超高層建筑超深旋挖灌注樁施工質量控制

熊 歡，王少良，聶付松，黃 亮，胡勵耘

（中南勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430040）

1 項目工程概況及設計要求

武漢某項目用地面積為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，基礎埋深為18.30～27.50 m，樁基礎采用后壓漿鉆孔灌注樁。

塔樓樁基礎直徑?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）層微風化泥巖層，樁端進入持力層深度為10～15 m，有效樁長42～48 m，成孔深度65～70 m，樁身混凝土設計等級為C50，水下灌注混凝土按C55 強度等級配制，總樁數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

場區地面標高為21.93～22.35 m，地貌上屬長江I 級階地。場區在勘探深度86.3 m 范圍內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沖積成因的黏性土和砂土（Q4al）和沖洪積成因的含圓礫細砂（Q4al+pl），下伏基巖為志留系中統墳頭組（S2f）泥巖、泥質頁巖，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 樁基施工重難點及風險分析

2.1 該項目是華中地區首座超高層建筑物，樁基礎設計及施工質量要求高

（1）基樁單樁抗壓承載力檢測最大加載值達到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，超過國家標準規范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 檢測一次孔徑、垂直度、孔內泥漿參數、孔底沉渣厚度等，在未進行清孔的情況下，孔壁應保持穩定，孔底沉渣厚度不超過20 cm；工程樁的樁位孔，終孔前均需進行成孔質量檢測。

（4）設計試樁及工程試樁需要消除空樁段的樁身側摩阻力值，需要采取措施能檢測出試樁有效樁長的承載力值。

以上技術問題的解決措施，在武漢地區均屬于首創，沒有成功經驗可供借鑒。

2.2 項目施工風險較大，工序多，各個環節不能出現任何異常

（1）塔樓區域基礎為深厚筏板基礎，一旦基樁出現問題或隱患，后續處理十分復雜。

（2）終孔后，除安裝鋼筋籠外，還要安裝聲波透射檢測管3 根、注漿管5 根、鉆芯導向管1 根、地熱管以及安裝監測設備，且鋼筋籠采用機械套筒螺接，單樁施工時間長。

（3）空樁段最深達20～27 m，且基樁分布較密，基樁施工完畢后，空樁段內的殘余泥漿如不經處理，易引起空樁段孔壁坍塌，進而引發地陷，導致發生安全質量事故。

3 施工技術措施

為確保成樁質量各項指標達到設計要求，項目采取多項技術措施進行預防及管控。

3.1 設備選型及管理

工程樁施工前，前期試樁施工單位采用回旋鉆孔設備施工，單樁施工時間平均長達7～9 d，最長達到15 d，試樁施工時間長達3 個月，工期及質量控制成為項目推進的痛點。為吸取經驗教訓，在對巖土工程勘察報告進行分析論證后，并與項目建設單位、項目顧問專家組溝通、論證后，項目決定選用3 臺280～320 型旋挖鉆機進行施工。如采用回旋設備，則需20～22 臺，在塔樓區域2 500 m2區域內，施工現場平面布置極其困難，僅20～22 個現場泥漿池、沉淀池、泥漿池與孔口間的泥漿溝等就無法布設，且施工質量無法保證，工期無法估測。

旋挖鉆機較之于回旋鉆機，自帶成孔參數控制系統，對基樁成孔、成樁質量更有保障：

（1）旋挖鉆機可自身調整桅桿垂直度，通過液壓傳動系統和控制系統的表盤，可查看桅桿的垂直度情況，并可及時人工調整，鉆桅的垂直度可控制誤差在1/200 以內，這是回旋鉆機無法比擬的。

（2）在施工過程中，由于旋挖鉆機自帶加強對旋挖鉆機的控制與管理：

a.可及時修正動力頭與桅桿之間的間隙；

b.通過鉆機控制系統，可保持桅桿隨動架中心和動力頭中心一致；

c.確保鉆桿和鉆桿的方頭不偏斜；

d.下護筒時確保護筒垂直；

e.鉆頭方頭箱和中心錐不偏斜。

（3）在開孔前及施工過程中，現場技術人員要多方向架設水準儀，對桅桿垂直度進行監測，及時提出預警，要求施工班組糾偏。

3.2 場地硬化處理

為確保旋挖重型樁工設備的行走安全及施工的穩定性，項目在正式開工前對塔樓樁施工區域均鋪設30 cm厚混凝土，并預留樁位孔，并分區塊設置泥漿溝；在施工場周圍形成混凝土環形道路。

3.3 泥漿質量控制

場區地層土中，在較厚的粉細砂層、細砂、含砂中粗砂，且入強、中微風巖層深達10～15 m，如何調整、控制泥漿指標參數，直接決定孔壁的穩定性和成孔的可靠度。為此，在正式開工前，布設好泥漿池、沉淀池、泥砂過濾器、泥漿溝等，確保泥漿循環系統布局科學合理。泥漿池、沉淀池埋設突破常規，側壁均采用鋼板預埋，避免機械設備在清理泥漿、沉定池時泥漿池不至于垮塌。

