的鉆孔灌注樁時，按地勘報告提供的數據進行估算，以⑨層作為持力層的工程樁單樁抗壓承載力特征值可達到7 000～9 000 kN（有效樁長約80 m），在塔樓區采用滿堂布置基本能滿足本項目設計要求。但由于項目位于地鐵1號線的50 m保護線范圍內，區間隧道及車站保護要求非常高，且地鐵保護線50 m范圍內400 m超高層建筑建造尚無先例，因此綜合各方面保護要求后，選定⑩2c中風化玄武玢巖作為持力層，以進一步降低超高層樁筏基礎沉降影響。同時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合的樁基分布形式，以滿足項目經濟性目標。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化

本項目塔樓嵌巖樁設計沉樁要求以有效樁長（90 m）與樁端進入持力層深度（嵌巖深度不小于1.1 m）進行雙控。基礎底板面標高－14.95 m，厚度4.2 m，基樁錨入底板內100 mm，塔樓區非深坑部位樁頂標高－19.05 m；局部最大落深7.45 m（核心筒深坑），深坑部位樁頂相對標高－26.50 m。以90 m有效樁長控制時，塔樓樁樁底標高范圍為－116.50 ～－109.05 m。

根據地勘報告，超高層塔樓范圍內持力層“中風化玄武玢巖”板頂標高為－110.59～－100.13 m（地面標高－1.20 m）。表1為以90 m有效樁長控制時，以塔樓區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個勘探孔位于核心筒最大落深區，且Z35孔位處，持力層巖面起伏較大。因未采用一樁一孔，每個勘探孔代表的樁群以勘探孔之間連線的1/2范圍內為界。表中樁頂標高以勘探孔代表范圍內占最多數的樁頂標高為例，當樁群大多數均位于斜坡時，標高不再統計。

從表1可以看出，在滿足有效樁長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中風化玄武玢巖巖層，進入⑩2d微風化玄武玢巖巖層，給項目整體施工效率與成本控制帶來極大挑戰。

3.1 樁基入巖深度的設計優化

截至2019年3月18日，樁基施工絕對工期共1.5個月，因深坑部位先行施工，現場僅完成10根塔樓樁混凝土澆筑，單根正常施工時間4～7 d，平均單樁耗時5.5 d；正常入巖時間為1～2 d，入巖耗時為4 h/m。

表1 工程樁入巖深度理論值

對樁基施工時間較長的原因進行分析，盡管存在由于場地過于緊張造成工作面難以鋪開、渣土清運困難等諸多因素，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，過大的入巖深度一方面造成機械鉆進時間長、鉆頭損壞及故障概率提升，另一方面成孔時間長也使超長大直徑樁孔坍孔隱患增加，不利于現場質量控制。

綜合考慮施工質量、進度、安全、成本等后，在確保樁基承載力的前提下對工程樁入巖開展優化。本項目工程樁為端承摩擦樁，樁周側阻約占樁基總承載力的50%～60%，其中樁基側阻中考慮了入巖段樁周側阻[5]。根據地勘報告，基巖段樁周側阻約為其他土層側阻的2～10倍，在樁基總承載力與樁端承載力保持不變的情況下，按樁周總側阻不變原則對樁基入巖進行優化，同時確保核心筒深坑區（落深7.45 m）有效樁長不小于83 m、核心筒深坑區以外（含一般深坑）有效樁長不小于86 m、進入⑩2c中風化玄武玢巖巖層前有效樁長不小于77 m，優化原則如表2和表3所示（可插值）。

表2 核心筒深坑區的樁基入巖深度優化

表3 核心筒深坑區以外范圍的樁基入巖深度優化

3.2 特殊部位的樁基入巖深度優化

如圖2所示，本項目在Z34勘探孔位置存在斷層破碎帶，按照設計要求，塔樓樁基需穿越破碎帶之后進入穩定基巖內不小于1.1 m或樁底距破碎帶頂面不小于3倍樁徑。根據Z34勘探孔巖層數據，基巖不考慮斷裂帶的巖面標高為－103.35 m，斷裂帶位于巖面以下1～6 m范圍內。斷裂帶影響范圍內塔樓樁頂標高－19.05 m/－20.30 m，考慮設計優化后的入巖深度為5.70 m/4.95 m，均位于斷裂帶范圍。如按設計要求，在確保全部穿越破碎帶要求下，影響范圍內樁基入巖深度約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，斷裂影響范圍內僅有16根樁，為降低施工成本，確保工程質量，對斷裂帶影響范圍內的樁位進行一樁一孔的補充勘察，目的是進一步查明場地樁基位置處中風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構構造、性質狀態、規模及空間分布等，以確保樁端承載。補勘結果表明，在全部16個樁位中僅2個樁位存在斷裂帶，且兩者樁端設計標高與破碎帶頂部最小距離3 m，基本滿足設計對樁端持力層的要求，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 狹窄場地內百米孔深大直徑嵌巖樁的關鍵施工技術優化

4.1 場地布置優化

本項目紅線內場地面積約7 870 m2，紅線范圍內幾乎全部為施工范圍，其中塔樓工程樁施工區域面積約3 600 m2，可用場地極為有限。

樁基施工場地布置以滿足塔樓工程樁施工為基準，隨施工階段動態調整：

1）塔樓工程樁前期施工階段。本階段利用場地西側非塔樓區布置現場辦公室、倉庫、塔樓樁鋼筋籠加工場地和泥漿池等臨時設施，并加快完成場地南側非塔樓樁及土體加固施工以盡快提供周轉場地。同時，完成北側已竣工裙房二樓項目辦公室施工。

