逆作法竖向支承桩柱关键施工技术

摘要：逆作法在城市地下空间开发中不断推广和普及，作为地下空间基坑开挖阶段主要受力构件的竖向支承桩柱系统的设计、施工质量成为逆作法顺利实施的关键，竖向支承桩柱的有效连接、较高承载力、较小沉降的高标准对支承桩的桩径、桩长、允许沉降和上部的支承立柱的插入垂直度、柱身强度刚度等都提出了极高的要求。本文结合国内先进、成熟的支承柱先插法和后插法两种施工工艺的施工实践主要从施工设计建议、施工关键技术以及施工管理措施等方面介绍提高竖向支承桩柱的垂直度、承载力、支承柱身强度等指标的关键施工技术，以供相类似的工程借鉴使用。
关键词：竖向支承桩柱；调垂可行性；先插法；后插法；成孔质量；插入调垂；浇灌回填；

　　一、引言
　　随着新型城镇化建设不断向纵深方向发展，城市土地资源日趋紧缺，高层、超高层建筑、交通、商业设施等越来越多地转向地下空间开发，与传统的顺作法基坑开挖施工方法相比，有着能够降低工程能耗、节约资源，缩短工程总工期，利于保护环境以及现场作业环境更加合理等诸多优点的逆作法施工技术已广泛应用于地下深基坑施工中。
　　逆作施工阶段的竖向支承系统是基坑逆作实施期间的关键构件，此阶段承受已浇筑的主体结构梁板自重和施工超载等荷载，整体地下结构形成前，每个框架范围内的荷载全部由一根或几根竖向支撑承受，对竖向支承系统的承载力和沉降控制都提出了较高的要求。
　　目前，国内逆作法工程实践中的竖向支承系统通常采用钢立柱插入立柱桩桩基的形式，竖向支承立柱和立柱桩主要支承结构梁板和上部结构，支承柱则在基坑逆作阶段结束后外包混凝土形成主体结构劲性柱永久使用。根据支撑荷载的大小，立柱一般采用型钢柱或钢管混凝土柱，为方便与钢立柱的连接，立柱桩常采用钻孔灌注桩。因此，逆作竖向支承桩柱的高承载力、低沉降量等高标准对支承立柱桩的垂直度、桩径、桩长、允许沉降值和上部的支承钢立柱的插入垂直度、柱身强度刚度等都提出了极高的要求。
　　本文主要探讨泥浆护壁的钻孔灌注桩内插钢管柱的逆作法竖向支承桩柱的关键施工技术，通过对施工设计、施工关键控制点和针对性的施工管理措施等三方面的探讨，为相类似的工程提供一套逆作竖向支承桩柱施工设备先进、技术创新的施工方法。
　　二、支承桩柱的设计建议
　　1、建议竖向支承桩的桩径尽可能满足调垂需要
　　根据工程实践经验，钢管柱插入到支承桩钢筋笼后至少保证每边有15cm的可调间隙，如此再附加上支承桩（钻孔灌注桩）成孔施工时立柱插入处垂直度允许偏斜值（按1/200，20米深，则为10cm计），则钢管柱底端距离钢筋笼主筋最小的一侧仅余5cm，对于国内目前最常用的地面机械调垂设备来讲，调垂支点在上部时，仅靠下部的5cm间隙调节达到设计的1/600～1/500，难度非常大。
　　例如：以￠550，壁厚16mm的钢管柱为例，下部支承桩的直径至少应为￠1200。
　　2×150mm+550mm+2×80mm+36mm+57mm+2×50mm=1203mm
　　其中：150mm——钢管柱底端每侧可调空间
　　550mm——钢管柱直径
　　80mm——钢管柱底端栓钉高度
　　36mm——支承桩主筋直径
　　57mm——钢管柱内注浆管（兼超声波管）直径
　　50mm——支承桩保护层厚
　　钢管柱与下部支承桩的具体位置关系示意详见下图： 　　2、建议加大立柱外包混凝土的厚度
　　影响竖向支承立柱的垂直度和定位的因数众多，如竖向支承桩的定位、垂直度偏差；桩柱施工时立柱的垂直度偏差、固定；回填、开挖、降水、结构施工时的影响等，因此建议尽量考虑施工偏差，加大外包混凝土的厚度，有利于调整误差，使得永久性柱子排列整齐、美观。
