逆作法钢管柱后插法钢套管与液压千斤顶组合定位施工技术

2022-09-29鲍万伟

科技和产业 2022年9期

关键词：检测仪钻机套管

鲍万伟

(深圳市工勘岩土集团有限公司，广东深圳 518063)

大直径钢管结构柱在插入灌注桩后的准确定位，由于钢管结构柱超长且直径大，钢管结构柱采用后插法插入灌注桩顶面混凝土后，一旦钢管结构柱出现偏差，受钢管柱截面大的影响，进行钢管结构柱的底部纠偏调节难度大，需要反复起拔重新插入来完成定位，耗时耗力。

本文结合具体的工程实施案例，对解决大直径超长钢管结构柱后插精准定位施工存在的问题提出的施工技术进行全面阐述。

1 工程概况

1.1 工程位置及规模

深圳市城市轨道交通13号线深圳湾口岸站位于深圳市南山区东滨路与望海路交叉口，为地下2层车站，基坑深约21 m，右线长337 m,左线长 329 m。

1.2 场地地质条件及水文条件

根据勘察报告显示，场地工程地质情况自上而下为素填土、粉质黏土、砾砂、粉质黏土、全风化粉砂岩及强、中、微风化花岗岩层。

1.3 设计要求及现场施工情况

车站采用盖挖逆作法施工，盖挖逆筑围护结构采用φ1 800@1 450 mm全荤套管咬合桩，竖向支撑构件为钢管结构柱。该项目共89条钢管结构桩，桩基础直径2.5 m，深度超过55 m，钢管结构柱直径1.3 m，钢管柱长度平均25 m。

该项目为轨道交通站点施工，对钢管结构柱精度要求高，对周边环境扰动控制严格，采用传统的钢管结构柱调节定位难以满足精度要求，故项目组采用逆作法钢管柱后插法钢套管与液压千斤顶组合定位施工技术，有效保证了钢管结构柱下放精度，保证施工质量，节省了成本，取得了良好的施工效果，获得了业主单位及监理单位的一致好评。

2 工艺原理

2.1 技术路线

为了有效实施结构柱纠偏，拟定以下技术设想：

2.1.1 设计液压千斤顶调节偏差

当出现钢管结构柱下插灌注桩内发生定位偏差后，由于安插在灌注桩顶部混凝土内的钢管桩直径大，钢管柱的位置调节需要克服较大的阻力，采用对钢管柱顶部调节的方法难以对钢管柱底部进行纠偏。因此，设想在钢管柱的中下部设置一套液压纠偏系统进行偏差调节定位。

2.1.2 设置千斤顶回顶钢套管支撑

由于钢管结构柱定位时其处于钻孔的覆盖层内，土层孔壁无法提供液压千斤顶系统回顶力。为此，拟在钢管结构柱部分的钻孔段设置护壁钢套管，以便为液压千斤顶对钢管柱纠偏时提供回顶支撑点。

2.1.3 采用全回转钻机安放钢套管

由于钢套管作为千斤顶回顶支撑，钢套管安放的垂直度将直接影响回顶时的精度，施工过程对钢套管安放的垂直度要求高。为此，拟采用全回转钻机实施钢套管安放，确保护壁钢套管的垂直度满足要求。

2.1.4 实时测控纠偏

当液压千斤顶、钢套管纠偏系统工作时，需要提供实时的精准定位偏差数据。为此，设想在钢管结构柱顶部设置一套超声波检测仪，对钢管结构柱中心点位置偏差进行实时监控，并与液压千斤顶、钢套管纠偏调节系统协同工作、同步纠偏、反复校核，直至定位精度满足要求。

