逆作法勁性柱柱下鉆孔灌注樁施工技術(shù)

許孫杰

(福建地礦建設(shè)集團公司，福州 350002)

0 引言

隨著城市高層、超高層建筑的增多及地下空間向深度開發(fā)[1]，建(構(gòu))筑物的施工時間隨之延長，資金投入也越來越大，追求縮短建(構(gòu))筑物的施工工期、提高投入資金的使用效益、節(jié)省投資成為迫切的要求，逆作法施工是實現(xiàn)上述目標(biāo)的有效施工方法[2, 3]。逆作法施工技術(shù)指的是沿著建筑物軸線、連續(xù)墻等來進行施工，并將混凝土澆筑在指定位置[4-6]。采用逆作法施工，避免了大量臨時支撐的施工養(yǎng)護及拆除，大大縮短工期，且利于控制變形，提高深基坑地下室施工安全性，有效提高綜合效益。近年來，上海市建(構(gòu))筑地下室尤其是深基坑地下室施工推廣采用逆作法，為滿足逆作法施工要求，一柱一樁被廣泛應(yīng)用。

1 項目概況

長峰商城位于上海長寧區(qū)，占地面積25 000 m2，由58層主樓和10層裙房組成，主樓和裙樓均設(shè)4層地下室，開挖深度分別約19.60 m 、17.50 m，總建筑面積310 000 m2。樁基鉆孔灌注樁1150根，其中裙樓采用逆作法施工，設(shè)計勁性柱(樁)226根，采用直徑550 mm、壁厚16 mm、長度22 m鋼管，錨入樁內(nèi)2 m，要求如下：①樁徑850 mm，樁長55 m，單樁設(shè)計承載力5700 kN，樁尖持力層為⑨層細中砂層，樁底沉碴不大于5 cm；②成孔垂直度要求達1/300，勁性柱鋼管安裝精度要求垂直度不低于1/400，平面位置偏差值小于50 mm；③柱底下部2 m為樁身砼換層界面，要求砼換層界面以上樁身及鋼管內(nèi)采用高標(biāo)號C60砼澆筑，以滿足勁性柱的承載要求。

地層地質(zhì)情況：①、②層填土、黏土；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層底標(biāo)高一般-3.90 m；④層淤泥質(zhì)黏土，層底標(biāo)高一般-12.51 m；⑤層黏土/粉質(zhì)黏土/粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土/砂質(zhì)粉土，層底標(biāo)高一般-25.75 m；⑥層粉質(zhì)黏土，層底標(biāo)高一般-29.13 m；⑦層粉砂/粉細砂，層底標(biāo)高一般-41.89 m；⑧層黏土/粉質(zhì)黏土與粉砂互層，層底標(biāo)高一般-59.97 m；⑨層細中砂，層底標(biāo)高一般-88.86 m。

2 一柱一樁特點

勁性柱是逆作法施工采用的結(jié)構(gòu)柱類型之一，柱下樁以結(jié)構(gòu)柱位置進行布置，也稱一柱一樁，它是在灌注樁樁頂處插入鋼管或鋼格構(gòu)柱，在逆作施工階段作為支撐立柱，在基坑開挖后，鋼立柱外布設(shè)鋼筋支模澆筑混凝土成為永久工程構(gòu)造柱。柱下樁除了作普通工程樁外，逆作法施工對其承載力要求高，其樁身結(jié)構(gòu)、鋼立柱安裝垂直度、鋼立柱平面位置允許偏差等技術(shù)要求嚴格，在軟土地基中，逆作法勁性柱下樁[7]通常有如下要求。

2.1 設(shè)計要求[8-10]

(1)樁徑、樁長不小于設(shè)計孔徑、樁長，樁身垂直度不低于1/300，樁身混凝土強度滿足設(shè)計要求。

(2)在基礎(chǔ)底板施工之前，所有結(jié)構(gòu)樓板、梁、支撐、施工荷載由柱下樁及地下連續(xù)墻共同承擔(dān)，在軟土地基中，柱下樁通常設(shè)計要求樁徑較大、樁長超長，持力層選擇深部較厚、摩阻系數(shù)大的地層。

