超长大直径嵌岩钻孔灌注桩设计与施工优化技术

忻旭炜

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 概述

钻孔灌注桩具有承载力大、几何尺寸灵活多变、地层适应性强、抗震性能好等特点，在对承载可靠性要求较高的超高层建筑桩基工程中被广泛使用。上海中心大厦（桩径1 000 mm，桩长82 m/86 m）[1]、天津117大厦（桩径1 100 mm，桩长76.5 m）[2]、广州新电视塔（桩径3 800 mm，桩长15～25 m）[3]、宁波环球航运中心（桩径1 000 mm，桩长69 m）[4]等项目的单桩设计承载力均不小于10 000 kN，在保护周边建（构）筑物、减少环境扰动等方面也取得了良好的效果。

宁波中心大厦（以下简称“本项目”）位于浙江省宁波市东部新城核心区A3-25-2地块，建筑高度409 m，地下3层，地上80层。本项目采用桩筏基础，其中塔楼区桩基直径1 100 mm，设计桩长90 m，单桩桩底注浆水泥量为4.4 t，单桩抗压承载力特征值1 500 t，总数259根；非塔楼区桩基直径800 mm，设计桩长46 m/53 m，单桩抗压承载力特征值220 t，单桩抗拔承载力特征值140 t，总数170根。由于紧邻运营中的地铁1号线及已完成的商业建筑，塔楼区桩基要求进入⑩2c中风化玄武玢岩砾内不小于1.1 m，属于典型的超深大直径嵌岩桩，在宁波地区同类项目中尚属首例，同时受制于现场狭窄的场地条件和极高的工期要求，桩基施工难度极高。

2 基于周边运营地铁保护的大直径桩选型及布桩

宁波中心大厦工程场地位于宁波断陷盆地中部，地貌类型属第四系冲湖积平原，场内表层填土较厚，为典型的软土地区。综合分析本工程超高层建筑性质、周边环境条件及沉（成）桩可行性，并结合地勘报告建议，项目选择钻孔灌注桩＋桩底后注浆工艺，以提高单桩承载力和减小沉降变形，控制对运营中地铁的影响。场地地表下114 m深度范围内，由浅至深各地基土可归纳为“硬壳→极软→稍硬→软→硬→较软→硬→较硬→坚硬→基岩”的结构特征，适合作为高层建筑持力层，依次为⑦层粉砂（顶板埋深60～68 m）、⑧层粉质黏土组合层（顶板埋深68～80 m）、⑨层砾砂层（顶板埋深78～88 m）、⑩2c中风化玄武玢岩（顶板埋深98 m）。其中⑨层砾砂层物理力学性质好，压缩性小，本地区内较多超高层采用⑨层作为持力层，如宁波环球航运中心，其直径1 m试桩的单桩极限承载力约为22 000 kN。对本项目而言，当采用直径1.0～1.2 m的钻孔灌注桩时，按地勘报告提供的数据进行估算，以⑨层作为持力层的工程桩单桩抗压承载力特征值可达到7 000～9 000 kN（有效桩长约80 m），在塔楼区采用满堂布置基本能满足本项目设计要求。但由于项目位于地铁1号线的50 m保护线范围内，区间隧道及车站保护要求非常高，且地铁保护线50 m范围内400 m超高层建筑建造尚无先例，因此综合各方面保护要求后，选定⑩2c中风化玄武玢岩作为持力层，以进一步降低超高层桩筏基础沉降影响。同时采用核心筒梅花形布桩（桩中心距为3倍桩径）、外框巨柱下集中布桩相结合的桩基分布形式，以满足项目经济性目标。桩位布置图如图1所示。

图1 宁波中心大厦桩位布置

3 大直径端承摩擦桩的嵌岩深度优化

本项目塔楼嵌岩桩设计沉桩要求以有效桩长（90 m）与桩端进入持力层深度（嵌岩深度不小于1.1 m）进行双控。基础底板面标高－14.95 m，厚度4.2 m，基桩锚入底板内100 mm，塔楼区非深坑部位桩顶标高－19.05 m；局部最大落深7.45 m（核心筒深坑），深坑部位桩顶相对标高－26.50 m。以90 m有效桩长控制时，塔楼桩桩底标高范围为－116.50 ～－109.05 m。

根据地勘报告，超高层塔楼范围内持力层“中风化玄武玢岩”板顶标高为－110.59～－100.13 m（地面标高－1.20 m）。表1为以90 m有效桩长控制时，以塔楼区各勘探孔岩层高度试算的桩基入岩深度理论值。

表1中，Z33、Z35、Z38等3个勘探孔位于核心筒最大落深区，且Z35孔位处，持力层岩面起伏较大。因未采用一桩一孔，每个勘探孔代表的桩群以勘探孔之间连线的1/2范围内为界。表中桩顶标高以勘探孔代表范围内占最多数的桩顶标高为例，当桩群大多数均位于斜坡时，标高不再统计。

