高精度超长准直桩双层钢护筒施工技术

范锐钊 曹丙山 赵国强 赵梦广 曹天祥 伏 靖

北京市机械施工集团有限公司 北京 102628

在建筑工程量领域，双层钢护筒一般用于超高层建筑的试验桩，主要目的是加快试验桩的施工进度，在土方开挖前，通过提前设置双层钢护筒阻隔外护筒长度范围内桩身与土体接触，消除此范围内土体对试桩的影响。此种双层钢护筒的长度为自然地面至设计基坑底标高面的深度，一般不超过30 m，如昆明恒隆广场试验桩双护筒的长度为29.2 m，天津高银117大厦试验桩双护筒的长度为26.5 m，昆明景成大厦试验桩双护筒的长度为26 m等[1-4]。

为了消除隧道底板及土体对准直测量的影响，保证科学装置进行科学试验的精确度，本文结合高能同步辐射光源项目准直桩双层钢护筒的工程实例，对高精度超长准直桩双层钢护筒的设计、加工制作、现场拼装、吊装及校正等进行了详细介绍[5-11]。

1 工程概况

高能同步辐射光源（HEPS）项目（图1）是国家“十三五”期间优先建设的重大科学装置，建成以后将是中国的第一台第四代同步辐射光源。同时，HEPS拥有世界最高的光谱亮度，高于目前世界上现有的和正在建设的光源，可为基础科学和工程科学等领域的原创性、突破性创新研究提供重要支撑，是一项具有划时代意义的工程项目。

图1 高能同步辐射光源项目效果图

为了建立高能同步辐射光源项目加速器一级地面控制网，同时为以后的维护、改造和变形监测等工作提供基准，在1#装置区储存环隧道内呈90°布置布设了3个永久准直控制点，其采用了超长无干涉双层钢护筒准直桩结构（图2）。

图2 超长无干涉双层钢护筒准直桩结构

超长无干涉双层钢护筒准直桩采用现浇钢筋混凝土桩，桩径为1 000 mm，编号分别为P05R、P06R、P07R和P08R，底部嵌入基岩桩层1 m，由于其底部基岩深度的不同，经勘测确定其桩长分别为66.15、83.53、66.39、66.35 m，桩采用的混凝土强度等级为C35。

为保证准直桩顶部的永久准直点与底板结构、土壤的隔离，避免周围结构及土壤的变形、振动等对准直点的位置及定位准确性产生影响，在上部30 m范围内现浇混凝土准直桩的外侧设置了双层钢护筒。

外护筒直径为1 332 mm，壁厚为25 m，长度为30.33 m；内护筒直径为1 082 mm，壁厚为16 m，长度为30 m，内外护筒间距为100 mm，其材质均为Q235B，单根质量约50 t。

2 施工难点

2.1内、外层钢护筒的同轴度控制难度大

外层钢护筒的规格为φ1 332 mm×25 mm，长度为30.33 m；内层钢护筒的规格为φ1 082 mm×16 mm，长度为30 m，外层与内层钢护筒的底标高一致，顶标高相差400 mm。内、外层钢护筒相互独立，其间设有100 mm的空隙，以保证内层钢护筒包裹的准直桩与外侧护筒的周围土体、底板完全隔离，如何确保内、外层钢护筒的同轴度是整个施工的难点。

2.2钢护筒吊装过程中变形控制难度大

钢护筒的最大长度达到了33.33 m，质量为50 t。选择合理吊装方法、采取合理的吊装措施，减少吊装过程中的变形，保证钢护筒吊装过程中稳定性和安全性，是本工程的一个难点。

2.3钢护筒的垂直度偏差控制精度高

本工程准直桩垂直度的设计允许偏差是1.5/300，远小于施工规范中的垂直度允许偏差（1%）。对应的30 m双层钢护筒的垂直度允许偏差为150 mm，桩径为1 000 mm，而内护筒内径为1 050 mm，如果钢护筒的垂直度无法满足设计要求，则在施工过程中会导致旋挖钻机的钻头卡在钢护筒内，所以如何将钢护筒的垂直度偏差控制在允许范围内是本工程的难点。

3 施工技术

3.1施工工艺流程

钢护筒设计→钢护筒加工制作→场地布置和测量定位→钢护筒拼装→钢护筒焊接→钢护筒吊装→钢护筒校正→钢护筒固定

3.2钢护筒设计

外层钢护筒顶部比内层钢护筒高400 mm，将外层钢护筒加长400 mm使得内、外层钢护筒的长度相同，内、外层钢护筒之间为间距100 mm的空腔，在其两端均焊接25 mm厚环形钢板将空腔封闭，以保证钢护筒安装过程中的整体稳定性，同时防止泥浆等杂物进入空腔内。在准直桩预埋件安装前，将上端环板和加长的外层钢护筒切割拆除，此时内、外层钢护筒上部分离；下部环形封板作为永久构件，将内、外层钢护筒底部封闭。