2.2 后插钢管柱钢套管与液压千斤顶组合定位系统

该技术工艺原理所述的综合定位系统由钢套管、液压千斤顶、超声成孔检测仪3部分组成，构成对钢管结构柱的纠偏和精确协调定位。

2.2.1 钢套管

1)钢套管的作用主要表现为两方面，一是作为千斤顶对结构柱纠偏时的千斤顶的回顶支撑，二是钻进过程中起钻孔护壁作用。

2)钢套管为钢管结构柱的定位纠偏垂直度提供导向定位，为保证结构桩垂直度，钢管结构柱施工采用全套管全回转钻机安放，套管内采用抓斗或旋挖钻机取土，采用分节下入、孔口接长安放到位。为保证钢套管在完成结构柱定位后顺利拔出，钢套管的底部按置于灌注桩设计顶标高以上1.0 m控制，钢套管长度约20 m，以避免钢套管底部埋入灌注桩顶混凝土内导致钢套管起拔困难。

2.2.2 液压千斤顶

1)千斤顶位置设计。为确保千斤顶回顶效果，根据现场试验、优化，将千斤顶安放在钢管结构柱中部偏下位置，即安装在钢管柱约15 m位置，如图1所示。

图1 钢套管孔内千斤顶设置安放示意图

2)千斤顶结构设计。千斤顶对称设置共4组，单个装置为1个钢板焊接而成的独立长方形卡槽及1套液压千斤顶组成，长方形卡槽焊接在法兰盘上，液压千斤顶放置在卡槽内，千斤顶随钢管结构柱下放至预定位置，千斤顶连接铁链、液压管连接千斤顶引至地面的操作箱[1]，如图2、图3所示。

图2 液压千斤顶安装立面图

图3 液压千斤顶安装俯视图

2.2.3 超声波检测仪

1)超声波检测仪设置和选择。钢管柱下放到设计标高后，将超声波检测仪架设在钢管结构柱工具柱顶，并从工具柱中心孔内下放实施探测。选用UDM100WG检测仪，其测量精度0.2%FS，测量最大孔径4.0 m。

2)超声波检测原理。将超声波传感器沿充满泥浆的钻孔中心以一定速率下放，在探头下放过程中，接收并记录4个方向(或两个方向)的垂直孔壁的超声波脉冲反射信号，可以直观对孔内X、X′、Y、Y′4个方向同时进行孔壁状态监测，可以通过屏幕显示孔径、垂直度等参数，检测数据可以随时回放或打印输出，便于数据资料的分析和管理。为液压千斤顶回顶钢套管，调节钢管结构柱垂直度提供实时的动态监控数据。

2.3 钢管柱、液压千斤顶、超声波检测仪协同测控定位原理

当钢管结构柱后插入灌注桩顶混凝土后，在钢管柱顶设置超声波检测仪测定钢管柱垂直度，同时在孔口根据测量的钢管柱偏差数据，操作液压千斤顶调节4个千斤顶缩放，并通过钢套管为液压千斤顶提供支撑点和调节点，对钢管结构柱垂直度进行实时动态调节定位。通过反复数据测量、自动回顶调节操作，直至钢管柱中心点与钢套管中心点重合，如图4～图6所示。

