长沙滨江金融大厦项目位于长沙市岳麓区滨江新城, 工程东侧距湘江约600m, 处于临江丘陵富水地带, 地下水位相对标高约为-2.000m。工程包括T1~T4的4栋超高层塔楼、配套裙楼及4层地下室。其中T1塔楼采用桩筏基础, 筏板顶相对标高为-21.700m。桩基础为1个直径11m的超大直径混凝土灌注桩, 桩长15m, 桩体处于强风化板岩层, 桩端进入中风化板岩层1.5m。

本文研究的混凝土桩直径达11m, 属于超大直径桩, 单桩土方开挖量及混凝土浇筑量是常规桩的25倍有余, 因此必须对其施工工艺进行有针对性的研究, 以达到节约工期和成本、确保安全及绿色施工的目的。

本工程混凝土灌注桩施工存在以下难点: (1) 桩体土方开挖量大, 且桩身处于强风化板岩层, 桩端进入中风化板岩层1.5m, 如使用人工开挖, 破土开挖难度较大; (2) 桩径大, 桩孔口临边周长比常规桩体更长, 对临边安全防护措施提出了更高的要求; (3) 工程处于临江丘陵富水地带, 桩顶标高低于地下水位线约19m, 成孔及灌注混凝土的过程中对土体的降排水措施要求高; (4) 桩身每米混凝土浇筑量近100m³, 大体积混凝土浇筑过程控制及后期混凝土养护成桩等质量控制是难点。

针对工程难点, 项目部在成孔工艺上决定采用在桩顶以下6m深度内使用长臂挖掘机 (辅以人工修边) 成孔, 6m以下部分采用小型挖机破土+人工外运土方成孔 (见图1) , 同时设置专门的超大直径桩成孔安全保障设施、降排水设施及大体积桩体混凝土温度监控系统等安全与质量保障措施, 以实现在保证施工安全和质量的前提下, 达到节约工期和成本的目的。

工艺流程简述如下:测量放线定桩及前期准备→长臂挖掘机进行第1节桩孔土方开挖→施工第1节护壁及孔口反边 (1m为1节) →挖掘机逐节开挖第2~6节桩孔土方并同步逐节进行护壁施工→小型挖机破土前的安全措施及孔内排水准备→挖机开挖第7节及以下土方并逐节进行护壁施工→孔底超前钻检测→桩体钢筋混凝土施工及温度监控系统设置→混凝土温度监测及养护→质量验收。

该工艺具有以下特点: (1) 桩孔前6节土方采用长臂机械开挖, 成孔效率高; (2) 小型挖机破土成孔前, 针对超大直径桩孔需设置专门的安全防护及排水设施, 保证成孔的安全性及干作业成孔环境; (3) 设置大体积混凝土温度监控系统, 实时监控混凝土里表温差, 并采用合适的养护措施, 保证成桩质量。

依据总平面图与桩位图定出中心线。当第1节护壁做好后, 立即将桩位“+”字中心线和标高点测在第1节护壁混凝土内表面上, 以便作为成孔过程中及成孔后工程质量检查验收实测的依据。严格检查护壁混凝土施工质量, 其中心与断面尺寸必须符合设计要求。以后测量定出的轴心点位要在每节护壁上标出“+”, 交点即为中心点, 用以控制桩位垂直度, 偏差<0.5%L (L为挖孔桩长) , 桩位中心允许偏差±50mm, 桩芯直径允许偏差±50mm。挖孔桩护壁每节校核1次中线。

第1节桩护壁顶部必须设置1.5m宽环梁, 先将桩环梁线放出并优先进行开挖, 进行环梁钢筋绑扎及混凝土浇筑, 为桩孔边采用长臂挖机施工做准备。

桩身土体在6m以内使用小型挖掘机配合人工修边开挖, 同时孔顶配置1台中型长臂挖掘机以配合中转土方。6m以下的桩体使用小型挖机破土并辅以人工出土, 挖土次序为先中间后周边, 并严格控制开挖桩孔的截面尺寸。一般的小型挖掘机质量在5~10t, 完成成孔作业后可使用12t汽车式起重机垂直将其吊出孔底。

