软土地区逆作法桩柱一体化快速施工关键技术

陈晓飞

(江苏华东地质建设集团有限公司，江苏 南京 210007)

0 引言

城市建设的迅速发展，基坑开挖深度越来越大。为了尽早使上部建(构)筑物发挥作用，逆作法在深基坑工程中的应用越来越广泛。在逆作法中，为了快速承担上部建(构)筑物的荷载，常采用钻孔灌注桩与钢管桩相结合的基础形式，即行业内所谓的单桩单柱。单桩单柱不仅要发挥工程桩的抗压、抗拔功能，而且承担的荷载大，因此，单桩单柱的质量要求自然比一般的工程桩质量要求高[1-6]，特别在软土地区，在不均匀荷载作用下软土容易发生流变，所以对单桩单柱的桩身垂直度方面要求更高。

某公建综合配套工程项目基坑工程采用逆作法，设计要求长14 m的钢管柱插入钻孔灌注桩内1.5 m，插入时柱脚栓钉与钢筋笼之间间距仅为5.2 cm，因此需在场地面孔口处把钢管柱插入钢筋笼内，再整体下放，此做法不仅增加了钢管柱安装定位的难度，而且可能导致单桩单柱的垂直度达不到设计要求。基于某公建综合配套工程项目，作者总结出包括钢筋混凝土护筒和场地面硬化一体化、钢管柱平面及垂直度的快速定位及校准系统、混凝土浇筑钢作业平台等桩柱一体化快速施工关键技术，消除了上述问题，同时确保了质量要求。

1 工程、设计概况及工程地质条件

1.1 工程概况

南方某城市公建综合配套工程项目总建筑面积为62 700.5 m2，该项目基坑南北长约95 m，东西长约113 m，周长约为408 m，基坑面积为10 220 m2。基础采用旋挖法成孔的钻孔灌注桩，桩径为φ1 000 mm～φ1 600 mm，有效桩长7.5 m～22 m，总数为529根。其中470根为单桩单柱，采用桩柱一体化施工。在钻孔灌注桩钢筋笼和钢管柱吊放完毕后，孔内和钢管柱内浇筑强度等级C40的混凝土。

1.2 设计概况

单桩单柱的桩身垂直度偏差不大于1%，结构柱为钢管柱，钢管柱设计参数为：长14 m，截面形式为φ800×16 mm，质量5.4 t；插入钻孔灌注桩内1.5 m；柱脚栓钉与钢筋笼之间间距为5.2 cm(见图1)。

1.3 工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，结构范围内涉及的岩土层自上而下为：

①-1层杂填土：松软不均，建筑垃圾、碎砖及碎石为主。

①-2层素填土：褐红色、浅黄色、灰白色，软塑～硬塑，以可塑为主，分布于场地大部分地段。

②-1层粉质黏土：灰～黄灰色，软塑，局部流塑，局部含淤泥质粉质黏土。

②-2层粉质黏土：灰黄色、灰白色，松散～中密，以稍密为主，饱和，颗粒均匀，含少量～多量黏性土，分布于场地大部分地段。

②-3层粉质黏土：灰色，软塑，局部可塑，局部夹薄层粉土。

②-4层粉质黏土：灰色、褐灰色，可塑，局部软塑，干强度、韧性中。

③层粉细砂：青灰色，饱和，密实，主要矿物成分为石英、长石，云母次之。

④层中粗砂：灰黄色、灰白色，松散～中密，以中密为主，饱和，颗粒不均匀，含少量黏性土，分布于场地部分地段。

⑤-1层属石炭系，灰黑色，灰色，隐晶质结构，层状构造，方解石脉发育，分布于场地大部分地段。

⑤-2A微风化：岩芯较完整，呈短柱状～长柱状，节理裂隙稍发育，岩体完整程度为较完整～完整，岩石坚硬程度为较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅱ级～Ⅲ级。

由以上岩土层的特征描述可知：场地软塑、流塑地层发育，在桩柱一体化快速施工时，在施工设备、附属配件的不均匀荷载作用下，软塑、流塑地层容易发生流变，导致单桩单柱的桩身垂直度达不到设计要求。

