逆作樁柱一體安裝加設回轉鉆機平臺混凝土底座施工技術研究

位帥鵬，劉汝超，樊子爍，丁光鑫，李宏芬，李文軍

（中國建筑第四工程局有限公司，廣州 510665）

隨著社會蓬勃發(fā)展，更多超高層的多層地下室、地下商場和隧道等結構采用逆作法施工工藝，而國內大直徑的逆作樁柱一體安裝技術尚未成熟。鋼管柱設計做法存在環(huán)板，回轉鉆機平臺在夾持鋼管柱插入設計深度的過程中受到浮力阻礙，如何避免與環(huán)板節(jié)點碰撞，保證鋼管柱施工達到設計要求是研究樁柱一體安裝技術的重點。本文結合北京城市副中心站綜合交通樞紐工程，以超長大直徑逆作樁柱一體安裝施工中的實際操作經驗，有針對性地對該施工技術進行探討。

1 工程概況

北京城市副中心站綜合交通樞紐工程03A 地塊位于通州區(qū)芙蓉路以東，楊坨一街以南，既有6 號線以北，地下結構采用框架結構體系，普通樓面采用現澆鋼筋混凝土樓板體系，地上有100、150 和240 m 的塔樓，地上裙房5 層，地下3～5 層地下室，無裙房區(qū)域地面覆土約3 m，基礎埋深最深約-28 m，工程項目整體效果圖如圖1 所示。

圖1 項目建設效果圖

蓋挖逆作區(qū)域工程樁深度達到68 m，樁徑為2 m，鋼管柱最小直徑1.5 m，最小長度29 m；逆作鋼管柱施工過程中，由于混凝土會對其產生浮力阻礙，鋼管柱環(huán)板與回轉鉆機夾持產生節(jié)點碰撞，現擬通過研發(fā)一種超長大直徑逆作樁與鋼管柱一體安裝的施工技術，以達到降本增效、節(jié)約工期的目的?；剞D鉆機夾持鋼管柱效果圖如圖2 所示。

圖2 回轉鉆機夾持鋼管柱效果圖

2 逆作樁柱一體安裝施工的難點

由于逆作鋼管柱依靠自重下沉到與樁混凝土臨界面時，繼續(xù)插入樁的過程中將產生浮力阻礙，另一方面，鋼管柱按照設計要求焊接環(huán)板與回轉鉆機夾持部分存在碰撞，鋼管柱環(huán)板后焊接施工困難，且存在結構安全隱患，成本較高、經濟效益不理想。因此，研究發(fā)明一種回轉鉆機平臺可周轉混凝土底座，以抬高平臺高度避免與回轉鉆機平臺的碰撞。鋼管柱組合布置圖如圖3 所示，鋼管柱環(huán)板節(jié)點如圖4 所示，鋼管柱結構梁搭接環(huán)板如圖5 所示。

圖3 鋼管柱組合布置圖

圖4 鋼管柱環(huán)板節(jié)點效果圖

圖5 鋼管柱結構梁搭接環(huán)板效果圖

3 逆作樁柱一體安裝施工加設混凝土底座的原理及作用

逆作樁的鋼管柱在插入已施工完成逆作樁內的過程中，鋼管柱接觸到樁內混凝土界面時，會受到浮力阻礙且下沉深度增大，隨著浮力逐漸增大，需借助回轉鉆機夾持鋼管柱插入設計深度，調整鋼管柱中心線偏差與垂直度。由于鋼管柱環(huán)板節(jié)點位于回轉鉆機機身高度范圍內，外徑較大，且回轉鉆機原機身高度受限，回轉鉆機在夾持位置點與環(huán)板碰撞，若鋼管柱環(huán)板采用后焊接，即在土方開挖完成后對鋼管柱進行環(huán)板焊接，將造成施工及其困難且成本較高，經濟效益不理想。所以在不采用鋼管柱環(huán)板后焊接的前提下，依據樁內混凝土產生的浮力阻礙計算設計出一組可周轉混凝土底座，使回轉鉆機定位平衡板增加高度，滿足施工要求。鋼管柱基礎節(jié)點如圖6 所示。

