超高层建筑超深旋挖灌注桩施工质量控制

熊 欢，王少良，聂付松，黄 亮，胡励耘

（中南勘察基础工程有限公司，湖北 武汉 430040）

1 项目工程概况及设计要求

武汉某项目用地面积为28 100 m2，总建筑面积约为323 000 m2，地面建筑面积约256 400 m2，主楼高为88 层，建筑高度438 m，巨型柱-核心筒-伸臂桁架体系，地下4 层，基础埋深为18.30～27.50 m，桩基础采用后压浆钻孔灌注桩。

塔楼桩基础直径Ø1 000 mm，单桩竖向抗压承载力特征值为13 500 kN，桩端持力层为（6-4）层微风化泥岩层，桩端进入持力层深度为10～15 m，有效桩长42～48 m，成孔深度65～70 m，桩身混凝土设计等级为C50，水下灌注混凝土按C55 强度等级配制，总桩数448 根。图1 为塔楼桩基平面布置图。

图1 塔楼桩基平面布置图

场区地面标高为21.93～22.35 m，地貌上属长江I 级阶地。场区在勘探深度86.3 m 范围内所分布的地层除表层分布有（1）素填土（Qml）外，其下为第四系全新统冲积成因的黏性土和砂土（Q4al）和冲洪积成因的含圆砾细砂（Q4al+pl），下伏基岩为志留系中统坟头组（S2f）泥岩、泥质页岩，各岩土层分布埋藏情况及特征如表1。

表1 各岩土层分布埋藏情况及特征

2 桩基施工重难点及风险分析

2.1 该项目是华中地区首座超高层建筑物，桩基础设计及施工质量要求高

（1）基桩单桩抗压承载力检测最大加载值达到27 000 kN，采用反力锚桩法加载。

（2）桩基垂直度误差不大于1/200，超过国家标准规范1/100 要求。

（3）试桩正式施工前需试成孔，且要求静置48 h，每6 h 检测一次孔径、垂直度、孔内泥浆参数、孔底沉渣厚度等，在未进行清孔的情况下，孔壁应保持稳定，孔底沉渣厚度不超过20 cm；工程桩的桩位孔，终孔前均需进行成孔质量检测。

（4）设计试桩及工程试桩需要消除空桩段的桩身侧摩阻力值，需要采取措施能检测出试桩有效桩长的承载力值。

以上技术问题的解决措施，在武汉地区均属于首创，没有成功经验可供借鉴。

2.2 项目施工风险较大，工序多，各个环节不能出现任何异常

（1）塔楼区域基础为深厚筏板基础，一旦基桩出现问题或隐患，后续处理十分复杂。

（2）终孔后，除安装钢筋笼外，还要安装声波透射检测管3 根、注浆管5 根、钻芯导向管1 根、地热管以及安装监测设备，且钢筋笼采用机械套筒螺接，单桩施工时间长。

（3）空桩段最深达20～27 m，且基桩分布较密，基桩施工完毕后，空桩段内的残余泥浆如不经处理，易引起空桩段孔壁坍塌，进而引发地陷，导致发生安全质量事故。

3 施工技术措施

为确保成桩质量各项指标达到设计要求，项目采取多项技术措施进行预防及管控。

3.1 设备选型及管理

工程桩施工前，前期试桩施工单位采用回旋钻孔设备施工，单桩施工时间平均长达7～9 d，最长达到15 d，试桩施工时间长达3 个月，工期及质量控制成为项目推进的痛点。为吸取经验教训，在对岩土工程勘察报告进行分析论证后，并与项目建设单位、项目顾问专家组沟通、论证后，项目决定选用3 台280～320 型旋挖钻机进行施工。如采用回旋设备，则需20～22 台，在塔楼区域2 500 m2区域内，施工现场平面布置极其困难，仅20～22 个现场泥浆池、沉淀池、泥浆池与孔口间的泥浆沟等就无法布设，且施工质量无法保证，工期无法估测。

