建筑施工技術(shù)-Construction Technology of Civil Engineering 案例舊金山千禧大廈加05課件講解

建筑施工技術(shù)ConstructionTechnologyofCivilEngineering案例：舊金山千禧大廈加固【灣區(qū)斜塔】千禧大廈（MillenniumTower）位于舊金山市中心的南區(qū)，是一座“非常出名”的超高層建筑?！緸硡^(qū)斜塔】可是，千禧大廈的“出名”并不是因?yàn)樗桥f金山最高的建筑，更多的是自竣工之日起就不斷向地面以下沉陷。從2009年竣工開始，大廈以每年一定的速度往下沉降，截止去年5月份，大廈最多已沉降達(dá)18英寸（46cm）。2021年5月10日大廈沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)【灣區(qū)斜塔】更為致命的是，千禧大廈每個(gè)部分發(fā)生的沉降不是均勻的。在西北角，地基的沉降比其他區(qū)域更為嚴(yán)重，導(dǎo)致大廈整體向西北角傾斜，樓頂產(chǎn)生了多達(dá)24英寸（61cm）的偏移。大廈向西北角傾斜【灣區(qū)斜塔】不均勻沉降導(dǎo)致大廈地下室出現(xiàn)大量裂縫，令大廈里的住戶每天對(duì)安全擔(dān)驚受怕。出現(xiàn)在地下室的大量裂縫【灣區(qū)斜塔】千禧大廈發(fā)生沉降的原因主要為地基下的樁長(zhǎng)過(guò)短所導(dǎo)致。地基樁端僅座落在地底不到30m深度的砂層中，并沒(méi)有往下延伸到基巖層。大廈巨大的重量施加在砂層以下的灣區(qū)老粘土上，令到粘土水分被擠出產(chǎn)生壓縮。地基樁沒(méi)有延伸至基巖【亡羊補(bǔ)牢】早在2018年，千禧大廈嚴(yán)重的沉降問(wèn)題已經(jīng)引起了各方的密切關(guān)注。2018年底，為解決地基持續(xù)沉降帶來(lái)的安全問(wèn)題，尤其是大廈過(guò)度的傾斜是否會(huì)對(duì)抗震性能造成影響，工程師設(shè)計(jì)了一項(xiàng)修復(fù)計(jì)劃，在沉降最為嚴(yán)重的西側(cè)與北側(cè)新增了52根座落到巖層的增強(qiáng)樁，以抑制不均勻沉降的發(fā)生。地基修復(fù)計(jì)劃示意圖【亡羊補(bǔ)牢】這些增強(qiáng)樁的布置非常密集，樁與樁之間的間距僅為6英尺（約1.8m），緊貼大廈西側(cè)與北側(cè)的邊緣。增強(qiáng)樁平面布置【亡羊補(bǔ)牢】增強(qiáng)樁施工完畢后，大廈地下室底板位置會(huì)設(shè)置一塊外延板（SlabExtension），外延板與原地下室底板之間通過(guò)一個(gè)楔形塊連接。外延板與樁頂之間留有活動(dòng)的空隙，板與樁之間可以上下自由活動(dòng)。地下室外延板【亡羊補(bǔ)牢】然后，外延板上部會(huì)設(shè)置液壓裝置，通過(guò)千斤頂在樁頂施加壓力，令地下室底板被抬起，恢復(fù)到沉降前的位置。同時(shí)，大廈的部分重量也會(huì)被轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)樁。