吳天漢

上海張江集成電路產(chǎn)業(yè)區(qū)開發(fā)有限公司，上海 201203

0 引言

城市更新步伐持續(xù)加快，但是在城市新建項目不斷涌現(xiàn)的過程中，處理原有障礙物逐漸成為一個難題。與地上老舊建筑不同，地下廢舊基礎(chǔ)由于其位置的特殊性，往往成為新建工程建設(shè)的巨大障礙。當存在大量隱蔽的廢舊地下障礙物時，會對新建項目的開發(fā)周期、成本、質(zhì)量、安全等方面造成極大的影響。通常地下舊樁有效處理方法包括直接利用、接樁后利用、補新樁、避讓、拔樁等［1］。在決定利用原則時，需要對舊樁進行檢測和評估，如果舊樁無法滿足設(shè)計要求，則需要采取補救措施，這在城市更新項目較多的上海已有不少工程實例，這些工程實例具有借鑒意義［2-4］。孫浩鈺［5］基于一個位于上海地區(qū)的大型工程項目，從地基土工程性能等方面全方位綜合論述了復(fù)雜地質(zhì)條件下廢舊樁基礎(chǔ)的利用與改造措施，為后續(xù)類似工程提供了設(shè)計依據(jù)。對于無法利用且影響項目施工的舊樁，則需要考慮拔除。但是，拔樁也會對周邊土體產(chǎn)生一定影響，因此在舊樁處理方案中需要全面考慮可能存在的風(fēng)險隱患［6-7］。只有考慮全面，采取相應(yīng)的措施，才能使城市更新項目達到預(yù)期的效果。鉆孔灌注樁在工程建設(shè)領(lǐng)域是一項成熟的技術(shù)，由于其適應(yīng)性強、樁長較長、承載力大、施工較為簡便的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用［8］。與此同時，施工較為復(fù)雜，樁身質(zhì)量可控性差、施工成本較高等問題也是鉆孔灌注樁澆筑過程中不可忽視的極大限制因素［9］。朱金永［10］通過對不同地質(zhì)條件如花崗巖、風(fēng)化巖等條件下的樁基施工進行了研究，對我國工程質(zhì)量的提升有著重要意義。魯海濤等［11］采取一種全新的樁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁技術(shù)，對巖土工程的承載性能有顯著的提升。

對于無法利用且影響項目施工的舊樁，則需要考慮拔除。本文依托上海浦東張江西北區(qū)09-02科技總部平臺建設(shè)項目，從工程地質(zhì)、廢舊樁基處理方案、新建項目的設(shè)計原則等多方面來論述城市更新項目中廢舊基礎(chǔ)的處理思路。通過比較兩種不同處理方案的優(yōu)劣，旨在為項目建設(shè)提供思路方向，并為后續(xù)的類似工程提供借鑒指引。

1 工程概況

本工程位于浦東新區(qū)張江地區(qū)，地塊總面積約16 000 m2，基地呈四邊形。工程總建設(shè)面積約為70 000 m2，其中地上建筑面積約為42 000 m2，地下建筑面積約為28 000 m2。工程由2棟9層和2棟4層寫字樓組成，地下為全開挖2層地下室?；娱_挖面積約為14 850 m2，普遍開挖深度約為11 m。該工程場地于1999年首次開發(fā)，新建了三棟樁基礎(chǔ)建筑，樁基采用預(yù)制方樁。地表建筑于2008年被拆除，場地在2009年重新開發(fā)建設(shè)，擬建2幢12層高樓、6層裙房及2層外擴地下室，樁基采用PHC管樁。在完成樁基施工后，該項目因故被暫停，場地被改為停車場使用直至本次開發(fā)建設(shè)。擬建場地位于上海市浦東新區(qū)張江地區(qū)碧波路、春曉路附近，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范（DGJ 08—37—2012）》中附圖A“上海市地貌類型圖”，本場地屬濱海平原地貌類型。