旋挖钻机较之于回旋钻机，自带成孔参数控制系统，对基桩成孔、成桩质量更有保障：

（1）旋挖钻机可自身调整桅杆垂直度，通过液压传动系统和控制系统的表盘，可查看桅杆的垂直度情况，并可及时人工调整，钻桅的垂直度可控制误差在1/200 以内，这是回旋钻机无法比拟的。

（2）在施工过程中，由于旋挖钻机自带加强对旋挖钻机的控制与管理：

a.可及时修正动力头与桅杆之间的间隙；

b.通过钻机控制系统，可保持桅杆随动架中心和动力头中心一致；

c.确保钻杆和钻杆的方头不偏斜；

d.下护筒时确保护筒垂直；

e.钻头方头箱和中心锥不偏斜。

（3）在开孔前及施工过程中，现场技术人员要多方向架设水准仪，对桅杆垂直度进行监测，及时提出预警，要求施工班组纠偏。

3.2 场地硬化处理

为确保旋挖重型桩工设备的行走安全及施工的稳定性，项目在正式开工前对塔楼桩施工区域均铺设30 cm厚混凝土，并预留桩位孔，并分区块设置泥浆沟；在施工场周围形成混凝土环形道路。

3.3 泥浆质量控制

场区地层土中，在较厚的粉细砂层、细砂、含砂中粗砂，且入强、中微风岩层深达10～15 m，如何调整、控制泥浆指标参数，直接决定孔壁的稳定性和成孔的可靠度。为此，在正式开工前，布设好泥浆池、沉淀池、泥砂过滤器、泥浆沟等，确保泥浆循环系统布局科学合理。泥浆池、沉淀池埋设突破常规，侧壁均采用钢板预埋，避免机械设备在清理泥浆、沉定池时泥浆池不至于垮塌。

开孔前，先用膨润土、纯碱、纤维素等进行造浆，并经24 h 以上膨化，检测指标达到要求后，旋挖钻机方可正式开钻。

项目首先进行了2 根桩的试验性成孔，成孔过程中，及时监控并调整机身平整和桅杆垂直度，确保成孔的垂直度误差。终孔后，用新鲜泥浆对孔内泥浆进行置换，桩位孔再静置48 h，静置时每6 h 对泥浆比重、黏度、含砂率等进行检测，含砂率控制均在3%以内；同时对孔径、垂直度、孔底沉渣等进行检测，检测结果均达到设计要求。

在工程桩施工过程中，结合试成孔的施工效果，形成了成孔施工技术、质量控制标准和质量检查标准，并严格标准进行控制和检查。

3.4 试桩侧摩阻力消除——双套管施工技术

因前期试桩采用回旋设备施工，调整成孔施工工艺后，设计院要求再进行5 组试桩，试桩检测结果要求真实反映基桩在空桩段截除后有效桩长段的侧摩阻力、桩端阻力值。

同心钢制双套管技术，可将内外套管间进行有效隔离，套管经专业厂家制作完成后，在旋挖钻机成孔至设计桩顶标高深度时，将双套管整体安装入孔。吊装时，由于双套管长度达到19～21 m，现场采用两台吊车，四点起吊。双套管在安装入孔前，内外套筒连接均为刚性连接，安装完毕、混凝土灌注成桩后套管内外套管变为柔性连接，内套管与桩身混凝土连为一体。在试桩静载检测时，试桩静荷载作用于桩身上，由于外套管与桩身为柔性连接，隔离了空桩段桩身与土体之间的作用力，从而达到试验目的。

3.5 试桩静载检测

由于试桩单桩抗压承载力极限值为27 000 kN，检测加载能力应达到30 000 kN。常规施工技术很难达到检测要求。

项目采用反力锚桩法，在试桩周围施工4 根反力锚桩，用来为试桩加载提供反力，采用1 根钢制主梁、4 根次梁，垂直交叉，次梁通过传力钢构件与反力锚桩的桩身主纵筋焊接，同时对试桩桩头的钢筋及桩身混凝土进行加强。

通过对5 组试桩进行的静载试验，最大加载值达到30 000 kN，加载至27 000 kN 时，桩顶沉降量在9.14～9.91 mm 之间，桩底沉降量在2.11～2.43 mm 之间。通过对套管外管的标高测定，外套管顶部基本无下沉，试桩检测效果良好，达到了设计预期效果。

