软土地基中一柱一桩先插法施工关键技术

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着超大、超深基坑逆作法开挖回筑的施工越来越普遍，设计对逆作支撑桩柱的要求也逐步提高，目前在上海中心、白玉兰广场、国金中心等超大超深基坑中逆作支撑柱的垂直度都要求在1/600～1/500之间，如此高精度的钢立柱施工除要求下部支承桩的垂直度达到1/300～1/200的精度外，还必须有一套成熟、高效且稳定的调垂方法和设备。

本文结合一柱一桩先插法在上海软土地基中某超深基坑工程项目的成功实践经验，对软土地基中施工逆作法高精度一柱一桩的机械设备和关键技术作深入分析，提供一套先进、高效、成熟的施工方法。

1 工程概况

上海国际金融中心工程位于上海浦东新区，是集商务、办公一体的综合性工程，总占地面积约5.5万 m2，基坑总面积48 000 m2，周长960 m，由3 幢塔楼和5 层地下室组成，无裙房，其中塔楼区域挖深28 m，纯地下室区域普遍挖深约26.5 m，整体基坑开挖方式为：首先B0层整体同步挖深约9 m，然后地下室停止开挖，塔楼区域顺挖到底，待塔楼区地下结构回筑至地面，地下室再继续向下逆作开挖，最终实现塔楼地上结构与地下室开挖、结构回筑平行施工。

地下室的逆作区采用一柱一桩（图1）作为竖向支承系统承受整体地下结构完成前的楼板荷载及施工超载受力，下部支承桩用Φ1 200 mm的钻孔桩，设计孔深61.5 m，桩端后注浆。

支承桩内插Φ550 mm×16 mm的钢管，插入支承桩5 m，钢管内浇筑水下C55的高强混凝土。支承桩成孔垂直度在钢管柱插入范围内≤1/300（插入范围以下≤1/200），钢管柱调垂垂直度≤1/500。

该工程成桩上部30 m的土层主要为软黏土层，30 m以下的土层为密实砂层，支承桩底标高为－64.41 m，持力层为⑦层砂性粉土层，钻孔在软黏土和密实砂层的交界面处垂直度控制难度极大；且较厚的黏性土中钻进成孔极易产生颈缩现象，影响后续的钢管柱插入和高精度调垂效果；另外，由于下部支承桩桩身基本上全部位于粉土层和粉砂层中，孔底沉渣清除要求极高。

图1 一柱一桩剖面示意

2 先插法工艺原理[1,2]

2.1 工艺原理

先插法施工是一种比较传统、成熟的施作一柱一桩调垂钢管柱的施工工艺，具有设备简单、操作方便的优点。

其主要采用1 个3 层的调垂架，通过中、下2 层水平排布的各4 只调节螺杆，利用杠杆原理对钢管柱进行调垂。理想情况下钢管柱在钻孔内仅受侧向泥浆阻力，利用上层螺杆一点固定，下层螺杆一点调整可以轻易地将钢管柱移动、调整。如果仅靠螺杆调整钢管柱比较困难，可以同时开启孔内（地下5 m处）的导向纠偏千斤顶给钢管柱施加水平力，提高调垂的效果和精度。再配合精密的经纬仪、三维激光测斜仪以及第三方的测斜管等测量仪器，从而控制垂直度达到设计要求，如图2所示。

图2 改进的先插法施工示意

2.2 施工工艺的改进

常规的地面调垂架仅依靠地面以上的2 个支点调垂，且两支点间距仅约2 m，依靠仅2 m的短管节调垂下部近30 m的钢管柱难度极大。

改进的先插法调垂工艺新增加了地下的4 只导向纠偏千斤顶做调垂支点，一方面在钢管柱下插过程中开启导向纠偏千斤顶作导向，另一方面，在调垂时延长了地面上和地面下2 个支点的距离，由原来的2 m增长为7 m，以7 m长度的短管节来调垂下部逾20 m的钢管柱，调垂达到设计要求精度的保证率提高很多。

3 下部支承桩垂直度控制技术[3-5]

3.1 成孔机械设备

采用GPS-20及以上型号的重型回转钻机成孔，配备三翼双腰箍钻头、配重钻杆以及钻杆扶正圈等钻进设备；使用长6 m，壁厚10 mm的超长钢护筒，为初始成孔起导向作用，且为孔内导向纠偏千斤顶提供反力支点。

3.2 循环泥浆管理

泥浆用优质膨润土外加化学添加剂（Na2CO3、NaOH）的人工浆，泥浆经除砂机净化循环后再抽回孔内重复利用，保证黏性土、砂性土层中孔壁稳定；清孔泥浆采用黏度、相对密度、泥皮和胶体率适中的指标，保证孔底沉渣满足≤50 mm。

3.3 钻进过程控制

黏性土层中用中等转速、大泵量以及较稀泥浆的钻进方法；粉质黏土和粉土中泥浆相对密度不超过1.3，以利进尺为准，防止产生糊钻、进尺缓慢等现象；密实砂性土中用低挡慢速、大泵量、分级钻进的方法，防止孔斜度超过公差范围；软硬土层交界面应放慢进尺速度，钻头穿过交界面后上下重复扫孔2～3 次，防止不平衡接触面造成的孔斜。

3.4 成孔质量检测

钻进至1/2孔深时通过专业检测仪从钻杆内量测钻杆垂直度，如不满足1/300的精度，应立即纠偏，指导后续继续钻进；终孔经井径仪检测垂直度，钢管柱插入范围内成孔垂直度≤1/300，插入范围以下成孔重直度≤1/200，否则扫孔调整孔斜率。

4 钢管柱调垂及检测关键技术[6-8]