2 施工工艺流程及关键技术

2.1 施工工艺流程

桩柱一体化快速施工工艺流程见图2。

2.2 桩柱一体化快速施工关键技术

1)钢筋混凝土护筒和场地面硬化一体化

钢管柱的定位调整需在场地面进行，因此，要求钻孔灌注桩孔口周边不仅要有作业空间，而且场地面能够承受施工设备、附属配件、钢筋笼和钢管柱的重量。为此，在桩中心周边2.6 m×2.6 m的场地面上浇筑400 mm厚、配Φ12@250钢筋的混凝土作业面(见图3)，作业面平整，在作业面处留出一条300 mm宽、通向附近泥浆池的泥浆沟。为了克服常规钢护筒易下沉的缺点，把孔口钢护筒改为150 mm厚、1 500 mm高的钢筋混凝土护筒(见图4)，与混凝土作业面一同浇筑以便形成整体，从而消除了孔口钢护筒下沉影响桩身垂直度。

2)旋挖钻机成孔。

为确保单桩单柱的桩身垂直度达到设计要求，旋挖钻机作业处铺设砖渣并夯实；钻机就位后，做好对中、整平工作；开钻前提起钻具，校正孔位；成孔时，钻具对准测放的桩中心开孔钻进；成孔中定时检测孔径、孔形和孔斜，严格控制成孔质量；钻进每30 min做一次进尺记录；成孔过程中严格保持机台平稳，每班均应检查机台水平度。

3)钢管柱吊耳支墩制作安装。

为方便钢管柱运输及起吊，钢管柱加工时，在钢管柱顶四周十字形焊接4个起吊耳板，φ50 mm圆孔穿起吊钢缆，φ35 mm圆孔穿吊筋(见图5)，消除钢管桩起吊时变形。

4)快速平面定位系统。

在孔口周边混凝土作业面上沿十字轴线设置4个对称的工字钢墩(300 mm×300 mm×20 mm×15 mm)，作为钢管柱定调架的平台，混凝土操作面需预埋Φ16钢筋，与钢连接板扣紧，钢支墩与连接板以焊接方式连接。桩柱一体化施工完成后，钢支墩可拆除重复利用(见图6)。

5)钢管柱吊装及定位。

钢管柱桩吊装及定位分为以下步骤：

a.先吊放钢筋笼进孔内，待钢筋笼下至孔口时，暂停下落，将钢筋笼临时固定在孔口。

b.通过起吊耳板起吊钢管柱，将钢管柱缓慢插入钢筋笼1.5 m后，将事先挂在耳板上的吊筋与钢筋笼焊接固定。此时钢管柱与钢筋笼组成整体，松开钢筋笼临时固定继续下放钢柱，使钢筋笼随钢柱一同进入孔内。

c.下放时，缓慢旋转钢管柱，使支撑工字钢标刻十字线基本与钢支墩上的轴线对齐，钢管柱初步就位完成。钢管柱的调整采用液压千斤顶的方式，选取合理的千斤顶是钢管柱调整的关键。通过对现场工况分析发现，孔内泥浆阻力F与钢管柱旋转点为影响因素，根据钢管柱的受力分析，千斤顶顶升力T与泥浆压力F关系有：

0.8T=13.15×2/3F+0.3F

(1)

F=ρghS

(2)

其中，ρ为泥浆密度，取1 200 kg/m3；S为1/4钢管柱表面积，S=1/4πD×13.15=10.32 m2；g为重力加速度，取9.8 N/kg；h为作用面高度，取3.4 m。

由式(1)，式(2)得出T=20.36 t，所以选取22 t千斤顶，可满足钢管柱调整的要求。

d.钢管柱初步就位完成后，全面复核钢管柱中心点和柱顶标高，并用吊车配合把柱顶标高基本调至设计要求，采用撬棍及千斤顶顶住支撑工字钢下方，以便钢管柱平面位置、标高精调到位。

e.桩柱一体化混凝土浇筑。

设计要求钢管柱顶高于地面0.7 m～1.5 m不等。若采用常规的直卸式混凝土浇筑方法将对已调整好钢管柱的平面位置与垂直度产生较大冲击影响，直卸式浇筑难以适合桩柱一体化混凝土浇筑要求，需使用更稳定、安全的方式进行桩柱一体化的混凝土浇筑。因此，作者设计了桩柱一体化混凝土浇筑钢作业平台(见图7)，成功解决了混凝土浇筑过程中对钢管柱的影响，提供了混凝土浇筑过程中工人的操作空间问题，顺利完成了桩柱一体化混凝土浇筑。

