逆作后插式大直徑鋼管樁柱施工監(jiān)理要點

楊之軍，溫雙義（北京賽瑞斯國際工程咨詢有限公司， 北京 100070）

0 引 言

受基坑周邊環(huán)境和施工組織總體方案的限制，大型綜合交通樞紐基坑工程中常選用蓋挖逆作法，也就是利用地下主體結(jié)構(gòu)梁板作為基坑支護結(jié)構(gòu)的水平支撐體系，自上而下進行主體結(jié)構(gòu)施工的方法。豎向支撐樁柱施工是蓋挖法施工的難點和重點，由于綜合交通樞紐工程柱網(wǎng)間距大且層高較高，要滿足蓋挖施工機械的出土要求，同時對樁柱的承載力、立柱安裝的簡便性、梁柱連接的施工便利性、立柱的定位和垂直度精度等提出很高的要求。多年的工程經(jīng)驗表明，蓋挖逆作樁柱適宜采用一樁一柱、鋼管柱后插的施工方法，也就是在旋挖擴孔樁混凝土終凝前插入鋼管柱，然后在管內(nèi)澆筑混凝土。

逆作后插式樁柱的工程特點是支承柱與永久柱合二為一、造價高、工序復(fù)雜且工序銜接要求極高，若出現(xiàn)質(zhì)量事故，將對基坑安全和后續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工造成重大影響，同時技術(shù)處理復(fù)雜且代價昂貴。后插鋼管樁柱施工需要使用專用機械設(shè)備進行樁的擴孔和鋼管柱的后插，需要嚴(yán)密的施工技術(shù)方案和精細(xì)的施工組織協(xié)調(diào)，對各道工序質(zhì)量嚴(yán)格檢測和控制，如此才能保證樁柱的工程質(zhì)量。

1 工程概況

1.1 工程項目簡介

北京城市副中心站綜合交通樞紐工程（以下簡稱“本工程”）位于北京市通州區(qū)，建筑規(guī)模約267萬m2。建筑平面呈條狀布置，地下一層為候車區(qū)和換乘區(qū)，地下二層為軌行區(qū)。本工程中部區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)采用逆作施工法，即圍護結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，水平支撐體系為梁板結(jié)構(gòu)，豎向支撐采用逆作后插式鋼管樁柱一體結(jié)構(gòu)。

1.2 工程水文地質(zhì)簡介

本工程屬于基本穩(wěn)定場地，場地地基土層屬同一地貌單元，為均勻地基。工程施工區(qū)域地表標(biāo)高18.5 m，逆作樁柱施工硬化地面標(biāo)高13.0 m（明挖基坑深5.5 m），地下水位標(biāo)高約10.0 m。在逆作樁深度（標(biāo)高-62.0 m～13.0 m）范圍內(nèi)，地層土質(zhì)基本為細(xì)砂，夾雜少量粉質(zhì)黏土～砂質(zhì)粉土地層，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)40～50，屬于中硬土。

1.3 設(shè)計簡介

本工程逆作樁柱為一樁一柱型式，逆作樁兼作抗壓樁和抗拔樁，永久工程柱為厚壁鋼管柱。逆作樁采用C35緩凝混凝土，樁底擴大樁徑，樁底和樁側(cè)后注素水泥漿液；鋼管柱采用后插法，管內(nèi)澆筑C60自密實不收縮混凝土。逆作后插式鋼管樁柱主要設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 逆作后插式鋼管樁柱主要設(shè)計參數(shù)

本工程的永久鋼管柱在平面上布設(shè)于鐵路軌道中間，考慮鐵路限界的規(guī)定，要求逆作樁孔垂直度＜1/600；鋼管柱的定位偏差≤1.0mm，柱頂標(biāo)高偏差≤2.0 mm，垂直度≤1/800（正線區(qū)域≤1/1 000）。逆作樁采用復(fù)合注漿，樁側(cè)設(shè)3個注漿斷面，其中標(biāo)準(zhǔn)樁φ2.4 m（樁底擴孔φ3.5 m），樁底注漿5.6 t，樁側(cè)每斷面注漿1.44 t。

