軟土地區超高層建筑樁基及基坑工程施工新技術研究與進展

房霆宸 龔 劍

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術研究中心 上海 200080

隨著我國城市化建設進程的加快，土地資源日益稀缺，超高層建筑作為高效利用城市土地和空間資源的建筑類型，如雨后春筍般不斷涌現，已經成為城市發展的必然趨勢。然而超高層建筑往往坐落于中心城區繁華地帶，周邊環境逼仄，空間資源緊張，地下工程施工環境極其復雜，對環境保護和基坑微變形控制要求嚴苛，樁基與基坑施工難度極大，既有施工技術已無法滿足工程需要。

鑒于此，本文從樁基工程、地下連續墻工程、基坑工程施工這3個方面進行討論，并重點介紹了樁基工程的超長鉆孔灌注樁、超大超深地下連續墻施工工藝、深大基坑微變形控制技術等樁基與基坑工程施工新技術。

1 樁基工程施工技術

超高層工程的樁基礎形式主要為預制混凝土樁、鋼管樁以及鋼筋混凝土灌注樁這3種形式，其中預制混凝土樁、鋼管樁屬于打入型樁基，鋼筋混凝土灌注樁屬于鉆孔灌注樁。隨著超高層建筑規模的擴大，樁基基底的荷載也變得越來越大，在設計時往往要求樁基需要穿越上覆土層并進入受力相對較好的持力層以便獲取較高的承載力，同時控制變形也有相應的要求[1-2]。

我國早期的超高層建（構）筑物工程樁基多采用打入型樁基，如東方明珠電視塔工程，該工程采用預制混凝土方樁，樁基斷面為500 mm×500 mm，樁長48 m，樁基設計承載力為4 500 kN；金茂大廈采用φ914 mm鋼管樁，壁厚20 mm，樁長83 m，靜載試驗分析得出單樁容許承載力達到7 500 kN；上海環球金融中心工程采用的是φ700 mm鋼管樁，樁長為79 m和60 m，其中4根典型鋼管樁的容許承載力分別為6 917、5 232、5 677和3 912 kN[3]。打入型樁基施工普遍存在擠土、振動以及噪聲等危害，對施工現場周邊環境的影響較大，難以適應中心城區繁華地帶的苛刻施工控制要求[4-5]。

鉆孔灌注樁具有抗震性能好、大承載力、適用性強、施工噪聲小等諸多優點，如上海中心大廈工程采用φ1 m、樁長最長達86 m的大承載力后注漿鉆孔灌注樁，主樓樁均采用樁端后注漿施工，其中2根試樁的極限承載力分別為26 000、28 000 kN，另外2根試樁的極限承載力則分別不小于30 000、31 000 kN，樁端極限承載力增長了近4倍。目前，大直徑超深鉆孔灌注樁的應用已成為一種趨勢，如天津117大廈、北京中信大廈、上海國金中心等工程均采用了樁體后注漿工藝[6-7]。但大直徑超深鉆孔樁因其施工工藝，難于避免樁側泥皮、樁端沉渣過厚和孔壁松弛效應明顯等缺陷，因此單樁承載力達不到設計要求的工程事例屢見不鮮，選擇合適的成孔機具、工藝和輔助措施甚為關鍵。

2 地下連續墻工程

隨著超高建筑對地下空間的充分利用，地下連續墻工藝已成為超高層建筑基礎施工主流工藝技術。地下連續墻具有剛度大、整體性好、施工對周邊環境影響小、防滲及耐久性能優越等特點，被廣泛應用于超高層建筑深大基坑施工。地下連續墻既可作為臨時圍護結構，也可作為永久性的擋土、擋水以及承重結構，目前超高層建筑基坑施工普遍采用主體地下室外墻與圍護墻“兩墻合一”的現澆地下連續墻技術[8]，地下連續墻施工質量的好壞直接關系到后續開挖的安全及主體結構的使用壽命。

隨著地下空間開發工藝與裝備的發展，地下連續墻施工工藝已由傳統的抓土成槽工藝發展到了抓銑結合以及套銑成槽的施工工藝，其深度也不斷增大。如金茂大廈工程率先采用“兩鉆一抓”施工工藝，解決了鐵板砂層地下連續墻成槽技術難題；上海中心大廈工程采用抓銑結合成槽工藝，首次在深厚砂質地層中采用套銑成槽工藝，完成了墻厚1.2 m、槽深50 m的地下連續墻施工。