地面硬化尺寸为2.6 m×2.6 m，为了避免钢作业平台与钢管柱及垂直度控制系统互相影响，钢作业平台的支脚需架于硬化层之外。作者将钢作业平台尺寸设计为3.5 m(长)×3.5 m(宽)×3.4 m(高)，同时在浇筑混凝土时为作业反压石子和复核钢管柱平面及垂直度等预留作业空间。平台顶部中间开有卡位圆孔，在浇筑过程中卡位板卡在导管的接头盘下，避免了浇筑过程中导管震动而与钢管柱发生碰撞，确保了钢管柱的准确定位。

3 质量验收及保证措施

3.1 质量检查验收要求

质量标准根据GB 50202—2002建筑地基基础工程施工质量验收规范、JGJ 94—2008建筑桩基技术规范，对钻孔灌注桩和钢管柱进行主控项目质量检查验收，结果见表1，表2。

表1 钻孔灌注桩主控项目质量检查验收表

表2 钢管柱主控项目质量检查验收表

3.2 质量保证措施

1)桩位、桩长控制。

经过测量放线确定钻孔中心位置，并经复核确认无误后开始钻孔的施工。

施工中对钢筋混凝土护筒顶高程与各项设计高程皆要核对清楚，以便进行换算。土层中钻进，锥形钻头的起始点要准确无误，根据不同土质情况进行调整。机具长度丈量要准确。

2)桩身质量控制。

制作钢筋笼不能超过规范允许的误差，包括主筋的搭接方式、长度，钢筋笼的全部数据都应按隐蔽工程进行验收、记录。钢筋笼底应制成锥形，以便顺利下放。起吊部位可增焊环筋，提高强度。起吊钢绳应放长，以减少两绳夹角，防止钢筋笼起吊时变形。确保导管密封良好，灌注时窜动导管时提高应按规范要求，防止夹泥、断桩等质量事故发生。如发生这些事故，应将导管全部提出，处理好以后再下入孔内[7-12]。

3.3 监测控制措施

现场监测可以有效保证施工安全性，进而带来经济性，本项目中投入了以下监测仪器对基坑位移、深层土体水平位移、地下水位进行了监测(见表3)。

表3 投入监测仪器表

各监测项目的控制值、报警值及监测频率见表4。

表4 监测控制值、报警值及监测频率表

4 结论

基于南方城市某公建综合配套工程项目基础上开发的逆作法中桩柱一体化快速施工关键技术，解决了单桩单柱的桩身垂直度和钢管柱安装精度要求高、定位困难等问题，使得桩柱一体化施工得以顺利进行，该技术主要特点如下：

1)以钢筋混凝土护筒代替了钢护筒，并在孔口设置钢管柱调整系统，减少吊装时间。

2)桩柱一体化混凝土浇筑钢作业平台能形成立体操作空间，即平台上部为混凝土浇筑操作平台，平台下部为钢管柱水平位置及垂直度控制、反压石子施工提供操作空间。

3)通过泥浆压力，推导出定位钢管柱的千斤顶顶升力，从而为千斤顶选型、钢管柱准确定位奠定了基础。

4)应用桩柱一体化快速施工关键技术，深基坑工程逆作法中钢管柱安装定位工效和质量大大提高，且桩柱一体快速施工关键技术安全可靠，施工便捷，工效高，可操作性强。采用桩柱一体快速施工关键技术，施工时间比计划时间缩短了20%，产生直接经济效益706万元；施工中产生的钻渣、泥浆等建筑垃圾用专用车运到指定地点，满足施工环保的要求；桩柱一体快速施工关键技术能提前发挥上部建(构)筑物的作用，社会效益显著。