永久鋼管柱自動實時調垂施工技術在逆作法中的應用

王 朋

（中城建設有限責任公司，福建 福州 350001）

0 引言

在逆作法一柱一樁施工過程中，當采用永久鋼管柱作為建筑物主體結構豎向承重構件時，對其垂直度的控制精度要求非常高，且鋼管柱施工過程中難于進行垂直度檢查與采取糾正預防措施。一旦施工過程垂直度控制不好，地下室土方開挖后，外露的鋼管柱傾斜將會造成結構豎向承載構件無法垂直傳遞上部荷載，影響結構安全。為此，在逆作法永久鋼管柱施工過程中，需要采用一種可靠的施工技術，以確保豎向構件的垂直度，永久鋼管柱自動實時調垂施工技術便應運而生。

1 工程概況

南京秦淮區路子鋪地塊 NO.2013G47 項目位于南京市秦淮區龍蟠南路與永樂路交界西北角，占地面積 13 804.38 m2，總建筑面積 128 252.3 m2。地上由 5 層的裙房（高度為 23.70 m）和兩棟 21 層塔樓（主要屋面高度為 78.10 m）組成。地下 4 層，地下室底板頂標高為 -19.70。

本工程基礎結構為逆作法施工，立柱采用一柱一樁型式（見圖 1），即一個框架柱下面由一個對應的基礎灌注柱承受，在形成框架柱之前，采用Φ550×18 鋼管混凝土柱承重逆作法中上部結構的荷載，待逆作施工完成后，鋼管柱外包鋼筋混凝土形成勁鋼龍骨框架柱。

圖1 逆作法一柱一樁構造示意圖

2 施工重點與難點

根據結構永久受力要求，考慮采用鋼管混凝土柱，立柱樁垂直度要求 1/1000，由于立柱樁較深，因此對立柱樁的定位、垂直度控制要求非常高。由于鋼管柱在土層中施工，施工過程中較難調整、判定垂直度，垂直度控制措施的可靠性是該項目施工的重點與難點問題。

為此，在逆作法一柱一樁施工過程中，鋼管柱采用液壓調垂架進行初始固定，通過監測系統取得鋼管柱偏斜狀態數據，通過調垂架液壓千斤頂伸縮，以調整鋼管柱的偏斜狀態，確保達到設計施工所要求的垂直精度要求。

3 調垂系統組成

鋼管柱調垂系統由儀表、電腦輸出端、光靶、激光調垂傳感器及安裝支架、自動控制裝置、伸縮千斤頂及通訊電纜等組成，以實現實時測量與監測、自動化調垂等功能。以下介紹幾個主要部件。

3.1 儀表

儀表作為輸出終端，用于顯示和讀取相關測量數據和比值，同時也用于激光控制、傳感器供電等功能。

3.2 光靶

用于記錄激光傳感器的射出激光束沿鋼管柱刻度。

3.3 激光調垂傳感器安裝支架

激光調垂傳感器安裝支架安裝在待測鋼管柱側面，主要用于固定傳感器和調節調垂傳感器所射出的激光束方向，以達到激光束與待測鋼管柱的母線平行之目的。

3.4 激光調垂傳感器

激光調垂傳感器由發射裝置和接收裝置兩部分元件組合標定而成，發射裝置的激光束與接收裝置的發射測量面相互垂直，讀取的角度為鋼管柱的垂直測量數值。

4 調垂系統工作原理［1-3］

4.1 實時測量與監測系統

激光調垂傳感器的射出激光束和傳感器的安裝測量底面垂直，在使用中通過安裝支架調整激光和待測鋼管柱的母線平行，所以傳感器的安裝測量底面也和待測倒構柱的母線垂直。又因為鋼管柱為剛性待測物體，所以當鋼管柱下到豎井中時傳感器的測量底面是一個和鋼管柱垂直的平面，那么只要調整鋼構體，使安裝于鋼管柱的傳感器水平時，鋼管柱也與水平面垂直。將激光調垂傳感器通過預設程序與輸出端進行連接，實時測量其傾斜角度和位移偏差數值，以實現動態測量與監測被測量物體的垂直度等相關信息。

