軟土地基中一柱一樁先插法施工關(guān)鍵技術(shù)

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

隨著超大、超深基坑逆作法開挖回筑的施工越來越普遍，設(shè)計對逆作支撐樁柱的要求也逐步提高，目前在上海中心、白玉蘭廣場、國金中心等超大超深基坑中逆作支撐柱的垂直度都要求在1/600～1/500之間，如此高精度的鋼立柱施工除要求下部支承樁的垂直度達到1/300～1/200的精度外，還必須有一套成熟、高效且穩(wěn)定的調(diào)垂方法和設(shè)備。

本文結(jié)合一柱一樁先插法在上海軟土地基中某超深基坑工程項目的成功實踐經(jīng)驗，對軟土地基中施工逆作法高精度一柱一樁的機械設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)作深入分析，提供一套先進、高效、成熟的施工方法。

1 工程概況

上海國際金融中心工程位于上海浦東新區(qū)，是集商務(wù)、辦公一體的綜合性工程，總占地面積約5.5萬 m2，基坑總面積48 000 m2，周長960 m，由3 幢塔樓和5 層地下室組成，無裙房，其中塔樓區(qū)域挖深28 m，純地下室區(qū)域普遍挖深約26.5 m，整體基坑開挖方式為：首先B0層整體同步挖深約9 m，然后地下室停止開挖，塔樓區(qū)域順挖到底，待塔樓區(qū)地下結(jié)構(gòu)回筑至地面，地下室再繼續(xù)向下逆作開挖，最終實現(xiàn)塔樓地上結(jié)構(gòu)與地下室開挖、結(jié)構(gòu)回筑平行施工。

地下室的逆作區(qū)采用一柱一樁（圖1）作為豎向支承系統(tǒng)承受整體地下結(jié)構(gòu)完成前的樓板荷載及施工超載受力，下部支承樁用Φ1 200 mm的鉆孔樁，設(shè)計孔深61.5 m，樁端后注漿。

支承樁內(nèi)插Φ550 mm×16 mm的鋼管，插入支承樁5 m，鋼管內(nèi)澆筑水下C55的高強混凝土。支承樁成孔垂直度在鋼管柱插入范圍內(nèi)≤1/300（插入范圍以下≤1/200），鋼管柱調(diào)垂垂直度≤1/500。

該工程成樁上部30 m的土層主要為軟黏土層，30 m以下的土層為密實砂層，支承樁底標(biāo)高為－64.41 m，持力層為⑦層砂性粉土層，鉆孔在軟黏土和密實砂層的交界面處垂直度控制難度極大；且較厚的黏性土中鉆進成孔極易產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，影響后續(xù)的鋼管柱插入和高精度調(diào)垂效果；另外，由于下部支承樁樁身基本上全部位于粉土層和粉砂層中，孔底沉渣清除要求極高。

圖1 一柱一樁剖面示意

2 先插法工藝原理[1,2]

2.1 工藝原理

先插法施工是一種比較傳統(tǒng)、成熟的施作一柱一樁調(diào)垂鋼管柱的施工工藝，具有設(shè)備簡單、操作方便的優(yōu)點。

其主要采用1 個3 層的調(diào)垂架，通過中、下2 層水平排布的各4 只調(diào)節(jié)螺桿，利用杠桿原理對鋼管柱進行調(diào)垂。理想情況下鋼管柱在鉆孔內(nèi)僅受側(cè)向泥漿阻力，利用上層螺桿一點固定，下層螺桿一點調(diào)整可以輕易地將鋼管柱移動、調(diào)整。如果僅靠螺桿調(diào)整鋼管柱比較困難，可以同時開啟孔內(nèi)（地下5 m處）的導(dǎo)向糾偏千斤頂給鋼管柱施加水平力，提高調(diào)垂的效果和精度。再配合精密的經(jīng)緯儀、三維激光測斜儀以及第三方的測斜管等測量儀器，從而控制垂直度達到設(shè)計要求，如圖2所示。

圖2 改進的先插法施工示意

2.2 施工工藝的改進

常規(guī)的地面調(diào)垂架僅依靠地面以上的2 個支點調(diào)垂，且兩支點間距僅約2 m，依靠僅2 m的短管節(jié)調(diào)垂下部近30 m的鋼管柱難度極大。

改進的先插法調(diào)垂工藝新增加了地下的4 只導(dǎo)向糾偏千斤頂做調(diào)垂支點，一方面在鋼管柱下插過程中開啟導(dǎo)向糾偏千斤頂作導(dǎo)向，另一方面，在調(diào)垂時延長了地面上和地面下2 個支點的距離，由原來的2 m增長為7 m，以7 m長度的短管節(jié)來調(diào)垂下部逾20 m的鋼管柱，調(diào)垂達到設(shè)計要求精度的保證率提高很多。

