预应力管桩组合立柱施工技术应用研究

蒋 峰，周 杰，洪 鑫，朱建飞，张宗成

（江苏九如建设有限公司，江苏 昆山 215300）

0 引言

厦门某项目施工时发生地下室局部坍塌事故，专家调查组认定原因为临时格构立柱承重超负荷导致失稳。笔者单位发明了两种新型的深基坑内支撑立柱：一种是将预应力空心方桩和和临时钢格构柱进行组合；另一种是将预应力管桩和临时钢格构柱进行组合，两种组合方式既有相同点，也有不同之处。前者已经在参考文献［1］中结合具体工程实例进行了详细介绍，但是该工程在施工时全部采用顶压法送桩，将组合立柱压到设计标高处时，压桩机的上夹具刚好勉强能够夹住送桩器的底部。因此参考文献［1］提及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。但是，在钢格构柱中间隔一定距离设置抱压平台，不但能够有效解决超长组合立柱抱压施工的问题，同时也能在很大程度上提高立柱的稳定性，增加其承载能力。

本文结合康居夏苑项目的成功案例，对带抱压平台的预应力管桩组合立柱施工技术的应用研究过程进行阐述，可以供相类似的工程作参考。

1 基坑概况

康居夏苑项目位于昆山市康居路南侧、思常路西侧，项目整体定位图如图 1 所示。

本工程基坑总开挖面积约 62 349 m2，总支护长度约为 1 210 m，通过中间的后浇带分隔为 2 个标段，由笔者单位承建的二期 B 标工程位于西侧区域，总建筑面积约 101 704 m2，基坑开挖面积为 33 168 m2，基坑外围支护周长为 604 m。基坑周边采用 4.7 m 宽 φ700@1 000 双轴水泥搅拌桩重力式挡墙，局部拐角区域因空间不足，无法施工重力式挡墙，采用 1.2 m 宽 φ700@1 000 双轴水泥搅拌桩内插 H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm 型钢结合一道钢筋混凝土角撑的围护形式。钢筋混凝土角撑混凝土设计强度 C 3 0，截面尺寸为 1 200 mm×800 mm。

图1 项目整体定位图

角撑处设计有 6 根内支撑立柱，内支撑立柱设计采用桩长为 20 m 的 φ70 0 钻孔灌注桩内插钢格构柱，钢格构柱采用 4 根 L 型角钢，截面尺寸为 125 mm×10 mm，缀板尺寸为 380 mm×150 mm ×8 mm，缀板间距为 500 mm。由于内支撑立柱的总体工程量较小，且上部只有一道水平支撑，受力体系简单，适合进行新技术应用研究，因此笔者单位提请基坑围护设计单位将内支撑立柱改为带抱压平台的预应力管桩组合立柱形式，出具了相应的技术核定单，并邀请行业专家进行论证。

传统的钻孔灌注桩内插钢格构柱的立柱形式在施工时，上部临时钢格构柱的垂直度和截面方向难以控制，当其截面方向与混凝土内支撑梁沿跨度方向存在交角时，容易造成内支撑梁的钢筋无法正常穿越临时钢格构立柱，从而对其节点承载力造成不利影响。因此，评审专家一致认为：带抱压平台的预应力管桩组合立柱施工技术在施工质量控制方面具有一定优势，具有很大的推广应用前景，推荐实施。

2 立柱设计方案

预应力管桩组合立柱主要包括预应力管桩、插芯钢格构柱、带抱压平台的钢格构柱以及连接节点 4 部分，分别简述如下。

2.1 预应力管桩

为施工方便，本工程选用与主体结构基础同型号的预应力管桩 PH C600（AB）-130，根据参考文献［2］的计算公式和地勘报告提供的土层参数进行计算，由桩周土提供的单桩极限承载力为 1 368 kN，特征值取 684 kN；同时根据江苏省省标图集苏 G03－2012《预应力混凝土管桩》，该种型号管桩桩身结构轴心受压承载力设计值为 4 000 kN，换算为特征值 2 963 kN，远大于桩周土所提供的承载力，且以上数值均大于原基坑围护设计单位要求的采用钻孔灌注桩时的特征值 562.4 kN。