3.6 钢筋笼制作安装

（1）在钢筋棚内加工钢筋笼时，制作了钢筋主纵筋加工定位器，确保纵筋间距误差小于2 mm。

（2）每根桩的钢筋笼在吊运至孔口前，在加工棚内均进行试连接，确保套筒连接顺利。

（3）为缩短孔口套筒连接时间，钢筋笼采用每两节整体制作。

（4）为确保孔口钢筋套筒连接工作间距，将主纵筋调整为加劲筋内外各布一圈，确保套套连接的工作间距，同时将一个加劲箍调整为两个并排。

通过以上措施，钢筋笼孔口套筒连接时间由原试桩施工时的17 h，缩短至6 h，工效提高极为明显，也避免了桩位孔坍孔风险。

3.7 二次清孔质量控制

成孔达到设计要求深度后，经第三方检测合格，及时安装钢筋及其他各类检测元件及地源热泵管完毕。二次清孔采用气举反循环。项目配置了12 m3的空压机，并根据孔内泥浆参数指标调整送气管的深度，气管底部深度在35～45 m，清孔时风压控制在0.6～0.8 MPa，以确保反循环清孔的效果，清孔质量达到设计要求后，再浇注混凝土成桩。

3.8 桩身混凝土灌注

桩身混凝土设计强度等级为C50，且要求水下灌注强度按C55 配置。为此，项目与商砼公司共同进行研究，进行了多次试配，并对混凝土的和易性、初凝时间、终凝时间、3 d、7 d、14 d、28 d 的强度进行了检测试验，各项指标均达到要求后，方在现场使用。

为确保现场混凝土灌注的连续性和初始灌注量，现场首批混凝土必须达到4 整车时，方可以开始灌注。

3.9 空桩段泥浆固化技术

塔楼区域均为裙桩，桩分布较密，且空桩段较深。成桩后，为了防止空桩段孔壁坍塌造成地表沉陷，项目采用了固化灰浆技术对空桩段泥浆进行固化，确保地面硬化混凝土路面下不出现空洞，以确保旋挖钻机施工及行走安全。

4 成桩质量检测技术

4.1 检测设备及其原理

项目成孔质量检测采用CZ-2S 灌注桩孔质量检测系统：JJY-1D 型井径仪、JJX-3D 型测斜仪、CZ-2 型沉渣仪，其检测原理如下：

4.1.1 成孔直径检测

在检测前，将检测井口架置于护筒上，先对桩位中心进行测量定位，连接仪器，将井口滑轮置于井口架上，将井径仪通过井口滑轮下放至孔底，上提井径仪时，井径仪机械臂在弹簧的作用下，其末端张开紧贴井壁。随着绞车提升井径仪，不同深度井径的变化，机械臂的末端也随着张开或合拢，同时带动电位器滑臂移动，井径的变化就变成了电阻的变化，变化的电阻间电位差就反映了井径的变化，地面计算机同步记录电位差变化，并自动保存成孔深度与井径之间的检测曲线。

4.1.2 垂直度检测

将仪器通过井口滑轮从井口下放至孔底，每隔5 m读取一次数据，根据仪器测量的顶角、方位、深度等参数，传输并存储在计算中，用计算机显示打印数据成果表及计算机解释的平面投影图、侧面投影图、剖面投影图和空间轨迹图，并计算出成孔垂直度，并在地面仪器中显示。

4.1.3 孔底沉渣

将沉渣探头通过井口滑轮下放到孔底，启动沉渣仪伸出探针，主机读取探针状态，当探针倾斜超过一定范围时提示调整探头位置直至探头近似直立。主机控制探针缓慢伸出，同时测定探针压力和伸出长度，当压力大于一定值时停止，根据计算机记录的曲线，探针伸出长度即为当前位置沉渣厚度，读取沉渣厚度。