护壁每节高度要根据土质好坏、操作条件而定, 一般以1.0m为宜。每挖完1节, 必须根据桩孔口上的轴线吊直、修边、使孔壁圆弧保持上下顺直一致。

桩扩底部分先挖桩身圆柱体, 再按扩底尺寸从上到下削土修成扩底形。弃土应及时外运, 井口不准留有余土, 以减轻桩孔周围的压力。在孔中部设置明集排水坑, 积水用潜水泵排出桩孔外。

由于超大直径桩孔内作业空间大, 护壁钢筋笼直接在桩孔内绑扎, 并留设连接长度350mm, 以便下段钢筋搭接, 上、下层护壁搭接长度为100mm。护壁模板采用拆上节、支下节重复周转使用。由于桩孔径大, 为了固定模板, 防止内模因混凝土的挤压涨力而变形, 在模板连接成圆后使用十字形钢管模板内支撑装置作为内侧支撑。第1节护壁要高出地面500mm, 以防止地面杂物落入孔内和地面水流入。

为防止孔壁坍塌, 桩孔护壁每挖完1节必须立即浇筑混凝土, 混凝土强度等级为C30, 坍落度宜控制在160~180mm, 根据土质情况, 使用早强剂, 使混凝土尽快达到设计强度要求, 加快拆模速度。混凝土浇筑时应分层沿四周入模, 用插入式振捣器捣实, 施工前应将上节护壁底清理打毛, 以便连接牢固。

成孔后桩中心位置及垂直度、入岩深度应达到设计和规范要求, 做桩端放大脚时, 应对风化界面层及持力层岩性进行验证。验证无误后, 进行超前钻检测, 探明桩端以下3倍桩径且≥5m范围内有无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布以及桩底应力扩散范围内有无岩体临空面。检测合格后进行扩大头开挖和封底。封底混凝土高度为200mm, 强度等级同桩身混凝土。终孔时, 必须清理好护壁污泥和桩底浮土, 清除积水, 进行隐蔽验收并办理好签认手续后, 迅速组织浇灌封底混凝土, 以避免浸泡使土层软化。

因桩径达到11m, 采取在井外绑扎钢筋笼的做法无法满足吊装要求, 需在井内搭设操作架进行钢筋绑扎、超声波管预埋及混凝土振捣。操作架立杆间距1 200mm, 横杆间距1 500mm, 靠护壁边立杆与护壁距离≥500mm, 以便钢筋笼绑扎。浇筑桩基混凝土时, 此操作架作为混凝土振捣用操作架, 直接浇入混凝土内。

先设置加强箍筋, 然后绑扎主筋及环箍筋。施工过程中要注意环箍筋在外侧, 加强箍筋在内侧。加强箍筋、箍筋与主筋每个交叉点使用焊接连接, 保持钢筋笼的稳定。钢筋笼制作成形后, 每2m高焊接1道双三角钢筋内支撑, 使钢筋笼固定 (见图2) 。同时将钢筋笼置于桩孔中间, 确保钢筋保护层厚度。

钢筋笼安装验收合格后, 设置桩体测温传感器。在桩体同一截面的不同部位及不同标高处设置一定数量的温度传感器, 以监测混凝土浇筑后桩体不同部位的温度, 如图3所示。

采用泵送浇灌桩身混凝土。浇灌前将孔底积水和软弱土处理干净, 采用漏斗和串筒向孔内浇灌。串筒末端离孔底高度≤2m, 以保证混凝土不分层、不离析。

为解决桩身大体积混凝土温度变形问题, 应分层浇筑, 厚度控制在40~50cm, 浇筑同一层时, 先浇捣外圈混凝土, 再浇捣中心混凝土, 以减小混凝土散热体积。振捣采用插入式振动棒, 振动时要快插慢拔, 不得欠振、过振和漏振。混凝土浇筑到桩顶时, 应适当超过桩顶设计标高, 其浮浆底高度应大于桩顶设计标高200mm。混凝土浇筑如图4所示。

浇筑完成后安排专人监测桩体内、外部温差变化情况并及时调整养护措施, 控制混凝土里表温差在25℃以内, 控制混凝土表面和大气温差在20℃以内, 有效控制有害裂缝的出现, 保证桩体质量。

将日气温最高值记为T_max、日气温最低值记为T_min、桩顶以下0.1m处混凝土温度为T₁、1/2桩长处混凝土温度为T₂、距桩端50mm处温度为T₃。各温度实测数值如表1所示, 温度对比变化如图5所示。