利用千斤頂將地下室底板抬起【亡羊補(bǔ)牢】最終，大廈西北角區(qū)域的將會(huì)被整體抬起，目的是最大限度消除大廈的不均勻沉降，“扶正”大廈。整座大廈被扶正【亡羊補(bǔ)牢】在這個(gè)過(guò)程中，有個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題需要解決：如何保障大廈重量會(huì)沿樁傳到基巖？增強(qiáng)樁的深度接近75m，樁端到達(dá)基巖之前，需要穿越幾十米厚的土層。如果采用常規(guī)的灌注樁工藝，當(dāng)樁頂開始施加壓力時(shí)，壓力很可能不會(huì)傳遞到巖層，而是被樁周圍土層的摩擦力所吸收。樁頂壓力可能被土層摩擦力吸收【亡羊補(bǔ)牢】為此，沿地層深度制定了不同的施工方案，以減小土層摩擦力對(duì)樁受力傳遞的影響。首先，將直徑36英寸（91.5cm）的鋼套管在地面施工至地下90英尺（27.5m）左右，剛好穿過(guò)砂層底部。這根鋼管為臨時(shí)套管，主要目的是為了避免后續(xù)增強(qiáng)樁施工時(shí)擾動(dòng)大廈地基樁和地基土層。36英寸鋼套管首先進(jìn)行施工【亡羊補(bǔ)牢】在36英寸鋼套管施工至指定深度后，在套管內(nèi)施工直徑較小的24英寸（61cm）永久套管，一直延伸至基巖面，深度約250英尺（76.2m）。這根鋼管將一直留在地下，參與樁的受力。24英寸鋼管的外表將設(shè)置特殊的涂層，可以大大減小鋼管與土層間的摩擦力。24英寸鋼管施工至基巖面【亡羊補(bǔ)牢】隨后，36英寸臨時(shí)鋼套管將會(huì)被拔出。在拔出的同時(shí)，因?yàn)閳?chǎng)地空間受限，兩根鋼管之間的縫隙將用可控性低強(qiáng)度材料(CLSM)進(jìn)行回填。CLSM的強(qiáng)度比混凝土低很多，得益于其流動(dòng)性，通常多用于狹窄空間的回填?！就鲅蜓a(bǔ)牢】回填完畢后，在24英寸鋼管內(nèi)會(huì)繼續(xù)深入基巖30英尺（9.1m）下鉆入直徑20英寸（51cm）的孔，最終放入鋼筋與澆筑混凝土，形成樁端在基巖層的增強(qiáng)樁。最終增強(qiáng)樁組成【亡羊補(bǔ)牢】可以看到，整個(gè)增強(qiáng)樁的施工流程非常復(fù)雜，目的均為想方設(shè)法在施工時(shí)避免對(duì)大廈地基的進(jìn)一步擾動(dòng)。在設(shè)計(jì)方案獲得政府部門審批許可后，第一根36英寸臨時(shí)鋼套管于2021年5月12日正式開始施工。然而，出乎大家的意料，隨著施工的進(jìn)行，千禧大廈原先已趨于收斂的沉降幾乎在同時(shí)迅速發(fā)展?！揪o急叫?！考庸坦こ痰氖┕は葟拇髲B西側(cè)開始，36英寸臨時(shí)鋼套管以從南往北的順序陸續(xù)施工?！揪o急叫?！繌恼掌梢钥闯?，36英寸套管孔內(nèi)開挖采用的應(yīng)該是配合鉆斗（DrillingBucket）使用的旋挖工藝。【緊急叫?！孔允┕ら_始之日起，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示大廈西側(cè)的沉降速率開始增大。到2021年6月22日，西側(cè)施工完24根36英寸鋼套管后，沉降最多增加了0.3英寸（7.6mm），這甚至超過(guò)了大廈施工前一年整年的沉降速率（0.24英寸/年）。

