空心鋼管垂直插入法錨入鉆孔樁施工技術應用研究

陳加才

(福建省九龍建設集團有限公司 福建廈門 361008)

1 工程概況

閩投營運中心工程，位于福州市鼓樓區古田路南側,總建筑面積106 557.12m2,其中，地下室面積39 265.63m2,地上67 291.49m2，建筑高度為118.45m。項目為1幢28層框架-支撐芯筒結構辦公樓、1幢22層框架-支撐芯筒結構酒店，2幢高層由5層商業裙樓相連接。

該工程地下施工，采用蓋挖逆做法，樁基采用擴底灌注樁加后注漿并插入永久鋼立柱工藝[1]。樁巖組成的混基總根數182根。樁端持力層選擇全風化花崗巖(標貫擊數N>50擊)或和土狀強風化花崗合持力層，樁端進入持力層深度不應小于6m，且有效樁長不小于45m，鉆孔深度約64.5m，采用樁底后注漿工藝；樁內安裝Φ600mm-Φ1400mm鋼管混凝土柱，鋼管柱頂在現有地面以下約0.6m，鋼管柱插入樁內2.4m～4.2m。

2 工程重點和難點

該工程灌注樁，采用目前國際國內先進的AM可視旋挖擴底鉆孔灌注樁[2-3]。灌注樁有以下特點及難點：

(1)成孔深度最大達64.5m左右，樁直徑最大為為1800mm，底部擴大為2000mm～2600mm，且樁內要施工插入600mm～1400mm鋼柱，因此樁基成孔垂直度要求較高，最大垂直度偏差不得大于1/200樁長，否則空心鋼管柱在垂直插入過程可能造成鋼管柱錨栓與灌注樁的鋼筋籠卡住，造成嚴重質量事故。

(2)地質條件較為復雜，上部淤泥質粘土較厚，下部砂層土顆粒較大且較為松散，旋挖鉆孔施工容易造成局部坍孔和樁孔縮徑；樁底要進入強風化巖6m,并且樁底要采用AM擴孔至2000mm～2600mm，因此對成樁施工穩定液護壁要求極高，旋挖鉆孔、擴底施工難度大[4]。

(3)灌注樁鋼筋籠主筋直徑大、數量多，主筋鋼筋采用36Φ25三級鋼筋(其中Φ1200mm擴底2000mm樁主筋24Φ40)，加工難度較大，全籠長度最長約達46m。為確保工程質量，該工程鋼筋籠擬采用全籠一次性加工；鋼筋籠整體吊裝入孔安放，同時考慮鋼筋籠重量大、加工及吊裝極易變形等可能出現的狀況，加工制作時需做加固和防變形措施[5]。

(4)確保了旋挖擴底鉆孔灌注樁的精準定位和垂直度，空心鋼管柱在吊裝和插入過程，同樣必須保證其精準定位和垂直度，確保鋼管柱插入垂直度最大偏差≤1/500L樁長。

3 鋼管混凝土柱施工工藝

3.1 概述

該工程共有126根圓形鋼管混凝土柱，柱型為Q345級壁厚25mm～55mm，單根最大長度22.45m，最大重量30.55t,(不含6m長工具柱重量)型號具體為：① GKZ1圓管600×25共88根；② GKZ2圓管1000×25，共17根； ③ GKZ3圓管800×25，共4根；④ GKZ4圓管900×25，共4根；⑤ GKZ8圓管850×25，共3根； ⑥ GKZ9圓管1400×25，共6根； ⑦ GKZ2a圓管1000×35，共4根；多種規格空心鋼管，如圖1所示。管底部密封，采用垂直插入法錨入鉆孔灌注樁樁身混凝土內2.4m～3.0m，然后管內填充澆筑C50自密實混凝土，形成永久鋼管混凝土柱；鋼管柱長20.65m～22.45m,柱頂標高5.6m,柱頂在原地面下約0.6m。

圖1 空心鋼管柱

3.2 空心鋼管垂直插入法錨入鉆孔灌注樁施工工藝

因鉆孔灌注樁單樁承載力大、樁直徑大、樁深度深，永久性鋼管混凝土柱施工須在鉆孔灌注樁成型后再插入鉆孔灌注樁內，并且垂直精度要求高，要求偏差≤L/500(L為鋼管柱的高度)。因此，除了對鉆孔灌注樁的中心定位精準度、樁身垂直度、樁身混凝土和易性及其它質量要求較高外，結合該工程鋼管混凝土柱的特點以及安全性[7]、施工進度周期等因素綜合考慮；采用目前國內最為先進的HPE工法(液壓垂直插入永久性鋼管柱)對該工程一次施工成型永久鋼管混凝土柱。該工程擬投入噸位分別為180t和80t的2臺履帶吊，進行雙機抬吊鉆孔灌注樁的鋼筋籠(圖2)以及4臺套2000型號套HPE液壓垂直插入機，每臺裝置液壓定位器2個、垂直插入系統2個，水平調校裝置4個，垂直調校裝置1個、垂直儀1臺。