　　3、建议加大支承桩柱的承载力富余度，适当提高各项指标要求
　　在考虑钢管柱插入支承桩后具备可调空间和桩端进入合适持力层的前提下，建议设计对支承桩桩径、桩长适当优化，尽可能扩大桩径来满足钢管柱调垂空间。
　　另，对下部支承桩成孔垂直度、孔底沉渣控制，桩底注浆量等指标高标准要求，对上部钢管柱的插入深度、垂直度控制，钢管柱内砼密实度、强度等指标严格要求。
　　一般规定，钢管柱插入范围内的支承桩成孔垂直度不大于1/300，插入范围外成孔垂直度不大于1/200，沉渣控制在50mm以内；内插支承钢管柱柱轴线偏差控制在±20mm内，标高控制在±10mm内，垂直度控制在1/600～1/500以内。支承桩预留桩端注浆管，注浆量要比一般工程桩提高1.5~2倍，具体根据承载力要求计算确定；上部支承柱内浇灌C50及以上的高强度混凝土。
　　三、支承桩施工、检测关键技术
　　为满足支承桩柱上部钢管柱的调垂高精度要求，下部支承桩的成孔垂直度一般整体要求达到至少1/200，钢管柱插入范围内要求至少达到1/300。如此高的成孔垂直度必须有配套的施工机械设备、工艺、控制措施及高效的检测手段。
　　（1）施工工艺
　　成孔工艺：正循环成孔；在密实砂层或硬土层较厚情况下采用正反循环结合的成孔工艺。
　　清孔工艺：反循环清孔（泵吸或气举反循环一清、二清）。
　　（2）施工机械设备
　　成孔设备：选用GPS-20型及以上的重型回转钻机；
　　配套设备：三翼双腰箍钻头、带扶正圈的配重钻杆；6m的超长钢护筒及配套的振动锤；
　　（3）施工关键技术
　　①泥浆采用优质膨润土人工拌制，保证粘度、比重和泥皮厚度，孔壁的稳定性；
　　②不同土层、尤其是地层交界面处的钻机参数和泥浆参数调整；
　　③钻进至钢管柱插入标高前（约1/2孔深处）从钻杆内测成孔的偏斜程度，及时纠偏后继续钻进；
　　④钢筋笼加工采用机械连接，吊放采用吊机辅助下放，保证顺直插入到位。
　　（4）检测手段
　　①6m的超长钢护筒振设埋入的垂直度通过地面导向架和经纬仪量测，保证1/300以内；
　　②钻进至1/2孔深处，从钻杆内测斜指导纠偏后继续钻进，确保达到1/300以内；
　　③钻进终孔时井径仪测成孔垂直度、沉渣厚度、孔径大小以及孔深值，保证全孔垂直度达到1/300～1/200的精度。
　　四、支承柱后插法施工关键技术
　　1、工艺原理
　　一柱一桩后插法施工是一种利用特制的HDC液压调直架，将插入下部支承桩至设计深度的钢管柱的中心位置及垂直度调整至设计要求精度的施工方法。具体施工原理为：采用超缓凝混凝土施工下部支承桩，以确保钢管柱在达到设计埋深后具有一定的调节余地和施工空间，之后利用HDC液压调直架，以孔内的导向纠偏装置以及HDC液压调直架上的靠山为支点，通过HDC液压调直架上的抱箍进行深度、中心位置以及垂直度的调节，从而达到设计要求。
　　2、施工步骤
　　1）桩身混凝土浇注完成移走钻机，清理孔口
　　2）在护筒内安装导向纠偏装置
　　3）安设HDC液压调直设备，定位、调平、对中
　　4）吊运钢管柱，于调直架孔口位置对中
　　5）通过导向纠偏装置限位，利用两层抱箍将钢管柱下放至下部砼面；
　　6）调整钢管柱垂直度；
　　7）将钢管柱下放至设计深度；
　　8）再次测量钢管柱垂直度；
　　9）钢管柱孔口固定，移走调直架；
　　10）割除工具管、下导管、浇灌钢管柱混凝土至设计高度；
