预应力空心方桩集成立柱施工质量控制

周 杰，蒋 峰，洪 鑫，顾文斌

（江苏九如建设有限公司，江苏 昆山 215300）

0 引言

传统的深基坑内支撑立柱通常是采用钻孔灌注桩+钢格构柱的立柱形式，这种施工工艺目前来讲比较落后，施工过程中会产生大量的泥浆污染，而且钻孔灌注桩的垂直度也一直比较难以控制，施工质量差，成本也相对较高，越来越难以满足当前绿色建造和精益建造的发展理念。

笔者单位发明了一种预应力空心方桩+钢格构柱的集成立柱形式，通过将预应力空心方桩和钢格构柱进行装配组合，有效克服了传统做法的缺点，不仅减少了环境污染，而且提高了施工质量。本文结合樾河小学项目深基坑内支撑立柱的成功应用案例，对该种集成立柱的设计方案、施工流程以及施工质量控制要点进行了简要介绍，可供类似工程参考。

1 项目简介

1.1 工程概况

樾河小学项目包括行政楼 A、教学楼（B-C-DE-F）、地下车库（含人防）及室外配套工程，位于江苏省昆山市开发区南浜路南侧、樾河路西侧。本工程按绿色三星等级标准设计，并获得江苏省绿色施工示范工程。

本工程总用地面积为 39 635.6 m2，总建筑面积 41 067.49 m2，其中地上建筑面积 32 094.1 m2，地下 9 088.69 m2，所有单体均采用框架结构，地下 1 层，地上最高 5 层，最大建筑高度 23.6 m。项目整体效果图如图 1 所示。

图1 项目整体效果图

1.2 基坑概况

本工程地下一层地库（含人防地库）总建筑面积 9 088.69 m2，整体呈“Z”形，围护面积约 9 200 m2，东西向最长处约 100 m，南北长约 180 m，围护周长约 740 m。普通地库挖深 4.9 m，南侧人防地库挖深 5.4 m。

基坑环境相对复杂。南侧离红线距离约 10.7 m，离红线外的高层居民楼约 26.0 m，居民楼基础形式为桩基础，红线外埋设有路灯等管线；北侧离红线距离约 10.7 m，离红线外的市政道路约 16.7 m，红线外埋设有污水管、天然气管、雨水管等管线。

因此基坑围护设计单位对南侧 A 区和北侧 F 区两块区域基坑均采用 SMW 工法桩+混凝土支撑的围护方案，共设计了 37 根内支撑立柱（A 区 8 根，F 区 29 根），基坑平面布置图如图 2 所示。

2.1 预应力方桩基础

由于本工程主体结构基础采用预应力空心方桩，为了便于施工，下部方桩基础采用同型号方桩 HKFZ-AB 500（310），以避免桩机打桩过程中换夹具，节省时间。

根据基坑围护设计单位所提供的钻孔灌注桩截面以及长度，根据文献［1］的计算公式和地勘报告提供的土层参数进行等效承载力换算，经计算桩长取 22 m。

2.2 中部方桩插芯

中部方桩插芯用于连接下部预应力空心方桩基础和上部钢格构柱，其设计尤为重要。

根据计算，插芯采用 4 根长度 2.5 m的 L 型80 mm×10 mm 角钢，缀板尺寸为 170 mm×100 mm×10 mm，间距 600 mm，底部为焊接直径 290 mm、厚度 3 mm 的圆形托板（钢材型号 Q235）。

2.3 上部钢格构柱

上部钢格构柱仍选用基坑围护设计单位所提供的原设计方案，主要由 4 根长度 3.5 m 的 L 型 125 mm×12 mm 角钢组成，缀板尺寸为 420 mm×300 mm×10 mm，间距 600 mm，钢材型号 Q345。

2 集成立柱设计方案

在编制施工方案时将基坑围护设计单位设计的钻孔灌注桩+钢格构柱的立柱形式改为预应力空心方桩+钢格构柱的集成立柱形式，并一次性通过专家论证。集成立柱体系主要由下部预应力方桩基础、中部方桩插芯、上部钢格构柱以及连接节点四部分组成，各部分简述如下。

图2 基坑平面布置图（单位：m）

2.4 连接节点设计

插芯上端焊接厚度为 20 mm 的连接端板（钢材型号为 Q235），在该连接端板的下边缘设置与方桩端板一致的坡口，并与之采用角焊缝连接；上部钢格构柱再与连接端板进行焊接，并通过设置三角形加劲板加强连接节点的可靠性。

3 施工工艺流程概述

3.1 第一阶段工艺流程

第一阶段工艺流程与传统做法不同，主要施工工艺流程如下。

空心方桩采购→上部钢格构柱制作→中部方桩插芯制作→立柱测量放线定位→压桩→中部方桩插芯吊装→连接端板与方桩端板焊接→端板上部设置塑料薄膜保护层→中部方桩插芯灌浆并振捣密实→去除塑料保护层→清理连接端板→上部钢格构柱定位→钢格构柱与连接端板焊接（含内部加劲板）→补浇混凝土至第一道缀板顶面→送至设计标高。

3.2 第二阶段工艺流程

第二阶段工艺流程与传统的钻孔灌注桩+钢格构柱施工工艺相同，即根据基坑设计要求进行基坑开挖、施工支撑直至开挖至基坑底面→垫层施工→钢格构柱穿越底板部位进行止水钢板焊接→底板施工→按照设计要求换撑、拆撑→拆除上部钢格构柱。

4 施工质量控制要点

由于集成立柱需要提前制作，为防止由于前面的疏忽导致后续施工大面积返工，本工程根据方案先行、样板引路的理念进行管控，通过大量前期充分准备工作对施工方案进行调整、确认，并梳理出各项施工质量控制要点，从而真正做到事前控制。各控制要点分述如下。

