复杂环境条件下48 m长灌注桩的施工技术

韩 锋

(中央美术学院，北京100102)

中央美术学院雕塑系教学楼原结构为2层框架，平面布局为环形，根据使用需要，上部加建两层。经核算，加层后原结构基础承载力不足，故将新加建结构与原结构完全脱开，在原结构天井内设置四个钢骨混凝土筒体，加层结构采用巨型钢桁架从筒体中向外悬挑。因整栋新建雕塑馆荷载全部由四个混凝土筒承担，筒下荷载较大，而布桩面积有限，故需采用承载力较高的桩方能满足设计要求。根据结构设计，扩建工程采用直径800 mm的钻孔灌注桩，以第⑧大层砂卵石层作为桩端持力层，且桩端须进入该土层1.0 m，桩长≥48 m，属于超长桩。

本工程桩基施工在雕塑系西侧内部庭院，施工场地紧邻既有教学楼，教学楼仍在使用，场地狭小，桩基施工难度大，且施工对周边环境的影响控制要求极高。灌注桩的施工质量直接影响着整个工程的安全，根据现场条件及工程地质特点，本工程桩基采用了旋挖施工工艺，并通过采取多项有效的技术措施，桩基工程最终得以顺利实施并取得了良好的效果。本文对雕塑系扩建工程超长灌注桩的施工技术进行了总结，对以后类似或相关工程具有参考作用。

1 工程概况

中央美术学院位于北京市朝阳区花家地南街8号，建成后为地上五层，首层层高为6.00 m，二层为5.35 m，夹层为3.15 m，三层为3.90 m，四层为4.82 m。从两侧筒体结构外侧起算，加层结构东侧悬挑21.6 m，西侧悬挑10.4 m，南北两侧各悬挑10.4 m。根据结构验算，在4个钢骨混凝土筒体下各布置14根桩，共设计56根桩。由于加层悬挑结构不对称，此桩基方案考虑在东侧两个筒体下桩基采用桩底、桩侧后压浆工艺，以提高单桩承载力并减少桩基沉降。本工程要求东侧筒体下注浆单桩极限抗压承载力R≥12 000 kN，西侧未注浆单桩极限抗压承载力R≥8 000 kN。混凝土筒下桩承台板厚均为1 500 mm。

工程场区处于原南湖渠砖厂的取土坑范围内，取土坑深度一般为10 m左右，在20世纪80年代末期至20世纪90年代逐步进行了不规则回填、整平，并成为城市建设用地。根据对现场钻探、原位测试与室内土工实验成果的综合分析，勘察深度范围内地层，按成因类型、沉积年代可划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并按岩性及工程特性进一步分为10个大层及亚层。

表层人工堆积层厚度为6.10～10.60 m，主要为房渣土①1层，稍密，稍湿;粘质粉土填土①2层，中密，湿，可塑～硬塑;粉质粘土填土①3层，湿，软塑～可塑，较软。人工堆积层以下为第四纪沉积的粘质粉土、粉质粘土②层，中密，湿～饱和，可塑～硬塑，中等强度;细砂、粉砂③层，密实，饱和，较硬;粘质粉土、砂质粉土④层，湿～饱和，中～较硬;含有机质重粉质粘土⑤层，湿～饱和，可塑;其下为密实，饱和的卵石、圆砾⑥层、细砂、中砂⑥1层、细砂、粉砂⑥2层;粉质粘土、粘质粉土⑦层，饱和～湿，可塑～硬塑，较硬;第⑧大层卵石，密实，饱和，该层是桩基的持力层;再往下为粉质粘土、粘质粉土⑨层，湿～饱和，硬塑～可塑，较硬;细砂、中砂⑩层，密实，饱和，较硬。

本工程地层中共有4层地下水，第1层地下静止水位标高为29.24～30.42 m(埋深7.00～8.10 m)，地下水类型为台地潜水;第2层地下水静止水位标高为28.16～28.69 m(埋深8.70～9.20 m)，地下水类型为具承压性的层间水;第3层地下水静止水位标高为21.26 m(埋深16.10 m)，地下水类型为具承压性的层间水;第4层地下水静止水位标高为16.66 m(埋深20.70 m)，地下水类型为承压水。深部的卵石层中也分布有承压水。

本次施工内容为，钢筋笼加工制作、灌注桩成孔、水下混凝土灌注、桩基后压浆、上部回填土层加固处理。

2 桩基工程难点

2.1 施工场地狭小

施工场地位于既有教学楼内部庭院，庭院面积约22 m×24 m，四个筒体紧靠庭院的四角布置，最近处离既有建筑约1 m。狭小的施工场地给施工带来的具体困难主要有:①狭小的施工场地不利于现场机械设备的运转，限制了施工功效;②不具备多上设备、大面积施工的条件，施工工期具有一定的压力;③由于本工程需采用泥浆护壁的施工工艺，狭小的施工场地给泥浆池的布置带来困难，需要对渣土进行多次倒运，增加了施工成本;④受施工场地的影响，钢筋笼无法一次起吊，需分节起吊，孔口连接，影响施工速度与质量;⑤配套设备(如吊车、铲车等)无法发挥最大功效，增加了施工成本。

