0 引言

　　随着我国社会建设飞速发展，涌现出越来越多高层建筑。逆作法施工可解决城市高层建筑施工各项影响因素，且有利于缩短工期和降低成本，因此成为高层建筑施工的一种趋势^[1,2]。

　　逆作法施工中，多采用“一柱一桩”技术^[3,4,5]，陈畅^[6]结合武汉天丰实业综合楼项目，介绍上、下同步逆作法关键技术及施工注意事项，目前该项目已成功实施，可为类似深基坑工程的设计提供借鉴。谭轲^[7]结合上海徐家汇中心华山路项目，采用上、下同步逆作方案，通过合理设置高强钢管混凝土柱和超长大直径灌注桩，解决了软土地层桩基差异沉降问题，同时满足各项承载要求。郭艳坤等^[8]结合上海董家渡金融城项目，对逆作法“一柱一桩”开挖成孔、垂直度控制、后期结构接缝超灌工艺、逆作节点连接等技术展开了全面研究，提出了合理可行的实施方案，为现场施工进度、质量安全提供了技术支持。代涛等^[9]在南京金茂广场二期工程项目建设过程中，采用逆作法“一柱一桩”技术，并通过合理使用BIM技术对施工工艺进行可行性预判、工艺细节模拟、施工场地部署推演及人材机统筹规划，较好地提升了工作效率、加快了施工进度，经济和社会效益显著。

　　由于不同地区地质条件存在较大差异，在实际工程中，应结合具体情况提出更合理可行的“一柱一桩”施工技术。本文以湖南旺旺医院(二期)———医疗大楼扩建工程(以下简称“湖南旺旺医院(二期)”)为依托，对人工挖孔桩与旋挖钻机干作业复合成孔施工工艺进行研究和实践，以期解决“一柱一桩”桩基超深、超高差、空间窄小、高强度混凝土填充难题。

　　1 工程概况

　　湖南旺旺医院(二期)项目为1座集医疗、住院、停车一体的综合性大楼，总建筑面积约18万m²，其中地上约12万m²，地下约6万m²，地上20层、地下7层。基坑开挖深度32m，开挖量约30万m³。

　　旺旺医院“一柱一桩”深度达42m，且上含砂砾层软弱土层厚度达12m，“一柱一桩”入岩(中风化泥质粉砂岩层天然单轴抗压强度为6.08～8.0MPa)深度达30.0m。针对“一柱一桩”具有入岩深度大、承载能力大、垂直度要求高的特点，开发了人工挖孔桩与旋挖钻机干作业复合成孔施工工艺，并增设纠偏创新工艺，即井底重新定位引孔进行二次纠偏。

　　逆作法“一柱一桩”桩身混凝土强度等级为C35、钢管内及钢管锚入桩身段混凝土强度等级为C60，针对高度差承压抗冲击的难题和分段浇筑易形成浇筑混凝土质量隐患，采用“一柱一桩”干作业钢管复合桩混凝土分段浇筑施工工艺，技术先进，工艺机具组合合理，结构可靠度高。

　　2 工艺原理及流程

　　2.1 工艺原理

　　2.1.1 复合成孔

　　“一柱一桩”复合成孔工艺原理为:前期施工利用封闭式已入岩的地下连续墙隔断地下承压水，为“一柱一桩”干作业成孔创造了首要条件。根据桩径加大200mm，采用人工挖孔桩挖至中风化泥质粉砂岩1m深以上，同时，采用钢筋混凝土护壁箍对上部人工挖孔桩范围内的松散土层进行加固，为下一步人工井下作业、钢立柱顶部支撑创造必要条件。人工挖孔桩结束后，根据岩层强度、桩径、垂直度要求选用满足功能要求的旋挖钻机进行中风化岩层成孔，旋挖钻机型号以动力头扭矩为编号，型号越大，扭矩越大、破岩能力越强、钻杆直径越粗、单节钻杆越长、设备纠偏能力越强。

　　人工挖孔桩与旋挖钻机干作业复合成孔施工如图1所示。

　　图1 人工挖孔桩与旋挖钻机干作业复合成孔施工示意  

　　在桩基成孔过程中，由于地质不均匀性及旋挖钻机纠偏设计能力有限，本工程360型旋挖钻机开挖至底板标高时(-30.000m、上部为空桩)，实测67根桩，桩中心偏差检测记录如表1所示。

　　由表1可知，如不另行采取措施进行纠偏处理，继续下钻则旋挖钻机成孔桩中心偏差合格率<13.4%，利用干作业成孔可下人作业，在旋挖过程中增设1道新工艺即井底重新定位引孔进行二次纠偏，如图2所示。

　　图2 人工引孔二次纠偏示意  

　　受旋挖钻机设备限制，存在机械扩底达不到设计要求及井底不能清理干净等缺陷，为解决上述缺陷，采取旋挖钻机钻至桩底设计标高后，先用旋挖钻机机械扩底再人工修、扩、清底达设计要求。