開孔前，先用膨潤土、純堿、纖維素等進行造漿，并經24 h 以上膨化，檢測指標達到要求后，旋挖鉆機方可正式開鉆。

項目首先進行了2 根樁的試驗性成孔，成孔過程中，及時監控并調整機身平整和桅桿垂直度，確保成孔的垂直度誤差。終孔后，用新鮮泥漿對孔內泥漿進行置換，樁位孔再靜置48 h，靜置時每6 h 對泥漿比重、黏度、含砂率等進行檢測，含砂率控制均在3%以內；同時對孔徑、垂直度、孔底沉渣等進行檢測，檢測結果均達到設計要求。

在工程樁施工過程中，結合試成孔的施工效果，形成了成孔施工技術、質量控制標準和質量檢查標準，并嚴格標準進行控制和檢查。

3.4 試樁側摩阻力消除——雙套管施工技術

因前期試樁采用回旋設備施工，調整成孔施工工藝后，設計院要求再進行5 組試樁，試樁檢測結果要求真實反映基樁在空樁段截除后有效樁長段的側摩阻力、樁端阻力值。

同心鋼制雙套管技術，可將內外套管間進行有效隔離，套管經專業廠家制作完成后，在旋挖鉆機成孔至設計樁頂標高深度時，將雙套管整體安裝入孔。吊裝時，由于雙套管長度達到19～21 m，現場采用兩臺吊車，四點起吊。雙套管在安裝入孔前，內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外套管變為柔性連接，內套管與樁身混凝土連為一體。在試樁靜載檢測時，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，從而達到試驗目的。

3.5 試樁靜載檢測

由于試樁單樁抗壓承載力極限值為27 000 kN，檢測加載能力應達到30 000 kN。常規施工技術很難達到檢測要求。

項目采用反力錨樁法，在試樁周圍施工4 根反力錨樁，用來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，次梁通過傳力鋼構件與反力錨樁的樁身主縱筋焊接，同時對試樁樁頭的鋼筋及樁身混凝土進行加強。

通過對5 組試樁進行的靜載試驗，最大加載值達到30 000 kN，加載至27 000 kN 時，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。通過對套管外管的標高測定，外套管頂部基本無下沉，試樁檢測效果良好，達到了設計預期效果。

3.6 鋼筋籠制作安裝

（1）在鋼筋棚內加工鋼筋籠時，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至孔口前，在加工棚內均進行試連接，確保套筒連接順利。

（3）為縮短孔口套筒連接時間，鋼筋籠采用每兩節整體制作。

（4）為確保孔口鋼筋套筒連接工作間距，將主縱筋調整為加勁筋內外各布一圈，確保套套連接的工作間距，同時將一個加勁箍調整為兩個并排。

通過以上措施，鋼筋籠孔口套筒連接時間由原試樁施工時的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險。

3.7 二次清孔質量控制

成孔達到設計要求深度后，經第三方檢測合格，及時安裝鋼筋及其他各類檢測元件及地源熱泵管完畢。二次清孔采用氣舉反循環。項目配置了12 m3的空壓機，并根據孔內泥漿參數指標調整送氣管的深度，氣管底部深度在35～45 m，清孔時風壓控制在0.6～0.8 MPa，以確保反循環清孔的效果，清孔質量達到設計要求后，再澆注混凝土成樁。

3.8 樁身混凝土灌注

樁身混凝土設計強度等級為C50，且要求水下灌注強度按C55 配置。為此，項目與商砼公司共同進行研究，進行了多次試配，并對混凝土的和易性、初凝時間、終凝時間、3 d、7 d、14 d、28 d 的強度進行了檢測試驗，各項指標均達到要求后，方在現場使用。

為確?，F場混凝土灌注的連續性和初始灌注量，現場首批混凝土必須達到4 整車時，方可以開始灌注。

3.9 空樁段泥漿固化技術

塔樓區域均為裙樁，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，項目采用了固化灰漿技術對空樁段泥漿進行固化，確保地面硬化混凝土路面下不出現空洞，以確保旋挖鉆機施工及行走安全。

4 成樁質量檢測技術

4.1 檢測設備及其原理

項目成孔質量檢測采用CZ-2S 灌注樁孔質量檢測系統：JJY-1D 型井徑儀、JJX-3D 型測斜儀、CZ-2 型沉渣儀，其檢測原理如下：

4.1.1 成孔直徑檢測

在檢測前，將檢測井口架置于護筒上，先對樁位中心進行測量定位，連接儀器，將井口滑輪置于井口架上，將井徑儀通過井口滑輪下放至孔底，上提井徑儀時，井徑儀機械臂在彈簧的作用下，其末端張開緊貼井壁。隨著絞車提升井徑儀，不同深度井徑的變化，機械臂的末端也隨著張開或合攏，同時帶動電位器滑臂移動，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，地面計算機同步記錄電位差變化，并自動保存成孔深度與井徑之間的檢測曲線。