3 下部支承樁垂直度控制技術(shù)[3-5]

3.1 成孔機械設(shè)備

采用GPS-20及以上型號的重型回轉(zhuǎn)鉆機成孔，配備三翼雙腰箍鉆頭、配重鉆桿以及鉆桿扶正圈等鉆進設(shè)備；使用長6 m，壁厚10 mm的超長鋼護筒，為初始成孔起導(dǎo)向作用，且為孔內(nèi)導(dǎo)向糾偏千斤頂提供反力支點。

3.2 循環(huán)泥漿管理

泥漿用優(yōu)質(zhì)膨潤土外加化學(xué)添加劑（Na2CO3、NaOH）的人工漿，泥漿經(jīng)除砂機凈化循環(huán)后再抽回孔內(nèi)重復(fù)利用，保證黏性土、砂性土層中孔壁穩(wěn)定；清孔泥漿采用黏度、相對密度、泥皮和膠體率適中的指標(biāo)，保證孔底沉渣滿足≤50 mm。

3.3 鉆進過程控制

黏性土層中用中等轉(zhuǎn)速、大泵量以及較稀泥漿的鉆進方法；粉質(zhì)黏土和粉土中泥漿相對密度不超過1.3，以利進尺為準(zhǔn)，防止產(chǎn)生糊鉆、進尺緩慢等現(xiàn)象；密實砂性土中用低擋慢速、大泵量、分級鉆進的方法，防止孔斜度超過公差范圍；軟硬土層交界面應(yīng)放慢進尺速度，鉆頭穿過交界面后上下重復(fù)掃孔2～3 次，防止不平衡接觸面造成的孔斜。

3.4 成孔質(zhì)量檢測

鉆進至1/2孔深時通過專業(yè)檢測儀從鉆桿內(nèi)量測鉆桿垂直度，如不滿足1/300的精度，應(yīng)立即糾偏，指導(dǎo)后續(xù)繼續(xù)鉆進；終孔經(jīng)井徑儀檢測垂直度，鋼管柱插入范圍內(nèi)成孔垂直度≤1/300，插入范圍以下成孔重直度≤1/200，否則掃孔調(diào)整孔斜率。

4 鋼管柱調(diào)垂及檢測關(guān)鍵技術(shù)[6-8]

4.1 先插法調(diào)垂架的改進

本工程采用的先插法調(diào)垂架在借鑒上海中心大廈工程調(diào)垂架的基礎(chǔ)上，進行了以下改進：

（a）將調(diào)垂架的上下兩層螺桿端部改造成Φ400 mm的環(huán)形手柄，便于操作工人旋擰螺桿時省時省力；

（b）調(diào)垂架的第3層上安裝護欄和踢腳板，提高操作的安全度；

（c）調(diào)垂架上增加回填碎石的漏斗，四個方向可以實現(xiàn)同步均勻回填碎石，保證鋼管柱受力均勻，減少擾動；

（d）調(diào)垂架4 個底角的固定措施進行了加強，在底角接觸面擴大的基礎(chǔ)上，增加了螺栓孔，便于和地面連接固定，保證調(diào)垂時架體絕對穩(wěn)固。

4.2 鋼管柱調(diào)垂的輔助措施

（a）首次采用長6 m的加厚壁鋼護筒，使用90#振動錘振設(shè)埋入，埋設(shè)垂直度≤1/300，且四周回填足夠密實，為導(dǎo)向千斤頂提供穩(wěn)定的水平反力；

（b）吊放鋼管柱之前，在孔內(nèi)（地面下5 m）沿超長鋼護筒內(nèi)壁四周安放4 只各300 kN頂升力的導(dǎo)向糾偏裝置，為鋼管柱插入、調(diào)垂提供導(dǎo)向和水平糾偏推力，便于高效調(diào)垂；

（c）引進三維激光測斜儀安放在鋼管柱柱身，及時反映柱身的傾斜方位并指導(dǎo)調(diào)垂，同柱身的測斜管檢測數(shù)據(jù)對比校核；

（d）增加了鋼管柱外的附加注漿，保證調(diào)垂后柱身四周受力均勻，避免鋼管柱在懸臂狀態(tài)下產(chǎn)生較大的撓度；

（e）支承樁鋼筋籠頂部增加2 道雙箍筋，鋼管柱插入范圍內(nèi)箍筋間距適當(dāng)調(diào)大，防止鋼管柱上的栓釘、環(huán)筋等碰觸鋼筋籠造成無法正常調(diào)垂。

（f）鋼管柱設(shè)計頂標(biāo)高以上安裝長3 m的工具管柱，與主柱靠4 個Φ32 mm的螺栓連接，保證連接的順直和穩(wěn)固，方便調(diào)垂。

