永久鋼管柱自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂施工技術(shù)在逆作法中的應(yīng)用

王 朋

（中城建設(shè)有限責(zé)任公司，福建 福州 350001）

0 引言

在逆作法一柱一樁施工過(guò)程中，當(dāng)采用永久鋼管柱作為建筑物主體結(jié)構(gòu)豎向承重構(gòu)件時(shí)，對(duì)其垂直度的控制精度要求非常高，且鋼管柱施工過(guò)程中難于進(jìn)行垂直度檢查與采取糾正預(yù)防措施。一旦施工過(guò)程垂直度控制不好，地下室土方開(kāi)挖后，外露的鋼管柱傾斜將會(huì)造成結(jié)構(gòu)豎向承載構(gòu)件無(wú)法垂直傳遞上部荷載，影響結(jié)構(gòu)安全。為此，在逆作法永久鋼管柱施工過(guò)程中，需要采用一種可靠的施工技術(shù)，以確保豎向構(gòu)件的垂直度，永久鋼管柱自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂施工技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

1 工程概況

南京秦淮區(qū)路子鋪地塊 NO.2013G47 項(xiàng)目位于南京市秦淮區(qū)龍?bào)茨下放c永樂(lè)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(biāo)高為 -19.70。

本工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為逆作法施工，立柱采用一柱一樁型式（見(jiàn)圖 1），即一個(gè)框架柱下面由一個(gè)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(gòu)造示意圖

2 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)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(duì)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(guò)程中較難調(diào)整、判定垂直度，垂直度控制措施的可靠性是該項(xiàng)目施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。

為此，在逆作法一柱一樁施工過(guò)程中，鋼管柱采用液壓調(diào)垂架進(jìn)行初始固定，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得鋼管柱偏斜狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)垂架液壓千斤頂伸縮，以調(diào)整鋼管柱的偏斜狀態(tài)，確保達(dá)到設(shè)計(jì)施工所要求的垂直精度要求。

3 調(diào)垂系統(tǒng)組成

鋼管柱調(diào)垂系統(tǒng)由儀表、電腦輸出端、光靶、激光調(diào)垂傳感器及安裝支架、自動(dòng)控制裝置、伸縮千斤頂及通訊電纜等組成，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化調(diào)垂等功能。以下介紹幾個(gè)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(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)和比值，同時(shí)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(diào)垂傳感器安裝支架

激光調(diào)垂傳感器安裝支架安裝在待測(cè)鋼管柱側(cè)面，主要用于固定傳感器和調(diào)節(jié)調(diào)垂傳感器所射出的激光束方向，以達(dá)到激光束與待測(cè)鋼管柱的母線平行之目的。

3.4 激光調(diào)垂傳感器

激光調(diào)垂傳感器由發(fā)射裝置和接收裝置兩部分元件組合標(biāo)定而成，發(fā)射裝置的激光束與接收裝置的發(fā)射測(cè)量面相互垂直，讀取的角度為鋼管柱的垂直測(cè)量數(shù)值。

4 調(diào)垂系統(tǒng)工作原理［1-3］

4.1 實(shí)時(shí)測(cè)量與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

激光調(diào)垂傳感器的射出激光束和傳感器的安裝測(cè)量底面垂直，在使用中通過(guò)安裝支架調(diào)整激光和待測(cè)鋼管柱的母線平行，所以傳感器的安裝測(cè)量底面也和待測(cè)倒構(gòu)柱的母線垂直。又因?yàn)殇摴苤鶠閯傂源郎y(cè)物體，所以當(dāng)鋼管柱下到豎井中時(shí)傳感器的測(cè)量底面是一個(gè)和鋼管柱垂直的平面，那么只要調(diào)整鋼構(gòu)體，使安裝于鋼管柱的傳感器水平時(shí)，鋼管柱也與水平面垂直。將激光調(diào)垂傳感器通過(guò)預(yù)設(shè)程序與輸出端進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)測(cè)量其傾斜角度和位移偏差數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量與監(jiān)測(cè)被測(cè)量物體的垂直度等相關(guān)信息。

4.2 自動(dòng)化調(diào)垂系統(tǒng)

鋼管柱上方放置互為垂直的二個(gè)傳感器，分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼柱兩個(gè)方向的垂直度，根據(jù)測(cè)定的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的程序，經(jīng)過(guò)電腦終端綜合分析處理后，通過(guò)鋼管柱上部和下部分別放置的四個(gè)伸縮千斤頂對(duì)其垂直度和水平位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，整個(gè)監(jiān)測(cè)與調(diào)整的過(guò)程是自動(dòng)化、程序化、實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)化的，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行糾偏和調(diào)整，以確保鋼管柱達(dá)到垂直精度的控制要求。