(3)樁底沉渣不應(yīng)大于5 cm。

(4)鋼立柱采用鋼管或鋼格構(gòu)柱，一次性起吊安裝，立柱底插入工程樁樁頂，鋼管立柱混凝土換層面以上以及鋼管內(nèi)用高標(biāo)號混凝土澆筑。

(5)立柱安裝垂直度1/400以上。

(6)立柱平面位置允許偏差50 mm以內(nèi)。

除上述設(shè)計要求外，施工還需要滿足地區(qū)、行業(yè)建筑樁基技術(shù)規(guī)范、驗收規(guī)程等。

2.2 施工要求

一柱一樁受力復(fù)雜，要求定位準(zhǔn)確，垂直度要求高，承載力大，施工質(zhì)量好。一般的灌注樁施工工藝難以達到要求，一柱一樁其施工有以下特點：①以樁位為中心，澆筑素砼硬化平整地面，以此作為樁機就位、成孔施工，定位調(diào)垂架安裝的施作平臺；②使用高精度測量儀器，準(zhǔn)確測放樁孔中心的位置，護筒挖設(shè)、樁機就位、定位調(diào)垂架安裝，始終進行有效復(fù)核，保持中心位置準(zhǔn)確，確保樁、柱中心偏差滿足要求；③通過控制泥漿性能和合理選擇鉆進技術(shù)參數(shù)，保持孔壁穩(wěn)定，始終采取有效的防斜技術(shù)措施，保證樁孔垂直度高，確保鋼管或鋼格構(gòu)的順利安裝；④提高清孔效果，保證孔底沉渣滿足要求，同時確保水下砼的順利灌注；⑤使用測斜儀器，通過預(yù)埋在鋼管或鋼格構(gòu)上的測斜管，在專用的定位調(diào)垂架上進行鋼管或鋼格構(gòu)的安裝、定位、調(diào)垂，確保鋼管或鋼格構(gòu)的位置準(zhǔn)確、垂直度高；⑥砼灌注過程中，準(zhǔn)確測定砼面深度，通過控制導(dǎo)管深度，進行不同標(biāo)號砼界面替換，通過計算確定替換時導(dǎo)管底以上的殘留低標(biāo)號砼，在高標(biāo)號砼灌注中將其反頂出，保證高標(biāo)號砼的位置準(zhǔn)確。

3 一柱一樁工藝流程及施工方法

3.1 工藝流程

①平整地面，澆筑施工平臺；②正循環(huán)鉆進成孔；③原土泥漿護壁，必要時采用人工造漿護壁；④鋼筋籠分段制作成型，孔口焊接，采取吊筋控制籠頂安裝標(biāo)高；⑤鋼管一次性加工制作成型；⑥定位調(diào)垂架安裝、調(diào)平；⑦終孔后進行第一次清孔，砼灌注前進行第二次導(dǎo)管正循環(huán)清孔替漿；⑧鋼管外側(cè)布設(shè)測斜管，吊車起吊安裝，定位調(diào)垂架上調(diào)垂直、定位；⑨水下反頂法砼灌注；⑩水下砼灌注中，不同標(biāo)號砼更替。

3.2 施工方法[11]

3.2.1 樁定位

根據(jù)施工圖，采用全站儀進行樁定位，并經(jīng)協(xié)作單位復(fù)測驗收，要求樁位測量誤差小于5 mm。

3.2.2 定位調(diào)垂架砼平臺施工

砼平臺作為定位調(diào)垂架安裝平面基礎(chǔ)及鋼管安裝平面位置定位及安裝標(biāo)高控制的依據(jù)，平臺砼等級不低于C25。砼平臺是以樁位為中心施工的鋼筋砼平臺，其長寬以樁機底座尺寸及定位調(diào)垂架尺寸確定，厚度根據(jù)地坪面標(biāo)高、鋼管安裝標(biāo)高而定，厚度不低于150 mm，要求臺面水平，高差小于5 mm。在砼臺面定出并標(biāo)識通過樁中心的兩條互相垂直軸線，該軸線作為鋼管平面定位控制方向。

3.2.3 成孔

鉆機就位基礎(chǔ)穩(wěn)固，調(diào)平對中嚴控“三點一線”；采用同心度好且長徑比不低于1.5∶1.0的雙腰箍鉆頭以及平直度高的鉆桿進行樁孔保徑及垂直度控制，牢固鉆機平臺，嚴格控制成孔垂直度，發(fā)現(xiàn)孔斜立即查明原因及時糾斜。

3.2.4 定位調(diào)垂架安裝

樁孔一清結(jié)束后提鉆移開鉆機，將定位調(diào)垂架垂直安裝在砼承臺面上，使定位調(diào)垂架中心軸線與標(biāo)識在砼承臺面上兩條軸線重合，架底座四角用膨脹螺栓固定在砼承臺上，膨脹螺栓直徑通常不小于18 mm，長度與砼承臺厚度相適應(yīng)。

3.2.5 鋼筋籠安裝

采用吊機起吊鋼筋籠，鋼筋籠在樁孔孔口分節(jié)焊接安裝，最后一節(jié)焊接后不直接安放至設(shè)計標(biāo)高，而采用鋼絲繩臨時懸掛在定位調(diào)垂架底座上，籠頂露出地表，為與鋼管錨入安裝做好準(zhǔn)備。