4.1 先插法调垂架的改进

本工程采用的先插法调垂架在借鉴上海中心大厦工程调垂架的基础上，进行了以下改进：

（a）将调垂架的上下两层螺杆端部改造成Φ400 mm的环形手柄，便于操作工人旋拧螺杆时省时省力；

（b）调垂架的第3层上安装护栏和踢脚板，提高操作的安全度；

（c）调垂架上增加回填碎石的漏斗，四个方向可以实现同步均匀回填碎石，保证钢管柱受力均匀，减少扰动；

（d）调垂架4 个底角的固定措施进行了加强，在底角接触面扩大的基础上，增加了螺栓孔，便于和地面连接固定，保证调垂时架体绝对稳固。

4.2 钢管柱调垂的辅助措施

（a）首次采用长6 m的加厚壁钢护筒，使用90#振动锤振设埋入，埋设垂直度≤1/300，且四周回填足够密实，为导向千斤顶提供稳定的水平反力；

（b）吊放钢管柱之前，在孔内（地面下5 m）沿超长钢护筒内壁四周安放4 只各300 kN顶升力的导向纠偏装置，为钢管柱插入、调垂提供导向和水平纠偏推力，便于高效调垂；

（c）引进三维激光测斜仪安放在钢管柱柱身，及时反映柱身的倾斜方位并指导调垂，同柱身的测斜管检测数据对比校核；

（d）增加了钢管柱外的附加注浆，保证调垂后柱身四周受力均匀，避免钢管柱在悬臂状态下产生较大的挠度；

（e）支承桩钢筋笼顶部增加2 道双箍筋，钢管柱插入范围内箍筋间距适当调大，防止钢管柱上的栓钉、环筋等碰触钢筋笼造成无法正常调垂。

（f）钢管柱设计顶标高以上安装长3 m的工具管柱，与主柱靠4 个Φ32 mm的螺栓连接，保证连接的顺直和稳固，方便调垂。

4.3 钢管柱调垂关键步序

（a）支承桩钢筋笼顺直吊放入孔后，全站仪再次复核孔位和护筒中心偏差，并做好标识；沿护筒内壁安放4 只导向纠偏装置；

（b）先插法调垂架吊放就位对中、调平与理论桩位中心偏差≤10 mm后及时固定4 个底角；

（c）钢管柱插入调垂架后，开启孔内导向纠偏导向，利用互成直角的2 台激光经纬仪观测柱身的通长墨线，待钢管柱靠自重插入至支承桩内5 m时，根据观测数据进行初调；

（d）根据测斜管和三维激光测斜仪的检测数据，利用调垂架的上下2 层螺杆机孔内导向千斤顶对钢管柱进行调垂，直至达到设计要求的1/500；

（e）将调垂架和钢管柱分上下2 层用槽钢呈井字形固定，同时在钢护筒和钢管柱之间用短钢筋加强固定；

（f）从钢管柱内下导管，采用气举反循环法将孔底沉渣清除，以满足孔底沉渣≤50 mm标准；

（g）分别浇筑支承桩水下C35和钢管柱内水下C55混凝土，孔内回填碎石；

（h）待钢管柱内混凝土终凝后（一般为24 h），拆除固定措施，移走调垂架，拔出钢护筒，进行钢管柱外孔内注浆。

5 一柱一桩高低标号混凝土浇筑控制

由于下部支承桩浇筑水下C35混凝土，钢管柱内浇筑水下C55混凝土，两种不同混凝土浇筑界面的控制关键在于：

（a）采用泵车布管浇筑，开始浇筑水下C55混凝土时导管埋深2.5 m，使两种混凝土置换面位于钢管柱底以下2 m；

（b）通过前几根的原位试验，依据泥浆相对密度、石子体积、质量等精确计算出C35混凝土的上升速率，当管外碎石与C55混凝土的顶托力平衡时即可停止回填；

（c）保证合理低速的浇筑速度，拆除起拔导管时严禁生拉硬拽碰触钢管柱本身；

（d）待钢管柱顶端（高出地面约20 cm）的溢流孔内溢出C55混凝土时停止浇筑。

6 钢管柱垂直度的保持控制

由于钢管柱垂直度的控制精度比较高，调垂达标后的保持至关重要，后续施工步序对钢管柱的扰动将会使调垂效果大打折扣，施工过程中主要从以下几个方面重点控制：

（a）钢管柱调垂达标后应立即分别与调垂架和钢护筒固定，同时调垂架自身必须与地面稳固连接；

（b）二次清孔从钢管柱内下放导管时，应采取措施严禁碰触钢管柱本身；清孔采用的气举反循环压力控制应确保在彻底清除孔底沉渣的同时不会对钢管柱产生附加扰动；

（c）浇筑不同标号混凝土时应采用泵车布管，以匀速且最低速度泵入钢管柱内的C55混凝土，严禁拆拔导管时对钢管柱造成扰动；

（d）回填碎石应四个方向同步、对称、均匀，避免单侧挤压受力扰动钢管柱；

（e）后期基坑开挖阶段应在钢管柱四周均匀掏挖，严禁单面卸载对钢管柱产生挤压，导致处于悬臂状态的柱身倾斜。

7 结语

在常规的地面调垂架调垂的基础上，通过改良的调垂架、改进的先插法调垂工艺不仅提高了调垂的工效，更提高了钢管柱的垂直度精度保证率，现场施工浇筑混凝土前一次性调垂达到设计标准的比例高达90%以上。

利用该改进的先插法工艺取得了良好的社会效益和经济效益，同时，该先插法工艺的操作使用比常规的地面调垂架调垂，技术更加成熟，推广使用的空间得到了较大拓展。