通过沿外层钢护筒纵向和轴向均匀设置调节螺栓，通过调节螺栓可以调整内、外层钢护筒的同轴度，同时大大增强双层钢护筒的整体性，减小其吊装过程中的变形。具体设计为：在外层钢护筒的筒壁上钻孔，沿轴向设置6个（图3），轴向间距为1.5 m，把螺母焊接在孔内，拧调节螺栓使其穿过螺母，使调节螺栓的端部顶接在内层钢护筒的外壁上，则通过调节螺栓伸出外层钢护筒的长度，可以调整内层钢护筒在径向上相对于外层钢护筒的位置。

图3 调节螺栓和螺母的设置

在外层钢护筒顶部焊接2个支撑牛腿，作用是钢护筒下至孔内后，进行孔口支撑；同时在每个支撑牛腿上设置1个吊点，用于钢护筒吊装。

3.3钢护筒加工制作

内、外层钢护筒均分3节加工，每节钢护筒采用钢板卷制后拼装而成。根据钢护筒的直径、每节长度及钢板尺寸确定下料长度、宽度和坡口形式。

先压边再进行筒体卷制，筒体卷制过程不应少于3次，以达到自然合口，同时也消除了卷制过程中产生的应力。

纵焊缝采用双面埋弧自动焊，先焊接内口，然后用碳弧气刨清根，并用砂轮磨光，最后焊接外口。环焊缝采用二氧化碳气体保护焊接打底，单面埋弧焊罩面。每个筒节的纵焊缝相错90°。对钢护筒端部进行机械加工，使钢护筒端面垂直。

为防止运输过程中钢护筒发生变形，在钢护筒两端设置角钢支撑。

3.4场地布置和测量定位

在准直桩周围预留45 m×40 m的施工场地，以满足旋挖转机、吊装机械等作业要求。

施工场地未开挖前为原状土，土质为砂卵石层，根据地勘报告，本层土承载力为350 kPa。经计算，场地能满足旋挖钻机、350 t汽车吊等大型设备行走及施工安全。

确保钢护筒的起吊位置和钻孔点位均位于350 t汽车吊的允许起重半径内。

根据测设场区控制轴网，测设出桩的位置、地面标高等，桩位点采用钢钎撒白灰标识。

施工中保护好已测设的桩位点，如有其他施工机具碾压桩周边土体，则桩位点需重新测量。

3.5钢护筒拼装

钢护筒进场后，要对其管长度、管端椭圆度、管端平整度、管端平面倾斜和外周长等进行严格验收。

在每个准直桩附近设置1个钢护筒拼装平台，地面采用混凝土硬化，拼装平台由H型钢组成。

采用经纬仪测设出钢护筒的拼装轴线。

采用水准仪对拼装平台上的H型钢进行抄平，使其标高误差小于2 mm。

在拼装平台上按钢护筒的加工编号拼装内层钢护筒，经验收合格后，采用75 t汽车吊将其吊离拼装平台；然后在拼装平台上拼装外层钢护筒。

采用双机抬吊将内层钢护筒插入外层钢护筒内，在内层钢护筒端部与外层钢护筒接触位置设置移运器（图4），将内层钢护筒端部与移运器焊接连接，首先采用双机抬吊（图5）将内层钢护筒插入25 m，然后采用单个吊车（图6）继续将内层钢护筒插入5 m，最后采用挖掘机（图7）将内层钢护筒移至设计位置。

图4 移运器

图5 双机抬吊施工

图6 单机吊装施工

图7 挖掘机施工

从一端至另一端，调节螺栓露出外层钢护筒的长度（图8），通过多个调节螺栓协同配合，进而调整内、外层钢护筒的同轴度，使其满足要求。

图8 钢护筒的间隙调整

采用线锥、水准仪和卷尺检测双层钢护筒的拼装精度，满足要求后，安装端部环形封板，并检查调节螺栓的松紧。

在外护筒顶部安装支撑牛腿。在双层钢护筒上端设置2 m高的支架，在支架顶部的横杆上开豁口，此豁口位于双层钢护筒的中心线上；将2个方管分别设置在钢护筒上端筒口的表面和距离筒口2 m的内壁上，将双层钢护筒的中心线测设至方管上，并开豁口（图9）。

图9 垂直度检测示意

3.6钢护筒焊接

定位焊接的长度为2 0 ～3 0 m m，距离为2 0 0 ～300 mm，高度不应超过设计焊缝的2/3。

现场对接焊缝均为环形焊缝，焊接方法采用二氧化碳气体保护焊。

焊接前，将焊缝两侧25 mm范围内的铁锈、泥土、油污等清理干净，并打磨光洁。

焊接时，由2人同时在相对位置焊接，保证其焊速基本相同，以减小焊接变形。

首先，对焊缝外观进行检查；然后用砂轮机清除焊道周围飞溅物，使焊缝周围光滑平整，对焊缝进行无损超声波检测。

3.7钢护筒吊装

整个准直桩采用旋挖钻机泥浆护壁的湿作业法分2次进行钻孔。首先进行双层钢护筒范围内的钻孔，桩孔钻至双护筒底标高后，向下继续钻进0.5 m，以保证双层钢护筒有足够的安装空间，此时双护筒底部不接触孔底，使双护筒悬空垂直。