　　表1 实测桩中心偏差检测记录 

　　表1 实测桩中心偏差检测记录

　　由于旋挖钻机采用旋转切削取土，形成圆形较光滑孔壁，稳定性较好且成孔工效高、施工进度快。

　　2.1.2 分段浇筑

　　充分利用干作业施工环境，进行“一柱一桩”混凝土分段浇筑。首先浇筑桩顶标高以下柱锚入桩钢管内外C60混凝土，待混凝土终凝后达30%设计强度(2d)以上再浇筑上部钢管内C60混凝土，待钢管内C60混凝土达50%设计强度(4d)以上再回填与岩层等强度等级的水泥稳定碎石料。分段浇筑法的优点为:施工简化、混凝土质量易控制、施工成本低，从工序时间差上利用混凝土自身凝固强度解决了钢管内高差段承压抗冲击的难题。分段浇筑需解决如何处理好混凝土界面浮浆问题，通过试验可知，C60自密实微膨胀混凝土坍落度(260±20)mm、扩散度(650±50) mm、初凝时间330min、终凝时间535 min、高度在3.8m内、浇筑时间为30min，浮浆厚度≤100mm，在混凝土浇筑后、初凝前(从商品混凝土站到施工现场运输时间约为1～2h)，即浇筑后2～3h采用专用钢制吊浆桶吊取混凝土上部浮浆至致密混凝土，从而解决分段浇筑混凝土质量隐患。

　　自密实混凝土理论上可不振捣，因深长构件排气不利，为进一步提高混凝土密实度，关键是做好引气工作。钢管内混凝土浇筑施工控制措施为:混凝土浇筑过程中，每上升500mm左右，停止放料，采用浇筑机架卷扬机反复提升导管≥10次，抽插提升高度为2～3m;钢管外混凝土浇筑过程中及导管内浇筑至顶部时，采用变频机内插入式振捣器进行振捣，达到混凝土引气及提高密实度的要求。

　　2.2 工艺流程

　　“一柱一桩”干作业成孔工艺流程为:承压水被隔断→施工准备→机械设备选型→测量放线→场内疏干降水→分批次人工挖孔至中风化岩层→改用旋挖钻机开挖至地下室底板底标高→先吊摄像头视频检查护壁稳定性及地下水情况→抽水、送风、下护套→下人吊中检查成孔偏差，如不合格则重新引孔纠偏→旋挖钻机第2次挖至设计底标高→先用扩底钻机械扩底→吊摄像头视频检查护壁稳定性及地下水情况→抽水、送风、下护套→下人修、扩、清底达设计要求→单桩成孔验收→重复上述工序至全部“一柱一桩”成孔完成、验收。

　　“一柱一桩”干作业分段浇筑工艺流程为:施工准备→机械设备选型→“一柱一桩”干作业成孔已验收合格→桩钢筋笼安装→定位器底标高以下桩身混凝土浇筑→凿浮浆、安装钢立柱→浇筑钢立柱锚入桩段高强度等级混凝土→初凝前吊浆→养护→浇筑桩顶以上钢管内高强度等级混凝土→养护→“一柱一桩”检测、验收。

　　3 关键施工技术

　　3.1 复合成孔

　　根据“一柱一桩”特性，人工挖孔护壁在钢立柱顶部位置设置1道护壁圈梁及预埋件。首先将圈梁钢筋在加工场分3段绑扎并点焊固定牢靠且预留搭接长度，再将已定型的梁钢筋笼吊至安装位置安放、绑扎搭接段箍筋，然后投测标高、划分预埋钢板定位线，安放预埋钢板，经检查无误后再支模后浇筑混凝土。

　　当人工挖孔进入中风化1m以上、转入旋挖钻机作业前，在交接面施作定位孔:井底吊中线精准定位，根据旋挖钻孔桩径采用人工风镐引定位孔，孔深400mm。

　　按所选用的旋挖钻机产品使用说明进行操作，特别要注意设备的接地比压、外形尺寸、回转半径、重量、最大坡度、桅杆、钻具。

　　为确保旋挖钻机成孔垂直度、桩中心偏差满足设计及规范要求，根据逆作法“一柱一桩”设计底板底以上为空桩及钢管柱，增加1道工序:当旋挖钻机钻进深度为底板底标高时，安排专人进行垂直度、桩中心偏差检测，当中心偏差>50mm时，重新采用人工引孔(窝穴)纠偏:(1)利用风镐凿除侧向孔壁偏差部分，高度为1.8m，超出钻斗高度300mm;(2)向下重新引孔深为500mm纠偏孔。旋挖钻机根据人工引孔纠偏孔重新就位、调整桅杆角度向下继续开挖，钻至设计标高。