1.1 單樁豎向承載力計算

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范（DGJ 08—37—2012）》及行業(yè)標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94—2008）》的有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合各地基土層的分布規(guī)律、埋藏深度及工程地質(zhì)特征，得出的樁側(cè)極限摩阻力標準值fs及樁端極限端阻力fp標準值見表1。

表1 兩種樁型的樁側(cè)極限摩阻力標準值fs及樁端極限端阻力標準值fp

按上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計標準（DGJ 08—11—2018）》中式（1）計算某個測點單樁豎向承載力值見表2。

表2 單樁豎向承載力

式中：Rtd為單樁抗拔承載力設(shè)計值，kN；

Rk為單樁抗拔試驗中扣除單樁自重后的極限抗拔承載力標準值，kN；

γ為樁的抗拔承載力分項系數(shù)；

Gp為單樁自重設(shè)計值，kN。

1.2 項目現(xiàn)狀分析

工程場地歷經(jīng)兩次開發(fā)建設(shè)，留有大量的地下障礙物，給新工程后續(xù)設(shè)計及建設(shè)帶來極大的不確定因素。1999 年首次開發(fā)擬建設(shè)三棟建筑，樁基礎(chǔ)采用預(yù)制方樁，樁型號為JZHb-240-1515B，尺寸為240 mm×240 mm，樁總數(shù)321根，設(shè)計樁頂標高約為-2.5 m，樁長30 m，樁端持力層位于⑦1-1層。2009年第二次開發(fā)建設(shè)2幢12層研發(fā)樓、6層裙房及2層外擴地下室。樁基礎(chǔ)采用PHC 管樁，樁型號為PHC-A-500，樁徑500 mm，樁總數(shù)為1 228根，設(shè)計樁頂標高約為-9.4 m，樁長為23 m，樁端持力層位于⑦1-2層。見圖1。

樁基等障礙物在彈性波速、密度、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等物性參數(shù)上與周圍土層存在明顯差異。本工程采用探地雷達法和井中磁梯度法進行地下障礙物探測，在局部異常和疑難區(qū)域，采用開挖等方法進行驗證。

2 探測技術(shù)研究

2.1 探地雷達法

地下目標的探測是通過利用探地雷達對介質(zhì)之間的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等電性差異分界面對高頻電磁波進行反射來實現(xiàn)的。通過測量介質(zhì)中電磁波的傳播速度、接收到的反射信號以及雙程走時，可以確定地下異常物體的位置和深度［12］。結(jié)合前期收集的舊樁基礎(chǔ)資料和新建工程的柱網(wǎng)關(guān)系，采用探地雷達法對重疊區(qū)域的方樁進行探測。

2.2 井中磁梯度法

在均勻無鐵磁性物質(zhì)的土層或樁身混凝土中，電磁場的磁場強度理論上應(yīng)處于均勻場狀態(tài)。然而，當樁身混凝土中存在鋼筋籠等鐵磁性物質(zhì)時，將在其周圍產(chǎn)生較強的感應(yīng)磁場，從而引起磁異?，F(xiàn)象。在鋼筋籠的上下部分，磁場強度又會恢復(fù)到均勻場狀態(tài)。因此，對于有限長度的預(yù)制方樁（或灌注樁），鋼筋籠軸向的磁梯度會在鋼筋籠的端部產(chǎn)生明顯的變化。通過測量預(yù)制方樁（或灌注樁）側(cè)面磁梯度的變化，可以確定鋼筋籠的端部位置，進而計算預(yù)制方樁（或灌注樁）的實際埋設(shè)深度和長度［13］。

對于埋深較深的管樁采用井中磁梯度法，并選取代表區(qū)域進行開挖驗證，見圖2。本次物探共完成探地雷達測線25條，長度約1 300 m，并對45根方樁進行開挖驗證，其中6 根樁位偏差最大約0.6 m。完成井中磁梯度測點13 200個，共選取25根PHC管樁進行探測，并對其中3根開挖驗證，最大位移偏差約0.3 m，探查成果顯示實際探測的舊樁樁位與原設(shè)計圖紙基本一致。