从图5可得, 混凝土浇筑完成后表面温度T₁比日最低气温高出约30℃, 因此对表面混凝土进行浇水养护, 以降低表面混凝土与大气温差, 在浇水养护11d后, 温差基本控制在20℃以内;同一时间, 桩体最高温度一般出现在1/2桩长处的T₂, 最低温度在桩表面, 混凝土浇筑完成后, 二者相差约12℃, 满足要求, 且在施水养护的过程中, 温差始终控制在25℃以内。

该项目距湘江约600m, 处于临江丘陵富水地带, 桩顶标高低于地下水位线约19m, 地下水对灌注桩质量有重要影响。对地下水的预防贯穿整个成桩过程, 在成孔前、成孔中、成桩后分别采取防水措施。

根据工程地质勘查报告, 项目地下水类型主要为赋存于第四系地层中的上层滞水、潜水和基岩裂隙水。项目桩顶位于强风化板岩层、中风化板岩层, 因此成孔位置地下水主要以基岩裂隙水为主。成孔前, 在场地四周设置排水沟与集水井, 防止地表水及桩顶基岩裂隙水进入桩孔。

成孔过程中在桩底土方作业面中部超前开挖直径0.5m、深0.5m的集水井, 井内设置采用浮球阀控制的自动排水泵排除积水。浇筑护壁采用抗渗混凝土, 相邻两圈护壁接缝处的弱渗水点注入聚氨酯封堵, 强渗水点采用水玻璃+速凝抗渗水泥封堵。

成孔后, 在灌注混凝土前将孔底积水排除。同时, 在成桩完成并凿除桩头后, 针对桩顶外露钢筋等特殊部位为地下防水工程薄弱环节, 利用防水控制“刚柔结合”的原则, 采用以嵌填密封为主、膨胀止水为辅的方法。具体措施如下: (1) 铺1层混凝土基层 (100mm) → (2) 环周刮涂1道堵漏宝基层→ (3) 刮涂1层非固化橡胶沥青防水卷材→ (4) 铺贴3mm厚SBS改性沥青防水卷材→ (5) 刮涂1层非固化橡胶沥青涂料防水层→ (6) 铺贴4mm厚SBS改性沥青防水卷材→ (7) 刮涂1层非固化橡胶沥青涂料防水层→ (8) 无纺布保护层。共计采取8道防水进行外露钢筋头的节点防水。

孔顶以下6m内在孔内使用1台小型挖掘机, 同时孔口使用1台中型长臂挖掘机用于中转土方, 平均1d掘进速度约为2m, 同时完成修边及护壁工作, 成孔工期为3d;孔深6m以下采用小型挖机破土并辅以人工出土:平均1d掘进速度约1.5m, 同时配备4名工人修边及出土并完成护壁施工, 成孔工期为6d, 合计工期9d。如采取常规纯人工成孔施工, 由于桩身处于强风化、中风化板岩, 土质较硬, 掘进困难, 至少需15d才能成孔。故使用本工法比常规人工成孔可节约工期约6d。

按本工法的成本费用:小型挖机按150元/h, 中型长臂挖机按300元/h, 人工辅助成桩部分按180元/m³ (含修边、护壁、桩身钢筋笼制作运输安装、混凝土浇筑) , 桩深6m以下人工辅助成桩费用按195元/m³, 费用计算为28.7万元。

常规纯人工成孔成本:人工成桩费用按252元/m³ (含成孔、护壁、清渣、封底、桩身钢筋笼制作运输安装、混凝土浇筑) , 费用计算为35.9万元。

按本工法比常规人工成桩费用节约:35.9-28.7=7.2万元。

超大直径人工成孔桩施工工法将桩顶以下前6节 (约6m深) 桩体土方采用长臂挖机+小型挖掘机开挖, 6m以下部分采用小型挖机开挖+人工出土等, 充分利用了孔内作业空间, 提高成孔效率, 节约了工期和成本。同时, 工法针对工艺特点设置孔顶桩环梁、钢筋笼双三角形钢筋支架、大体积混凝土温度监控系统等有效的质量与安全保障措施。该工法对于超高层建筑及大型桥梁等工程的超大直径人工成孔灌注桩的施工作业有借鉴意义, 且工法已应用于长沙滨江金融大厦项目, 效果良好。