2.2 插芯钢格构柱

插芯钢格构柱用于连接预应力管桩和钢格构柱，本工程采用 4 根 L 型角钢加缀板焊接而成，角钢型号80 mm×10 mm，长度 2.5 m，缀板尺寸 170 mm× 100 mm×10 mm@600 mm，上部与连接端板焊接，下部与托板焊接，托板为圆形，直径 290 mm、厚度 3 mm。钢材型号均为 Q235B。

2.3 带抱压平台的钢格构柱

上部的钢格构柱原本可以直接选用原基坑围护设计单位提供的方案，但采用预应力管桩组合立柱时应综合考虑应如何进行静压施工的问题。本工程开挖深度较深，上部钢格构柱较长，无法采用顶压法送桩，采用抱压法施工时要做抱压平台。静压桩机的常规抱压行程一般在 1.5～1.8 m，因此本工程结合静压桩抱压施工特点需在钢格构柱相对应位置设置抱压平台。而且下部管桩为圆形，上部钢格构柱为方形，在施工下部管桩时采用圆形抱压夹具，如果在施工上部钢格构柱段时将夹具更换成方形将费时费力。经研究及反复试验，在需要设置抱压平台的位置，采用钢板制作成与管桩直径相同圆环，通过加强钢筋与钢格构柱缀板相连，做法具体如图 2 所示。

图2 抱压平台示意图（单位：mm）

外钢护筒外径 600 mm，内钢护筒内径 150 mm，壁厚均为 3 mm；1# 加强筋长 190 mm，2# 加强筋长70 mm，直径均为 18 mm，沿竖向间距 100 mm；加强筋与钢护筒以及钢格构柱之间均采用焊接，抱压平台本身的高度为 500 mm，间距为 1.5～1.8 m，内部浇灌强度等级为 C40 的混凝土。抱压平台的设置对于上部钢格构柱的稳定性有很大的提高作用，在上部钢格构较长时可以对截面尺寸等进行优化。本工程为安全起见，对上部钢格构柱进行加强，考虑施工偏心（1.5 %）影响，L型角钢截面调整为 140 mm×12 mm，材质相应调整为 Q345。

2.4 连接节点

本工程在钢格构柱端部焊接了一块外径为 600 mm 的圆环端板，厚度 20 mm，钢材型号为 Q 235。为方便钢格构柱端板与管桩端板的焊接，在钢格构柱端板的接触面设置与管桩端板一致的坡脚，在端板的内部开设一个内径 150 mm 的圆孔用于满足浇筑灌芯混凝土，同时在端板上设 4 个 10 mm 的透气孔，用于浇筑混凝土时排气。钢立柱与端板连接通过内外加劲板以及 4 根角钢连接，钢立柱最下沿增设一道 380 mm×150 mm×8 mm 缀板，在外侧 4 块缀板中部分别焊接 75 mm×150 mm×8 mm 的三角形加劲板，同时在格构柱 4 根角钢内侧分别焊接 180 mm×150 mm×8 mm 的三角形加劲板，确保立柱承担的荷载能够均匀传递至管桩顶部。

3 施工方法概述

在现场首次应用该技术时，将上部带抱压平台的钢格构柱与下部插芯钢格构柱通过连接节点整体一次性加工完成，结果同心偏差没有能够精确控制，导致后续在抱压施工时需要调整夹具的时间花费较长。另外整体加工后浇灌桩芯混凝土时，浇筑振捣施工操作也不方便。经过多次试验调整后，最终形成完整的施工方法如下。