4.2 自動化調垂系統

鋼管柱上方放置互為垂直的二個傳感器，分別實時監測鋼柱兩個方向的垂直度，根據測定的數據和預設的程序，經過電腦終端綜合分析處理后，通過鋼管柱上部和下部分別放置的四個伸縮千斤頂對其垂直度和水平位置進行實時調整，整個監測與調整的過程是自動化、程序化、實時化、數據化的，可以實時進行糾偏和調整，以確保鋼管柱達到垂直精度的控制要求。

5 施工工藝及技術措施

5.1 測量定位

在復核基準點后，根據圖紙對其一柱一樁位置進行測量定位，測量放樣立柱樁樁位中心的同時，放樣出下放立柱樁所在的軸線及四個定位點。用沖擊鉆打出定位孔，為將來的立柱校正架下放做準備。

5.2 成孔、一次清孔

調垂系統是在成孔垂直度、定位和孔徑均符合要求的基礎上實施的，所以成孔質量是逆作法一柱一樁成功實施的前提和必要條件。成孔時，鉆機定位應準確、穩固、水平，中心位置允許偏差應≤10 mm，垂直度允許偏差應≤1/500。事先計算好兩個孔深和機上余尺，先用 900 mm 的鉆頭成孔至灌注樁上部標高位置，達到設計孔深時換用 800 mm 的鉆頭繼續成孔，直至設計孔深。

當鉆孔達到設計要求的深度，停止鉆進，將鉆頭提離孔底 500～800 mm，維持泥漿和正常反循環清洗吸除孔底沉渣，清孔的同時必須不斷地補充新鮮泥漿，將孔內含砂量大、性能差的泥漿置換出來，直到返出泥漿的鉆渣含量小于 4 % 為止。

5.3 放置鋼筋籠

根據灌注樁深度，鋼筋籠可以采用分段和整體吊裝方式進行連接和吊裝。鋼筋籠吊裝前應對鋼筋籠成品加工質量進行檢查、驗收，且鋼筋籠側面設置保護層墊塊。鋼筋籠上的吊環不少于 4 個，每個吊環與不少于 2 根主筋進行焊接，焊接長度應通過計算確定。當分段連接和吊裝時，上下端鋼筋籠的主筋應采用搭接焊接，單面焊縫長度≥10 d，鋼筋接頭率、接頭錯開間距、箍筋補焊等應符合設計及規范要求。吊裝時，應檢查鋼筋籠與灌注樁孔的中心是否重合，并垂直放置于孔口內。鋼筋籠承托橫擔應具有足夠強度和剛度，能夠承擔整個鋼筋籠的自重荷載。