4.1 方案可行性确认

4.1.1 基础截面

基础截面主要包括预应力空心方桩边长（B）和孔径（D），其边长需与上部钢格构柱方形截面边长（b）匹配，即 B>b；同时应确保上部钢格构柱的 4 根角钢（壁厚 d）均位于预应力空心方桩截面上，即 b/2-d>D/2。

本工程 B 为 500 mm，D 为 310 mm，b 为 440 mm，d 为 12 mm，满足要求，截面对比如图 3 所示。

图3 基础截面对比图（单位：mm）

4.1.2 插芯截面

由于方桩生产工艺问题，在混凝土离心过程中孔洞内壁会遗留部分凹凸不平的浮浆，经统计，厚度大约在 20 mm 左右。

为保证插芯能够顺利插入下部空心方桩内，插芯钢格构柱的截面边长（b0）应满足b0≤（D-2×20）/1.414=190；同时为保证灌浆质量，混凝土应相应能够穿过 L 型钢之间的空隙（取 30 mm），则单根 L 型角钢边长不宜大于（b0-30）/2=80 mm，截面对比如图 4 所示。

图4 插芯截面对比图（单位：mm）

4.1.3 连接节点

在钢格构柱端部设置的三角形加劲板尺寸高度为钢格构柱的缀板高度，即300mm；角部的加劲板边长应满足［（b×1.414-120）/2-2×d-45］，即取为 180 mm；中部的加劲板边长可取［（b-240-10）/2-20］，即取为 75 mm，平面图和剖面图分别如图 5～ 6 所示。

图5 连接节点平面图（单位：mm）

图6 连接节点剖面图

4.2 节点焊接交底

4.2.1 三维建模

钢格构柱与连接端板节点比较复杂，为控制焊接质量，提前采用 BIM 技术进行三维建模。为防止信息传递有误，到项目部组织相关人员统一进行技术交底，让电焊工事先直观了解节点相关要求，增强感性认识，确保焊接质量，三维节点详图如图 7 所示。

图7 三维节点详图

4.2.2 焊接要求

焊接时要求质检员专门按方案要求测量控制截面、垂直度、缀板间距，各节点焊缝的施工应满足参考文献［2］的要求，焊缝等级不低于二级。

4.3 桩基定位

下部空心方桩基础的定位应按照基坑设计方案要求进行，测量放线定位误差应符合参考文献［1］的方桩桩位偏差的要求。

为便于支撑施工时的钢筋排布，上部钢格构柱的边长方向应与混凝土内支撑方向保持平行，因此打桩时应重点注意控制方桩的边长方向，定位要准确。

4.4 插芯灌浆

按照要求对方桩进行抱压施工。在抱压施工过程中应注意保持方桩的垂直度，待最后一节方桩的桩顶比自然地面高 1.2 m 左右时立即停止静压施工。随后开始清理方桩端板，插入中部插芯，并将中部插芯的连接端板与下部方桩端板进行焊接。

待各节点焊接完成后，在中部插芯的连接端板顶面铺设一层塑料薄膜保护层，在插芯范围浇灌 C40 微膨胀混凝土，注意振捣密实，直至透气孔处泛出混凝土浆液，去除连接端板的塑料保护层。

4.5 节点加固

吊装上部钢格构柱，注意调整其截面方向，将上部钢格构柱与连接端板进行焊接，并焊接内侧的加劲板，然后补浇混凝土至钢格构柱下部第一道缀板的顶面。

浇灌插芯混凝土以及补浇连接端板上部的混凝土时，内部操作空间很小，混凝土浇筑比较困难，只能用小灰桶一桶一桶倒，耗时耗人工，应注意浇筑质量。

4.6 顶压送桩

继续利用静压桩机送桩，对于钢格构柱桩顶标高低于自然地面的，采用送桩器进行送桩，直至钢格构柱柱顶标高达到设计标高，注意应压至不影响止水钢板和底板钢筋施工的深度。

本工程采用顶压法送桩，压至设计标高处时，压桩机的上夹具刚好勉强够到送桩器的底部。如果上部钢格构柱超过一定长度，压桩机行程不够，就无法用该方法送桩，需要另做抱压平台，相对比较复杂。

5 工程应用实际效果

经与传统的钻孔灌注桩+钢格构柱立柱形式对比分析，单根立柱节约成本近 8 000 元、节约工期约 2.5 h，共节约成本近 30 万元、节约工期约 12 d，大大提升了施工效率，安全可控，施工质量得以大幅提升，获得了业主及监理单位的一致好评。现场施工过程如图 8 所示，现场应用效果如图 9 所示。

图8 现场施工过程图

图9 现场应用效果图

6 结语

该集成立柱通过将空心方桩和钢格构柱装配组合，充分发挥两者优势。本技术适用于一道或多道内支撑支护的深基坑立柱，以及位于基坑内需要采用组合式基础的塔吊立柱。预应力空心方桩和钢格构柱均可先在工厂内提前加工制作，将二者运至工地现场后再进行装配组合，施工效率高，工序可以前置，工期大大缩短。但是现场尚需对节点部位进行湿作业处理，只有去除所有的湿作业，同时尽量减少现场的焊接，这样才能真正做到简捷高效。该技术不仅提高了深基坑内支撑立柱的垂直度施工控制质量，而且有效减少了传统钻孔灌注桩+钢格构柱施工方法带来的泥浆对周边环境的污染，加之采用静压法施工，噪音能够得以有效控制，属于环境友好型的一项绿色施工技术，经济效益也相对比较高，值得在今后的项目中进一步推广应用。