2.2 施工场地条件复杂

施工场地处于原南湖渠砖厂的取土坑范围内，取土坑深度约10 m，在20世纪80年代末至20世纪90年代逐渐进行了不规则回填、整平。原教学楼施工时，采用了碎石桩挤密。施工场地范围内地下埋设有上、下水管道及雨水蓄水池。周围1 m为既有建筑，既有建筑为一柱一桩，桩长20 m，施工范围内有废弃的原雨棚基础下直径800 mm的灌注桩。

回填土层成分复杂，其中混杂有大块径的硬块(如块石、混凝土块等杂物)，因此成孔成桩均会遇到很大的困难。部分雨棚基础桩和现设计桩位相隔很近，如有施工偏差，会出现两者打架的情况，给施工带来困难。本工程最近处离既有建筑仅1 m，应确保所采取的施工工艺不至于产生对既有建筑基础的不利影响。

2.3 桩基施工难度大，对设备要求高

本工程桩基桩径800 mm，桩长约48 m，从现地面算起，施工桩长超过50 m，普通的小型设备无法满足要求。另外地下水、第⑥大层砂卵石层均给成孔造成一定的影响，应采取适宜、可靠的机械设备，并可能需要针对不同的条件采用不同的施工工艺、设备相互配合施工。本工程钢筋笼长近50 m，制作、起吊均对场地、设备提出了更高的要求。

2.4 工序较多，相互影响

本工程涉及成孔、钢筋笼加工、混凝土灌注、后压浆、桩基检测等诸多工序，相互之间相互穿插、相互制约，必须制定详细的施工方案和预案，并根据现场的实际情况进行及时调整，才有可能在约定工期内保质保量完成合同内容。

2.5 上部人工填土对施工影响大

场地上部有近10 m的人工填土层，为新近堆积，主要为房渣土、粉质粘土、粘质粉土填土，结构松散，强度低。灌注桩成孔施工过程中，易塌孔、漏浆，如不采取可靠的护壁措施，将导致无法成孔。另外松散的上部填土对后期桩基的抗水平承载力的发挥不利，影响整体结构的安全，必须采取可靠的措施对上部土层进行加固处理。

3 桩基施工工艺

根据现场实际条件，本工程桩基采用泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺。

(1)成孔方式:采用旋挖钻机成孔;

(2)护壁方式:泥浆护壁，控制泥浆比重，采用专用膨润土和外加剂人工拌制;

(3)钢筋笼制作安装:钢筋采取直螺纹机械连接方式，分成三节，每节单独起吊，孔口连接;

(4)清孔方式:二次清孔，钻头掏渣结合泵吸清渣;

(5)浇灌方式:导管法水下混凝土浇注;

(6)注浆:桩端、桩侧后注浆;

(7)回填土加固:花管注浆。

3.1 钻孔设备

北京地区常用的钻孔灌注桩的成孔工艺主要有:正、反循环成孔、冲击成孔、旋挖成孔、长螺旋成孔。其中，除长螺旋成孔外，其余的均需采用泥浆护壁，因而长螺旋成孔是最环保的一种施工工艺。但长螺旋成孔受设备的限制，一般施工桩长不超过30 m，且穿越砂层、卵石、回填土层的能力较差。本工程桩长约50 m，远远超过了长螺旋设备的施工能力，无法采用该工艺。冲击成孔施工效率最慢，且泥浆污染最严重，一般用于含有较多卵石、碎石、基岩的地层，且采用常规施工工艺施工困难的地层，显然不适合在本工程中采用。正循环工艺常用在细粒土层中，对于孔深较大的端承型桩和粗粒土层中的摩擦型桩，则宜采用反循环工艺成孔。旋挖施工工艺是近十年来发展最快的一种灌注桩施工工艺，该工艺几乎适用于任何地质条件，功效高且环保。根据以上分析，对于本工程，宜采用反循环或是旋挖钻机成孔。

同旋挖钻机相比，反循环钻机施工速度慢，泥浆多，且穿过厚层的人工填土层及第⑥层卵石层有一定的困难，本工程施工场地狭小，不可能多上设备同时施工，且不够条件挖设大型的泥浆坑，若全采用反循环钻机，施工工期、文明施工不易保证。采用旋挖钻机施工有以下几方面的好处:①钻机施工能力强，穿过回填土层和第⑥层卵石层容易;②施工速度快，按现施工条件，24 h施工每套设备可成桩2根，工期有保证;③泥浆少，可减少渣土外运工作量，现场文明施工程度高。综上，本工程选用旋挖钻机进行施工，型号为宇通YTR220。施工过程中发现，到达持力层第⑧层卵石层后，采用常规的旋挖钻头难以钻进，施工速度缓慢，后采用短螺旋钻头预钻松工艺，成功解决了在密实卵石层中钻进困难的问题。