5 施工工藝及技術(shù)措施

5.1 測(cè)量定位

在復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)后，根據(jù)圖紙對(duì)其一柱一樁位置進(jìn)行測(cè)量定位，測(cè)量放樣立柱樁樁位中心的同時(shí)，放樣出下放立柱樁所在的軸線及四個(gè)定位點(diǎn)。用沖擊鉆打出定位孔，為將來(lái)的立柱校正架下放做準(zhǔn)備。

5.2 成孔、一次清孔

調(diào)垂系統(tǒng)是在成孔垂直度、定位和孔徑均符合要求的基礎(chǔ)上實(shí)施的，所以成孔質(zhì)量是逆作法一柱一樁成功實(shí)施的前提和必要條件。成孔時(shí)，鉆機(jī)定位應(yīng)準(zhǔn)確、穩(wěn)固、水平，中心位置允許偏差應(yīng)≤10 mm，垂直度允許偏差應(yīng)≤1/500。事先計(jì)算好兩個(gè)孔深和機(jī)上余尺，先用 900 mm 的鉆頭成孔至灌注樁上部標(biāo)高位置，達(dá)到設(shè)計(jì)孔深時(shí)換用 800 mm 的鉆頭繼續(xù)成孔，直至設(shè)計(jì)孔深。

當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求的深度，停止鉆進(jìn)，將鉆頭提離孔底 500～800 mm，維持泥漿和正常反循環(huán)清洗吸除孔底沉渣，清孔的同時(shí)必須不斷地補(bǔ)充新鮮泥漿，將孔內(nèi)含砂量大、性能差的泥漿置換出來(lái)，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(jù)灌注樁深度，鋼筋籠可以采用分段和整體吊裝方式進(jìn)行連接和吊裝。鋼筋籠吊裝前應(yīng)對(duì)鋼筋籠成品加工質(zhì)量進(jìn)行檢查、驗(yàn)收，且鋼筋籠側(cè)面設(shè)置保護(hù)層墊塊。鋼筋籠上的吊環(huán)不少于 4 個(gè)，每個(gè)吊環(huán)與不少于 2 根主筋進(jìn)行焊接，焊接長(zhǎng)度應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定。當(dāng)分段連接和吊裝時(shí)，上下端鋼筋籠的主筋應(yīng)采用搭接焊接，單面焊縫長(zhǎng)度≥10 d，鋼筋接頭率、接頭錯(cuò)開(kāi)間距、箍筋補(bǔ)焊等應(yīng)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。吊裝時(shí)，應(yīng)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(nèi)。鋼筋籠承托橫擔(dān)應(yīng)具有足夠強(qiáng)度和剛度，能夠承擔(dān)整個(gè)鋼筋籠的自重荷載。

5.4 定位平臺(tái)安裝及校正

圖2 調(diào)垂鋼架平面示意圖（單位：mm）

5.5 鋼管柱調(diào)垂［4］

通過(guò)以下步驟對(duì)鋼管柱進(jìn)行調(diào)垂。

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

2）激光調(diào)垂傳感器安裝于調(diào)整支架上，用螺絲緊固牢靠。

3）激光調(diào)垂傳感器通過(guò)通訊電纜和儀表連接，并打開(kāi)儀表，進(jìn)行調(diào)試。

4）將光靶靠近激光出射口，進(jìn)行初始投測(cè)，記錄光斑在光靶的刻度值，即為第一個(gè)記錄點(diǎn)。

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

6）重復(fù)第 5）步驟，直到鋼管柱尾端，并把調(diào)整螺絲鎖死。

7）再?gòu)拈_(kāi)始處復(fù)驗(yàn)光斑位置，要求每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都要復(fù)驗(yàn)。

8）關(guān)閉儀表開(kāi)關(guān)，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(tái)，將伸縮千斤頂與鋼管柱進(jìn)行頂緊。定位平臺(tái)要在地面定牢靠，避免因?yàn)檎饎?dòng)撞擊等外界因素影響調(diào)整結(jié)果。

10）用通訊電纜把激光調(diào)垂傳感器和儀表連接并開(kāi)機(jī)。

11）根據(jù)實(shí)際測(cè)量的鋼管柱長(zhǎng)度設(shè)置儀表中柱長(zhǎng)。

12）依據(jù)儀表顯示數(shù)據(jù)調(diào)垂鋼管柱，調(diào)整好后鎖死鋼管柱定位平臺(tái)的調(diào)整機(jī)構(gòu)，混凝土灌注完成后再采集一次數(shù)據(jù)為該鋼管柱最終垂直數(shù)據(jù)。