1.4 施工組織方案簡介

根據(jù)設(shè)計圖紙、水文地質(zhì)資料、場地總體布置和工期等因素確定逆作樁柱一體化施工組織方案。鋼管柱由鋼結(jié)構(gòu)工廠分段制作，現(xiàn)場預(yù)拼焊接；逆作樁選用SWDM 300H～550H旋挖鉆機成孔，液壓插入機選用JAR-210H全回轉(zhuǎn)鉆機插入鋼管柱；配置250 t和150 t主副履帶吊車各1臺，逆作樁鋼筋籠分2段吊裝懸空連接；鋼管柱整體吊裝。通過試驗樁柱實際確定施工參數(shù)，后插式鋼管樁柱施工流程如圖1所示。

圖1 后插式鋼管樁柱施工流程圖

2 施工監(jiān)理要點

2.1 施工前期監(jiān)理要點

逆作后插式鋼管樁柱施工監(jiān)理前期主要工作，如表2所示。

表2 后插式鋼管樁柱施工監(jiān)理前期主要工作

2.2 逆作擴孔樁監(jiān)理要點

2.2.1 逆作擴孔樁護筒安裝

樁孔護筒的作用是樁位定位、保護孔口、保持泥漿液面、穩(wěn)定孔壁、樁頂標(biāo)高控制依據(jù)、防止地面水及泥漿回灌等。大直徑旋挖樁護筒常采用10 mm～15 mm厚鋼板制作，上口加焊200 mm高加強鋼板箍；護筒內(nèi)徑大于樁徑200 mm，高度大于2倍樁徑；護筒高出地面200 mm，插入穩(wěn)定土層不少于1 m。護筒安裝采用旋挖鉆干式成孔，將護筒壓入穩(wěn)定土層。護筒安裝指標(biāo)應(yīng)不低于逆作樁孔標(biāo)準(zhǔn)。逆作樁護筒安裝質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 逆作樁護筒安裝質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 逆作擴孔樁泥漿

泥漿護壁旋挖樁成孔中泥漿的作用是護壁、攜渣和潤滑?？傮w來講，由于樁孔尺度較小以及圓形孔洞土體的拱形效應(yīng)，孔壁坍塌風(fēng)險較小。施工中重點控制新配制泥漿和再生泥漿指標(biāo)，泥漿液面保持在護筒下口以上2 m。擴孔樁循環(huán)使用再生泥漿指標(biāo)，如表4所示。

表4 擴孔樁循環(huán)使用再生泥漿指標(biāo)

2.2.3 逆作擴孔樁成孔

擴孔樁成孔是逆作樁工程的重點和難點之一，使用旋挖等徑鉆頭成孔到樁底，然后用液壓變徑擴孔鉆頭切削土體，擴大樁底部或樁孔中部，使灌注樁身形成“蒜頭狀”或“竹節(jié)狀”。擴孔是關(guān)鍵工序，首先在旋挖鉆機的顯示屏上按設(shè)計要求設(shè)置擴孔參數(shù)（角度、直徑和高度），然后液壓變徑鉆頭張開角度對土體切削，屏幕即時顯示樁孔的垂直度、深度、直徑和切削角度。成孔中常見問題是孔壁局部坍塌、縮徑、垂直度和擴孔參數(shù)存在誤差，在施工組織中做到“鋼筋籠和混凝土等待成孔”，可避免因樁孔較長時間空置而造成的孔壁坍塌或縮徑（軟土或黏性土地層）事故。逆作樁孔垂直度須＜1/300（指標(biāo)高于普通灌注樁），避免后插帶有栓釘?shù)匿摴苤鶗r剮蹭鋼筋籠，樁孔垂直度采用超聲波程控質(zhì)量檢測儀檢測。泥漿護壁旋挖擴孔樁成孔質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。

表5 泥漿護壁旋挖擴孔樁成孔質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 逆作擴孔樁清孔

大直徑擴孔樁單樁承載力大，須嚴(yán)格控制樁頂總沉降量，而樁底沉渣厚度對此影響顯著，因此要求端承樁或摩擦端承樁的沉渣厚度小于摩擦樁或端承摩擦樁。樁孔采用兩次清孔法，第1次在鋼筋籠吊放前，將砂石泵吊放至樁底采用泵吸反循環(huán)法清孔；第2次在澆筑混凝土前，在混凝土導(dǎo)管上口安裝砂石泵，采用泵吸反循環(huán)法清孔。在擴孔樁施工中，對沉底的大量泥砂在第1次清孔前采用等徑鉆頭撈渣。泥漿護壁成孔灌注樁清孔質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，如表6所示。