3.2 护壁工艺

钻孔前在测定的桩位，准确埋设护筒，隔离地面积水，稳定孔口土壤和保护孔壁不塌。由于施工场地上部地层为松散的人工填土层，同常规项目相比，本工程对护筒进行了加长，护筒长度为4 m。在钻孔灌注桩的施工过程中，为了防止坍孔，稳定孔内水位及便于挟带钻碴，采用优质钠基膨润土制备成泥浆进行护壁。

泥浆循环系统包括制浆池、沉淀池、储浆池、出浆槽、泥浆泵和进浆管等。各组成部分需有适当的高差，以利泥浆自然流动循环，经沉淀净化后的泥浆由泥浆泵输送到钻孔中继续使用。钻机开始钻孔前需要挖好泥浆池，泥浆池位置可选择在不影响车辆出入且相对固定的地方，具体可选择在两个承台之间的部位。挖好后为防止漏浆底部铺设PE薄膜，泥浆池周围设置围护措施。泥浆调制采用机械搅拌，搅拌时将定量的清水加入搅拌机，然后慢慢地加进与水量相应的膨润土，并开动机器搅拌，成浆后打开出浆门出浆。在钻孔过程中随时注意观测泥浆性能的变化情况，并根据不同的地层对泥浆性能的不同要求及时调整造浆和补浆。在钻进过程中试验人员严格控制泥浆稠度、比重等性能指标。

3.3 清孔工艺

(1)第一次清孔。

第一次清孔在成孔结束之后并在吊装钢筋笼之前立即进行。第一次清孔，采用钻机放慢钻速利用双底捞渣钻头将悬浮沉渣全部带出的方式进行。

(2)第二次清孔。

在下放钢筋笼后，浇灌混凝土之前，再次测量孔底沉渣的厚度，如沉渣厚度超出允许值，需进行二次清孔。清孔时采用流量为120 m3/h的3PN泥浆泵将孔底沉渣清出。置换泥浆并及时补充新泥浆，直至各项指标合格。清孔过程中须保持孔内水头，防止坍孔，不得采用加深钻孔深度的方法来代替清孔。清孔结束后3～5 min，用标准测绳测量沉渣厚度。定期复测测绳标尺位置的准确度，且有备用测绳。

(3)钻渣处理。

桩基施工过程中产生的钻渣用铲车转运。在不影响桩基施工的情况下，进行现场临时晾晒，并集中清理出现场。

3.4 钢筋笼制作安装

本工程钢筋笼长近50 m，受施工场地限制，无法一次起吊，根据现场条件分成三节起吊。具体施工时为保证钢筋在孔口准确对位，钢筋采取直螺纹机械连接方式，钢筋笼一次制作成形，制作完成后旋开套筒，分成三节，每节单独起吊，孔口连接。

采用直螺纹机械连接方式主要有如下优点:

(1)孔口连接速度快，钢筋笼下放时间缩短，有利于孔壁稳定和工效提高;

(2)机械连接的钢筋笼整体垂直度较好，易于下放，减少钢筋笼卡在孔壁内的风险;

(3)机械连接接头便于笼内各种检测管、注浆管的安装和保护;

(4)机械接头便于施工质量控制和检查。

3.5 水下混凝土浇注

桩设计要求混凝土强度为C35，采用普通硅酸盐水泥，配制的混凝土应具有良好的工作性能。根据超长钻孔灌注桩的施工要求，混凝土必须具备良好的流动性和较大的坍落度，且必须严格控制水灰比。

采用导管法进行水下混凝土浇注。导管直径为300 mm，导管组装时接头必须密合不漏水(要求加密封圈，黄油封口)。在第一次使用前进行闭水打压试验，试水压力0.6 MPa，20 min不漏水为合格。导管底端下至孔底标高上30～50 cm左右。导管内使用的隔水塞球胆大小要合适，安装要正，应位于水面以上。灌注混凝土前孔口要盖严，防止混凝土落入孔中污染泥浆。混凝土首灌量应灌至导管下口2 m以上，保证首灌导管埋入混凝土为3 m左右。混凝土浇注时，导管下口埋入混凝土的深度不小于2 m，不大于6 m。混凝土灌注到桩孔上部5 m以内时，可不再提升导管，直到灌注至设计标高后一次拔出。灌注至桩顶超灌量不小于2 m，以保证凿去浮浆后桩顶混凝土的强度。