采用350 t汽车吊将钢护筒整体吊装就位的施工方法。

在双层钢护筒的吊装过程中，调节螺栓对内层钢护筒的顶接力始终存在，并且长螺栓沿轴向间隔均布，使长螺栓对内层钢护筒有足够的顶接力，从而使内层钢护筒和外层钢护筒在径向上相对固定，其同轴度和垂直度比较稳定。

在双层钢护筒吊装入孔的过程中，在孔口处，依次将调节长螺栓拆除，采用焊缝方式封堵外层钢护筒上的孔，并进行防腐处理。

当钢护筒下至孔口位置时，采用H型钢将钢护筒支撑在孔口，用水准仪调整钢护筒顶标高。

双层钢护筒正式吊装前，必须进行试吊，观察双护筒、吊索、吊具及吊点等的受力、变形情况，如发现变形过大、焊缝开裂、吊索受力不均，应将钢护筒下放至地面，采取如调整吊点、吊索或吊具等措施，以确保吊装安全。

在试吊及吊装的过程中，要安排专人观察吊车4个支腿处的地基承载情况，如发现地基有下沉、裂纹等现象，立即停止吊装作业，对地基进行加固。

3.8钢护筒校正

钢护筒安装完成后，先将护筒内泥浆抽出3 m，用清水将护筒内壁冲洗干净，露出下层控制方管。

从顶部支架上的圆心点垂下线坠，如果线坠能够同时穿过双护筒顶部和筒内方管的豁口并不碰到方管（图10），即可认定为在4 m范围内能够达到1.5/400的精度要求，按照比例关系可以得出40 m双护筒能够满足1.5/400的精度要求。

图10 钢护筒的校正

3.9钢护筒固定

双层钢护筒校正到位后，在桩底灌注1 m厚的C15素混凝土进行封底。

桩底混凝土终凝后，对外层钢护筒与岩土体之间的空隙进行注浆，固定钢护筒的位置。

确保水泥砂浆的质量，注浆前对设备进行详细检查，确认其工作状态良好，以确保注浆连续进行。

待水泥浆终凝后，通过复钻至设计孔深、清孔、吊钢筋笼入孔、安放灌注导管、测孔底沉渣、灌注混凝土、桩底后压浆、剔凿桩头、钢护筒顶部切割分离及安装预埋件（图11）等工序，完成超长无干涉双层钢护筒准直桩的施工。

图11 钢护筒顶部切割分离及预埋件安装就位

4 施工中遇到的问题及处理措施

4.1双层钢护筒间隙调整用时过长

在通过调节螺栓调整内、外层钢护筒间隙的过程中，钢护筒的两端口调整就位后，由于钢护筒长度为30.33 m，内层钢护筒自然下挠与外层钢护筒接触，且其质量达到了17 t，导致单个调节螺栓受力较大，调整用时过长，且容易损坏调整螺母。

处理措施：提前在外层钢护筒正下方的3等分点上开设2个直径为150 mm的孔，首先采用千斤顶通过孔对内层钢护筒的位置进行粗调，然后采用调节螺栓进行精确调整，最后将孔封堵。

4.2双层钢护筒无法一次安装就位

由于旋挖钻孔的偏差，导致钢护筒重复起拔，使现场350 t汽车吊长时间吊着钢护筒无法安装就位，存在较大安全隐患。处理措施：成孔后，采用智能超声成孔质量检测仪对孔进行质量检测，待孔垂直度、孔深等均满足要求后，方可进行钢护筒的安装作业。

5 结语

本工程准直桩系统是目前国内护筒最长、成桩最深、要求最高的系统，其83.53 m准直桩施工在国内前所未见，施工精度要求较高，是目前我国深度最深的双护筒准直桩。通过本高精度超长准直桩钢护筒施工技术，克服了现场质地条件限制，于2020年9月圆满通过了工艺验收。将设计理念完美地体现了出来，为准直系统的施工提供了精度保证，对于类似项目的施工具有重要指导意义，现总结如下：

1）通过对设计、加工制作、现场拼装、吊装和校正等施工全过程进行严格的积累误差控制，保证了超长双层钢护筒的垂直度大于1/400。

2）利用调节螺栓和螺母严格控制了内、外层钢护筒的间距，保证了双层钢护筒在拼装、吊装过程中的同轴度和垂直度，同时使得双层钢护筒受力均匀，增强了其整体稳定性，大大减小了吊装变形，进而保证了安装进度。

3）通过垂直度测量装置，实时反映出垂直度偏差方向及偏差大小，并根据5 m的偏差数据测算出40 m钢护筒的实际偏差数据，保证钢护筒垂直度的精度。