从表1可以看出，在满足有效桩长90 m的控制要求下，工程桩入岩深度均大于1.1 m，局部已打穿⑩2c中风化玄武玢岩岩层，进入⑩2d微风化玄武玢岩岩层，给项目整体施工效率与成本控制带来极大挑战。

3.1 桩基入岩深度的设计优化

截至2019年3月18日，桩基施工绝对工期共1.5个月，因深坑部位先行施工，现场仅完成10根塔楼桩混凝土浇筑，单根正常施工时间4～7 d，平均单桩耗时5.5 d；正常入岩时间为1～2 d，入岩耗时为4 h/m。

表1 工程桩入岩深度理论值

对桩基施工时间较长的原因进行分析，尽管存在由于场地过于紧张造成工作面难以铺开、渣土清运困难等诸多因素，但工程桩入岩深度过大也是施工效率难以保证的原因之一。同时，过大的入岩深度一方面造成机械钻进时间长、钻头损坏及故障概率提升，另一方面成孔时间长也使超长大直径桩孔坍孔隐患增加，不利于现场质量控制。

综合考虑施工质量、进度、安全、成本等后，在确保桩基承载力的前提下对工程桩入岩开展优化。本项目工程桩为端承摩擦桩，桩周侧阻约占桩基总承载力的50%～60%，其中桩基侧阻中考虑了入岩段桩周侧阻[5]。根据地勘报告，基岩段桩周侧阻约为其他土层侧阻的2～10倍，在桩基总承载力与桩端承载力保持不变的情况下，按桩周总侧阻不变原则对桩基入岩进行优化，同时确保核心筒深坑区（落深7.45 m）有效桩长不小于83 m、核心筒深坑区以外（含一般深坑）有效桩长不小于86 m、进入⑩2c中风化玄武玢岩岩层前有效桩长不小于77 m，优化原则如表2和表3所示（可插值）。

表2 核心筒深坑区的桩基入岩深度优化

表3 核心筒深坑区以外范围的桩基入岩深度优化

3.2 特殊部位的桩基入岩深度优化

如图2所示，本项目在Z34勘探孔位置存在断层破碎带，按照设计要求，塔楼桩基需穿越破碎带之后进入稳定基岩内不小于1.1 m或桩底距破碎带顶面不小于3倍桩径。根据Z34勘探孔岩层数据，基岩不考虑断裂带的岩面标高为－103.35 m，断裂带位于岩面以下1～6 m范围内。断裂带影响范围内塔楼桩顶标高－19.05 m/－20.30 m，考虑设计优化后的入岩深度为5.70 m/4.95 m，均位于断裂带范围。如按设计要求，在确保全部穿越破碎带要求下，影响范围内桩基入岩深度约7.50 m，而如果考虑断裂带倾斜走向，桩基入岩深度将高达10 m以上。

图2 Z34勘探孔位置断裂破碎带范围

考虑其他勘探孔均未揭示断裂带，断裂影响范围内仅有16根桩，为降低施工成本，确保工程质量，对断裂带影响范围内的桩位进行一桩一孔的补充勘察，目的是进一步查明场地桩基位置处中风化基岩桩端持力层是否存在断层破碎带，以及断裂带岩土体的结构构造、性质状态、规模及空间分布等，以确保桩端承载。补勘结果表明，在全部16个桩位中仅2个桩位存在断裂带，且两者桩端设计标高与破碎带顶部最小距离3 m，基本满足设计对桩端持力层的要求，塔楼工程桩的成桩施工及入岩深度可不考虑断裂破碎带影响。

4 狭窄场地内百米孔深大直径嵌岩桩的关键施工技术优化

4.1 场地布置优化

本项目红线内场地面积约7 870 m2，红线范围内几乎全部为施工范围，其中塔楼工程桩施工区域面积约3 600 m2，可用场地极为有限。

桩基施工场地布置以满足塔楼工程桩施工为基准，随施工阶段动态调整：

1）塔楼工程桩前期施工阶段。本阶段利用场地西侧非塔楼区布置现场办公室、仓库、塔楼桩钢筋笼加工场地和泥浆池等临时设施，并加快完成场地南侧非塔楼桩及土体加固施工以尽快提供周转场地。同时，完成北侧已竣工裙房二楼项目办公室施工。

2）立柱桩、非塔楼桩与塔楼工程桩穿插施工阶段。现场办公室搬迁，原有场地布置集装箱式泥浆池；已完成的塔楼工程桩进行桩孔回填，路面道砟平整后施工硬化道路，作为大型吊装设备进出塔楼区的路线；仓库借用场地东侧的三期空地进行场外放置；钢筋笼场地外加工，钢筋笼和格构柱随运随吊，及时就位。场地南侧非塔楼区桩基加固完成经平整后，作为桩底注浆的水泥筒仓布置场地。本阶段通过与当地主管部门协调，将场地西侧的主要场外道路和源路由6 m道拓宽至10 m，以保证大型车辆进出现场需要。