　　旋挖钻机机械扩底通常采用2种模式:压力扩底钻、液压扩底钻。目前，旋挖钻机带液压动力的扩底钻正在研发阶段，还不能完全满足工程需要，而采用机械压力扩底钻，由于岩层强度不一致，最终扩底尺寸的可靠性不高，且存在清渣与底部弧面有1圈350mm(宽)×400mm(高)直角台阶需人工进一步修、扩、清。

　　3.2 分段浇筑(见图3)

　　1)混凝土强度要求由于“一柱一桩”空间限制，钢管桩混凝土采用高强度等级自密实微膨胀混凝土，施工时留置足够试件检测其坍落度、扩展度、初凝时间、终凝时间等。

　　2)桩身混凝土浇筑(1)桩钢筋笼安装后，立即组织井底抽水、安装混凝土浇筑机架、导管、变频机插入式混凝土振捣器;(2)桩顶标高控制:以钢管顶设计标高及钢管实际加工长度精准计算定位器底标高+浮浆高度;(3)每浇筑300～500mm进行振捣;(4)混凝土浇筑后1～2h内、初凝前吊浮浆;(5)混凝土强度达1.2MPa后进行抽水、通风、下护套、下人翻测标高及凿除浮浆显露出致密混凝土。

　　图3 混凝土分段浇筑示意 

　　3)钢管立柱桩混凝土分2段浇筑(1)混凝土导管法浇筑采用井口架设专用混凝土浇筑支架和导管安装在钢管柱内，插入钢管柱至定位器底约100～200mm位置。(2)混凝土浇筑速度控制提升速度控制在0.5m/min以内，在竖向钢导管上每隔0.5m做1个显著的环形标记符号，用于导管上提速度和高度的控制。(3)混凝土振捣方式高强度等级自密实微膨胀混凝土从导管内缓慢均匀浇筑，从定位器底部向钢管外上返，导管应埋入浇筑混凝土内1.5～4m深。每浇筑300～500mm，采用混凝土浇筑支架反复提升导管≥10次，达到引气及提高混凝土密实度的目的。混凝土到达桩顶标高+浮浆高度后，由于上部混凝土压力不足，必须采用内插入式混凝土振捣器将桩上层高1.0～1.5m混凝土振捣密实。

　　4)深井钢管内混凝土施工缝处理采用界面吊浮浆技术吊浮浆技术操作关键为掌握好混凝土初凝时间，初凝时间应结合实验室出具的配合比及现场取样确定，如实验室出具的混凝土初凝时间为330min，扣除运输、浇筑过程时间1～2h，故吊浮浆最佳时间为混凝土浇筑后2～3h、还未初凝且有流态时。方法为:混凝土浇筑完成后拆除浇筑导管，利用卷扬机浇筑提升机，将专用钢制吊浆桶(重量与体积比≥2.5)挂4根8钢丝绳，通过卷扬机浇筑提升机的自由落体将吊浆桶冲(沉)入上层流态混凝土内，将上部混凝土碎石含量较小的浮浆流入吊浆桶内后吊出，重复以上步骤直至取出原状C60混凝土，完成吊浮浆工作，增加此道工艺解决了深井、深管内无法下人处理施工缝界面的浮浆问题。

　　5)高强混凝土养护通过试验，C60自密实微膨胀钢管混凝土如采用上口覆盖10～20mm深水进行混凝土养护，混凝土与钢管接缝处未见裂纹，否则可见较明显的表层裂纹，故待混凝土终凝且强度达1.2MPa后放入10～20mm深水进行混凝土养护，并覆盖钢管顶部，以防掉物后清理困难。

　　6)第2段桩顶以上至钢管柱顶C60混凝土浇筑(1)钢管柱锚入桩内混凝土强度必须>30%设计强度，即条件养护试块抗压强度≥20MPa;(2)浇筑前必须采取吊海绵或拖把布敛干养护水;(3)井盖打开后所有操作必须注意不得有异物掉入管内;(4)控制混凝土浇筑速度≤0.5m/min;(5)钢管柱内每浇筑300～500mm，采用卷扬机浇筑机架反复提升导管≥10次;(6)上部浮浆高度取1.5m，采用钢管柱顶安装5mm厚钢模板接长，待混凝土初凝前，采用吊浮浆桶吊出部分混凝土，以减少顶部混凝土凿除工程量;(7)混凝土达1.2MPa后拆除钢模板，凿除浮浆混凝土，采用麻袋覆盖湿润养护。

　　4 结语

　　1)采用人工挖孔桩与旋挖钻机有机组合成一种新型成孔方式来确保孔壁稳定性，通过旋挖钻机在底板标高引孔重新定位的二次纠偏技术来确保“一柱一桩”成孔质量。

　　2)采用吊浮浆技术确保了钢管混凝土施工缝质量，从而实现钢管柱内2段浇筑法，采用高强度自密实微膨胀混凝土解决超深、超长、空间窄小构件密实度，采用变频机带内插入式振捣器(ZDN100振程50m)解决超深井振捣难题。