高精度超長準直樁雙層鋼護筒施工技術

范銳釗 曹丙山 趙國強 趙夢廣 曹天祥 伏 靖

北京市機械施工集團有限公司 北京 102628

在建筑工程量領域，雙層鋼護筒一般用于超高層建筑的試驗樁，主要目的是加快試驗樁的施工進度，在土方開挖前，通過提前設置雙層鋼護筒阻隔外護筒長度范圍內樁身與土體接觸，消除此范圍內土體對試樁的影響。此種雙層鋼護筒的長度為自然地面至設計基坑底標高面的深度，一般不超過30 m，如昆明恒隆廣場試驗樁雙護筒的長度為29.2 m，天津高銀117大廈試驗樁雙護筒的長度為26.5 m，昆明景成大廈試驗樁雙護筒的長度為26 m等[1-4]。

為了消除隧道底板及土體對準直測量的影響，保證科學裝置進行科學試驗的精確度，本文結合高能同步輻射光源項目準直樁雙層鋼護筒的工程實例，對高精度超長準直樁雙層鋼護筒的設計、加工制作、現場拼裝、吊裝及校正等進行了詳細介紹[5-11]。

1 工程概況

高能同步輻射光源（HEPS）項目（圖1）是國家“十三五”期間優先建設的重大科學裝置，建成以后將是中國的第一臺第四代同步輻射光源。同時，HEPS擁有世界最高的光譜亮度，高于目前世界上現有的和正在建設的光源，可為基礎科學和工程科學等領域的原創性、突破性創新研究提供重要支撐，是一項具有劃時代意義的工程項目。

圖1 高能同步輻射光源項目效果圖

為了建立高能同步輻射光源項目加速器一級地面控制網，同時為以后的維護、改造和變形監測等工作提供基準，在1#裝置區儲存環隧道內呈90°布置布設了3個永久準直控制點，其采用了超長無干涉雙層鋼護筒準直樁結構（圖2）。

圖2 超長無干涉雙層鋼護筒準直樁結構

超長無干涉雙層鋼護筒準直樁采用現澆鋼筋混凝土樁，樁徑為1 000 mm，編號分別為P05R、P06R、P07R和P08R，底部嵌入基巖樁層1 m，由于其底部基巖深度的不同，經勘測確定其樁長分別為66.15、83.53、66.39、66.35 m，樁采用的混凝土強度等級為C35。

為保證準直樁頂部的永久準直點與底板結構、土壤的隔離，避免周圍結構及土壤的變形、振動等對準直點的位置及定位準確性產生影響，在上部30 m范圍內現澆混凝土準直樁的外側設置了雙層鋼護筒。

外護筒直徑為1 332 mm，壁厚為25 m，長度為30.33 m；內護筒直徑為1 082 mm，壁厚為16 m，長度為30 m，內外護筒間距為100 mm，其材質均為Q235B，單根質量約50 t。

2 施工難點

2.1內、外層鋼護筒的同軸度控制難度大

外層鋼護筒的規格為φ1 332 mm×25 mm，長度為30.33 m；內層鋼護筒的規格為φ1 082 mm×16 mm，長度為30 m，外層與內層鋼護筒的底標高一致，頂標高相差400 mm。內、外層鋼護筒相互獨立，其間設有100 mm的空隙，以保證內層鋼護筒包裹的準直樁與外側護筒的周圍土體、底板完全隔離，如何確保內、外層鋼護筒的同軸度是整個施工的難點。

2.2鋼護筒吊裝過程中變形控制難度大

鋼護筒的最大長度達到了33.33 m，質量為50 t。選擇合理吊裝方法、采取合理的吊裝措施，減少吊裝過程中的變形，保證鋼護筒吊裝過程中穩定性和安全性，是本工程的一個難點。

