弄巧成拙？ 旧金山千禧大厦加固诱发更大沉降

本文来自微信公众号：岩土沿途Geotech（ID：Ingen-Geo），作者：Maxim Li，题图来自：视觉中国（拍摄时间2016年9月26日，旧金山著名的第一高楼千禧大厦）

一、弯曲斜塔

千禧大厦（Millennium Tower）位于旧金山市中心的南区，是一座“非常出名”的超高层建筑。

可是，千禧大厦的“出名”并不是因为它是旧金山最高的建筑，更多的是自竣工之日起就不断向地面以下沉陷。从2009年竣工开始，大厦以每年一定的速度往下沉降，截止去年5月份，大厦最多已沉降达18英寸（46cm）。

2021年5月10日大厦沉降监测数据

更为致命的是，千禧大厦每个部分发生的沉降不是均匀的。在西北角，地基的沉降比其他区域更为严重，导致大厦整体向西北角倾斜，楼顶产生了多达24英寸（61cm）的偏移。

大厦向西北角倾斜

不均匀沉降导致大厦地下室出现大量裂缝，令大厦里的住户每天对安全担惊受怕。

出现在地下室的大量裂缝

千禧大厦发生沉降的原因主要为地基下的桩长过短所导致。地基桩端仅座落在地底不到30m深度的砂层中，并没有往下延伸到基岩层。大厦巨大的重量施加在砂层以下的湾区老粘土上，令到粘土水分被挤出产生压缩。

地基桩没有延伸至基岩

另外一个原因是地基受邻近的交通枢纽基坑开挖所影响。大厦更详细的沉降原因之前文章已进行过分析。《大厦将倾 · 旧金山千禧大厦沉陷之谜》

本期文章主要的关注点是，在去年千禧大厦对地基进行加固过程中，又诱发了地基的新一轮沉降。

二、亡羊补牢

早在2018年，千禧大厦严重的沉降问题已经引起了各方的密切关注。2018年底，为解决地基持续沉降带来的安全问题，尤其是大厦过度的倾斜是否会对抗震性能造成影响，工程师设计了一项修复计划，在沉降最为严重的西侧与北侧新增了52根座落到岩层的增强桩，以抑制不均匀沉降的发生（Perimeter Pile Upgrade）。

修复计划示意图

这些增强桩的布置非常密集，桩与桩之间的间距仅为6英尺（约1.8m），紧贴大厦西侧与北侧的边缘。

增强桩平面布置

增强桩施工完毕后，大厦地下室底板位置会设置一块外延板（Slab Extension），外延板与原地下室底板之间通过一个楔形块连接。外延板与桩顶之间留有活动的空隙，板与桩之间可以上下自由活动。

地下室外延板

然后，外延板上部会设置液压装置，通过千斤顶在桩顶施加压力，令地下室底板被抬起，恢复到沉降前的位置。同时，大厦的部分重量也会被转移到增强桩。

利用千斤顶将地下室底板抬起

最终，大厦西北角区域的将会被整体抬起，目的是最大限度消除大厦的不均匀沉降，“扶正”大厦。

整座大厦被扶正

在这个过程中，有个关键的问题需要解决：如何保障大厦重量会沿桩传到基岩？

增强桩的深度接近75m，桩端到达基岩之前，需要穿越几十米厚的土层。如果采用常规的灌注桩工艺，当桩顶开始施加压力时，压力很可能不会传递到岩层，而是被桩周围土层的摩擦力所吸收。

桩顶压力可能被土层摩擦力吸收

为此，沿地层深度制定了不同的施工方案，以减小土层摩擦力对桩受力传递的影响。

首先，将直径36英寸（91.5cm）的钢套管在地面施工至地下90英尺（27.5m）左右，刚好穿过砂层底部。这根钢管为临时套管，主要目的是为了避免后续增强桩施工时扰动大厦地基桩和地基土层。

36”钢套管首先进行施工

在36”钢套管施工至指定深度后，在套管内施工直径较小的24英寸（61cm）永久套管，一直延伸至基岩面，深度约250英尺（76.2m）。这根钢管将一直留在地下，参与桩的受力。24”钢管的外表将设置特殊的涂层，可以大大减小钢管与土层间的摩擦力。

24”钢管施工至基岩面

随后，36”临时钢套管将会被拔出。在拔出的同时，因为场地空间受限，两根钢管之间的缝隙将用可控性低强度材料（CLSM）进行回填。CLSM的强度比混凝土低很多，得益于其流动性，通常多用于狭窄空间的回填。

CLSM

回填完毕后，在24”钢管内会继续深入基岩30英尺（9.1m）下钻入直径20英寸（51cm）的孔，最终放入钢筋与浇筑混凝土，形成桩端在基岩层的增强桩。

最终增强桩组成

可以看到，整个增强桩的施工流程非常复杂，目的均为想方设法在施工时避免对大厦地基的进一步扰动。

在设计方案获得政府部门审批许可后，第一根36”临时钢套管于2021年5月12日正式开始施工。

然而，出乎大家的意料，随着施工的进行，千禧大厦原先已趋于收敛的沉降几乎在同时迅速发展。

三、紧急叫停

加固工程的施工先从大厦西侧开始，36”临时钢套管以从南往北的顺序陆续施工。

36”钢套管施工顺序

现场施工照片，右侧可见尚未压入的36”钢套管

从照片可以看出，36”套管孔内开挖采用的应该是配合钻斗（Drilling Bucket）使用的旋挖工艺。

现场施工照片

自施工开始之日起，监测数据显示大厦西侧的沉降速率开始增大。到2021年6月22日，西侧施工完24根36“钢套管后，沉降最多增加了0.3英寸（7.6mm），这甚至超过了大厦施工前一年整年的沉降速率（0.24英寸/年）。

