软土地区超高层建筑桩基及基坑工程施工新技术研究与进展

2021-03-31房霆宸

建筑施工 2021年10期

房霆宸龚剑

1. 上海建工集团股份有限公司上海 200080；2. 同济大学土木工程学院上海 200092；3. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心上海 200080

随着我国城市化建设进程的加快，土地资源日益稀缺，超高层建筑作为高效利用城市土地和空间资源的建筑类型，如雨后春笋般不断涌现，已经成为城市发展的必然趋势。然而超高层建筑往往坐落于中心城区繁华地带，周边环境逼仄，空间资源紧张，地下工程施工环境极其复杂，对环境保护和基坑微变形控制要求严苛，桩基与基坑施工难度极大，既有施工技术已无法满足工程需要。

鉴于此，本文从桩基工程、地下连续墙工程、基坑工程施工这3个方面进行讨论，并重点介绍了桩基工程的超长钻孔灌注桩、超大超深地下连续墙施工工艺、深大基坑微变形控制技术等桩基与基坑工程施工新技术。

1 桩基工程施工技术

超高层工程的桩基础形式主要为预制混凝土桩、钢管桩以及钢筋混凝土灌注桩这3种形式，其中预制混凝土桩、钢管桩属于打入型桩基，钢筋混凝土灌注桩属于钻孔灌注桩。随着超高层建筑规模的扩大，桩基基底的荷载也变得越来越大，在设计时往往要求桩基需要穿越上覆土层并进入受力相对较好的持力层以便获取较高的承载力，同时控制变形也有相应的要求[1-2]。

我国早期的超高层建（构）筑物工程桩基多采用打入型桩基，如东方明珠电视塔工程，该工程采用预制混凝土方桩，桩基断面为500 mm×500 mm，桩长48 m，桩基设计承载力为4 500 kN；金茂大厦采用φ914 mm钢管桩，壁厚20 mm，桩长83 m，静载试验分析得出单桩容许承载力达到7 500 kN；上海环球金融中心工程采用的是φ700 mm钢管桩，桩长为79 m和60 m，其中4根典型钢管桩的容许承载力分别为6 917、5 232、5 677和3 912 kN[3]。打入型桩基施工普遍存在挤土、振动以及噪声等危害，对施工现场周边环境的影响较大，难以适应中心城区繁华地带的苛刻施工控制要求[4-5]。

钻孔灌注桩具有抗震性能好、大承载力、适用性强、施工噪声小等诸多优点，如上海中心大厦工程采用φ1 m、桩长最长达86 m的大承载力后注浆钻孔灌注桩，主楼桩均采用桩端后注浆施工，其中2根试桩的极限承载力分别为26 000、28 000 kN，另外2根试桩的极限承载力则分别不小于30 000、31 000 kN，桩端极限承载力增长了近4倍。目前，大直径超深钻孔灌注桩的应用已成为一种趋势，如天津117大厦、北京中信大厦、上海国金中心等工程均采用了桩体后注浆工艺[6-7]。但大直径超深钻孔桩因其施工工艺，难于避免桩侧泥皮、桩端沉渣过厚和孔壁松弛效应明显等缺陷，因此单桩承载力达不到设计要求的工程事例屡见不鲜，选择合适的成孔机具、工艺和辅助措施甚为关键。

2 地下连续墙工程

随着超高建筑对地下空间的充分利用，地下连续墙工艺已成为超高层建筑基础施工主流工艺技术。地下连续墙具有刚度大、整体性好、施工对周边环境影响小、防渗及耐久性能优越等特点，被广泛应用于超高层建筑深大基坑施工。地下连续墙既可作为临时围护结构，也可作为永久性的挡土、挡水以及承重结构，目前超高层建筑基坑施工普遍采用主体地下室外墙与围护墙“两墙合一”的现浇地下连续墙技术[8]，地下连续墙施工质量的好坏直接关系到后续开挖的安全及主体结构的使用寿命。