4.2 项目桩基质量检测结果

项目经第三方检测机构对塔楼区域448 根工程桩进行了成孔质量检测，其中对227 个孔进行孔径、垂直度检测，占工程桩总数的50.7%，全数进行了孔底沉渣检测，所有检测结果均满足设计要求。检测结果显示：孔径误差在+0.9～95 mm 之间，个别孔位处坍孔直径达1 129 mm；成孔后二次清孔前的沉渣厚度在4.0～17.5 cm 之间；成孔垂直度误差在1/312～1/222 之间，均小于设计要求小于1/200 的要求，成孔质量达到预期目标。

4.3 桩身质量检测

4.3.1 单桩抗压静载检测

检测采用反力锚杆提供反力，慢速维持荷载法加载，用电动油泵驱动7 个并联同型5 000 kN 油压千斤顶，在加载至极限承载力24 000～27 000 kN 时，沉降杆法测得桩顶沉降为9.14～9.91 mm，桩端位移为2.11～2.39 mm，达到设计要求。

4.3.2 基桩完整性检测

（1）声波透射法

根据设计要求，对总桩数的30%进行声波透射法检测，在抽检的135 根桩中，Ⅰ类桩达到91.1%，Ⅱ类桩为8.9%，无Ⅲ、Ⅳ类桩。

（2）低应变检测

对全部448 根工程桩均进行了低应变检测，其中Ⅰ类桩达到97.1%，Ⅱ类桩为2.9%，无Ⅲ、Ⅳ类桩。

（3）钻芯法检测

按总桩的2%进行了钻芯法检测，受检的9 根桩，桩身混凝土连续、完整、混凝土胶结完好，混凝土强度均达到C50 强度等级要求，均为Ⅰ类桩。

5 结论

本项目在施工过程中，由于前期准备充分，进展极为顺利，施工过程中未出现桩身质量问题或留下质量隐患，并按建设单位要求，提前17 d 完成施工任务。本项目的成功实施，为武汉地区长江Ⅰ级阶地区域，超高层建筑施工，提供了较为成熟的经验。

（1）项目开工前，准备充分。项目现场从设计文件理解、岩土工程勘察报告分析、施工平面布置、设备选型、工艺过程控制节点等技术措施及应急预案等均做了详细策划，编制了专项施工方案，并对操作班组进行技术交底，必要的项目，先进行现场演练再正式实施，有效预防了各类可能出现的问题与风险，施工及质量控制效果得到各方的高度赞誉。

（2）加强了与参建各方的沟通协调。开工前期，即将桩基检测单位、商砼公司、地缘热泵安装等单位组织到现场进行专项研究，确保各个环节不出现空档。如成孔质量检测，需要检测人员24 小时值班，特别是晚上，终孔后，需要对成孔技术参数进行检测，检测人员均能及时赶到现场，确保施工过程连续。

（3）开展新技术研究和创新，为项目技术质量保驾护航。本项目诸多施工技术，诸如垂直度控制、空桩段消除侧摩阻力、50%的桩位孔成孔质量检测、C55 强度等级水下混凝土灌注等，在武汉地区创造了多项第一，为相关工程领域提供了经验。

但在施工过程中，也存在一些不足之处：

（1）由于成孔深度较深，地层中粉砂、粉细砂、细砂、中粗砂中夹卵、砾石较厚，对泥浆质量要求极高，部分桩孔在终孔后，需要较长时间沉淀，再用清底钻头清除孔底沉渣，但效果仍然有限，清底钻头型式需进一步改进。

（2）终孔后，为确保孔壁稳定，需要泥浆的比例、黏度达到护壁要求，但如果泥浆浓度超过一定值，且孔内泥浆所生的应力较大，井径仪机械臂在孔底伸张不开，影响检测效果，井径仪机械臂的强度与刚度需要提升。

（3）终孔后，由于安装钢筋笼及其他检测元件及地热管时间较长，孔内泥浆经时间静置后，孔底泥浆比重增大，部分孔位气举反循环清孔时间长，且气管埋深需要根据泥浆指标进行调整，个别孔位清孔最长时间达6 h，如何进一步提升气举反循环的效率，在工艺上有待进一步改进。