截止2021年6月22日施工情况

2021年6月23日大厦沉降监测数据

另外，西侧钢套管的施工也加重了大厦向西北角倾斜的程度，楼顶偏移短短一个月内增大了3英寸（7.6cm）。

2021年6月23日大厦不均匀沉降监测数据

虽然大厦的沉降速度在施工后明显增大，但现场并未停工。在西侧钢套管施工完2周后，2021年7月6号大厦北侧也开始了钢套管的施工。直到8月2号正式叫停36”钢套管的施工，北侧总共安装了12根套管。

截止2021年8月2日施工情况

无须怀疑，大厦的沉降情况进一步加重。监测数据显示，大厦的沉降比5月份刚开始施工时，增大了将近1英寸（2.54cm），沉降速率达到了大厦自2008年竣工以来的最大值。

2021年8月6日大厦沉降监测数据

地基西北角的不均匀沉降情况进一步加重，大厦楼顶偏移量已经达到了5英寸（12.7cm）。

2021年8月6日大厦不均匀沉降监测数据

大厦西侧在7月初施工完36”钢套管不久后，在已施工完的钢套管内也开始了24”永久钢管的施工。

24”永久钢管（灰色外观）的施工，钢管外有降低摩擦力的涂层

24”永久钢管似乎采用了与36”临时钢套管不同的施工工艺。从地上堆放的钻杆来看，采用的是RCD（Reverse Circulation Drilling）工法。这也比较合理，因为24”钢管的深度最大达到了75m。

RCD组合钻杆，周边3个小孔可以吹气，土渣从中部孔返出

为什么发现大厦的沉降增速后，还要继续进行24”钢管的施工？是否会过于冒险？

事实证明这种担忧正在发生。在2021年8月2号北侧36”钢套管的施工被叫停后，西侧24”永久钢管的施工并未随之停止，而是一直持续施工至8月22号。也就是说，在8月2号至8月22号这20天之中，只有24”永久钢管在施工。

36”临时钢套管已穿越大厦地基桩坐落的砂层，有了套管的保护，24”永久钢管的施工产生的沉降是否可控？

并没有。从下图可以看出，24”永久钢管施工时，大厦的沉降发展并未缓和，甚至发展速度比36”钢套管施工时更大了。

大厦沉降发展趋势

因为大厦的沉降速率超乎预料，自2021年8月22号24”钢管也被叫停后，整个工程完全陷入了停工状态。

四、Less is More

大厦沉降增速的真实原因至今仍众说纷纭。不过毫无疑问的是，沉降的发展与增强桩的施工密切相关，因为在加固工程停工之后，沉降几乎在同时就得到了抑制，增长速度恢复到了2021年5月施工开始前的状态。

2021年10月13日大厦沉降监测数据

根据大厦加固工程设计方在去年一场听证会上的说法，他们没有否认沉降是由增强桩施工引起的。设计方将沉降发展归结为2个主要原因：

（1）在钢套管施工时，桩孔内存在超挖现象，导致套管下超挖部分的土层发生了变形和缩孔；

（2）钻机成孔时的振动影响了砂层的密实状态，从而对大厦地基造成了扰动。

设计方归纳的沉降原因

为此，设计方提出了新的解决方案，以保证在加固工程后续施工中尽可能减少对大厦地基的影响：

（1）优化增强桩的施工工艺，并对新的施工工艺进行试桩；

（2）加强施工过程中的监测，如果每根增强桩引起的地基沉降大于0.25英寸（6.4mm），施工就立即中止；

（3）原来布置的52根增强桩减少为18～24根。

其中第三点受到的质疑最为广泛，因为看起来像是一个鸵鸟政策：在大厦发生了超乎意料的沉降后，设计方竟然说将加固桩减少一半以上也能达到目标。

如果是这样，那为什么一开始要布置这么多桩呢？

因此，在这个消息被传出后，新闻媒体不无戏谑地说：工程师的新方案融入了“少即是多”哲学。

五、改变

对增强桩的施工工艺优化后，2021年10月12日开始了全新的试桩计划（Pilot Program）。

增强桩的施工重新开始

第一根的试桩是成功的，在钢套管安装完毕后，大厦沉降仅发生了可以忽略的沉降。

试桩引发的沉降非常微小

随后，其他位置陆续采用新工艺进行了钢管的安装，截止今年1月10日，已安装的几根的钢管似乎并没有像之前那样，导致大厦沉降增速变大。

2022年1月10日大厦沉降监测数据

一切顺利的话，所有增强桩预计在今年年底将会完工，并进行液压抬升作业。

2022年底，这项史无前例的加固工程是否能将大厦成功扶正，将会有答案。

工程开展至今，质疑之声从未停过。特别是2021年5月～8月大厦沉降增速后，更有声音认为，如果一开始就不进行加固可能更好，现在的加固工程很可能弄巧成拙，反而缩短了大厦的寿命。

此观点也有一定合理性。只不过，有句谚语是这样说的：

Better late than never.

本文来自微信公众号：岩土沿途Geotech（ID：Ingen-Geo），作者：Maxim Li