圖2 管樁磁梯度測孔布置及開挖驗證范圍示意

3 樁基方案的比選與論證

新建建筑方案地上部分采用鋼框架結(jié)構(gòu)，地庫采用混凝土框架，基礎(chǔ)方案采用樁基加承臺，初步設(shè)計考慮使用約1 090根鉆孔灌注樁，埋深約11 m，樁長約39 m。然而場地上已經(jīng)存在的大量舊樁對樁基設(shè)計方案產(chǎn)生了很大的影響。通常對于資料不齊全且年代久遠的舊樁，一般采用拔除或避讓等處理措施，但是考慮使用舊樁帶來的經(jīng)濟性以及拔樁可能帶來的風(fēng)險與成本，本次設(shè)計過程中需要對舊樁處理方案進行仔細分析和比較。方案的研究重點包括以下4個方面：

1）評估舊樁是否可以利用；

2）如果利用舊樁，需要確定利用原則；

3）如果無法利用舊樁，是否需要拔除舊樁；

4）如果樁基設(shè)計避讓舊樁，需要確定避讓原則。

在評估是否可以利用現(xiàn)有的樁基時，需要設(shè)計人員充分考慮現(xiàn)有舊樁的承載力，并估算擬建建筑物的上部荷載和變形對舊樁的影響。同時，優(yōu)化樁基的平面布置，以實現(xiàn)從承載力和空間布置兩個方面進行評估。盡管拔樁是最容易想到的舊樁清除處理方式，但由于對機械設(shè)備和施工工藝的高要求，以及增加的工程成本，它并不是首要考慮的方法。在實際工程中，要達到適當加固或直接利用舊樁為新建建筑物服務(wù)的最理想狀態(tài)是困難的，因為總會受限于承載力和空間布置的要求。因此，在滿足擬建工程要求的基礎(chǔ)上，合理利用或避讓廢舊樁基是追求經(jīng)濟性和施工性的最佳選擇。根據(jù)安全性、經(jīng)濟性和施工性要求，本工程設(shè)計了不利用舊樁和利用舊樁兩種施工方案，并進行了詳細研究、比較和優(yōu)化。

3.1 不利用舊樁

與拔除舊樁帶來的工程成本和施工難度不同，采用避讓原則的設(shè)計方法，通過對承臺位置的合理布置和承臺形狀尺寸的設(shè)計，將達到更加經(jīng)濟且施工難度更低的效果。為保證樁基承載力及沉降變形，考慮工程樁的垂直度以及物探的測量誤差，在設(shè)計階段，對原有舊樁進行避讓，暫時按0.5 m考慮，后期實際施工過程中若仍有碰到，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。

調(diào)整承臺平面布置來避讓舊樁的方式一般是通過旋轉(zhuǎn)承臺來實現(xiàn)（圖3），以上部結(jié)構(gòu)柱為中心，旋轉(zhuǎn)一定角度避讓既有舊樁，同時又不改變柱的平面位置布置。

圖3 承臺旋轉(zhuǎn)示意

根據(jù)已確定的建筑設(shè)計方案，計劃新建約1 090根鉆孔灌注樁。通過與舊樁和擬建柱網(wǎng)進行對比，采取承臺轉(zhuǎn)動、設(shè)計異型承臺等適當調(diào)整樁位的方法（圖4），擬建的鉆孔灌注樁可以全部避開舊樁，承臺及樁的平面布置見圖5。