3）土体加固、立柱桩、工程桩与塔楼工程桩穿插施工阶段。延续上一阶段场地布置，并完成南侧永久围墙及备用大门施工。场内多种工序交织，场地需求严峻，多次与主管部门协调和源路临时占道，作为渣土车辆停靠及临时卸料场地。

4.2 施工机械优化

根据试成孔情况，综合考虑工期、机械效率，本项目直径1.1 m超深嵌岩桩采用全液压钻机（ZJD1800及ZJD2300）进行施工，计划总体施工工效为3～4 d/根。以春节后2周施工为例，在场内2台钻机作业的情况下，2周内仅完成2根塔楼工程桩打设，后续虽有所提升，但整体工效仍远低于预期，如表4所示。经成孔质量检测，钻机钻进速度稳定，在嵌岩施工中性能优异，成孔垂直度可达1/300，但由于场地80 m范围内分布较厚黏土层，造成钻头缠绕及堵管现象严重[6]，钻机提钻及下钻工序耗工耗时，造成各工序严重滞后。

表4 钻机全桩成孔时间

如表5所示，钻孔灌注桩施工除成孔外的其他工序施工耗时相对稳定，如提高工效，在成孔阶段最为关键。因此，在考虑尽快增加3台全液压钻机设备进场（总数达到5台）、增设夜间施工劳动力等优化措施外，现场增加1台SQ45配合ZJD2300设备进行钻孔。

表5 塔楼工程桩固定工序耗时

SQ45全液压循环钻机钻速快，可以有效地解决钻头被黏土缠绕的问题，不易堵管，钻杆全部机械化安拆，拆装速度是ZJD2300的2倍以上，成孔垂直度基本可保证1/200，能满足设计要求。ZJD2300钻机钻进80 m平均需要65 h，同样深度内SQ45约需18 h（4.5 m/h）。经估算，考虑SQ45移位及ZJD2300就位下钻时间，如上部80 m钻进采用SQ45型钻机，下部28～30 m采用ZJD2300钻机钻进，联合施工理论上可节约39 h，工效提升显著。

经过现场实际验证，在采用SQ45配合后，即使在入岩深度超过12 m的工程桩施工中，成孔总耗时也能达到99.5 h，在入岩深度6 m时平均成孔时间123 h。与表4相比，未达到预期39 h提升，这主要是与场地狭窄造成的机械移位延后、与ZJD2300配合后的SQ45钻进速度下降等因素有关，但单桩成孔时间可节约6～9 h。在正常工作条件下，机械优化后的现场塔楼工程桩施工速度基本保持在每月20～30根。

4.3 施工顺序优化

1）因塔楼工程桩前期进度滞后，非塔楼区桩基加固需提前穿插，因此在施工顺序上改变原有塔楼桩机械分散打桩的方案，将打桩机械以允许的最小安全距离集中在场地南侧，以便为塔楼区南侧地铁50 m保护线范围内及核心筒深坑内的满堂土体加固创造施工条件，并让出北侧区域为非塔楼桩施工提供场地。

2）考虑后续挖土工序，插入前必须完成试桩。因此，在后期施工时，根据工期进度要求优先考虑试桩及周边影响区域施工。

3）塔楼密集桩群隔一跳一，大直径工程桩施工顺序从分区域细化至每台打桩机械、每根桩，以便于狭窄场地内的密集机械安全高效移位。

4.4 桩基检测优化

本项目工程桩属于大直径超深桩，要求采用钻芯法检测桩底沉渣厚度，但在试桩阶段，取芯检测存在越深越偏离中心并钻透侧壁的情况，造成检测结果不具备参考性。由于邻近地铁，如钻透承压水层，将对地铁造成难以估量的破坏性后果。此外，采用灌注桩侧边钻孔检测钢筋笼长度，极易造成承压水突涌事故。因此在本项目的大直径超深桩基检测中，钢筋笼长度检测则以现场实测实量以及留存照片、录像等方式进行检测，同时采用了100%埋设声测管检查桩身完整性，并运用数字化测井系统对成孔质量及桩底沉渣厚度进行检测。

5 结语

经过设计施工过程中的优化，本项目塔楼工程桩自2019年1月正式打设，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（单月40根），并在极其有限的场地内穿插了土体加固、非塔楼工程桩、支护桩等多项工序后，基本保证了既定的工期目标，为后续节前首道支撑及栈桥的完成创造了条件。

通过桩基前期检测结果，表明塔楼工程桩垂直度均小于等于1/200，桩底沉渣厚度5～9 cm，桩基成孔质量及试桩承载力满足要求。本文论述了超长大直径嵌岩桩施工过程中为保证质量、进度、安全所采取的关键优化措施，旨在为同类地质条件下邻近地铁的大直径超深嵌岩桩设计施工提供参考，以推动超深桩基技术的发展。