图4 钢管柱后插偏差状态示意图

图5 千斤顶回顶套管调节钢管柱示意图

图6 钢管柱调节后示意图

3 工艺流程

施工工艺流程如图7所示。

图7 施工工艺流程

4 操作要点

4.1 平整场地、桩位放线定位、全回转钻机就位

1)施工前需要对场地进行硬底化处理。

2)采用JAR-260H型全回转钻机，最大钻孔直接2.6 m，该项目设计桩径2.5 m，可以满足该项目的需求。

3)用全站仪测量放线定位桩位坐标点，在桩位中心点处用短钢筋进行标志。

4)全回转钻机就位前，先安放定位板，定位板安放到位后吊放全回转钻机；定位板4个角设置定位卡槽，钻机就位时对中定位板卡槽即可准确就位。

5)全回转砖机就位后利用四角油缸支腿调平，并对钻机中心点进行复核，确保钻机中心位置与桩位中心线重合[2]。

4.2 全回转钻机安放钢套管

1)为保证钢管结构桩垂直度及防止钻孔坍塌，护壁采用钢套管，钢套管采用全回转钻机安放。

2)安放时，将全回转钻机就位对中，压进底部钢套管时，待底部套管被压入约1.5 m后，检查套管中心与桩中心的偏差，保证偏差值满足规范要求。

3)全回转钻机回转驱动套管的同时下压钢套管，配合使用冲抓斗反复抓取钢套管内的土进行取土。

4)在钢套管压入过程中，用全站仪不断校核垂直度，并利用钻机上垂直调节系统来调整钢套管垂直度，且满足设计要求，直至将套管安放到指定的深度。钢套管的长度按基坑底以上1.0 m进行控制，钢套管平均长度为20 m[3]。

4.3 旋挖钻机直孔段钻进成孔

钢套管护筒安放到位后移开全回转设备，山河SEDM550旋挖钻机就位进行钻进成孔作业。并实时监测钻孔深度和垂直度等控制指标，达到设计孔深后进行清孔捞渣作业。

4.4 旋挖钻机桩底扩底

1)旋挖钻机施工至桩底设计标高后，换上旋挖扩底钻头，对桩底进行扩底钻进。

2)在桩底钻头边旋转边加压钻机，并在钻进中边旋转边伸展钻头斗门，通过预先设置的扩底钻进行程控制扩底直径，直至完成扩底施工至4 000 mm。

4.5 钢筋笼制安、导管安放、灌注桩身混凝土

1)清孔到位后，安放钢筋笼。

2)采用300 mm导管对桩身混凝土进行灌注。

3)检查孔底沉渣符合设计要求后即实施桩身混凝土灌注。为保证后续有充足的时间安放纠偏钢立柱等工序，采用不小于24 h的超缓凝混凝土。灌注时，严格控制混凝土的灌注标高，防止混凝土灌入钢套管中导致后续难以拔出。

4.6 万能平台及全回转钻机就位

1)钢管结构柱底部桩基混凝土灌注完成后清理场地，重新校核、定位钢管结构柱中心点位。

2)万能平台采用双层双向十字重合就位方法。吊运全回转钻机至万能平台上，就位后调整全回转钻机水平状态并进行复核，确保全回转设备的中心点与钢管结构柱中心保持一致[4]。

4.7 钢管结构柱与工具柱现场对接

钢管结构柱与工具柱采用同心同轴平台进行对接，对接原理是根据钢管结构柱和工具柱半径的不同，预先制作满足完全精准对接要求的操作平台，平台按设计精度的理想对接状态设置，并采用弧形金属定位板对柱体进行位置约束，确保钢管柱和工具柱吊放至对接平台后两柱处于既同心亦同轴状态，将固定螺栓连接后即可满足高效精准对接。

4.8 钢管结构柱及千斤顶安放

1)钢管柱设计直径1.3 m，平均长度约25 m。钢管结构柱按照设计长度在钢加工厂一次性加工成型并验收合格，然后整体运输至施工现场。

2)安装液压千斤顶装置，钢管柱连接时，先在钢管柱约15 m位置安装托盘，将4个长方形卡槽均匀分布焊接在托盘上。在钢管柱下放至孔口时，将4个液压千斤顶放在钢板卡槽里，千斤顶连接铁链、液压管连接千斤顶引至地面的操作箱，完成安装。千斤顶随钢管结构柱下放到预定位置，为后续钢管桩定位纠偏做准备。

3)利用双机抬吊吊起钢管结构柱至垂直状态。然后缓慢插入钢套筒内[5]。

4)钢管结构柱安放到位后采用全站仪再次进行复测，如图8、图9所示。

图8 液压千斤顶实物图

图9 千斤顶安装位置

4.9 钢管柱顶设置超声波实时监测

1)在钢管结构柱安放完成后，将UDM100WG超声成孔检测仪架设在钢管结构柱工具柱中心点处上。

2)超声波传感器(探头)在升降装置的控制下从孔口匀速下降，侵入成孔的泥浆里，探头向孔内周围的4个方向同时发射超声波脉冲，超声波脉冲穿过泥浆介质，在遇到孔壁时被反射回来至探头并转换为超声信号。