2.3鋼護筒的垂直度偏差控制精度高

本工程準直樁垂直度的設計允許偏差是1.5/300，遠小于施工規范中的垂直度允許偏差（1%）。對應的30 m雙層鋼護筒的垂直度允許偏差為150 mm，樁徑為1 000 mm，而內護筒內徑為1 050 mm，如果鋼護筒的垂直度無法滿足設計要求，則在施工過程中會導致旋挖鉆機的鉆頭卡在鋼護筒內，所以如何將鋼護筒的垂直度偏差控制在允許范圍內是本工程的難點。

3 施工技術

3.1施工工藝流程

鋼護筒設計→鋼護筒加工制作→場地布置和測量定位→鋼護筒拼裝→鋼護筒焊接→鋼護筒吊裝→鋼護筒校正→鋼護筒固定

3.2鋼護筒設計

外層鋼護筒頂部比內層鋼護筒高400 mm，將外層鋼護筒加長400 mm使得內、外層鋼護筒的長度相同，內、外層鋼護筒之間為間距100 mm的空腔，在其兩端均焊接25 mm厚環形鋼板將空腔封閉，以保證鋼護筒安裝過程中的整體穩定性，同時防止泥漿等雜物進入空腔內。在準直樁預埋件安裝前，將上端環板和加長的外層鋼護筒切割拆除，此時內、外層鋼護筒上部分離；下部環形封板作為永久構件，將內、外層鋼護筒底部封閉。

通過沿外層鋼護筒縱向和軸向均勻設置調節螺栓，通過調節螺栓可以調整內、外層鋼護筒的同軸度，同時大大增強雙層鋼護筒的整體性，減小其吊裝過程中的變形。具體設計為：在外層鋼護筒的筒壁上鉆孔，沿軸向設置6個（圖3），軸向間距為1.5 m，把螺母焊接在孔內，擰調節螺栓使其穿過螺母，使調節螺栓的端部頂接在內層鋼護筒的外壁上，則通過調節螺栓伸出外層鋼護筒的長度，可以調整內層鋼護筒在徑向上相對于外層鋼護筒的位置。

圖3 調節螺栓和螺母的設置

在外層鋼護筒頂部焊接2個支撐牛腿，作用是鋼護筒下至孔內后，進行孔口支撐；同時在每個支撐牛腿上設置1個吊點，用于鋼護筒吊裝。

3.3鋼護筒加工制作

內、外層鋼護筒均分3節加工，每節鋼護筒采用鋼板卷制后拼裝而成。根據鋼護筒的直徑、每節長度及鋼板尺寸確定下料長度、寬度和坡口形式。

先壓邊再進行筒體卷制，筒體卷制過程不應少于3次，以達到自然合口，同時也消除了卷制過程中產生的應力。

縱焊縫采用雙面埋弧自動焊，先焊接內口，然后用碳弧氣刨清根，并用砂輪磨光，最后焊接外口。環焊縫采用二氧化碳氣體保護焊接打底，單面埋弧焊罩面。每個筒節的縱焊縫相錯90°。對鋼護筒端部進行機械加工，使鋼護筒端面垂直。