随着地下空间开发工艺与装备的发展，地下连续墙施工工艺已由传统的抓土成槽工艺发展到了抓铣结合以及套铣成槽的施工工艺，其深度也不断增大。如金茂大厦工程率先采用“两钻一抓”施工工艺，解决了铁板砂层地下连续墙成槽技术难题；上海中心大厦工程采用抓铣结合成槽工艺，首次在深厚砂质地层中采用套铣成槽工艺，完成了墙厚1.2 m、槽深50 m的地下连续墙施工。

目前最新的技术采用了套铣接头的新型施工工艺，该工艺取消了传统的锁口管，实现了超深地下连续墙技术的突破，如在苏州河段深层排水调蓄管道系统工程中，采用德国宝峨MC128双轮铣槽机施工，地下连续墙施工深度达到106 m，试验施工深度已经达到150 m，创造了国内最深地下连续墙的施工纪录。

3 基坑工程

软土深大基坑施工往往会产生较强的环境效应，基坑开挖时往往也会引起周围土体应力场和位移场的变化，对周边环境将产生一定的不利影响。超高层建筑往往位于城市中心繁华地带，项目周边建（构）筑物密集、场地四周各类地下管线交织，对深基坑设计、施工的变形控制要求越来越严格。深基坑工程由早期的稳定控制进入了变形控制的时代，对于地铁、高铁、机场等对变形控制要求高的环境条件，其环境变形控制要求已经由厘米级控制进入了0～10 mm、精度1 mm的毫米级控制。传统变形被动控制理论与方法已不能满足毫米级控制要求，深大基坑变形对环境安全影响的毫米级微变形主动控制也成为新的城市发展环境下的重大需求。

工程实测的数据显示，当基坑宽度达100 m以上时，软土深大基坑的周边沉降值以及沉降影响范围往往会比常规的基坑增大1倍左右。其主要产生机理，是围护结构以下土体的深层滑移带的产生和发展而造成的。根据工程施工时深层滑移带的分布特点，当基坑为狭窄基坑时，土体不易形成深层滑移带，其基坑变形的影响范围和程度也较小，而随着基坑开挖宽度的不断增大，土体深层的滑移带将逐渐扩展，直至完全形成。因此，对紧邻地铁等重点保护对象的深大基坑工程，在充分考虑场地布局的基础上，可有针对性地采用深大基坑分区支护技术，将其分为远离保护对象的大基坑和紧邻保护对象的狭窄基坑。

通过加大基坑与保护对象的距离，并借助后开挖的狭窄基坑刚度大的隔挡作用，进而控制大基坑卸荷对保护对象所产生的影响。基坑开挖时，通常远离保护对象的大基坑先开挖，尽可能使保护对象处在较大基坑开挖影响范围之外；紧邻保护对象的狭窄基坑后开挖，通过控制狭窄基坑的宽度（一般基坑宽度可设为20 m左右）以便限制深层滑移带的形成和发展，同时辅以分层分段形式开挖、快速形成支撑等变形控制措施来满足深大基坑微变形的控制要求。其中，较大基坑一般位于中心位置并远离保护目标，根据需要还可进一步逐层分级细分[9-11]。

基坑开挖时，采取开挖一段支撑一段的措施，以减少基坑暴露时间，缩短基坑平衡力系建立的时间，控制基坑的变形。如在上海静安嘉里中心基坑施工时，针对需要重点保护的地铁车站、毛泽东故居等建（构）筑物，通过预留小基坑将大基坑进行分隔，实施效果显著，施工期间的地下连续墙侧向变形控制在开挖深度的0.1%以内；淮海路3号地块基坑紧邻多条在建或已经运营的地铁区间隧道及车站，特别是基坑北侧地下连续墙距轨交1号线隧道最近处仅7.5 m，为保护地铁安全，在北侧平行于地铁位置设置4个宽约16 m的小基坑，与大基坑相隔离，同时在小基坑的开挖中采用了最新的钢支撑轴力自动伺服系统。经监测，地下连续墙侧向变形控制在了10 mm以内。