圖6 鋼管柱基礎節(jié)點詳圖

3.1 鋼管柱插入樁內過程中的受力分析計算

鋼管柱進入樁內即受到泥漿的阻力，在未接觸到樁內混凝土之前，依靠鋼管柱自重可以克服泥漿阻力作用（G＞F阻），在這個過程中，只需依靠履帶吊控制鋼管柱即可滿足施工要求。隨著鋼管柱接觸到樁內混凝土，混凝土對鋼管柱產生浮力作用，此時僅借助履帶吊依靠鋼管柱的自重無法克服浮力阻礙（G＜F浮），因此需要借助回轉鉆機平臺夾持鋼管柱繼續(xù)插入混凝土中，考慮鋼管柱環(huán)板與回轉鉆機平臺夾持位置點碰撞，且環(huán)板若后焊接會造成結構安全隱患及耗費巨大成本，經濟效益滑坡；回轉鉆機平臺加設混凝土底座，抬高平臺高度，解決了與鋼管柱環(huán)板節(jié)點碰撞問題；根據回轉鉆機平臺和混凝土底座自重應大于或等于混凝土產生的浮力（G1＋G2≥F浮），通過鋼管柱重量（M）計算得出浮力值（F浮=G排=ρgV排），從而得出混凝土底座的最小重力，根據G=pgv 計算得出混凝土底座體積大小及配筋（配筋率=As/b×h0）。

鋼管柱插入使鋼管柱受到的浮力與鋼管柱的重力相等的深度時，通過鋼管柱上部栓釘此時的高度與回轉鉆機此時的高度差得出混凝土底座的高度。

式中：r 為鋼管柱半徑，b1為樁柱搭接長度，h 為柱長，p混為混凝土比重（12.45～2.5 t/m3），p 泥為泥漿比重（1.05～1.2 g/cm3）。

式中：a 為底座長，b 為寬，h 為底座高，r 為鋼護筒半徑。

3.2 單根鋼管柱環(huán)板后焊接成本分析計算

鋼管柱環(huán)板后焊接成本分析計算表見表1。

表1 鋼管柱環(huán)板后焊接成本分析計算表

以單根直徑為1 300 mm 的鋼管柱為例，若鋼管柱環(huán)板后焊接比鋼管柱在工廠加工焊接為成品增加費用約1.3 萬元，且現場施工操作困難，因此加設回轉鉆機混凝土底座可解決成本增加問題，亦滿足施工要求。

3.3 底座技術參數及說明

①通過受力計算得出單個混凝土底座高1.7 m，寬為2.4 m，長為5 m，中間部分像內側凹進，2 個為一組，對接拼裝，在樁孔周圍形成完整平臺，平臺上部布置定位平衡板、回轉鉆機，其平面尺寸滿足定位平衡板、回轉鉆機的安裝需要。②底座平臺頂面作為施工平臺，用于安拆回轉鉆機、夾塊和鋼管柱安裝等，四周布置護欄，作為安全措施，保證人員安全。③使用底座將加高平臺和回轉鉆機，其重心也隨之升高，對底座穩(wěn)定性要求也更高，必須保證底座的強度和穩(wěn)定，底座在樁基混凝土澆筑完成后吊運至孔口布置，保證底座平臺的穩(wěn)定，并且混凝土底座強度較大，滿足平臺、回轉鉆機和鋼管柱施工荷載要求。④平臺下部預留鋼筋籠穿杠安裝空間，不影響鋼筋安裝和混凝土澆筑，混凝土底座下部預留30 cm 高度空間，用于布置鋼筋籠穿杠。

4 現場實施效果

現場實施效果如圖7、圖8 所示。

圖7 樁柱一體安裝回轉鉆機平臺

圖8 混凝土底座上部

5 結束語

目前國內各大城市基礎設施建設初具規(guī)模，城市規(guī)劃格局基本定型，城市中心區(qū)內見縫插針式的用地以及老城區(qū)建筑改造必將成為城市建筑發(fā)展新方向；施工場地狹小、周邊建（構）筑物復雜且沉降變形要求高，對建筑施工提出了更高的要求，而逆作法具備施工占用場地小、基坑開挖對四周建（構）筑物、道路和地下管線及市政設施影響小等特點將越來越引起人們的關心和重視。如果說20 世紀是逆作法施工的起步時期，而今在全國范圍內迅速發(fā)展和大量應用之后，目前正處于技術成熟期，隨后將會有更大發(fā)展的全盛時期。

本文介紹的逆作樁柱一體安裝施工加設混凝土底座解決鋼管柱環(huán)板后，焊接施工技術起到了節(jié)能環(huán)保效果，也可為其他類似工程提供參考借鑒并在同類工程中推廣應用。