基坑逆作法施工工艺的一大难点是一桩一柱施工, 由于需要在基础桩顶部施工永久性钢管柱, 因此垂直度要求极高。常用的一桩一柱下插钢管柱施工分为前插法和后插法, 前插法是在浇灌桩孔混凝土之前将钢管与钢筋笼固定一同放入桩孔, 定位固定后浇灌混凝土, 该法在孔口需安装导向架, 采用气囊、千斤顶或激光等辅助方法测量垂直度, 施工过程长、不可控因素多、效果参差不齐且要求钢管柱底部不得封闭。后插法是在浇灌桩孔混凝土后采用人工挖孔桩护壁或沉放钢护筒护壁工艺, 在孔内人工安装钢管柱, 该法精度高, 但工期长, 危险性较大。近年来随着全套管全回转施工机械及相关改进型设备的出现, 工程界采用该设备进行后插钢管柱施工, 弥补了上述工艺的缺陷, 使得高垂直度精度下后插钢管柱成为可能。根据相关资料显示, 目前国内后插钢管柱最大直径为1.4m, 本文以深圳万科滨海置地大厦项目直径1.6m的大型钢管柱后插施工过程垂直度控制进行探讨, 可为同类工程施工提供借鉴。

万科滨海置地大厦项目位于深圳市福田区滨河大道与泰然九路交汇处, 占地面积约5 800m², 拟建1栋塔楼办公楼 (38层) 及裙楼商业中心 (6层) , 设4层地下室, 基坑开挖深度20m, 采用地下连续墙和3道钢筋混凝土内支撑支护。桩基础采用旋挖成孔灌注桩工艺, 直径2 500mm, C40水下混凝土, 有效桩长为6~26m, 进入中风化花岗岩2.0m, 桩顶设计标高在地面以下21m处。塔楼结构为钢筋混凝土核心筒+外框钢管柱结构 (一柱一桩) , 塔楼区域采用部分逆作法施工工艺, 13根1 600mm×35mm巨型外框钢管柱需垂直插入直径2.5m的工程桩, 嵌入≥3m, 单根钢管柱长度在26~27m, 钢管柱底部封闭, 且柱内浇灌C60自密实混凝土, 设计要求钢管柱垂直度控制在1/1 000以内, 且≤35mm (见图1) 。

该方法是在地表成桩后, 在孔口安放全套管全回转设备及底座平台, 在钢管柱上安装高精度传感器, 吊放钢管柱于孔内, 启动液压夹紧装置抱紧钢管柱开始下沉, 2台经纬仪呈90°双向测量钢管柱初始垂直度, 通过调整全套管全回转设备平台底座的液压顶升油缸调整钢管柱垂直度至设计要求范围内, 此时传感器数据归零, 然后抱紧钢管柱缓慢插入桩孔, 直至设计标高。下插过程中不断利用传感器复测垂直度, 如超出允许范围, 再次调整。下插至设计标高后固定钢管柱, 抽出钢管柱周边泥浆, 填入碎石, 浇灌钢管柱混凝土, 待基础桩超缓凝混凝土终凝后, 移除全回转设备平台。

目前液压后插工艺已经在较多工地后插较小直径钢管柱取得了良好的效果, 根据设备自身的调平功能, 该机械设备一般可以达到2‰的垂直度。例如, 天津滨海国际机场交通中心项目, 桩径2 200mm, 钢管柱1 200mm, 长度24m, 垂直度2‰;地铁杭州武林广场站项目, 桩径1 600mm, 钢管柱900mm, 长度23m, 垂直度2‰;深圳地铁红岭站项目, 桩径1 500mm, 钢管柱700mm, 长度25m, 垂直度2.5‰;石家庄地铁西三教站项目, 桩径2 000mm, 钢管柱800mm, 长度18m, 垂直度2‰。

根据国内工程实例统计, 下插的钢管柱直径一般在1 200mm以下, 仅个别达到1 400mm, 而本工程钢管柱直径达1 600mm, 且设计要求的垂直度为1‰, 在国内属于首例, 如何确保钢管柱顺利插入混凝土并保持高垂直度是极大挑战。

根据大量工程经验, 液压后插法施工钢管柱垂直度影响因素较多, 主要有钢管加工质量、地基不稳、下插阻力、测量误差及土方开挖等方面, 另外还包含其他因素, 如桩芯混凝土初凝时间、终凝时间、砂石级配、现场组织管理、吊放安装、锥尖设计、填料情况、后期临时固定等因素, 限于篇幅本文仅对主要影响因素进行讨论。