目前最新的技術采用了套銑接頭的新型施工工藝，該工藝取消了傳統的鎖口管，實現了超深地下連續墻技術的突破，如在蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程中，采用德國寶峨MC128雙輪銑槽機施工，地下連續墻施工深度達到106 m，試驗施工深度已經達到150 m，創造了國內最深地下連續墻的施工紀錄。

3 基坑工程

軟土深大基坑施工往往會產生較強的環境效應，基坑開挖時往往也會引起周圍土體應力場和位移場的變化，對周邊環境將產生一定的不利影響。超高層建筑往往位于城市中心繁華地帶，項目周邊建（構）筑物密集、場地四周各類地下管線交織，對深基坑設計、施工的變形控制要求越來越嚴格。深基坑工程由早期的穩定控制進入了變形控制的時代，對于地鐵、高鐵、機場等對變形控制要求高的環境條件，其環境變形控制要求已經由厘米級控制進入了0～10 mm、精度1 mm的毫米級控制。傳統變形被動控制理論與方法已不能滿足毫米級控制要求，深大基坑變形對環境安全影響的毫米級微變形主動控制也成為新的城市發展環境下的重大需求。

工程實測的數據顯示，當基坑寬度達100 m以上時，軟土深大基坑的周邊沉降值以及沉降影響范圍往往會比常規的基坑增大1倍左右。其主要產生機理，是圍護結構以下土體的深層滑移帶的產生和發展而造成的。根據工程施工時深層滑移帶的分布特點，當基坑為狹窄基坑時，土體不易形成深層滑移帶，其基坑變形的影響范圍和程度也較小，而隨著基坑開挖寬度的不斷增大，土體深層的滑移帶將逐漸擴展，直至完全形成。因此，對緊鄰地鐵等重點保護對象的深大基坑工程，在充分考慮場地布局的基礎上，可有針對性地采用深大基坑分區支護技術，將其分為遠離保護對象的大基坑和緊鄰保護對象的狹窄基坑。

通過加大基坑與保護對象的距離，并借助后開挖的狹窄基坑剛度大的隔擋作用，進而控制大基坑卸荷對保護對象所產生的影響。基坑開挖時，通常遠離保護對象的大基坑先開挖，盡可能使保護對象處在較大基坑開挖影響范圍之外；緊鄰保護對象的狹窄基坑后開挖，通過控制狹窄基坑的寬度（一般基坑寬度可設為20 m左右）以便限制深層滑移帶的形成和發展，同時輔以分層分段形式開挖、快速形成支撐等變形控制措施來滿足深大基坑微變形的控制要求。其中，較大基坑一般位于中心位置并遠離保護目標，根據需要還可進一步逐層分級細分[9-11]。

基坑開挖時，采取開挖一段支撐一段的措施，以減少基坑暴露時間，縮短基坑平衡力系建立的時間，控制基坑的變形。如在上海靜安嘉里中心基坑施工時，針對需要重點保護的地鐵車站、毛澤東故居等建（構）筑物，通過預留小基坑將大基坑進行分隔，實施效果顯著，施工期間的地下連續墻側向變形控制在開挖深度的0.1%以內；淮海路3號地塊基坑緊鄰多條在建或已經運營的地鐵區間隧道及車站，特別是基坑北側地下連續墻距軌交1號線隧道最近處僅7.5 m，為保護地鐵安全，在北側平行于地鐵位置設置4個寬約16 m的小基坑，與大基坑相隔離，同時在小基坑的開挖中采用了最新的鋼支撐軸力自動伺服系統。經監測，地下連續墻側向變形控制在了10 mm以內。

4 結語

20世紀90年代以來，尤其是近年來，我國在樁基和基坑施工技術方面取得了舉世矚目的成就，但其發展仍存在一定的不足。

一是樁基和基坑施工理論研究存在不足，尤其樁基和基坑施工受力及變形機理、施工風險耦合理論等方面還需進一步研究。

二是系統性的信息化、數字化施工技術應用方面存在不足，現有樁基和基坑施工多以點上應用信息化、數字化施工技術為主，對于信息化數字化的系統性應用較少。

三是現有樁基和基坑施工裝備相對于制造業發展滯后，亟須引入智能化、工業化建造理念對現有裝備進行升級改造。

鑒于此，樁基和基坑施工理論、數字化控制、機械化施工將是未來的研究重點和發展趨勢。