為防止運輸過程中鋼護筒發生變形，在鋼護筒兩端設置角鋼支撐。

3.4場地布置和測量定位

在準直樁周圍預留45 m×40 m的施工場地，以滿足旋挖轉機、吊裝機械等作業要求。

施工場地未開挖前為原狀土，土質為砂卵石層，根據地勘報告，本層土承載力為350 kPa。經計算，場地能滿足旋挖鉆機、350 t汽車吊等大型設備行走及施工安全。

確保鋼護筒的起吊位置和鉆孔點位均位于350 t汽車吊的允許起重半徑內。

根據測設場區控制軸網，測設出樁的位置、地面標高等，樁位點采用鋼釬撒白灰標識。

施工中保護好已測設的樁位點，如有其他施工機具碾壓樁周邊土體，則樁位點需重新測量。

3.5鋼護筒拼裝

鋼護筒進場后，要對其管長度、管端橢圓度、管端平整度、管端平面傾斜和外周長等進行嚴格驗收。

在每個準直樁附近設置1個鋼護筒拼裝平臺，地面采用混凝土硬化，拼裝平臺由H型鋼組成。

采用經緯儀測設出鋼護筒的拼裝軸線。

采用水準儀對拼裝平臺上的H型鋼進行抄平，使其標高誤差小于2 mm。

在拼裝平臺上按鋼護筒的加工編號拼裝內層鋼護筒，經驗收合格后，采用75 t汽車吊將其吊離拼裝平臺；然后在拼裝平臺上拼裝外層鋼護筒。

采用雙機抬吊將內層鋼護筒插入外層鋼護筒內，在內層鋼護筒端部與外層鋼護筒接觸位置設置移運器（圖4），將內層鋼護筒端部與移運器焊接連接，首先采用雙機抬吊（圖5）將內層鋼護筒插入25 m，然后采用單個吊車（圖6）繼續將內層鋼護筒插入5 m，最后采用挖掘機（圖7）將內層鋼護筒移至設計位置。

圖4 移運器

圖5 雙機抬吊施工

圖6 單機吊裝施工

圖7 挖掘機施工

從一端至另一端，調節螺栓露出外層鋼護筒的長度（圖8），通過多個調節螺栓協同配合，進而調整內、外層鋼護筒的同軸度，使其滿足要求。

圖8 鋼護筒的間隙調整

采用線錐、水準儀和卷尺檢測雙層鋼護筒的拼裝精度，滿足要求后，安裝端部環形封板，并檢查調節螺栓的松緊。

在外護筒頂部安裝支撐牛腿。在雙層鋼護筒上端設置2 m高的支架，在支架頂部的橫桿上開豁口，此豁口位于雙層鋼護筒的中心線上；將2個方管分別設置在鋼護筒上端筒口的表面和距離筒口2 m的內壁上，將雙層鋼護筒的中心線測設至方管上，并開豁口（圖9）。

圖9 垂直度檢測示意

3.6鋼護筒焊接

定位焊接的長度為2 0 ～3 0 m m，距離為2 0 0 ～300 mm，高度不應超過設計焊縫的2/3。

現場對接焊縫均為環形焊縫，焊接方法采用二氧化碳氣體保護焊。

焊接前，將焊縫兩側25 mm范圍內的鐵銹、泥土、油污等清理干凈，并打磨光潔。

焊接時，由2人同時在相對位置焊接，保證其焊速基本相同，以減小焊接變形。

首先，對焊縫外觀進行檢查；然后用砂輪機清除焊道周圍飛濺物，使焊縫周圍光滑平整，對焊縫進行無損超聲波檢測。

3.7鋼護筒吊裝

整個準直樁采用旋挖鉆機泥漿護壁的濕作業法分2次進行鉆孔。首先進行雙層鋼護筒范圍內的鉆孔，樁孔鉆至雙護筒底標高后，向下繼續鉆進0.5 m，以保證雙層鋼護筒有足夠的安裝空間，此時雙護筒底部不接觸孔底，使雙護筒懸空垂直。

采用350 t汽車吊將鋼護筒整體吊裝就位的施工方法。

在雙層鋼護筒的吊裝過程中，調節螺栓對內層鋼護筒的頂接力始終存在，并且長螺栓沿軸向間隔均布，使長螺栓對內層鋼護筒有足夠的頂接力，從而使內層鋼護筒和外層鋼護筒在徑向上相對固定，其同軸度和垂直度比較穩定。

在雙層鋼護筒吊裝入孔的過程中，在孔口處，依次將調節長螺栓拆除，采用焊縫方式封堵外層鋼護筒上的孔，并進行防腐處理。

當鋼護筒下至孔口位置時，采用H型鋼將鋼護筒支撐在孔口，用水準儀調整鋼護筒頂標高。

雙層鋼護筒正式吊裝前，必須進行試吊，觀察雙護筒、吊索、吊具及吊點等的受力、變形情況，如發現變形過大、焊縫開裂、吊索受力不均，應將鋼護筒下放至地面，采取如調整吊點、吊索或吊具等措施，以確保吊裝安全。

