中国尊大厦位于北京市朝阳区CBD核心区Z15地块, 建筑高度528m, 地上108层, 地下7层, 基础埋深约38m, 采用桩基础。桩基工程设计为旋挖钻孔灌注桩, 其中工程桩总数为896根, 有效桩长为54.6, 44.6, 40.1, 26.1m, 桩径为1 000, 1 200mm, 桩端持力层为卵石、圆砾 (12) 层, 最大桩长工程桩单桩极限承载力为32 000kN, 单桩承载力特征值为16 000kN, 桩身采用C50, C40水下混凝土, 所有工程桩均进行桩端桩侧复试后注浆, 单桩水泥用量为2.5～3.5t。项目桩位布置如图1所示。

1) 本工程设计桩径为1 000, 1 200mm, 多数成孔深度约为70m, 其长细比最大可达70, 设计要求桩基钻孔垂直度≤1/200。

2) 本项目工程桩采用的混凝土强度等级为C50, C40, 水下灌注混凝土应提高1级按C60, C50配制。水下混凝土坍落度、流动性、凝结时间、浇筑设备、浇筑速率等因素将直接影响灌注桩的成桩质量。

3) 由于桩身较长, 成孔深度大, 根据规范要求, 需确保孔底沉渣≤100mm。

4) 本工程与CBD地下空间进行一体化设计施工, 由于施工周期较长, 紧邻的CBD地下空间结构主体竣工后, 本工程深基坑仍处于施工状态, 因此应充分考虑对CBD地下空间结构保护, 并满足相关设计要求。

桩基础施工工艺流程如图2所示。

钻机就位后、施钻前应进行对中以复核桩位。采用十字交叉法进行孔位对中, 并用红色油漆在护筒壁上标识 (见图3) 。对中完成后, 操作手启动钻机定位系统, 予以定位记忆。对中孔位后钻机不得移位, 钻臂不得随意改变角度。

1) 开钻前, 用水平仪测量孔口护筒顶标高, 以控制钻进深度。钻进开始时, 注意钻进速度, 保证钻斗对准桩位, 并根据不同地层调整钻速。

2) 进入正常施工后, 要随时向孔内注满泥浆, 平衡孔内侧压力。在钻进过程中, 一定要保证泥浆面高于护筒顶400mm, 提钻时须及时向孔内补浆。

3) 钻进过程中采用旋挖钻机全程自控、双经纬仪中间复核来调整和控制钻杆垂直度。在钻孔过程中应连续跟踪监测, 每隔4h进行1次成孔质量监测, 了解孔径、孔深、沉渣及泥浆参数变化情况, 判断孔壁稳定性。钻至不同土层交界处时, 应特别注意相关数据变化, 跟踪监测并记录相关数据, 同时对钻进速度、泥浆密度进行适当调整。

4) 进入持力层后钻进约100mm后清孔并取样, 会同监理、勘察单位现场人员对土样进行鉴定, 确定土样为设计要求的持力层并做好确认记录, 再按设计要求继续钻进并终孔。

离图纸规定深度0.5m时停止钻孔, 净置30min后, 放慢钻速利用钻斗将悬浮沉渣全部带出, 进行第1次清孔, 然后再钻进0.5m终孔。第1次清孔后沉渣厚度≤100mm, 泥浆指标达到规定要求。泥浆密度保持在1.05～1.25g/cm³, 测得孔底沉渣厚度<100mm时, 及时吊放钢筋笼及导管。

安放钢筋笼、下放导管后, 再次测量沉渣厚度, 若沉渣厚度>100mm, 应进行二次清孔。二次清孔前需做如下准备工作:在导管上端加1个封口帽, 连接泵管至该封口帽;同时在护筒口安放杆泵, 预备抽取循环泥浆。浇筑混凝土前在灌注导管口采用3PN大泵, 正循环清渣, 将新制泥浆送入导管内, 流量为100～200m³/h;在护筒口用杆泵抽取泥浆, 通过正循环顺利清除沉渣 (见图4) 。