13）計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量和檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)液壓動(dòng)力系統(tǒng)和伸縮千斤頂發(fā)出指令，對(duì)鋼管柱進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂，使鋼管柱的垂直度達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)平臺(tái)進(jìn)行清理后移交鋼管柱吊裝。在鋼管柱吊裝前，將拼裝完畢驗(yàn)收合格的鋼管柱，從胎架上水平下架，擱置于地面，采用單機(jī)吊裝鋼管柱，采用旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行吊裝，吊鉤與地面保持垂直狀態(tài)，并使吊機(jī)吊裝半徑在最小半徑和最大半徑之間平穩(wěn)起吊，最大半徑根據(jù)鋼管柱不同的重量確定。

待鋼管柱垂直吊起后，設(shè)專人進(jìn)行指揮，將鋼管柱慢慢從定位平臺(tái)上方插入至樁位孔灌注樁鋼筋籠中，按照設(shè)計(jì)要求的插入深度和鋼筋連接形式進(jìn)行鋼管柱和鋼筋籠的連接。再次用經(jīng)緯儀定位在軸線上觀測(cè)，確保鋼管柱表面的標(biāo)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(cè)焊接限位塊，啟動(dòng)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)，然后同時(shí)下放鋼筋籠和鋼管柱。

5.7 放導(dǎo)管、二次清孔

鋼管柱安放到位后，及時(shí)下放導(dǎo)管，并進(jìn)行第二次清孔。第二次清孔采用正循環(huán)進(jìn)一步將孔底沉渣吸出，同時(shí)逐步降低孔內(nèi)泥漿密度，二次清孔應(yīng)持續(xù)至混凝土到場(chǎng)后結(jié)束，以泥漿指標(biāo)和孔底沉淀物厚度符合規(guī)范要求為主要控制指標(biāo)。

5.8 混凝土澆筑及柱周回填

不論鋼管及灌注樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)是否相同，均應(yīng)采用水下混凝土澆筑方式一次性澆筑，其導(dǎo)管的距孔底間距、直徑、連接方法、埋深等應(yīng)符合規(guī)范要求。對(duì)于不同混凝土強(qiáng)度，應(yīng)設(shè)置專人負(fù)責(zé)觀測(cè)混凝土澆筑面上升高度，在混凝土接近鋼管底面時(shí)，放慢混凝土的澆灌速度，并嚴(yán)格控制拆導(dǎo)管的進(jìn)度和導(dǎo)管埋深，確保混凝土能正常上反的同時(shí)不能斷層。在鋼管內(nèi)混凝土澆筑高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高一倍樁徑時(shí)，停止?jié)仓炷?，同時(shí)對(duì)鋼管外側(cè)樁孔內(nèi)對(duì)稱地回填石子，回填高度對(duì)稱差值不能大于 200 mm，在回填石子期間間斷活動(dòng)并慢慢提升導(dǎo)管，在灌注鋼管內(nèi)混凝土過(guò)程隨時(shí)測(cè)量樁孔內(nèi)石子面高度，如有上浮應(yīng)立即停止鋼管內(nèi)混凝土灌注，繼續(xù)回填石子，石子回填一定高度后繼續(xù)灌注鋼管內(nèi)混凝土，如此反復(fù)直至混凝土從鋼管上部的開(kāi)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(diào)垂架的拆除

鋼管柱的調(diào)垂架可以循環(huán)周轉(zhuǎn)使用，以滿足施工進(jìn)度為原則進(jìn)行配備。調(diào)垂架的拆除應(yīng)滿足以下條件：混凝土灌注完成且達(dá)到終凝，用規(guī)定的回填材料填充鋼管柱四周至接長(zhǎng)鋼管柱頂面，同時(shí)將孔內(nèi)溢出的泥漿排至指定位置。拆除時(shí)嚴(yán)禁碰撞、踩踏、擾動(dòng)已經(jīng)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(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂施工技術(shù)在逆作法中的應(yīng)用，使得永久鋼管柱垂直度控制更加可靠，操作簡(jiǎn)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(shí)，自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂施工技術(shù)在逆作法中的應(yīng)用，提高了永久鋼管柱的施工質(zhì)量。在南京秦淮區(qū)路子鋪地塊 NO.2013G47 項(xiàng)目永久鋼管柱施工完成后，其垂直度都能夠達(dá)到 1/1000 之內(nèi)的要求，沒(méi)有發(fā)生因垂直度不達(dá)標(biāo)而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)加固、改造等現(xiàn)象，具有很高的推廣價(jià)值。

7 結(jié)語(yǔ)

逆作法永久鋼管柱施工過(guò)程中采用自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂施工技術(shù)，成功解決了逆作法施工地下室承重鋼柱的控制精度問(wèn)題，極大地完善了逆作法施工工藝，為進(jìn)一步發(fā)揮逆作法施工的優(yōu)越性克服了一個(gè)重要障礙，也為進(jìn)一步推廣應(yīng)用逆作法工藝創(chuàng)造了更加美好的前景。