　　11）桩孔回填、注浆；
　　3、设备材料要求
　　HDC液压调直架自身也需要达到至少1/1000以上的精度，且调直架上下抱箍中心偏差应控制0.5mm以内。另外，调直架对钢管柱进行调节的力度以及导向纠偏装置的调节力度等均需满足一柱一桩施工需求。
　　1）钢管柱：入孔钢管柱的垂直度必须不大于1/1000，且不大于10mm，截面几何尺寸允许偏差±10mm，以确保钢管柱的重心位于钢管柱中心线上。
　　2）混凝土：下部支承桩采用水下超缓凝混凝土，初凝时间应考虑各种运输及施工因素后确定，还需考虑一定安全系数。钢管柱内充填混凝土采用高流态、自密实、微膨胀的高强度混凝土。

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　　4、插入、调垂
　　1)下部支承桩浇灌超缓凝混凝土，应保持良好的和易性、流动性以及可插入的工作性能；现场留置混凝土小样指导插入、调垂；支承桩超缓凝混凝土超灌高度应以钢立柱插入后刚好达到设计或规范要求的高度为准；
　　2)支承桩成孔质量检测达到设计要求后，复测桩位和钢护筒的中心，偏差控制在10mm以内，沿6m长的钢护筒四周安放3～4只导向纠偏千斤；
　　3)依次吊放液压插管调直机的底座和主体就位，对中、调平，桩位位置地坪全部硬化处理，调直机、钢护筒和桩位中心允许偏差控制在10mm以内；
　　4)钢立柱加工成整根后运输至现场堆放，底端加工成封闭的锥形底，整根长度垂直度确保在1/1000以内；为保证调直机的液压抱箍与钢立柱柱身紧密贴合，在抱箍开始作用的范围内的柱身上栓钉后焊（即钢立柱插入调垂阶段暂取消不焊，后期基坑开挖阶段再补焊），作用安装钢立柱顶端的工具管，工具管与母管的连接对中确保达到1/800以内；
　　5)钢立柱前期靠自重下插，待孔内浮力与自重平衡时，开启液压调直机，通过四只抱箍将钢立柱插入至下部支承桩桩顶以上50cm；
　　6)通过钢立柱柱身的吸片测斜仪校核钢立柱的垂直度，指导钢护筒侧壁安放的导向纠偏千斤调垂，先调钢立柱中心满足设计要求，再调柱身垂直度；
7)待第三方检测单位通过测斜管量测钢立柱满足设计要求的垂直度精度后，开始将钢立柱与调直架分上下三层固定。
　　5、浇灌回填
　　1）调直架移除后进行钢管柱内填充混凝土的浇筑。柱内用C60高流态自密实微膨胀混凝土，进场后做好流动度检测并留置试块。采用浇灌架配小直径导管悬空浇灌，导管口距离砼面0.5m，精确计算砼面上升速度，浇筑结束时砼面应高出设计高度30cm。
　　2）柱内充填混凝土浇灌完毕后对钢管柱周边进行回填，采用级配良好的碎石混合砂，人工对称均匀回填，回填前在钢管柱周边埋设1-2根注浆管，回填后对回填材料进行注浆。
　　3）待桩孔周边回填、注浆结束且下部支承桩终凝后方可拆除连接钢筋及导向纠偏装置。建议拆除时间为注浆完成后12小时。
　　五、支承柱先插法施工关键技术
　　1、工艺原理
　　先插法施工是一种比较传统的施做一柱一桩调直钢管柱的施工工艺，具有设备简单、操作方便的优点。
其主要采用一个三层的调直架，通过中、下两层水平排布的各四只调节螺杆，利用杠杆原理对钢管柱进行调直，由于先插法工艺钢管柱在钻孔内只受侧向泥浆阻力，利用螺栓一点固定一点调整可以比较轻易的将钢管柱进行移动、调整，配合精密的经纬仪、水准仪等测量仪器，从而控制垂直度达到设计要求。 　　2、施工步骤
　　1）支承桩成孔完成并经检测合格后移走钻机，清理孔口
　　2）在护筒内安装导向纠偏装置
　　3）安设先插法调直架，定位、调平、对中