1）在场地内提前集中加工和制作上部带抱压平台的钢格构柱、下部的插芯钢格构柱；

2）进行预应力管桩基础静压施工，压至规定标高后停止压桩，开始吊装插芯钢格构柱；

3）将连接端板与管桩端板进行焊接，焊接完毕后在连接端板上部设置塑料薄膜保护层；

4）进行灌浆并振捣密实，清理连接端板，撕掉塑料薄膜保护层；

5）开始吊装上部带抱压平台的钢格构柱，进行立柱定位，控制立柱截面方向；

6）将上部钢格构柱与连接端板进行焊接，在其底部外侧与连接端板交界处焊接加劲板；

7）补浇混凝土至上部钢格构柱底部的第一道缀板顶面处，继续将立柱抱压至设计标高；

8）根据基坑围护设计要求进行基坑开挖、施工支撑直至开挖至基坑底面，施工垫层；

9）在立柱穿越底板的部位焊接止水钢板，然后再施工地下室底板以及换撑带；

10）按要求进行换撑、拆撑，以及拆除上部临时钢格构柱，基坑围护施工完成。

4 质量控制措施

4.1 准备阶段利用 BIM 技术交底控制

在前期施工准备策划阶段，应进行施工方案的深化和交底。对于复杂节点，采用 BIM 技术进行三维建模展示，例如立柱中部的连接节点做法，具体如图 3 所示。

图3 连接节点三维示意图

4.2 抱压平台竖向及水平定位控制

抱压平台的竖向定位需要避开地下室的底板、顶板以及水平支撑等位置，防止上述位置的钢筋无法穿越，因此必须进行各部位的结构尺寸实际放样。本工程钢立柱为 4.5 m 长，结合静压桩施工设备的抱压行程，分别在上部钢立柱的顶部以下 1.0、2.5、4.0 m 处设置抱压平台，竖向标高偏差控制在 30 mm 以内。同时，多个抱压平台水平方向的同心偏差必须越小越好。精度应控制在静压桩机夹具调整范围内，超过则无法进行抱压。本工程将抱压平台的同轴度偏差要求控制在 5 mm 以内。因此，在现场制作钢格构柱和抱压平台位置的钢护筒时，应对其定位进行反复校准，精准把控，细化下料尺寸，如图 4 所示。

图4 抱压平台定位校准图

4.3 上部钢格构柱竖立加固处理控制

在浇筑抱压平台时，应将上部钢格构柱竖立起来浇筑，不能平躺浇筑，如平躺浇筑容易造成抱压平台偏位，影响同轴度。又因为钢格构柱高度较高（需设置抱压平台的钢格构柱高度通常在 4 m 以上），如搭设脚手架作业平台则比较繁琐，且安全性较低，因此现场采用向下开挖沟槽的方式，将钢格柱向地下放置一定深度，同时采用钢管对钢格构柱进行竖立加固处理，从而为浇筑抱压平台内的混凝土做准备，如图 5 所示。

图5 钢格构柱竖立加固处理图

4.4 抱压平台混凝土浇筑振捣控制

抱压平台的浇筑质量应严格控制，如果混凝土不密实，内部中空，则无法承受夹具横向的压力，稍有压力外钢护筒即产生变形，无法进行抱压。因此，混凝土应至少提前 7 d 进行浇筑，振捣密实，养护至规定龄期。混凝土现场浇筑振捣如图 6 所示，混凝土浇筑成型质量如图 7 所示。

图6 抱压平台混凝土浇筑图

图7 抱压平台成型图

4.5 插芯钢格构柱制作尺寸控制

插芯钢格构柱前期制作时一定要注意其截面能否顺利插入管桩的空腔内，要注意管桩生产时残余浮浆对其产生的影响。由于内部浮浆厚度可能沿长度方向不均匀，可采用与插芯钢格构柱同等长度、同样轮廓的木制模具提前进行管桩内径实体检验，该模具包括上部端板和下部托板都应制作出。另外当第 2 节管桩静压至地面标高时，需要安装插芯角钢（焊接格构柱端板）后进行混凝土灌芯，因此前期制作时一定要注意核查插芯角钢之间的空隙足够，否则后期混凝土无法浇灌。