圖4 異型承臺示意

圖5 不利用舊樁(綠色)的典型局部承臺與樁位

3.2 利用部分舊樁

現(xiàn)有工程中對既有舊樁基礎(chǔ)的再利用方式多種多樣，利用舊樁基礎(chǔ)隨部分新建建筑的上部荷載是最常見的方法。在廣州南沙港鐵路雞鴉水道公路橋改建工程［14］中，結(jié)合現(xiàn)場試驗，工程利用既有舊樁基礎(chǔ)與新建樁基共同承擔上部荷載，達到了很好的經(jīng)濟效益。在上海周浦鎮(zhèn)平板玻璃廠多高層的公租房工程［15］中，通過對部分既有舊樁進行底板局部加固，使其滿足承載力的設(shè)計要求，實現(xiàn)了舊樁基礎(chǔ)的再利用，節(jié)省工程成本約1 200萬元。也有部分工程選擇了利用舊樁輔助新建工程施工，如北京地鐵8號線天橋站工程［16］中，通過借樁和接樁，利用了部分原有車道基坑圍護樁作為風(fēng)道基坑的支護。莫桑比克貝拉港碼頭［17］舊樁被用于新建碼頭樁基施工鋼平臺臨時支撐，節(jié)省了工程造價。在本工程利用既有舊樁的設(shè)計方案中，9層塔樓部分采用PHC管樁和鉆孔灌注樁相結(jié)合的形式，而4層建筑及地下室部分則仍采用鉆孔灌注樁。這樣設(shè)計的原因主要有以下兩點：

1）4層建筑及地下室部分以抗拔為主，而PHC管樁本身不宜用于抗拔。

2）舊樁在設(shè)計時被分為兩節(jié)，接頭處的抗拔能力難以驗證，如果只依靠單節(jié)管樁的承載力，則無法提供足夠的抗拔力。

當前的設(shè)計方案中，在這些區(qū)域柱網(wǎng)與原有舊樁的位置重疊較少，PHC管樁的利用率很低，因此使用鉆孔灌注樁更為合適。該方案中承臺及樁的平面布置見圖6。

圖6 利用舊樁(綠色)的典型局部承臺與樁位

3.3 方案對比

將兩種方案從成本、工期兩個角度進行比較，結(jié)果見表3。

表3 利用舊樁和不利用舊樁成本工期分析

原有PHC 管樁端持力層位于⑦1-2層，單樁抗壓承載力設(shè)計值約1 600 kN，抗拔承載力設(shè)計值為650 kN，且原樁頂設(shè)計標高與新建工程接近，理論上存在利用可能，樁長與地層剖面示意圖見圖7，但還存在以下問題：

1）原有PHC管樁為A型樁，在《關(guān)于進一步加強本市基坑和樁基工程質(zhì)量安全管理的通知》［滬建交〔2012〕645 號］一文中已明確要求禁止使用該類樁型。

2）由于時間久遠，原有管樁的樁基施工記錄已遺失。如果要利用舊樁，須對要使用的舊樁進行載荷試驗驗證其承載力，然而樁頂埋深約9 m，須對場地開挖后才能進行載荷試驗，同時存在試驗后承載力達不到設(shè)計要求的可能性，這些不確定因素會對工程工期和成本造成極大影響。

3）新建工程樁樁頂標高比原有管樁標高低約2 m，如果利用舊樁，須對舊樁進行截樁處理，截樁會縮短舊樁樁長，并且容易破壞樁身結(jié)構(gòu)。

4）比對原有舊樁位置與新建建筑樁基位置，約有20%～30%的管樁有利用可能，利用率較低。

在考慮樁基檢測、相關(guān)配套工程的費用和原有管樁不能滿足設(shè)計要求的風(fēng)險后，方案二在總造價和總工期方面沒有優(yōu)勢。最終方案確定為不利用原有舊樁，通過設(shè)計異型承臺和旋轉(zhuǎn)承臺布置位置的方法避讓舊樁。

4 樁基方案

4.1 樁基方案的確定

工程地塊舊樁數(shù)量眾多，且局部密集。為減少新舊樁的碰撞，將原本設(shè)計的樁徑700 mm縮減至600 mm。通過樁端后注漿工藝，注漿水泥用量為1.5 t，單樁抗壓承載力特征值從原有設(shè)計的2 000 kN 提高到2 400 kN，樁長也從39 m 縮短至29.5 m，同時鉆孔灌注樁的總數(shù)從1 090 根減少至999根，所有這些調(diào)整均為密集區(qū)域布樁提供了有利條件。為避讓舊樁，新打工程樁多數(shù)都偏移了常規(guī)布置位置，并設(shè)計了25種單樁承臺到十樁承臺。通過承臺轉(zhuǎn)動，最大程度上避開舊樁。對于樁頂標高在新基礎(chǔ)底板之上的舊樁部分，將直接在底板下方100 mm處截斷，并回填黏土，以避免新建建筑沉降后與舊樁發(fā)生碰撞擠壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。最終確定的樁基設(shè)計方案中鉆孔灌注樁總樁數(shù)為999 根，樁徑Φ600，樁長29.5 m，以⑦2-1層為樁端持力層，樁頂設(shè)計標高為-11.4 m，單樁抗壓承載力設(shè)計值2 400 kN，抗拔承載力設(shè)計值1 000 kN，所有樁位在設(shè)計圖紙上避開了原有舊樁。