4.3 鋼管柱調(diào)垂關(guān)鍵步序

（a）支承樁鋼筋籠順直吊放入孔后，全站儀再次復(fù)核孔位和護筒中心偏差，并做好標(biāo)識；沿護筒內(nèi)壁安放4 只導(dǎo)向糾偏裝置；

（b）先插法調(diào)垂架吊放就位對中、調(diào)平與理論樁位中心偏差≤10 mm后及時固定4 個底角；

（c）鋼管柱插入調(diào)垂架后，開啟孔內(nèi)導(dǎo)向糾偏導(dǎo)向，利用互成直角的2 臺激光經(jīng)緯儀觀測柱身的通長墨線，待鋼管柱靠自重插入至支承樁內(nèi)5 m時，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)進行初調(diào)；

（d）根據(jù)測斜管和三維激光測斜儀的檢測數(shù)據(jù)，利用調(diào)垂架的上下2 層螺桿機孔內(nèi)導(dǎo)向千斤頂對鋼管柱進行調(diào)垂，直至達到設(shè)計要求的1/500；

（e）將調(diào)垂架和鋼管柱分上下2 層用槽鋼呈井字形固定，同時在鋼護筒和鋼管柱之間用短鋼筋加強固定；

（f）從鋼管柱內(nèi)下導(dǎo)管，采用氣舉反循環(huán)法將孔底沉渣清除，以滿足孔底沉渣≤50 mm標(biāo)準(zhǔn)；

（g）分別澆筑支承樁水下C35和鋼管柱內(nèi)水下C55混凝土，孔內(nèi)回填碎石；

（h）待鋼管柱內(nèi)混凝土終凝后（一般為24 h），拆除固定措施，移走調(diào)垂架，拔出鋼護筒，進行鋼管柱外孔內(nèi)注漿。

5 一柱一樁高低標(biāo)號混凝土澆筑控制

由于下部支承樁澆筑水下C35混凝土，鋼管柱內(nèi)澆筑水下C55混凝土，兩種不同混凝土澆筑界面的控制關(guān)鍵在于：

（a）采用泵車布管澆筑，開始澆筑水下C55混凝土?xí)r導(dǎo)管埋深2.5 m，使兩種混凝土置換面位于鋼管柱底以下2 m；

（b）通過前幾根的原位試驗，依據(jù)泥漿相對密度、石子體積、質(zhì)量等精確計算出C35混凝土的上升速率，當(dāng)管外碎石與C55混凝土的頂托力平衡時即可停止回填；

（c）保證合理低速的澆筑速度，拆除起拔導(dǎo)管時嚴(yán)禁生拉硬拽碰觸鋼管柱本身；

（d）待鋼管柱頂端（高出地面約20 cm）的溢流孔內(nèi)溢出C55混凝土?xí)r停止?jié)仓?/p>

6 鋼管柱垂直度的保持控制

由于鋼管柱垂直度的控制精度比較高，調(diào)垂達標(biāo)后的保持至關(guān)重要，后續(xù)施工步序?qū)︿摴苤臄_動將會使調(diào)垂效果大打折扣，施工過程中主要從以下幾個方面重點控制：

（a）鋼管柱調(diào)垂達標(biāo)后應(yīng)立即分別與調(diào)垂架和鋼護筒固定，同時調(diào)垂架自身必須與地面穩(wěn)固連接；

（b）二次清孔從鋼管柱內(nèi)下放導(dǎo)管時，應(yīng)采取措施嚴(yán)禁碰觸鋼管柱本身；清孔采用的氣舉反循環(huán)壓力控制應(yīng)確保在徹底清除孔底沉渣的同時不會對鋼管柱產(chǎn)生附加擾動；

（c）澆筑不同標(biāo)號混凝土?xí)r應(yīng)采用泵車布管，以勻速且最低速度泵入鋼管柱內(nèi)的C55混凝土，嚴(yán)禁拆拔導(dǎo)管時對鋼管柱造成擾動；

（d）回填碎石應(yīng)四個方向同步、對稱、均勻，避免單側(cè)擠壓受力擾動鋼管柱；

（e）后期基坑開挖階段應(yīng)在鋼管柱四周均勻掏挖，嚴(yán)禁單面卸載對鋼管柱產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致處于懸臂狀態(tài)的柱身傾斜。

7 結(jié)語

在常規(guī)的地面調(diào)垂架調(diào)垂的基礎(chǔ)上，通過改良的調(diào)垂架、改進的先插法調(diào)垂工藝不僅提高了調(diào)垂的工效，更提高了鋼管柱的垂直度精度保證率，現(xiàn)場施工澆筑混凝土前一次性調(diào)垂達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的比例高達90%以上。

利用該改進的先插法工藝取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，同時，該先插法工藝的操作使用比常規(guī)的地面調(diào)垂架調(diào)垂，技術(shù)更加成熟，推廣使用的空間得到了較大拓展。