5.4 定位平臺安裝及校正

圖2 調垂鋼架平面示意圖（單位：mm）

5.5 鋼管柱調垂［4］

通過以下步驟對鋼管柱進行調垂。

1）把激光調垂傳感器安裝支架安裝于待測鋼管柱側面，且垂直于鋼管柱的縱向方向。

2）激光調垂傳感器安裝于調整支架上，用螺絲緊固牢靠。

3）激光調垂傳感器通過通訊電纜和儀表連接，并打開儀表，進行調試。

4）將光靶靠近激光出射口，進行初始投測，記錄光斑在光靶的刻度值，即為第一個記錄點。

5）把光靶在鋼管柱沿直線后移 1 m，調整安裝支架的調整螺絲，使光斑在光靶的位置至第一個記錄點。

6）重復第 5）步驟，直到鋼管柱尾端，并把調整螺絲鎖死。

7）再從開始處復驗光斑位置，要求每個測試點都要復驗。

8）關閉儀表開關，并拔下通訊電纜。

9）鋼管柱吊裝至鉆好的豎井中后，懸掛在定位平臺，將伸縮千斤頂與鋼管柱進行頂緊。定位平臺要在地面定牢靠，避免因為震動撞擊等外界因素影響調整結果。

10）用通訊電纜把激光調垂傳感器和儀表連接并開機。

11）根據實際測量的鋼管柱長度設置儀表中柱長。

12）依據儀表顯示數據調垂鋼管柱，調整好后鎖死鋼管柱定位平臺的調整機構，混凝土灌注完成后再采集一次數據為該鋼管柱最終垂直數據。

13）計算機根據實時測量和檢測的數據對液壓動力系統和伸縮千斤頂發出指令，對鋼管柱進行自動實時調垂，使鋼管柱的垂直度達到設計與使用要求。

5.6 鋼管柱吊裝、下放

在鋼管柱吊裝前，須將灌注樁鋼筋籠吊入成孔中固定在洞口，并對平臺進行清理后移交鋼管柱吊裝。在鋼管柱吊裝前，將拼裝完畢驗收合格的鋼管柱，從胎架上水平下架，擱置于地面，采用單機吊裝鋼管柱，采用旋轉法進行吊裝，吊鉤與地面保持垂直狀態，并使吊機吊裝半徑在最小半徑和最大半徑之間平穩起吊，最大半徑根據鋼管柱不同的重量確定。

待鋼管柱垂直吊起后，設專人進行指揮，將鋼管柱慢慢從定位平臺上方插入至樁位孔灌注樁鋼筋籠中，按照設計要求的插入深度和鋼筋連接形式進行鋼管柱和鋼筋籠的連接。再次用經緯儀定位在軸線上觀測，確保鋼管柱表面的標志線校正到與軸線重合，然后旋緊頂部花籃螺栓，并在擱置牛腿二側焊接限位塊，啟動自動實時調整系統，然后同時下放鋼筋籠和鋼管柱。

5.7 放導管、二次清孔

鋼管柱安放到位后，及時下放導管，并進行第二次清孔。第二次清孔采用正循環進一步將孔底沉渣吸出，同時逐步降低孔內泥漿密度，二次清孔應持續至混凝土到場后結束，以泥漿指標和孔底沉淀物厚度符合規范要求為主要控制指標。

5.8 混凝土澆筑及柱周回填

不論鋼管及灌注樁混凝土強度等級是否相同，均應采用水下混凝土澆筑方式一次性澆筑，其導管的距孔底間距、直徑、連接方法、埋深等應符合規范要求。對于不同混凝土強度，應設置專人負責觀測混凝土澆筑面上升高度，在混凝土接近鋼管底面時，放慢混凝土的澆灌速度，并嚴格控制拆導管的進度和導管埋深，確保混凝土能正常上反的同時不能斷層。在鋼管內混凝土澆筑高于設計樁頂標高一倍樁徑時，停止澆筑混凝土，同時對鋼管外側樁孔內對稱地回填石子，回填高度對稱差值不能大于 200 mm，在回填石子期間間斷活動并慢慢提升導管，在灌注鋼管內混凝土過程隨時測量樁孔內石子面高度，如有上浮應立即停止鋼管內混凝土灌注，繼續回填石子，石子回填一定高度后繼續灌注鋼管內混凝土，如此反復直至混凝土從鋼管上部的開口處溢出，直至翻漿溢光，可戳到石子方為混凝土澆筑完畢。

5.9 調垂架的拆除

鋼管柱的調垂架可以循環周轉使用，以滿足施工進度為原則進行配備。調垂架的拆除應滿足以下條件：混凝土灌注完成且達到終凝，用規定的回填材料填充鋼管柱四周至接長鋼管柱頂面，同時將孔內溢出的泥漿排至指定位置。拆除時嚴禁碰撞、踩踏、擾動已經澆筑完成的混凝土和回填材料面層，地腳螺絲及其焊接部位不得暴力拆除。

6 效益分析

自動實時調垂施工技術在逆作法中的應用，使得永久鋼管柱垂直度控制更加可靠，操作簡便，提高了施工效率，縮短了鋼管柱施工的工期，降低了成本。同時，自動實時調垂施工技術在逆作法中的應用，提高了永久鋼管柱的施工質量。在南京秦淮區路子鋪地塊 NO.2013G47 項目永久鋼管柱施工完成后，其垂直度都能夠達到 1/1000 之內的要求，沒有發生因垂直度不達標而進行的結構加固、改造等現象，具有很高的推廣價值。

7 結語

逆作法永久鋼管柱施工過程中采用自動實時調垂施工技術，成功解決了逆作法施工地下室承重鋼柱的控制精度問題，極大地完善了逆作法施工工藝，為進一步發揮逆作法施工的優越性克服了一個重要障礙，也為進一步推廣應用逆作法工藝創造了更加美好的前景。