　　4）吊运钢管柱，于调直架孔口位置对中、插入至设计深度
　　5）通过导向纠偏装置限位，利用调直架的上下两层螺杆将钢管柱垂直度调整到位
　　6）第三方检测钢管柱垂直度满足设计要求，钢管柱孔口固定
　　7）下放导管、二次反循环清孔
　　8）浇灌支承桩低强度混凝土至钢管柱底下约2.5m
　　9）改灌高强度混凝土，边浇灌边从钢管柱外侧四周均匀回填碎石
　　10）待钢管柱溢流孔内溢出高强度混凝土，停止浇灌；
　　11）桩孔继续回填至地面、孔内回填材料注浆；
　　12）割除工具管，移走调直架、拔出钢护筒
　　3、插入调垂和浇灌回填
　　1）支承桩成孔质量检测达到设计要求后，复测桩位和钢护筒的中心，偏差控制在10mm以内，沿6m长的钢护筒四周安放3～4只导向纠偏千斤；
　　2）吊放调直机就位对中、调平，桩位位置地坪全部硬化处理，调直架、钢护筒和桩位中心允许偏差控制在10mm以内；
　　3）控制钢立柱柱身安放测斜管和三维激光测斜仪的精度；
　　4）钢立柱插入调直机过程中，两台经纬仪通过钢立柱柱身的通长十字墨线量测；
　　5）钢立柱插入到设计深度和标高后，根据三维激光测斜仪的读数开始通过钢护筒上安装的导向纠偏千斤和调直架的四肢螺杆调垂，最终安装在钢立柱顶端的三维激光测斜仪和测斜管的量测结果一致，且均满足设计要求的精度后方可固定。
　　6）钢立柱和调直架分上下三层分别固定后；
　　7）依次浇灌支承桩和钢立柱内的低强度、高强度混凝土，控制好支承桩低强度混凝土的顶标高，确保交界面处的置换效果，保证钢立柱底端以下至少2.5m的深度全部被高强度混凝土置换；
　　8）浇灌钢立柱内高强度混凝土过程中交替进行钢立柱外侧的碎石回填，应控制好回填碎石的时机、次数、方量、方位等，确保高强度混凝土用量最省的情况下，对钢立柱本身扰动最小；
　　9）待钢立柱内高强度混凝土从上部溢流孔内溢出高强度混凝土为止，停止浇灌。
　　六、支承柱施工管理措施
　　钢管柱经调垂施工满足设计要求的精度后，后续的调直架设备调离、钢护筒拔出、桩孔回填、注浆以及后期基坑降水、开挖等各道工序均会对支承柱的垂直度产生不利影响。
　　针对先插法后期垂直度防扰动：
　　①钢管柱内高强度混凝土终凝后，接触固定装置、吊移走工具管和调直架的过程中，防止碰撞、扰动钢管柱本身；
　　②拔出钢护筒时防止碰撞、扰动钢管柱本身；
　　③后期基坑开挖阶段，挖土、降水、安装钢支撑等工序，应防止对钢管柱的碰撞和扰动。
　　针对后插法调垂后防扰动措施：
　　①待下部支承桩的超缓凝混凝土终凝后，拆除钢立柱和调直机的固定装置，依次将液压插管调直机的主机、底座吊移走，防止碰撞、扰动钢立柱本身；
　　②安放Φ256mm的小直径导管、浇灌钢立柱内高强度混凝土过程中防止对柱身产生碰撞和扰动；
　　③后期基坑开挖阶段，挖土、降水、安装钢支撑等工序，应防止对钢管柱的碰撞和扰动。
　　七、结语
　　本文结合工程实践从施工设计、施工关键控制点和针对性的施工管理措施等三方面探讨了逆作法竖向支承桩柱的关键施工技术，支承钢管柱的先插法和后插法施工工艺在上海地区已取得诸多的成功经验，在保证支承桩柱施工质量、提高工效和经济效益方面做出了切实贡献，不仅为逆作法施工提供了一种新的绿色、环保工艺，还降低了建造成本，对高精度支承桩柱在上海乃至国内外的应用和工艺推广都有着非常深远的意义，值得今后类似的逆作法竖向支承桩柱施工借鉴。
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