4.2 工后沉降分析

在樁基施工期間和基礎(chǔ)投入使用后，為確保周邊道路、邊坡和管線的安全性，并了解基礎(chǔ)的下沉情況，本工程決定進行沉降監(jiān)測和控制［18］。沉降觀測需要高精度、多次重復(fù)觀測和較長的周期，所以在本工程中，采用了幾何水準測量方法。通過使用電子水準儀和水準尺，測量員沿著由沉降監(jiān)測點組成的水準觀測路線測量并計算各測點之間的高差，以確定各測點的高程。

通過定期測量，比較不同時間測量得到的同一觀測點的高程，計算得出各觀測點在不同周期內(nèi)的相對沉降量和累計沉降量。對張江西北區(qū)09-02地塊科技研發(fā)總部大樓進行監(jiān)測，并對部分典型沉降監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行了匯總，見圖8、圖9。其中，RO表示道路沉降監(jiān)測點，SO 表示地表沉降監(jiān)測點，Di代表電信管線沉降監(jiān)測點，Ri代表燃氣管線沉降監(jiān)測點，Si 代表上水管線沉降監(jiān)測點，Wi代表污水管線沉降監(jiān)測點，Xi代表信息管線沉降監(jiān)測點，Yi代表雨水管線沉降監(jiān)測點，Zi代表綜合管線沉降監(jiān)測點，HO 代表周邊水塘邊坡豎向位移監(jiān)測點。

圖8 第一期道路豎向位移典型監(jiān)測點累計沉降監(jiān)測

圖9 第二期地表、道路位移典型監(jiān)測點累計沉降監(jiān)測

根據(jù)沉降數(shù)據(jù)，得出兩期測點累計下沉變化曲線。由圖8可以看出，第一期監(jiān)測的77 d，測點沉降不斷增大，但觀測的最大沉降為綜合管線Z1測點2.7 mm，地基沉降值較小，說明地基穩(wěn)定，土體沉降小。根據(jù)沉降變化情況，第一期監(jiān)測可以分為快速沉降（階段1）、上下波動階段（階段2）。階段1（1～5 周）內(nèi)建筑物工程樁已打644 根，完成比例70%，建筑物載荷不斷增加，對土體的影響范圍不斷增大，導(dǎo)致土體沉降增加迅速，該階段的沉降比例為第一期累計沉降的一半以上，主要為建筑物載荷影響下的土體瞬時沉降。階段2（6～11周）內(nèi)，工程樁已完成910根，完成比例99%，塔吊樁已完成4根，完成比例50%，新增立柱已完成138根，完成比例74%，圍護樁已完成27 根，完成比例6%，三軸攪拌樁已完成247幅，完成比例58%，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)上下波動無規(guī)律。

由圖9可以看出，第二期監(jiān)測42 d，測點沉降整體上不斷增加，但在第12～16周觀測，工程樁已完成910根，完成比例99%，塔吊樁已完成8根，完成比例100%，新增立柱已完成180根，完成比例96%，圍護樁已完成357根，完成比例85%，三軸攪拌樁已完成424幅，完成比例100%，高壓旋噴樁已完成273根，完成比例12%。部分測點波動較大，可能由于建筑物地基受到周邊外力以及高壓旋噴樁擾動，出現(xiàn)抬升。17周之后，建筑物已竣工，載荷穩(wěn)定，各測點沉降變化較一致，沉降速度明顯減小，但所有測點的沉降仍在繼續(xù)，測點沉降緩慢增大，主要由于建筑物載荷穩(wěn)定，土體發(fā)生緩慢壓縮沉降。

