軟土地區(qū)超高層建筑樁基及基坑工程施工新技術(shù)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(shù)研究中心 上海 200080

隨著我國城市化建設(shè)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(xiàn)，已經(jīng)成為城市發(fā)展的必然趨勢。然而超高層建筑往往坐落于中心城區(qū)繁華地帶，周邊環(huán)境逼仄，空間資源緊張，地下工程施工環(huán)境極其復(fù)雜，對環(huán)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(shù)已無法滿足工程需要。

鑒于此，本文從樁基工程、地下連續(xù)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(xù)墻施工工藝、深大基坑微變形控制技術(shù)等樁基與基坑工程施工新技術(shù)。

1 樁基工程施工技術(shù)

超高層工程的樁基礎(chǔ)形式主要為預(yù)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(yù)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(guī)模的擴大，樁基基底的荷載也變得越來越大，在設(shè)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(yīng)的要求[1-2]。

我國早期的超高層建（構(gòu)）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(yù)制混凝土方樁，樁基斷面為500 mm×500 mm，樁長48 m，樁基設(shè)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(huán)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(xiàn)場周邊環(huán)境的影響較大，難以適應(yīng)中心城區(qū)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(yōu)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(yīng)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(cè)泥皮、樁端沉渣過厚和孔壁松弛效應(yīng)明顯等缺陷，因此單樁承載力達不到設(shè)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(guān)鍵。

2 地下連續(xù)墻工程

隨著超高建筑對地下空間的充分利用，地下連續(xù)墻工藝已成為超高層建筑基礎(chǔ)施工主流工藝技術(shù)。地下連續(xù)墻具有剛度大、整體性好、施工對周邊環(huán)境影響小、防滲及耐久性能優(yōu)越等特點，被廣泛應(yīng)用于超高層建筑深大基坑施工。地下連續(xù)墻既可作為臨時圍護結(jié)構(gòu)，也可作為永久性的擋土、擋水以及承重結(jié)構(gòu)，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(xiàn)澆地下連續(xù)墻技術(shù)[8]，地下連續(xù)墻施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)開挖的安全及主體結(jié)構(gòu)的使用壽命。

隨著地下空間開發(fā)工藝與裝備的發(fā)展，地下連續(xù)墻施工工藝已由傳統(tǒng)的抓土成槽工藝發(fā)展到了抓銑結(jié)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(xù)墻成槽技術(shù)難題；上海中心大廈工程采用抓銑結(jié)合成槽工藝，首次在深厚砂質(zhì)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(xù)墻施工。

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

3 基坑工程

軟土深大基坑施工往往會產(chǎn)生較強的環(huán)境效應(yīng)，基坑開挖時往往也會引起周圍土體應(yīng)力場和位移場的變化，對周邊環(huán)境將產(chǎn)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(gòu)）筑物密集、場地四周各類地下管線交織，對深基坑設(shè)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(wěn)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(huán)境條件，其環(huán)境變形控制要求已經(jīng)由厘米級控制進入了0～10 mm、精度1 mm的毫米級控制。傳統(tǒng)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(huán)境安全影響的毫米級微變形主動控制也成為新的城市發(fā)展環(huán)境下的重大需求。

工程實測的數(shù)據(jù)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(guī)的基坑增大1倍左右。其主要產(chǎn)生機理，是圍護結(jié)構(gòu)以下土體的深層滑移帶的產(chǎn)生和發(fā)展而造成的。根據(jù)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(chǔ)上，可有針對性地采用深大基坑分區(qū)支護技術(shù)，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(chǎn)生的影響?；娱_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(shè)為20 m左右）以便限制深層滑移帶的形成和發(fā)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(jù)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(gòu)）筑物，通過預(yù)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(xù)墻側(cè)向變形控制在開挖深度的0.1%以內(nèi)；淮海路3號地塊基坑緊鄰多條在建或已經(jīng)運營的地鐵區(qū)間隧道及車站，特別是基坑北側(cè)地下連續(xù)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(cè)平行于地鐵位置設(shè)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(tǒng)。經(jīng)監(jiān)測，地下連續(xù)墻側(cè)向變形控制在了10 mm以內(nèi)。

4 結(jié)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(shù)方面取得了舉世矚目的成就，但其發(fā)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(tǒng)性的信息化、數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用方面存在不足，現(xiàn)有樁基和基坑施工多以點上應(yīng)用信息化、數(shù)字化施工技術(shù)為主，對于信息化數(shù)字化的系統(tǒng)性應(yīng)用較少。

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

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