2）立柱樁、非塔樓樁與塔樓工程樁穿插施工階段。現場辦公室搬遷，原有場地布置集裝箱式泥漿池；已完成的塔樓工程樁進行樁孔回填，路面道砟平整后施工硬化道路，作為大型吊裝設備進出塔樓區的路線；倉庫借用場地東側的三期空地進行場外放置；鋼筋籠場地外加工，鋼筋籠和格構柱隨運隨吊，及時就位。場地南側非塔樓區樁基加固完成經平整后，作為樁底注漿的水泥筒倉布置場地。本階段通過與當地主管部門協調，將場地西側的主要場外道路和源路由6 m道拓寬至10 m，以保證大型車輛進出現場需要。

3）土體加固、立柱樁、工程樁與塔樓工程樁穿插施工階段。延續上一階段場地布置，并完成南側永久圍墻及備用大門施工。場內多種工序交織，場地需求嚴峻，多次與主管部門協調和源路臨時占道，作為渣土車輛停靠及臨時卸料場地。

4.2 施工機械優化

根據試成孔情況，綜合考慮工期、機械效率，本項目直徑1.1 m超深嵌巖樁采用全液壓鉆機（ZJD1800及ZJD2300）進行施工，計劃總體施工工效為3～4 d/根。以春節后2周施工為例，在場內2臺鉆機作業的情況下，2周內僅完成2根塔樓工程樁打設，后續雖有所提升，但整體工效仍遠低于預期，如表4所示。經成孔質量檢測，鉆機鉆進速度穩定，在嵌巖施工中性能優異，成孔垂直度可達1/300，但由于場地80 m范圍內分布較厚黏土層，造成鉆頭纏繞及堵管現象嚴重[6]，鉆機提鉆及下鉆工序耗工耗時，造成各工序嚴重滯后。

表4 鉆機全樁成孔時間

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相對穩定，如提高工效，在成孔階段最為關鍵。因此，在考慮盡快增加3臺全液壓鉆機設備進場（總數達到5臺）、增設夜間施工勞動力等優化措施外，現場增加1臺SQ45配合ZJD2300設備進行鉆孔。

表5 塔樓工程樁固定工序耗時

SQ45全液壓循環鉆機鉆速快，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，能滿足設計要求。ZJD2300鉆機鉆進80 m平均需要65 h，同樣深度內SQ45約需18 h（4.5 m/h）。經估算，考慮SQ45移位及ZJD2300就位下鉆時間，如上部80 m鉆進采用SQ45型鉆機，下部28～30 m采用ZJD2300鉆機鉆進，聯合施工理論上可節約39 h，工效提升顯著。

經過現場實際驗證，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，成孔總耗時也能達到99.5 h，在入巖深度6 m時平均成孔時間123 h。與表4相比，未達到預期39 h提升，這主要是與場地狹窄造成的機械移位延后、與ZJD2300配合后的SQ45鉆進速度下降等因素有關，但單樁成孔時間可節約6～9 h。在正常工作條件下，機械優化后的現場塔樓工程樁施工速度基本保持在每月20～30根。

4.3 施工順序優化

1）因塔樓工程樁前期進度滯后，非塔樓區樁基加固需提前穿插，因此在施工順序上改變原有塔樓樁機械分散打樁的方案，將打樁機械以允許的最小安全距離集中在場地南側，以便為塔樓區南側地鐵50 m保護線范圍內及核心筒深坑內的滿堂土體加固創造施工條件，并讓出北側區域為非塔樓樁施工提供場地。

2）考慮后續挖土工序，插入前必須完成試樁。因此，在后期施工時，根據工期進度要求優先考慮試樁及周邊影響區域施工。

3）塔樓密集樁群隔一跳一，大直徑工程樁施工順序從分區域細化至每臺打樁機械、每根樁，以便于狹窄場地內的密集機械安全高效移位。

4.4 樁基檢測優化

本項目工程樁屬于大直徑超深樁，要求采用鉆芯法檢測樁底沉渣厚度，但在試樁階段，取芯檢測存在越深越偏離中心并鉆透側壁的情況，造成檢測結果不具備參考性。由于鄰近地鐵，如鉆透承壓水層，將對地鐵造成難以估量的破壞性后果。此外，采用灌注樁側邊鉆孔檢測鋼筋籠長度，極易造成承壓水突涌事故。因此在本項目的大直徑超深樁基檢測中，鋼筋籠長度檢測則以現場實測實量以及留存照片、錄像等方式進行檢測，同時采用了100%埋設聲測管檢查樁身完整性，并運用數字化測井系統對成孔質量及樁底沉渣厚度進行檢測。

5 結語

經過設計施工過程中的優化，本項目塔樓工程樁自2019年1月正式打設，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），并在極其有限的場地內穿插了土體加固、非塔樓工程樁、支護樁等多項工序后，基本保證了既定的工期目標，為后續節前首道支撐及棧橋的完成創造了條件。

通過樁基前期檢測結果，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，樁基成孔質量及試樁承載力滿足要求。本文論述了超長大直徑嵌巖樁施工過程中為保證質量、進度、安全所采取的關鍵優化措施，旨在為同類地質條件下鄰近地鐵的大直徑超深嵌巖樁設計施工提供參考，以推動超深樁基技術的發展。