3)超声信号传送至检测仪控制器上并分析和管理资料数据，为液压千斤顶调节提供实施监测，如图10所示。

图10 超声成孔检测仪测垂直度

4.10 钢管柱液压千斤顶协同调节定位

在工具柱顶上，根据检测仪测定的钢管柱位置偏差值，动态调节4个千斤顶伸缩，通过钢套管为液压千斤顶提供支撑点和调节点，对钢管结构柱垂直度进行实时调节定位；通过反复数据测量、自动回顶调节操作，直至钢管柱中心点与钢套管中心点重合。

4.11 固定钢管柱、移出全回转钻机

1)待桩身混凝土24 h终凝后，移出全回转钻机。

2)为了避免钢管结构柱变形，移出全回转钻机前，用4块钢板将工具柱对称焊接固定在孔口钢套管上。

4.12 灌注钢管结构柱内混凝土

1)全回转钻机移出后，吊运装配式混凝土灌注平台固定在工具柱顶部位置。

2)平台吊装完成后，采用吊车吊放灌注导管和初灌斗至钢管结构柱内。

3)罐车将混凝土卸入料斗内，采用吊车吊运料斗至初灌斗进行柱内混凝土的灌注，灌注至钢管柱顶标高。混凝土采用C35补偿收缩混凝土，并加入少量的微膨胀剂。

4.13 拆除千斤顶、拆除工具柱

1)拆除工具柱前，将4个液压千斤顶泄压，拉动连接千斤顶的铁链，将千斤顶拉出孔外，将其拆除。

2)人工下入工具柱内，拆除工具柱与钢管柱连接螺栓。

3)连接螺栓拆除后，割除工具柱与套管的临时固定钢块，将工具柱拆除。

4.14 回填碎石、拔出钢套管

1)为了避免钢管结构柱受力不均发生偏斜，在拆除工具柱前对钢管结构柱与钢套管间隙回填碎石，采用人工沿四周均匀回填。

2)碎石回填完成拆除工具柱后，用振动夹配合吊车拔除钢套管。

5 施工工艺特点

1)定位控制精度高。采用全回转钻机安放钢套管并成孔，下放钢管结构柱后，采用超声成孔检测仪测出钢管结构柱的垂直状态，并利用设置在钢管结构柱上的液压千斤顶回顶钢套管，对钢管结构柱进行偏差调节并完成定位，确保了钢管结构柱的准确定位。

2)综合施工效率高。采用钢管结构柱、工具柱在工厂内预制加工，制作精准度高；采用全回转钻机安放钢套管，利用旋挖钻机完成直孔段和扩底段施工，钻进成孔速度快；采用全回转钻机后插钢管柱，利用液压千斤顶与钢套管、超声波检测协同配合进行定位，大大提升综合施工效率。

3)降低施工成本。液压千斤顶自动调节垂直度，液压千斤顶可以重复利用，定位精准快捷，节省大量辅助作业时间，加快了施工进度，综合施工成本低。

6 实施效果评价

逆作法钢管结构柱后插法钢套管与液压千斤顶组合定位施工工法在现场操作、成本和工期控制等方面都突显出了独特的优越性，通过调整施工工艺、优化工艺流程，利用全回转设备配合旋挖机成孔，依托超声波检测仪测钢管柱的实时垂直度，液压千斤顶对钢管结构柱垂直度进行实时调节定位的工艺技术，精准下放钢管结构柱，有效地保证了施工质量，大大缩短施工工期，节约了成本，为钢管结构柱的施工提供了一种创新、实用的工艺技术，得到建设单位、设计单位和监理单位的一致好评，取得了显著的社会效益。