3.2.6 鋼管起吊

鋼管起吊前在其外側(cè)布設(shè)測斜管，由于鋼管長徑比大、易變形，起吊采用50 t履帶吊和25 t汽吊雙機抬吊、空中回直的施工方法。

3.2.7 鋼管錨入鋼筋籠安裝[12-16]

鋼管與鋼筋籠不進行焊接連接，為保證鋼筋籠安裝定位以及鋼管與鋼筋籠的順利錨入，將2根預(yù)先測量好長度的吊筋固定在鋼管上端吊環(huán)上，吊筋上端設(shè)置上下兩吊環(huán)，鋼筋籠安裝標(biāo)高以下吊環(huán)位置進行確定，鋼管與吊筋一起起吊，鋼管吊直后穿過定位調(diào)垂架中心孔插入鋼筋籠，先將吊筋與鋼筋籠焊接，鋼筋籠由吊筋懸掛在鋼管或鋼格構(gòu)吊環(huán)上隨同一起下入孔內(nèi)，鋼筋籠下至設(shè)計標(biāo)高后將吊筋下吊環(huán)固定在定位調(diào)垂架上，然后拆除上吊環(huán)與鋼管的固定，使鋼管呈自由狀態(tài)，進入鋼管調(diào)垂校正工序。

3.2.8 鋼管調(diào)垂校正

(1)采用測斜儀測量立柱垂直度，其原理是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集鋼管或鋼格構(gòu)測斜數(shù)據(jù)，通過計算機進行數(shù)據(jù)處理，計算出垂直度、傾斜角、偏斜方位以及偏差值，通過圖形與文字提示，指導(dǎo)鋼管定位調(diào)垂架對其垂直度進行調(diào)節(jié)，直至符合要求。

(2)本工程采用定位調(diào)垂架雙層徑向螺桿進行鋼管調(diào)垂校正，定位校正架見圖1。根據(jù)鋼管垂直度測量結(jié)果，通過定位架上雙層共8根徑向調(diào)節(jié)螺桿在鋼管頂部施加一個反向轉(zhuǎn)動力矩，達到校正孔內(nèi)鋼管或鋼格構(gòu)垂直度的目的。鋼管安裝標(biāo)高根據(jù)焊在鋼立柱上端部的定位板以及定位調(diào)垂架操作平臺上標(biāo)高調(diào)節(jié)螺桿進行微調(diào)。

圖1 鋼立柱定位調(diào)垂架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of steel column positioning and lowering frame

3.2.9 清孔、孔底沉渣控制

鋼管安裝完成后，采用吊機安放澆筑導(dǎo)管，砼灌前進行二次清孔，選用兩臺3PNL泵正循環(huán)清孔，通常清孔時間1.0～1.5 h。清孔結(jié)束以泥漿技術(shù)參數(shù)及孔底沉渣符合有關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求為標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.10 水下砼灌注

鋼管設(shè)計通常高出地面，樁砼水下澆筑需用吊機和砼泵車配合在定位調(diào)直架平臺上實施操作。本工程立柱采用直徑550 mm、壁厚16 mm鋼管，設(shè)計要求除樁身混凝土應(yīng)達到工程樁的要求外，鋼管內(nèi)需用高標(biāo)號混凝土(C60以上)填筑，其水下砼澆筑過程應(yīng)考慮混凝土換層澆灌問題。鋼管柱一柱一樁水下混凝土澆灌過程，詳示意工況圖2。

圖2 水下混凝土灌注示意圖Fig.2 Diagram of underwater concrete pouring

(1)工況1。樁身混凝土正常澆灌至換層砼交界面上部L0時，起拔導(dǎo)管嚴格控制導(dǎo)管底端位于換層砼交界面位置。L0的確定需考慮以下因素：①因L0這部分混凝土作為樁身浮砼，今后須鑿除，從經(jīng)濟上考慮應(yīng)盡可能少；②樁身浮砼應(yīng)能滿足樁頂超灌高度的要求；③導(dǎo)管起拔至砼交界面位置時導(dǎo)管埋深須達到施工規(guī)范要求。

(2)工況2。更換高標(biāo)號(C60以上)鋼管內(nèi)芯砼繼續(xù)澆筑，此時應(yīng)考慮高標(biāo)號混凝土澆灌前導(dǎo)管及砼泵車內(nèi)殘留低標(biāo)號砼因素，高標(biāo)號混凝土澆灌應(yīng)在高標(biāo)號混凝土砼面上升高度為L3時，及時起拔導(dǎo)管，盡可能使導(dǎo)管底部進入鋼管內(nèi)，此時在地面上通過線錘可測孔內(nèi)樁身浮砼面深度L1，砼面深度L1由以下公式進行推算：

L1=L-L2-L3

Q0]/(0.25KπD2)

(1)