为保证施工质量及安全, 对较长工程桩分节加工 (分2节, 上节约36.6m, 下节18.5m) , 分段吊装, 钢筋笼两节间采用冷挤压接头。制作与安装步骤如下。

1) 将钢筋笼主筋安放在加工平台上, 沿桩长每隔2m设1道加劲箍筋并与纵筋点焊连接牢固, 形成钢筋笼骨架。

2) 安装螺旋箍筋。

3) 对钢筋笼进行整体加固处理。

4) 吊装施工。

成孔深度及孔底沉渣验收合格后, 在浇筑混凝土前, 桩孔底500mm内的泥浆相对密度应<1.25, 含砂率≤4%, 稠度≤18～25s。

孔底500mm内泥浆采用自制取浆器 (见图5) 。

导管是灌注水下混凝土的重要工具。选用内径为300mm的导管, 导管内使用的隔水塞球胆大小要合适, 安装要正, 一般位于水面以上。灌注混凝土前孔口要盖严, 防止混凝土落入孔中污染泥浆。导管上部漏斗设有网眼小于100mm×100mm的钢筋篦子以过滤大的结块或石块, 防止堵管。

1) 经计算, 单桩初灌量为3.412m³, 开始灌注混凝土后注意观察泥浆液面变化情况, 如果泥浆液面升高较少, 说明堵管, 需要洗出混凝土重新开盘。

2) 混凝土面上升高度测量。混凝土面测量以测锤多点测量为准, 同时用混凝土灌注量计算值进行复核。测锤测量时应在钻孔内四周多点测量, 并取测点中的低点作为拆除导管的依据, 如有意外情况时应增加测点数。由于测量时主要由测量人员手感确定, 所以在拆除导管前由质检员进行复核, 确认无误后才能拆除导管, 测量时间间隔≤20min, 每次测量都要进行记录。

3) 导管拆除。根据施工规范及施工经验, 导管拆除由埋管深度和埋管时间决定, 埋管深度宜控制在2～6m。导管拆除时应对导管进行记录, 与下导管时的原记录进行复核, 确保导管拆除无误。导管拆除后要及时清洗, 以备下次再用。

4) 混凝土灌注标高确定。混凝土实际灌注标高要大于设计标高1.0m以上, 以保证桩顶部位混凝土强度, 混凝土充盈系数控制在1.1～1.2。灌注将结束时, 应核对混凝土灌入量, 以确定所测混凝土灌注标高是否正确。

本项目工程桩均配置3根25×3的桩侧压浆管和3根50×3桩端压浆管。沿桩身分别于标高-8.000, -20.000, -32.000m左右设置桩侧压浆环管, 环管压浆阀≥3个, 并均匀布置。每根桩端压浆管端部设置1个压浆阀。