表6 泥漿護壁成孔灌注樁清孔質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)

2.2.5 逆作擴孔樁鋼筋籠制作及吊裝

大直徑逆作樁常兼抗壓樁或抗拔樁，鋼筋籠尺寸大、自重重、中空后插鋼管柱的要求制作精度高。鋼筋籠的樁身段和空孔工具籠段分段制作，采用主副吊車分段吊裝懸空對接。鋼筋籠制作除滿足常規(guī)要求外，需要重點檢查鋼筋籠的直螺紋套筒連接質(zhì)量、鋼筋籠外形尺寸、保護層厚度、鋼筋籠剛度和整體穩(wěn)定性、吊環(huán)焊接、注漿管和聲測管安裝質(zhì)量，以及逆作樁鋼筋籠制作質(zhì)量。

2.2.6 逆作擴孔樁混凝土澆筑

混凝土的緩凝時間是逆作后插鋼管樁柱工程的控制重點之一，其決定著后插鋼管柱的成敗。緩凝時間由混凝土運輸時間、澆筑時間、插入機吊裝時間、鋼管柱插入時間和冗余時間構(gòu)成，一般為36 h，緩凝混凝土通常采用調(diào)整粉煤灰和礦粉的摻量或者摻加緩凝劑確定配合比?；炷翝仓叨软毘^樁頂標(biāo)高0.8 m～1.0 m，樁身完整性通過預(yù)設(shè)的聲測管采用聲波透射法檢測。泥漿護壁灌注樁混凝土澆筑質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

表7 泥漿護壁灌注樁混凝土澆筑質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)

2.2.7 逆作擴孔樁樁后注漿

樁后注漿是通過漿液的填充、擠密和劈裂與樁周土結(jié)合，固化樁底沉渣和樁側(cè)泥皮。大量工程實例表明，樁后注漿使樁的承載力提高30%以上，對減小樁沉降有顯著效果。

（1）樁后注漿機理。泥漿護壁灌注樁成孔后，由于樁孔卸載應(yīng)力釋放使土體松弛，清孔后樁底殘留沉渣，孔壁附有軟弱泥皮。樁后注漿使水泥漿液與沉渣及泥皮結(jié)合固化，同時加固樁底和樁側(cè)土體，使樁端阻力和樁側(cè)摩阻力提高。根據(jù)漿液與土體相互作用方式分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿，在實際工程中，三種注漿方式往往同時發(fā)生，并且隨著注漿條件的改變，三者之間可以相互轉(zhuǎn)變。對于某一具體注漿工程，存在一種主導(dǎo)注漿形式，且存在一定的轉(zhuǎn)化規(guī)律和過程。

逆作大直徑擴孔樁樁底持力層大多數(shù)情況下為砂質(zhì)地層，對于中砂以上的粗粒土，以滲透注漿為主，伴有少量的劈裂注漿和壓密注漿。對于細(xì)砂地層，以劈裂注漿和壓密注漿為主，伴有少量的滲透注漿。樁底注漿不但將沉渣層固化，還滲透到樁底周圍土體，使樁底形成橢圓形的固化土層。隨著樁底注漿壓力逐漸增大，漿液沿樁周向上流動將泥皮劈裂，不但固化泥皮，還向樁周土滲透或劈裂。

在樁側(cè)注漿中，漿液在出漿口對土體進行填充和擠密，隨著壓力增大將泥皮劈裂，漿液隨后填充劈裂空隙，壓力繼續(xù)增高后形成第2次劈裂，依次循環(huán)。在飽和土體中豎向劈裂壓力小于水平向劈裂壓力，從而使?jié){液沿樁身向上移動。樁側(cè)注漿不但使泥皮固化，而且漿液劈裂和滲透形成的網(wǎng)狀漿脈骨架使樁周土加固。樁側(cè)注漿使樁側(cè)摩阻力增大，使樁的“嵌固效應(yīng)”增強，從而使樁的極限承載力增大，樁頂總沉降量降低。