较大直径的厚壁钢管一般难以卷制螺旋管, 只能分段拼焊, 如加工时纵向弯曲度或管端不平度较大, 导致测量垂直度数据不准确, 且钢管柱插入混凝土面以后, 继续向下插入, 不仅阻力增加, 垂直度偏差也越来越大, 因此钢管柱的加工精度必须远小于1‰的要求。为保证质量, 所有钢管柱不允许在现场拼接, 全部在工厂内一次性焊接成型, 采用超长板车运输至现场, 在装卸和运输过程中, 采取支顶、加固、捆绑等有效措施。同时, 在加工厂采用激光射线仪配合其他仪器实时监督加工精度, 钢管外径误差≤d/500, 纵向弯曲度≤5mm, 椭圆度不得超过1/500, 管端不平度≤3mm。

由于机械设备自重过大, 底座平台近15t, 全套管全回转设备达50t, 钢管柱自重37t, 总荷载近102t, 再加上机械设备的抱紧装置夹持钢管反复向下推送, 如果地基不稳或下陷, 设备底座极易倾斜, 一旦超出自身可调平范围, 整个下插过程会以失败告终。因此, 需要进行地基处理, 桩孔埋设钢护筒后挖除四周软弱土, 换填砖渣, 浇筑250mm厚C25早强混凝土, 养护3d, 放置2块3m×6m的专用路基板后, 再吊放设备平台底座。施工过程中通过水平尺或水准仪观察设备水平倾斜度, 同时可通过底座平台4个液压油缸进行调节。

在钢管柱下插过程中, 桩孔内会遇到泥浆浮力及未初凝混凝土的阻力。泥浆阻力计算时, 泥浆相对密度按照1.15计, 混凝土阻力计算中, 管壁侧阻值暂按25k Pa考虑, 端阻综合考虑了钢管锥尖影响暂按150k Pa考虑。下插力则包括设备自重和钢管自重, 经计算, 下插力比阻力小385k N, 如钢管柱不增加额外配重, 仅靠机械设备及钢管自重, 钢管难以插入混凝土 (见表1) 。如继续强行下插, 钢管柱会不可避免地产生晃动、摇摆甚至倾斜, 严重影响垂直度。因此, 为保证钢管柱顺利插入, 本次对钢管注入自来水增加荷载, 注满为止, 即27m左右, 注满清水后, 钢管自重增加了50t, 完全可保证钢管柱顺利插入桩孔混凝土内, 同时避免钢管柱下插过程中的晃动、摇摆等问题。

钢管柱下插过程中, 全套管全回转设备顶部外露的钢管柱会越来越短, 采用经纬仪已经无法继续测量垂直度, 只能依靠传感器进行测量。为保证施工测量精度及灵敏度, 本次采用进口的定点式水平位移计, 配置可双向监测的高精度传感器和多通道数据控制采集处理系统, 倾斜测量精度可达0.08‰, 分辨率为0.001°。在起吊钢管柱之前将传感器点焊固定在钢管柱内壁, 用50m长度数据线连接至现场计算机实时监控, 指导设备随时调整垂直度。

基坑深度为20m, 再加上钢管柱需伸出地面3m, 开挖至坑底后, 钢管柱上段悬臂长度达23m, 如不采取措施固定, 开挖过程中遇到土方开挖机械碰撞或挖土不均, 钢管柱会缓慢变形, 可能引起重力二阶效应, 导致钢管柱垂直度进一步偏大。因此, 土方开挖时, 在钢管柱周边用小型挖掘机挖土且对称、平衡、均匀挖土, 防止钢管柱两侧高差过大, 同时土方坡道的设置避开钢管柱区域。对于本工程13根钢管柱的临时固定措施, 项目部与设计院商议采用工字钢梁焊接固定, 在第1道支撑位置和第3道支撑之间各设置1道工字钢梁将所有钢管柱2个方向全部焊接固定 (见图2) 。

为便于钢管顺利插入且插入过程中底端不偏移, 项目部研究钢管柱图纸后, 将钢管柱底部原设计的圆锥尖优化为正八边形锥尖, 在周边增加三角形导向板, 同时底部增加十字三角形板导向, 一旦钢管难以插入, 可以利用十字锥尖钢板旋转钻进 (见图3) 。