4.1.2 垂直度檢測

將儀器通過井口滑輪從井口下放至孔底，每隔5 m讀取一次數據，根據儀器測量的頂角、方位、深度等參數，傳輸并存儲在計算中，用計算機顯示打印數據成果表及計算機解釋的平面投影圖、側面投影圖、剖面投影圖和空間軌跡圖，并計算出成孔垂直度，并在地面儀器中顯示。

4.1.3 孔底沉渣

將沉渣探頭通過井口滑輪下放到孔底，啟動沉渣儀伸出探針，主機讀取探針狀態，當探針傾斜超過一定范圍時提示調整探頭位置直至探頭近似直立。主機控制探針緩慢伸出，同時測定探針壓力和伸出長度，當壓力大于一定值時停止，根據計算機記錄的曲線，探針伸出長度即為當前位置沉渣厚度，讀取沉渣厚度。

4.2 項目樁基質量檢測結果

項目經第三方檢測機構對塔樓區域448 根工程樁進行了成孔質量檢測，其中對227 個孔進行孔徑、垂直度檢測，占工程樁總數的50.7%，全數進行了孔底沉渣檢測，所有檢測結果均滿足設計要求。檢測結果顯示：孔徑誤差在+0.9～95 mm 之間，個別孔位處坍孔直徑達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，均小于設計要求小于1/200 的要求，成孔質量達到預期目標。

4.3 樁身質量檢測

4.3.1 單樁抗壓靜載檢測

檢測采用反力錨桿提供反力，慢速維持荷載法加載，用電動油泵驅動7 個并聯同型5 000 kN 油壓千斤頂，在加載至極限承載力24 000～27 000 kN 時，沉降桿法測得樁頂沉降為9.14～9.91 mm，樁端位移為2.11～2.39 mm，達到設計要求。

4.3.2 基樁完整性檢測

（1）聲波透射法

根據設計要求，對總樁數的30%進行聲波透射法檢測，在抽檢的135 根樁中，Ⅰ類樁達到91.1%，Ⅱ類樁為8.9%，無Ⅲ、Ⅳ類樁。

（2）低應變檢測

對全部448 根工程樁均進行了低應變檢測，其中Ⅰ類樁達到97.1%，Ⅱ類樁為2.9%，無Ⅲ、Ⅳ類樁。

（3）鉆芯法檢測

按總樁的2%進行了鉆芯法檢測，受檢的9 根樁，樁身混凝土連續、完整、混凝土膠結完好，混凝土強度均達到C50 強度等級要求，均為Ⅰ類樁。

5 結論

本項目在施工過程中，由于前期準備充分，進展極為順利，施工過程中未出現樁身質量問題或留下質量隱患，并按建設單位要求，提前17 d 完成施工任務。本項目的成功實施，為武漢地區長江Ⅰ級階地區域，超高層建筑施工，提供了較為成熟的經驗。

（1）項目開工前，準備充分。項目現場從設計文件理解、巖土工程勘察報告分析、施工平面布置、設備選型、工藝過程控制節點等技術措施及應急預案等均做了詳細策劃，編制了專項施工方案，并對操作班組進行技術交底，必要的項目，先進行現場演練再正式實施，有效預防了各類可能出現的問題與風險，施工及質量控制效果得到各方的高度贊譽。

（2）加強了與參建各方的溝通協調。開工前期，即將樁基檢測單位、商砼公司、地緣熱泵安裝等單位組織到現場進行專項研究，確保各個環節不出現空檔。如成孔質量檢測，需要檢測人員24 小時值班，特別是晚上，終孔后，需要對成孔技術參數進行檢測，檢測人員均能及時趕到現場，確保施工過程連續。

（3）開展新技術研究和創新，為項目技術質量保駕護航。本項目諸多施工技術，諸如垂直度控制、空樁段消除側摩阻力、50%的樁位孔成孔質量檢測、C55 強度等級水下混凝土灌注等，在武漢地區創造了多項第一，為相關工程領域提供了經驗。

但在施工過程中，也存在一些不足之處：

（1）由于成孔深度較深，地層中粉砂、粉細砂、細砂、中粗砂中夾卵、礫石較厚，對泥漿質量要求極高，部分樁孔在終孔后，需要較長時間沉淀，再用清底鉆頭清除孔底沉渣，但效果仍然有限，清底鉆頭型式需進一步改進。

（2）終孔后，為確?？妆诜€定，需要泥漿的比例、黏度達到護壁要求，但如果泥漿濃度超過一定值，且孔內泥漿所生的應力較大，井徑儀機械臂在孔底伸張不開，影響檢測效果，井徑儀機械臂的強度與剛度需要提升。

（3）終孔后，由于安裝鋼筋籠及其他檢測元件及地熱管時間較長，孔內泥漿經時間靜置后，孔底泥漿比重增大，部分孔位氣舉反循環清孔時間長，且氣管埋深需要根據泥漿指標進行調整，個別孔位清孔最長時間達6 h，如何進一步提升氣舉反循環的效率，在工藝上有待進一步改進。