（2）樁后注漿施工要求。注漿次序方面，在樁位平面上先外圍后中間；在復(fù)式注漿中，先樁側(cè)后樁底，樁側(cè)多斷面時注漿先上后下，對于非飽和土層先樁底后樁側(cè)，樁端注漿時對各注漿管依次等量注漿。在注漿時機方面，注漿管清水開塞時間應(yīng)在混凝土初凝以后，若開塞過遲將無法沖開混凝土層；為避免串漿，樁底與樁側(cè)注漿間隔大于2 h；當(dāng)發(fā)現(xiàn)串漿且壓力較低時，應(yīng)間歇30 min～60 min后再注漿。

（3）樁后注漿監(jiān)理要點。檢查注漿管的敷設(shè)位置和密封性、注漿次序、注漿管開塞時間，檢查漿液的水灰比，檢查注漿的壓力、流量和流速。終止注漿以控制注漿量為主，檢查終止注漿條件的合規(guī)性。

2.3 后插鋼管柱施工監(jiān)理要點

2.3.1 鋼管柱后插工法簡介

鋼管柱液壓垂直插入工法是根據(jù)二點定位原理，利用插入機自身的兩套液壓裝置，在樁混凝土初凝前，將鋼管柱垂直插入混凝土中。液壓插入機由上、下兩組液壓定位器構(gòu)成，在鋼管柱上粘貼的傳感器與控制顯示屏連線，液壓定位器具有調(diào)整柱位、垂直度和轉(zhuǎn)向的功能。鋼管柱吊放后由上、下定位器夾具夾緊，根據(jù)顯示屏數(shù)據(jù)調(diào)整鋼管柱姿態(tài)。松開下平臺夾具（副夾），由上平臺夾具（主夾）下壓鋼管柱一個行程（750 mm），然后副夾抱緊鋼柱，主夾松開，上平臺上升后主夾再抱緊，再次調(diào)整鋼管柱姿態(tài)，完成一個工作流程，以此循環(huán)，將鋼管柱插入至設(shè)計標(biāo)高。在地面采用2臺全站儀呈90°雙向校核鋼管的垂直度，最后由水準(zhǔn)儀測量柱頂標(biāo)高。

2.3.2 后插鋼管柱制作

鋼管柱由鋼構(gòu)件廠分段制作，在施工現(xiàn)場拼裝焊接為整體，同時在鋼管柱上口焊接等徑工具柱以滿足下插施工的工藝需要。鋼構(gòu)件廠根據(jù)設(shè)計圖紙編制《施工詳圖設(shè)計》和《焊接工藝評定》。鋼管柱制作質(zhì)量管理的重點是梁柱節(jié)點和現(xiàn)場的焊接，施工監(jiān)理重點是鋼板、栓釘、焊材的材質(zhì)質(zhì)量，焊縫質(zhì)量和防腐涂料質(zhì)量，鋼管柱對接（一級熔透焊縫）采用超聲波探傷儀檢測。鋼管柱制作外形尺寸允許偏差，如表8所示。

表8 鋼管柱制作外形尺寸允許偏差

2.3.3 鋼管柱下插施工

鋼管柱下插是逆作后插鋼管樁柱施工中的重點和難點。其關(guān)鍵在于混凝土終凝前（坍落度宜大于120 mm），鋼管柱保持高精度的柱位和垂直度姿態(tài)插入。施工程序為：灌注樁混凝土澆筑完成→吊裝專用路基箱→吊裝插入機→吊裝鋼管柱并抱緊→精調(diào)鋼管柱姿態(tài)→下插鋼管柱至混凝土頂面→再次精調(diào)鋼管柱姿態(tài)→插入機下插鋼管柱→鋼管柱就位。插入機自身系統(tǒng)完成鋼管柱姿態(tài)的定位、調(diào)垂、調(diào)平和轉(zhuǎn)向，現(xiàn)場2臺全站儀和1臺水準(zhǔn)儀校核鋼管柱的定位、垂直度和標(biāo)高。鋼管柱下插質(zhì)量允許偏差，如表9所示。

表9 鋼管柱下插質(zhì)量允許偏差

2.3.4 回填鋼管柱周邊碎石

鋼管柱下插到位、混凝土終凝后，在鋼管柱周邊人工回填小粒徑碎石。為避免鋼管柱受力不均造成彎曲，碎石沿柱周均勻填入，為便于切割工具柱操作，碎石高度在工具柱底面1.0 m以下為宜。