圖2 旋挖擴底鉆孔灌注樁鋼筋籠

HPE鋼管柱施工方法，按照“兩點一線”的定位原理，通過機身垂直液壓裝置，將鋼管柱在樁基礎混凝土初凝前插入至設計標高[6]。

3.2.1具體施工步驟

鋼管柱插入，是通過插入機上4個液壓垂直插入裝置，由插入機將鋼管柱抱緊，復測并保證鋼管柱的垂直度和中心位置滿足要求。然后，由上下2個液壓垂直插入裝置同時驅動，上下依次環抱鋼管柱，通過其向下壓力，將鋼管柱垂直向下插入到樁基礎混凝土中，直至將鋼管柱插入到設計深度。垂直插入鋼管柱施工方法的基本原理，就是根據“兩點一線”的原理。

3.2.2具體施工方法

旋挖擴底鉆孔灌注樁樁工藝流程如圖3所示。

圖3 旋挖擴底鉆孔灌注樁工藝流程

(1)插入機就位對中

樁基礎混凝土澆筑完成后，重新放樣定出樁位中心，并用十字線標記在護筒上，復核樁位后，將HPE液壓插入機械的定位器中心與基礎樁位中心置于同一垂直線上，然后插入機就位，插入機根據定位器就位對中，分片安裝液壓機的環抱卡環，調試機器保證可正常運轉。

圖4 液壓垂直插入機

(2)調整插入機水平

插入機就位對中后，可手動或自動調整水平度，通過調整液壓機，如圖4所示。4個腳柱，保證插入機水平度滿足要求，并復核插入機中心位置，滿足要求后即安裝鋼管柱。

(3)吊裝鋼管柱至液壓機內

準備工作完成后，用吊車采用2點起吊法吊裝鋼管柱，將柱體緩慢吊起，至鋼管柱垂直，移至插入機正上方，然后將鋼管柱垂直緩慢放入插入機中，如圖5所示。

圖5 吊裝鋼管柱至液壓機內

(4)經緯儀測設鋼管柱插入前垂直度

鋼管柱安裝至插入機內部前，施工現場交叉方向同時架設2臺經緯儀，通過對角線相交的方法控制垂直液壓插入機定位鋼管柱時的垂直情況，通過機器液壓裝置控制好鋼管柱垂直度后，進行插入，如圖6所示。

圖6 經緯儀測設垂直度

(5)插入鋼管柱

鋼管柱吊放至插入機內，由插入機卡住鋼管柱，并復測鋼管柱垂直度滿足要求后，在鋼管柱法蘭盤頂部安裝一個垂直傳感器，并設置吊環懸掛于鋼護筒邊緣；剛開始下放鋼管柱時，由于鋼管柱的自重，鋼管柱能自由下入孔內一定深度，當浮力大于鋼管柱重量后，由插入機將鋼管柱抱緊，由液壓插入裝置將鋼管柱下壓插入樁基礎混凝土內，此時可根據鋼管柱下部安裝的傳感器確定鋼管柱的垂直度，滿足要求后繼續插入至設計深度，如圖7所示。

圖7 插入鋼管柱

(6)鋼管柱安裝標高

根據鋼管柱距地表高度而定，在工具柱位置標記出一段距離的標高位置，做出標高控制線，鋼管柱插入施工過程中用紅外線激光標線儀定位標高至工具柱標線高度，使得激光儀紅外線與控制線標高一致，最后再把紅線投放到鋼管柱工具柱上，為控制標高準確度，安放的掃線儀距離≤2m。

(7)固定工具柱管口位置

HPE垂直液壓插入機插入完成后，不再挪動機器本身，待樁基砼初凝后，采用3cm～5cm大粒徑碎石回填鋼管柱周圍的空隙并排漿，直至穩定后，工字鋼、鋼管等材料將鋼管固定在護筒平臺上；待樁基砼完全初凝后，切割工具柱并將插入機移位。

(8)安裝柱內鋼筋籠及澆筑砼

垂直液壓機移位后，安裝柱內鋼筋籠及澆筑混凝土，待施做車站頂板時人工切除鋼管柱法蘭盤頂部工具柱。

該工程鋼管柱以GKZ7最重，重量達31.1t,考慮施工中鋼管柱需對接6m長的同規格工具柱，因此其最大長度達28.65m，最大重量達39.2t。故，以GKZ7型鋼管柱為例，進行吊裝參數、吊荷驗算等方案設計。現場機械選用主吊180T，副吊80t履帶式起重機。

4 結語

該工程采用蓋挖逆做法，樁基采用擴底灌注樁加后注漿然后垂直插入空心鋼管柱，并在鋼管柱內灌注混疑土作為地下室框架柱的施工工法，確保垂直插入鋼管空心柱過程的中心定位精準度和垂直度，是工程質量的關鍵技術，采用目前國內最為先進的HPE工法——液壓垂直插入永久性鋼管柱，也就解決了中心定位精準度和垂直度的施工難題，避免因定位或垂直度不準造成鋼管空心柱在插入過程卡住錨栓等等質量技術問題。

采用HPE 液壓垂直插入機施作鋼管柱施工工藝，可以保證鋼管柱施工精度，加快施工進度、降低投資成本、質量可靠、安全性高，取得良好的社會、環保、經濟效益。