截止2021年6月22日施工情況【緊急叫?！苛硗?，西側(cè)鋼套管的施工也加重了大廈向西北角傾斜的程度，樓頂偏移短短一個(gè)月內(nèi)增大了3英寸（7.6cm）。

2021年6月23日大廈不均勻沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)【緊急叫?！侩m然大廈的沉降速度在施工后明顯增大，但現(xiàn)場(chǎng)并未停工。在西側(cè)鋼套管施工完2周后，2021年7月6號(hào)大廈北側(cè)也開始了鋼套管的施工。直到8月2號(hào)正式叫停36英寸鋼套管的施工，北側(cè)總共安裝了12根套管。

截止2021年8月2日施工情況【緊急叫停】無(wú)須懷疑，大廈的沉降情況進(jìn)一步加重。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大廈的沉降比5月份剛開始施工時(shí)，增大了將近1英寸（2.54cm），沉降速率達(dá)到了大廈自08年竣工以來(lái)的最大值。

2021年8月6日大廈沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)【緊急叫?！康鼗鞅苯堑牟痪鶆虺两登闆r進(jìn)一步加重，大廈樓頂偏移量已經(jīng)達(dá)到了5英寸（12.7cm）。

2021年8月6日大廈不均勻沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)【緊急叫?！看髲B西側(cè)在7月初施工完36英寸鋼套管不久后，在已施工完的鋼套管內(nèi)也開始了24英寸永久鋼管的施工。24英寸永久鋼管似乎采用了與36英寸臨時(shí)鋼套管不同的施工工藝。從地上堆放的鉆桿來(lái)看，采用的是RCD（ReverseCirculationDrilling）工法。這也比較合理，因?yàn)?4英寸鋼管的深度最大達(dá)到了75m。

RCD組合鉆桿，周邊3個(gè)小孔可以吹氣，土渣從中部孔返出【緊急叫停】為什么發(fā)現(xiàn)大廈的沉降增速后，還要繼續(xù)進(jìn)行24英寸鋼管的施工？是否會(huì)過(guò)于冒險(xiǎn)？事實(shí)證明這種擔(dān)憂正在發(fā)生。在2021年8月2號(hào)北側(cè)36英寸鋼套管的施工被叫停后，西側(cè)24英寸永久鋼管的施工并未隨之停止，而是一直持續(xù)施工至8月22號(hào)。也就是說(shuō)，在8月2號(hào)至8月22號(hào)這20天之中，只有24英寸永久鋼管在施工。36英寸臨時(shí)鋼套管已穿越大廈地基樁坐落的砂層，有了套管的保護(hù)，24英寸永久鋼管的施工產(chǎn)生的沉降是否可控？

【緊急叫停】并沒(méi)有。從下圖可以看出，24”永久鋼管施工時(shí)，大廈的沉降發(fā)展并未緩和，甚至發(fā)展速度比36”鋼套管施工時(shí)更大了。

大廈沉降發(fā)展趨勢(shì)【LessisMore】大廈沉降增速的真實(shí)原因至今仍眾說(shuō)紛紜。不過(guò)毫無(wú)疑問(wèn)的是，沉降的發(fā)展與增強(qiáng)樁的施工密切相關(guān)，因?yàn)樵诩庸坦こ掏９ぶ?，沉降幾乎在同時(shí)就得到了抑制，增長(zhǎng)速度恢復(fù)到了2021年5月施工開始前的狀態(tài)。

2021年10月13日大廈沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)【LessisMore】根據(jù)大廈加固工程設(shè)計(jì)方在去年一場(chǎng)聽證會(huì)上的說(shuō)法，他們沒(méi)有否認(rèn)沉降是由增強(qiáng)樁施工引起的。設(shè)計(jì)方將沉降發(fā)展歸結(jié)為2個(gè)主要原因：（1）在鋼套管施工時(shí)，樁孔內(nèi)存在超挖現(xiàn)象，導(dǎo)致套管下超挖部分的土層發(fā)生了變形和縮孔；（2）鉆機(jī)成孔時(shí)的振動(dòng)影響了砂層的密實(shí)狀態(tài)，從而對(duì)大廈地基造成了擾動(dòng)。

設(shè)計(jì)方歸納的沉降原因【LessisMore】為此，設(shè)計(jì)方提出了新的解決方案，以保證在加固工程后續(xù)施工中盡可能減少對(duì)大廈地基的影響：（1）優(yōu)化增強(qiáng)樁的施工工藝，并對(duì)新的施工工藝進(jìn)行試樁；（2）加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，如果每根增強(qiáng)樁引起的地基沉降大于0.25英寸（6.4mm），施工就立即中止；（3）原來(lái)布置的52根增強(qiáng)樁減少為18~24根。其中第三點(diǎn)受到的質(zhì)疑最為廣泛，因?yàn)榭雌饋?lái)像是一個(gè)鴕鳥政策：在大廈發(fā)生了超乎意料的沉降后，設(shè)計(jì)方說(shuō)將加固樁減少一半以上也能達(dá)到目標(biāo)。如果是這樣，那為什么一開始要布置這么多樁呢？因此，在這個(gè)消息被傳出后，新聞媒體不無(wú)戲謔地說(shuō)：工程師的新方案融入了「少即是多」哲學(xué)。

【改變】對(duì)增強(qiáng)樁的施工工藝優(yōu)化后，2021年10月12開始了全新的試樁計(jì)劃（PilotProgram）。

增強(qiáng)樁的施工重新開始【改變】第一根的試樁是成功的，在鋼套管安裝完畢后，大廈沉降僅發(fā)生了可以忽略的沉降。

試樁引發(fā)的沉降非常微小【改變】隨后，其他位置陸續(xù)采用新工藝進(jìn)行了鋼管的安裝，截止2022年1月10日，已安裝的幾