终止注浆以压浆量和注浆压力2个因素控制。桩端压浆阀逆向抗压≥1.5MPa。桩侧压浆阀逆向抗压≥1.2MPa。具体注浆量设计参数如下。

1) 桩端注浆水泥用量桩径1 000mm桩端为卵石、圆砾 (12) 层时≥2.5t/桩;桩径1 200mm桩端为卵石、圆砾 (12) 层时≥3.5t/桩。

2) 桩径1 000mm桩侧每段注浆水泥用量≥0.9t/管。

3) 桩径1 200mm桩侧每段注浆水泥用量≥1.1t/管。

后压浆施工工艺如图6所示。

后压浆应在成桩2～30d内进行, 注浆顺序为先桩侧后桩端, 多断面注浆应先上后下, 桩侧桩端注浆间隔时间≥2h。根据试桩情况, 本工程桩基后注浆压力参考值如下。

1) 桩端注浆对于卵石层、细砂中砂层, 注浆压力宜为5～8MPa。

2) 桩侧注浆终止注浆压力应根据土层性质及注浆深度确定, 对于饱和土注浆压力宜为1.2～4.0MPa;软土取较低值, 密实性土取较高值。

3) 终止注浆条件 (1) 注浆总量和注浆压力均达到设计要求; (2) 注浆总量已达到设计值的75%, 且注浆压力超过设计值; (3) 桩顶冒浆。

本次桩基钻孔垂直度≤1/200, 实际钻进中要求钻孔的垂直度偏差控制在3‰以内。钻孔时整套钻具质量≥25t, 在钻头上配重加压, 使钻具重心尽量下移至钻头部位。钻进过程中采用减压钻进工艺, 加到孔底的压力控制在钻具总重的80%以下, 利用钻具的重锤导正作用, 确保钻孔轴线在重力铅直方向。钻头长径比≥2, 以确保钻头定向导正作用。钻机就位时保证底座牢实、平稳, 钻塔稳固垂直。就位后和钻进过程中采用水平尺检查钻机底座, 发现底座不平及时处理。钻进过程中根据不同地层控制钻压和钻进速度, 尤其在变层位置采用低压慢转的施工工艺, 并注意多次扫孔。采用钻机自控及仪器测试的方法进行垂直测量。

桩基混凝土主要采用水下C50商品混凝土, 为保证水下混凝土灌注质量, 必须从施工设备、混凝土配制、灌注过程等几方面加以控制。

混凝土灌注所需施工设备要求配套且完好。现场配备2台200kW发电机, 应对施工过程中可能发生的断电情况, 保证水下灌注连续性。导管是灌注水下混凝土的重要工具, 须具备足够的强度和刚度且密封性良好, 导管接口处应有弹性垫圈密封。

桩基混凝土强度等级为C50, 最大灌注深度约55.1m (桩型编号AP2a, 作业面标高-27.200m) , 桩型编号TP2a的工程桩纵向钢筋间 (净) 距120mm, AP2a外笼纵向钢筋间 (净) 距110mm, 内笼纵向钢筋间 (净) 距100mm, 内外笼间 (净) 距70mm, 其中还有很多检测用管道, 要求混凝土具有良好的匀质性、流动性。

灌注水下混凝土是桩基础施工的重要工序。在灌注混凝土过程中, 应重点注意以下几点。

1) 在首批混凝土灌注前先配制0.1～0.3m³水泥砂浆放入滑阀以上的导管和漏斗中, 然后再放入混凝土, 确认初灌量备足后, 即可灌入首批混凝土。

2) 首批混凝土量必须满足导管埋深≥0.8m, 因此混凝土储存数量要充足。

3) 首批混凝土灌注正常后, 必须连续进行, 不得中断。否则先灌入的混凝土达到初凝, 将阻止后灌入的混凝土从导管中流出, 造成断桩。同时在灌注过程中, 应经常用测锤探测混凝土面的上升高度, 并适时提升、逐级拆卸导管, 保证导管的合理埋深。

4) 为确保桩顶质量, 在桩顶设计标高以上应加灌超过1m且大于桩长3%的混凝土。在灌注将近结束时, 如出现混凝土顶升困难, 可在孔内加水稀释泥浆, 将部分沉淀土掏出, 使灌注工作顺利进行。在拔出最后一段长导管时, 拔管速度要慢, 防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管下形成泥芯。

本工程桩基桩身长, 最长试桩约54.6m, 孔底沉渣应<100mm。减少孔底沉渣需从钻孔开始, 通过控制钻进尺转速和钻压, 到二次清孔混凝土灌注为止, 通过认真操作每道工序和采用合理有效的施工工艺达到预期目标。

本工程桩基经静载试验和超声波检测, 施工质量良好, 符合设计要求, 其I类桩率为100%。施工过程中成功解决了超深旋挖钻孔桩桩底清渣难、成孔垂直度要求高、水下浇筑混凝土难度大等施工难题, 对类似工程具有重要的实践指导意义。