由于施工工序多, 任何一个环节出现问题都会拖延钢管柱插入混凝土的时间, 因此要求后插钢管柱的桩芯混凝土缓凝时间尽量长一些, 但又不能过长, 参考类似工程经验, 考虑到本工程1.6m直径的钢管柱, 下插难度较大, 在国内尚无先例, 最终确定混凝土缓凝时间定为75h。同时, 和混凝土供应商一起配制混凝土, 在保证强度的前提下, 采用反击破碎石, 不断调整水灰比及砂石级配, 减小混凝土内下插阻力。

本工程施工环节多, 为精细控制施工误差, 在不同的施工环节穿插测量, 测量内容主要为桩中心和垂直度的复核。第1次在吊放钢筋笼之后, 对孔位中心复核测量定位确定设备平台底座中心。第2次在设备平台底座就位后, 采用全站仪对平台中心进行定位, 同时用高精度水平仪检查水平倾斜度, 发现偏差, 再次调整。第3次在钢管柱起吊插入全套管全回转设备平台2~3m后, 采用2台全站仪呈90°双向测量, 调整至绝对垂直状态, 该数据作为初始垂直度, 此时传感器数据开始归零。第4次在钢管柱下插到19m深度的混凝土面时, 再次复测垂直度并调整。第5次为钢管柱下插至设计标高后, 灌填碎石之前最后一次复核调整垂直度。

随着施工的不断进行, 已浇灌的混凝土强度也在不断发展, 一旦某一环节拖延过长, 会导致钢管柱难以插入混凝土, 此时不得不旋转插入, 对垂直度影响极大。为确保万无一失, 经项目部讨论决定对施工工序进行调整, 即浇筑桩孔混凝土前, 提前将底座平台和全套管全回转设备安装就位, 架设2台天泵浇灌桩身混凝土, 同时穿插起吊钢管柱, 待混凝土浇灌完成后立即吊放钢管柱下插。这样节省了在桩身混凝土浇灌完成后需要调整安装平台底座和全回转设备近3h的时间, 这对钢管柱的顺利插入和垂直度保证来说意义极大。

万科滨海置地大厦项目自2016年6月10日开始施工钢管柱桩基础, 于2016年7月30日施工完成全部钢管柱, 历时约50d, 除去客观因素停工外, 平均每3d施工1根钢管柱。现场施工时, 桩孔周边硬化和成孔钻进施工同时进行, 首先对桩孔周边采用混凝土硬化养护, 然后旋挖钻机成孔钻进作业, 吊放钢筋笼后立即安放全套管全回转设备平台, 再吊放混凝土导管并进行二次空压机清孔。为节省浇筑时间, 现场采用2台天泵同时浇筑, 此时履带式起重机进行钢管柱起吊, 一旦天泵退场, 立即开始下插钢管柱, 并进行垂直度初测。调整后的现场施工工序如图4所示。

根据设计院的临时加固图纸, 开挖到第1道支撑以及第3道支撑时进行工字钢梁临时焊接加固。本项目于2016年10月开挖至坑底, 经复测, 所有钢管柱垂直度测量结果效果良好。

1) 全套管全回转设备及相关改进机械设备的出现使得在高精度高垂直度控制下液压后插钢管柱成为可能, 采用该法定位准确、精度和安全性高、施工周期短, 垂直度可以控制在2‰左右。

2) 根据钢管柱顶部安装的高灵敏度传感器, 通过数据采集仪和计算机上的界面实时判断钢管柱的垂直度极为方便, 避免了原始的测量方法, 保证钢管柱高垂直度的要求。

3) 根据该项目1.6m钢管柱液压后插工艺实践, 从地基处理和工厂加工钢管开始, 到混凝土缓凝控制, 水灰比及砂石级配调整, 通过注水增加钢管柱荷载, 测量穿插, 再到施工工序调整优化以及开挖加固措施, 任何一环节操作不当都会影响钢管柱的垂直度。通过对每个施工环节精细控制并采取有效措施, 对于1.6m大型钢管柱可以实现1‰高垂直度的要求。

4) 本工程液压后插钢管柱过程中的各施工工艺调整优化和各项施工控制措施, 可以作为同类工程借鉴, 同时该工艺在城市地下空间开发工程中具有广阔的实用价值和应用前景。