2.3.5 澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土

鋼管柱周邊碎石回填后，移除插入機切割工具柱，臨時固定鋼管柱上口；然后在鋼管柱內(nèi)吊放導(dǎo)管澆筑混凝土，續(xù)接鋼管柱時，澆筑至管上口以下0.5 m，澆筑混凝土?xí)r，在敷設(shè)內(nèi)法蘭的梁柱節(jié)點處，上下抽插導(dǎo)管以增強混凝土的密實性，采用敲擊鋼管法檢查澆筑質(zhì)量（基坑開挖后檢測）。鋼管柱為鋼-混凝土（S-CFST）復(fù)合構(gòu)件，須保證鋼管與管內(nèi)混凝土界面的有效黏結(jié)，常采用大于C50自密實不收縮混凝土，在混凝土中摻加氧化鎂（MgO）膨脹劑，它以氫氧化鎂生成物的體積膨脹來補償混凝土的硬化收縮。監(jiān)理工作重點是摻加氧化鎂膨脹劑混凝土的質(zhì)量和澆筑質(zhì)量控制。

3 工程效果及經(jīng)驗

根據(jù)對已完成逆作后插鋼管樁柱的施工數(shù)據(jù)的分析，以及檢測評定報告匯總結(jié)果，本工程施工質(zhì)量合格率100%。其中擴孔灌注樁孔垂直度1/600～1/800；鋼管柱柱位中心偏差1.0 mm，垂直度1/900，一級焊縫合格率1 0 0%。C 3 5水下超緩凝混凝土配合比為水泥∶水∶砂∶碎石∶減水劑∶粉煤灰∶礦粉＝248∶151∶723∶1 042∶16∶78∶96，水膠比0.36，坍落度220 mm，終凝時間72 h。C60自密實不收縮混凝土摻加M型氧化鎂膨脹劑4.7%。本工程經(jīng)驗體會如下。

（1）細(xì)化施工組織與現(xiàn)場協(xié)調(diào)，動態(tài)控制工作重點。前期做好旋挖擴孔鉆機和鋼管柱插入機的選型以及專業(yè)分包隊伍的選擇，施工中落實工序間的緊密銜接和檢測。每根樁柱施工結(jié)束后，對發(fā)現(xiàn)的問題進行分析總結(jié)，制定措施并落實整改。

（2）重視高性能混凝土配合比的試配工作，重點控制逆作樁混凝土的初凝時間和管內(nèi)自密實不收縮混凝土的膨脹率，除特殊工程外，樁混凝土初凝時間設(shè)定為36 h即可。

（3）精細(xì)做好鋼管柱的定位、垂直度、轉(zhuǎn)向和標(biāo)高控制工作，使鋼管柱插入機的自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)與現(xiàn)場測量結(jié)果可以相互驗證。

（4）樁后注漿對樁承載力貢獻很大，關(guān)鍵在于對后注漿適用性和時機的把握。后注漿方案的設(shè)計、注漿管的埋設(shè)、注漿參數(shù)（主要是注漿量和注漿壓力）的選定、注漿的開塞時間、間隔時間和次序的控制對注漿的可靠性、有效性和經(jīng)濟性至關(guān)重要。

本工程逆作后插式標(biāo)準(zhǔn)樁柱為H-GKZ2（擴孔樁樁徑φ2.4 m，樁底擴孔φ3.5 m，樁長47 m，孔深73.117 m，樁身混凝土224.19 m3，鋼管柱直徑1 400 mm、壁厚50 mm，柱長30 m）。直徑1.4 m鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)樁柱H-GKZ2實測平均施工參數(shù)，如表10所示。

表10 直徑1.4 m鋼管柱標(biāo)準(zhǔn)樁柱H-GKZ2實測平均施工參數(shù)

4 結(jié) 語

逆作后插式大直徑鋼管樁柱施工技術(shù)要點是后插鋼管柱的姿態(tài)控制，鋼管柱的姿態(tài)控制要素是柱位中心、垂直度、轉(zhuǎn)向度和標(biāo)高。施工中要重點控制旋挖樁擴孔施工、樁身緩凝混凝土的初凝時間和鋼管柱插入過程中的測量工作。此外，要重視樁后注漿工藝，精細(xì)組織工序銜接，多方密切協(xié)作，確保每根樁柱的工程質(zhì)量。