工程進度在100%時繪制位移變化曲線見圖10，其中圖10 a）中地表、道路豎向位移R09點變化最大，下降了2.3 mm，而累計變化量最大的是SO10點，監(jiān)測數(shù)值變化了-5.9 mm。圖10 b）管線豎向位移Z4點變化最大，下降了2.2 mm，而累計變化量最大的是R1 點，監(jiān)測數(shù)值變化了-5.4 mm。圖10 c）中周邊水塘邊坡豎向位移HO8點變化最大，下降了1.2 mm，而累計變化量最大的是HO4點，監(jiān)測數(shù)值變化了-1.3 mm。

圖10 位移變化曲線

建筑物加載階段沉降快速增大，下沉速率最大，地基沉降與變形程度最大，應(yīng)加強地基保護，穩(wěn)載階段下沉速率降低，沉降緩慢增加，地基易受周邊其他外力因素影響產(chǎn)生變化。兩期建筑物觀測日變化和累計變化最大值分別為1.5 mm 和5.9 mm，明顯低于高層建筑物沉降允許值（3 mm）和傾斜允許值（30 mm/m），樁基方案的沉降控制效果非常好。該樁基方案能夠有效地減少沉降和不均勻沉降的發(fā)生。

可持續(xù)性和經(jīng)濟性分析：此次施工部分利用舊樁，避免因拔除舊樁造成的資源浪費，降低對環(huán)境的影響，同時也減少了施工成本［19］。

施工技術(shù)的可行性分析：對于本工程的樁基礎(chǔ)設(shè)計和施工，考慮地質(zhì)條件、樁基承載力、沉降量控制等因素。該項目成功地完成了樁基施工，監(jiān)測結(jié)果顯示沉降控制效果良好。這說明本次方案設(shè)計采用了合適的樁基類型、施工工藝和技術(shù)參數(shù)，能夠為建筑物的穩(wěn)定性和安全性提供有力保障。

4.3 方案實施結(jié)果

通過優(yōu)化設(shè)計方案、全面規(guī)劃和組織施工過程，包括方案比選、合理安排施工流程、優(yōu)化資源配置，以及加強施工人員的培訓(xùn)和監(jiān)督，實現(xiàn)了施工進度的有效控制。在規(guī)定的60 d工期內(nèi)，完成了全部鉆孔灌注樁的施工任務(wù)，確保了施工質(zhì)量的可靠性和安全性，周邊地表、道路、位移沉降監(jiān)測結(jié)果滿足了規(guī)范要求。

當遇到工程樁與舊樁發(fā)生碰撞時，通過調(diào)整樁位和擴大承臺的方式，對廢舊樁基實施了合理避讓的方案。此方案的實施使本工程達成4個重要效益（表4）。

表4 施工方案和工程效益

5 結(jié)論

本工程結(jié)合場地實際情況和新建建筑方案，通過前期的勘察、物探確定了舊樁基礎(chǔ)的平面位置與實際埋深。在后續(xù)的方案比選中，綜合樁基檢測、施工難度與工期、工程成本等因素，明確采用不利用原有舊樁的施工方案，并設(shè)計優(yōu)化舊樁避讓方案，通過異型承臺和承臺旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)需求，順利完成了工程的樁基施工。

1）采用探地雷達法和井中磁梯度法可以準確探測舊樁位置，最大位移偏差約0.3 m。

2）在考慮成本、工期和設(shè)計要求的風(fēng)險后，不利用原有舊樁，通過設(shè)計異型承臺和旋轉(zhuǎn)承臺布置位置的方法避讓舊樁是更優(yōu)解。

3）最終方案的優(yōu)化與實施，極大地降低了工程成本，單拔樁費用一項就節(jié)省上千萬元；同時加快了工程進度，節(jié)省了約一個月的工期，為同類工程提供經(jīng)驗借鑒。