在試吊及吊裝的過程中，要安排專人觀察吊車4個支腿處的地基承載情況，如發現地基有下沉、裂紋等現象，立即停止吊裝作業，對地基進行加固。

3.8鋼護筒校正

鋼護筒安裝完成后，先將護筒內泥漿抽出3 m，用清水將護筒內壁沖洗干凈，露出下層控制方管。

從頂部支架上的圓心點垂下線墜，如果線墜能夠同時穿過雙護筒頂部和筒內方管的豁口并不碰到方管（圖10），即可認定為在4 m范圍內能夠達到1.5/400的精度要求，按照比例關系可以得出40 m雙護筒能夠滿足1.5/400的精度要求。

圖10 鋼護筒的校正

3.9鋼護筒固定

雙層鋼護筒校正到位后，在樁底灌注1 m厚的C15素混凝土進行封底。

樁底混凝土終凝后，對外層鋼護筒與巖土體之間的空隙進行注漿，固定鋼護筒的位置。

確保水泥砂漿的質量，注漿前對設備進行詳細檢查，確認其工作狀態良好，以確保注漿連續進行。

待水泥漿終凝后，通過復鉆至設計孔深、清孔、吊鋼筋籠入孔、安放灌注導管、測孔底沉渣、灌注混凝土、樁底后壓漿、剔鑿樁頭、鋼護筒頂部切割分離及安裝預埋件（圖11）等工序，完成超長無干涉雙層鋼護筒準直樁的施工。

圖11 鋼護筒頂部切割分離及預埋件安裝就位

4 施工中遇到的問題及處理措施

4.1雙層鋼護筒間隙調整用時過長

在通過調節螺栓調整內、外層鋼護筒間隙的過程中，鋼護筒的兩端口調整就位后，由于鋼護筒長度為30.33 m，內層鋼護筒自然下撓與外層鋼護筒接觸，且其質量達到了17 t，導致單個調節螺栓受力較大，調整用時過長，且容易損壞調整螺母。

處理措施：提前在外層鋼護筒正下方的3等分點上開設2個直徑為150 mm的孔，首先采用千斤頂通過孔對內層鋼護筒的位置進行粗調，然后采用調節螺栓進行精確調整，最后將孔封堵。

4.2雙層鋼護筒無法一次安裝就位

由于旋挖鉆孔的偏差，導致鋼護筒重復起拔，使現場350 t汽車吊長時間吊著鋼護筒無法安裝就位，存在較大安全隱患。處理措施：成孔后，采用智能超聲成孔質量檢測儀對孔進行質量檢測，待孔垂直度、孔深等均滿足要求后，方可進行鋼護筒的安裝作業。

5 結語

本工程準直樁系統是目前國內護筒最長、成樁最深、要求最高的系統，其83.53 m準直樁施工在國內前所未見，施工精度要求較高，是目前我國深度最深的雙護筒準直樁。通過本高精度超長準直樁鋼護筒施工技術，克服了現場質地條件限制，于2020年9月圓滿通過了工藝驗收。將設計理念完美地體現了出來，為準直系統的施工提供了精度保證，對于類似項目的施工具有重要指導意義，現總結如下：

1）通過對設計、加工制作、現場拼裝、吊裝和校正等施工全過程進行嚴格的積累誤差控制，保證了超長雙層鋼護筒的垂直度大于1/400。

2）利用調節螺栓和螺母嚴格控制了內、外層鋼護筒的間距，保證了雙層鋼護筒在拼裝、吊裝過程中的同軸度和垂直度，同時使得雙層鋼護筒受力均勻，增強了其整體穩定性，大大減小了吊裝變形，進而保證了安裝進度。

3）通過垂直度測量裝置，實時反映出垂直度偏差方向及偏差大小，并根據5 m的偏差數據測算出40 m鋼護筒的實際偏差數據，保證鋼護筒垂直度的精度。