3.6 桩底、桩侧后注浆

根据设计要求本工程有28根灌注桩需采用桩底桩侧复式注浆。根据相关规范要求及以往工程经验，对于本工程桩基设置两根桩端压浆管，桩侧设置三道压浆管，分别在桩顶标高下－11 m、－22 m、－33 m处设置桩侧压浆阀。采取上述压浆阀的布置方案，可尽量使桩侧压浆阀布置于粗粒土层中，提高压浆效果。

本工程钢筋笼分节起吊，由于压浆导管绑扎于钢筋笼上，随钢筋笼一起沉放入孔，所以压浆导管也需分节制作，每节长度与钢筋笼相匹配，分别绑扎在相应的钢筋笼上，在钢筋笼对接时，采用套管焊接。后压浆质量控制采用注浆量和注浆压力双控方法，以水泥注入量控制为主，泵送终止压力控制为辅。水泥采用P.S.A32.5矿渣水泥，注浆水灰比为0.50～0.65，每道桩侧压浆量为400 kg，桩端压浆量为1000 kg。后压浆起始作业时间一般于基桩成桩2 d以后即可进行，具体时间可视基桩施工态势进行调整，但一般不宜超过成桩后30 d。桩侧注浆压力不宜小于1.0 MPa，桩底注浆压力不宜小于1.5 MPa。注浆作业与成孔作业点的距离不宜小于8～10 m。注浆顺序先桩侧后桩端，桩侧注浆应先上后下。若水泥浆从桩侧溢出或地面出现冒浆，则调小水灰比，或改间歇压浆至水泥量满足预定值。

3.7 桩侧回填土层加固

承台下直至地面以下约10 m深度范围内皆为松散杂填土，难以对工程桩形成有效的水平约束，对桩基抗震不利。根据各方会商结果，需对承台下及一定外扩范围内的回填土进行注浆加固处理。

由于注浆施工前，4个承台坑已开挖至基底标高，承台内桩与桩之间的净间距约为1.4 m，地质钻机无法进入内部施工，故采用脚手架和跳板搭设施工平台平现有地面进行钻孔施工。此外，鉴于加固区域为承台下及一定外扩范围的回填土，已开挖的承台部分无上覆土层，为防止返浆跑浆在已开挖的承台范围浇筑150 mm厚C20素混凝土封闭层。浇注封闭层时根据注浆孔位布置预留注浆孔口。

注浆孔采用地质钻机成孔，成孔直径150 mm，间距1.2 m，成孔深度以穿透回填土层为准。成孔后孔内置入注浆花管，并回填碎石料，水泥砂浆封闭孔口。注浆材料采用P.S.A32.5水泥浆液，水灰比0.5～1.0，注浆流量7～10 L/min，注浆压力0.5～1.0 MPa。浆液注入率为水泥量50～100 kg/m，注浆压力不小于1.0 MPa进行控制。注浆顺序按跳孔间隔注浆，先外围后内部的原则进行。

3.8 施工顺序安排

施工顺序采用在两个承台下轮流成孔、灌注的方式，形成流水作业，既解决了施工场地、交通运输的问题，又最大限度发挥了设备、人员的功效。后压浆施工可在成桩结束2 d后进行，考虑到后压浆施工可能会对桩基施工产生一定的影响，后压浆施工与桩基施工之间应留出一定的安全距离，应在桩基施工结束后再进行后压浆的施工。

4 工程桩检测

工程桩施工结束后，根据设计要求，在每个承台中随机选取一根桩进行承载力静载荷试验，并对每根桩采用低应变动测法检测桩身的完整性。检测结果表明，桩身质量完整性良好，I类桩占总桩数的88%，II类桩占总桩数的12%，没有III类和IV类桩。4根试验桩在相应各自设计极限承载力标准值的荷载作用下，沉降仅为7～8 mm，单桩竖向极限承载力对于非压浆桩不小于8 000 kN，对于压浆桩不小于12 000 kN，均满足设计要求。分析检测结果以及工程实施过程中的施工功效，可以认为在上述复杂的环境条件中，所采用的各项施工措施是有效的。

5 结束语

通过各方努力，中央美术学院雕塑系扩建工程的桩基施工最终圆满完成，取得了良好的效果，为扩建工程的顺利进行创造了条件。实践证明，针对工程施工过程中遇到的各项难题而采取的技术措施被证明是有效的。随着城市建设的发展，建筑用地越来越紧张，类似的工程项目会越来越多，本工程采用的技术措施对今后的类似工程将具有很强的参考借鉴意义。

［1］建筑施工手册(第四版)编写组.建筑施工手册(第四版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003

［2］JGJ 94－2008建筑桩基技术规范［S］

［3］张雁，刘金波.桩基手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009