4.6 立柱整体垂直度偏差控制

立柱通过连接节点与管桩连接成整体之后，管桩的垂直度就会影响立柱的整体垂直度。因此首先要控制管桩施工的垂直度，垂直度控制不好会造成上部钢格构柱产生倾斜，立柱越高，倾斜越大。经现场试验，如不对垂直度进行控制，则钢格构柱的 4 根角钢顶标高误差可能高达 20 mm，导致上端不平整，如采用顶压法施工时只能现场割，既耽误了时间，又增加了压桩的难度，因此务必对垂直度进行控制。桩基施工时的垂直度控制目前一般采用跟踪测量方法。测量放线定位误差应符合参考文献［2］的桩位偏差的要求，确保桩身的垂直度＜ 0.5 %，并保证桩位准确。因此对于立柱的整体垂直度偏差要求≤ 1/200，立柱与管桩的平面整体定位偏差≤20 mm，同时通过测量校正复核，保证其垂直度。

4.7 立柱截面方向定位控制

为确保上部混凝土内支撑的纵向钢筋顺利穿越立柱，应对立柱的截面方向进行控制，确保其 4 个面中的至少一个面与支撑轴线方向保持平行。因此，安排专人对就位后的钢格构柱进行检查，主要检查截面方向，确保其截面布置方向与设计图一致，边长方向应与混凝土内支撑方向保持平行，调整控制钢立柱截面布置方向后方可进行连接节点的焊接施工。

4.8 连接节点焊接质量控制

钢格构柱与管桩连接节点的最薄弱位置主要位于内插型钢与端板的焊接，故要对该节点处的角焊缝进行焊缝强度计算，包括能够承受的水平力和抗拔力两大指标。为保守起见，本工程对角钢的两侧均进行焊接，进一步提升该节点处的承载能力。应安排专业工人进行制作焊接，严格把关焊工持证上岗，并在施焊前进行技术交底，进行钢立柱与端板清理焊接。端板应缩进 10 mm 或留设坡口，方便焊接。对称施焊，焊缝等级最低二级，焊接质量满足参考文献［3］的要求，如图 8 所示。

图8 连接节点焊接成型图

4.9 桩芯混凝土浇灌质量控制

上部钢格构柱端板与管桩端板焊接完毕后，在端板上部设置熟料薄膜保护层，然后进行桩芯 C40 微膨胀细石混凝土的浇筑灌浆，利用端板上留设的排气孔进行排气，确保管桩插芯部位充填混凝土，控制密实度。振捣密实后撕掉熟料保护层，清理端板。由于内部操作空间很小，操作比较困难，因此现场只能用小灰桶一桶一桶倒，对于工人技术要求较高。桩芯混凝土浇至钢格构柱最下排缀板的顶面（即钢立柱端板上 150 mm），浇筑完成方可抱压安装钢格构柱。

4.10 立柱竖向标高抱压控制

在钢格构柱穿越底板部位需要进行止水钢板节点焊接，然后再进行底板施工。因此在将钢格构柱进行抱压时，应按照实际的底板标高进行控制，必要时将钢格构柱往下多压一点，以使得钢格构柱底部浇筑混凝土的第一道缀板避开底板位置，以防止底板钢筋无法穿越，止水钢板无法焊接。

5 结语

本工程通过将带抱压平台的钢格构柱提前加工制作后，在现场与预应力管桩进行装配组合，施工效率高，工序可以前置，不仅大大缩短了工期，而且有效提高了深基坑内支撑立柱的施工控制质量。本技术创造性地采用了抱压平台的做法，有效解决了静压桩机行程不足的问题，已申请相关发明专利（专利号为：ZL 2015 2 0850280.5），并成功申报江苏省省级工法。