式中：Q0為高標(biāo)號混凝土澆灌前砼泵車內(nèi)殘留低標(biāo)號砼量，m3；L為砼換層面深，m；L0為高標(biāo)號混凝土澆灌前導(dǎo)管埋深，m；L1為浮砼面深度，m；L2為浮砼高度，m；L3為樁身高標(biāo)號混凝土高度，m；K為樁身擴徑充盈系數(shù)，一般為1.05～1.20；D為設(shè)計樁徑，m；d為灌注導(dǎo)管內(nèi)徑，m；γ1為孔內(nèi)泥漿密度，一般取1.20～1.25 g/cm3；γ2為混凝土密度，取值2.40 g/cm3。

(3)工況3。如果鋼管外浮砼面在混凝土澆至樁頂標(biāo)高后繼續(xù)上升，會造成混凝土的浪費并增加基坑開挖后的混凝土鑿除工作量，因此，在導(dǎo)管進入鋼管內(nèi)后應(yīng)及時在鋼管外側(cè)回填礫料(粒徑20～40 mm)，回填高度依據(jù)澆灌混凝土?xí)r鋼管外不返泥漿為原則。繼續(xù)澆灌鋼管內(nèi)混凝土，至鋼管上端溢流口溢出高標(biāo)號混凝土即可終灌。終灌16 h后，拆除定位架。

4 一柱一樁施工質(zhì)量情況

4.1 鋼管立柱安裝情況

長峰商城裙樓樁基共施工226根一柱一樁，經(jīng)校垂系統(tǒng)實時監(jiān)測鋼立柱垂直度情況并通過定位架螺桿徑向調(diào)垂校正，其結(jié)果表明，鋼立柱安裝全部達到不大于1/400(或0.25%)的垂直度要求，合格率100%，垂直度值1/400～1/1250。

4.2 開挖后鋼管平面位置偏差情況

裙樓地下室基坑開挖后，分別在±0.00 m和樁頂處(標(biāo)高-18.55 m)實測鋼管中心與樁位軸線偏差值，并通過上述偏差值計算立柱實際垂直度，結(jié)果為：①在±0.00 m處板面彈線實測實量，鋼管中心偏移理論中心位置最大處45 mm，最小為0 mm，均達到設(shè)計要求；②在樁頂位置(標(biāo)高-18.55 m)，鋼管中心偏移理論中心位置最大處80 mm，最小為0 mm，平均值40 mm；③基坑開挖后所測鋼管垂直度值，除11根垂直度超過0.25%(0.26%～0.43%)外，其余為0～0.25%

4.3 靜載測試

由上海港灣工程質(zhì)量檢測中心對本工程共10組測試樁進行靜載測試，結(jié)果為：11 000 ～12 500 kN荷載下，樁頂沉降為22.54～37.70 mm，卸載后殘余沉降7.44～23.38 mm，單樁垂直極限承載不小于11 000 kN。

5 效益分析

勁性柱一柱一樁達到了建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)逆作法施工的良好條件，結(jié)合鉆孔樁施工，無擠土影響，泥漿密閉運輸排放，基坑土方實現(xiàn)了暗挖作業(yè)，做到了文明施工。

勁性柱一柱一樁作為支撐體系的縱向構(gòu)件，同地下室的梁、樓板構(gòu)成了基坑的圍護體系，省去了專門的臨時支撐體系，從而節(jié)約了工程總造價。

勁性柱一柱一樁傳導(dǎo)了上部結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)間在逆作法施工中的荷載，實現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)與下部基坑以及地下室結(jié)構(gòu)同時施工，相比常規(guī)順作法施工，明顯縮短了工程的施工工期。

6 結(jié)語

逆作法一柱一樁在基礎(chǔ)底板施工之前，與地下連續(xù)墻共同承擔(dān)所有結(jié)構(gòu)樓板、梁、支撐的重量和施工荷載，施工技術(shù)要求高，具有相當(dāng)?shù)氖┕るy度，只有從測量放樣、成孔、鋼管立柱安裝、水下砼灌注等全過程嚴把技術(shù)質(zhì)量關(guān)，才能保證一柱一樁滿足設(shè)計要求。

在施工中，應(yīng)注意以下幾點：①孔垂直度是影響一柱一樁施工的重要工序，必需通過操作工藝措施的改進，不斷提高軟土地層深孔鉆進成孔質(zhì)量；②保證鋼管立柱安裝位置和垂直度的準(zhǔn)確性并進行調(diào)垂監(jiān)測，是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵；③砼澆灌過程基本不影響一柱一樁立柱的垂直度值及平面位置偏差值，但在砼灌注過程應(yīng)注意保證砼面均勻上升和鋼立柱周邊回填礫石均勻，以防產(chǎn)生側(cè)向推力引起立柱位置變化。