逆作后插式大直径钢管桩柱施工监理要点

2022-12-15杨之军温双义北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司北京100070

建设监理 2022年9期

杨之军，温双义（北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司，北京 100070）

0 引言

受基坑周边环境和施工组织总体方案的限制，大型综合交通枢纽基坑工程中常选用盖挖逆作法，也就是利用地下主体结构梁板作为基坑支护结构的水平支撑体系，自上而下进行主体结构施工的方法。竖向支撑桩柱施工是盖挖法施工的难点和重点，由于综合交通枢纽工程柱网间距大且层高较高，要满足盖挖施工机械的出土要求，同时对桩柱的承载力、立柱安装的简便性、梁柱连接的施工便利性、立柱的定位和垂直度精度等提出很高的要求。多年的工程经验表明，盖挖逆作桩柱适宜采用一桩一柱、钢管柱后插的施工方法，也就是在旋挖扩孔桩混凝土终凝前插入钢管柱，然后在管内浇筑混凝土。

逆作后插式桩柱的工程特点是支承柱与永久柱合二为一、造价高、工序复杂且工序衔接要求极高，若出现质量事故，将对基坑安全和后续主体结构施工造成重大影响，同时技术处理复杂且代价昂贵。后插钢管桩柱施工需要使用专用机械设备进行桩的扩孔和钢管柱的后插，需要严密的施工技术方案和精细的施工组织协调，对各道工序质量严格检测和控制，如此才能保证桩柱的工程质量。

1 工程概况

1.1 工程项目简介

北京城市副中心站综合交通枢纽工程（以下简称“本工程”）位于北京市通州区，建筑规模约267万m2。建筑平面呈条状布置，地下一层为候车区和换乘区，地下二层为轨行区。本工程中部区域的地下结构采用逆作施工法，即围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙，水平支撑体系为梁板结构，竖向支撑采用逆作后插式钢管桩柱一体结构。

1.2 工程水文地质简介

本工程属于基本稳定场地，场地地基土层属同一地貌单元，为均匀地基。工程施工区域地表标高18.5 m，逆作桩柱施工硬化地面标高13.0 m（明挖基坑深5.5 m），地下水位标高约10.0 m。在逆作桩深度（标高-62.0 m～13.0 m）范围内，地层土质基本为细砂，夹杂少量粉质黏土～砂质粉土地层，标准贯入击数40～50，属于中硬土。

1.3 设计简介

本工程逆作桩柱为一桩一柱型式，逆作桩兼作抗压桩和抗拔桩，永久工程柱为厚壁钢管柱。逆作桩采用C35缓凝混凝土，桩底扩大桩径，桩底和桩侧后注素水泥浆液；钢管柱采用后插法，管内浇筑C60自密实不收缩混凝土。逆作后插式钢管桩柱主要设计参数，如表1所示。

表1 逆作后插式钢管桩柱主要设计参数

本工程的永久钢管柱在平面上布设于铁路轨道中间，考虑铁路限界的规定，要求逆作桩孔垂直度＜1/600；钢管柱的定位偏差≤1.0mm，柱顶标高偏差≤2.0 mm，垂直度≤1/800（正线区域≤1/1 000）。逆作桩采用复合注浆，桩侧设3个注浆断面，其中标准桩φ2.4 m（桩底扩孔φ3.5 m），桩底注浆5.6 t，桩侧每断面注浆1.44 t。

1.4 施工组织方案简介

根据设计图纸、水文地质资料、场地总体布置和工期等因素确定逆作桩柱一体化施工组织方案。钢管柱由钢结构工厂分段制作，现场预拼焊接；逆作桩选用SWDM 300H～550H旋挖钻机成孔，液压插入机选用JAR-210H全回转钻机插入钢管柱；配置250 t和150 t主副履带吊车各1台，逆作桩钢筋笼分2段吊装悬空连接；钢管柱整体吊装。通过试验桩柱实际确定施工参数，后插式钢管桩柱施工流程如图1所示。

图1 后插式钢管桩柱施工流程图

2 施工监理要点

2.1 施工前期监理要点

逆作后插式钢管桩柱施工监理前期主要工作，如表2所示。

表2 后插式钢管桩柱施工监理前期主要工作

2.2 逆作扩孔桩监理要点

2.2.1 逆作扩孔桩护筒安装

桩孔护筒的作用是桩位定位、保护孔口、保持泥浆液面、稳定孔壁、桩顶标高控制依据、防止地面水及泥浆回灌等。大直径旋挖桩护筒常采用10 mm～15 mm厚钢板制作，上口加焊200 mm高加强钢板箍；护筒内径大于桩径200 mm，高度大于2倍桩径；护筒高出地面200 mm，插入稳定土层不少于1 m。护筒安装采用旋挖钻干式成孔，将护筒压入稳定土层。护筒安装指标应不低于逆作桩孔标准。逆作桩护筒安装质量检验标准，如表3所示。

表3 逆作桩护筒安装质量检验标准

2.2.2 逆作扩孔桩泥浆

泥浆护壁旋挖桩成孔中泥浆的作用是护壁、携渣和润滑。总体来讲，由于桩孔尺度较小以及圆形孔洞土体的拱形效应，孔壁坍塌风险较小。施工中重点控制新配制泥浆和再生泥浆指标，泥浆液面保持在护筒下口以上2 m。扩孔桩循环使用再生泥浆指标，如表4所示。

表4 扩孔桩循环使用再生泥浆指标

2.2.3 逆作扩孔桩成孔

扩孔桩成孔是逆作桩工程的重点和难点之一，使用旋挖等径钻头成孔到桩底，然后用液压变径扩孔钻头切削土体，扩大桩底部或桩孔中部，使灌注桩身形成“蒜头状”或“竹节状”。扩孔是关键工序，首先在旋挖钻机的显示屏上按设计要求设置扩孔参数（角度、直径和高度），然后液压变径钻头张开角度对土体切削，屏幕即时显示桩孔的垂直度、深度、直径和切削角度。成孔中常见问题是孔壁局部坍塌、缩径、垂直度和扩孔参数存在误差，在施工组织中做到“钢筋笼和混凝土等待成孔”，可避免因桩孔较长时间空置而造成的孔壁坍塌或缩径（软土或黏性土地层）事故。逆作桩孔垂直度须＜1/300（指标高于普通灌注桩），避免后插带有栓钉的钢管柱时剐蹭钢筋笼，桩孔垂直度采用超声波程控质量检测仪检测。泥浆护壁旋挖扩孔桩成孔质量检验标准，如表5所示。

表5 泥浆护壁旋挖扩孔桩成孔质量检验标准

2.2.4 逆作扩孔桩清孔

大直径扩孔桩单桩承载力大，须严格控制桩顶总沉降量，而桩底沉渣厚度对此影响显著，因此要求端承桩或摩擦端承桩的沉渣厚度小于摩擦桩或端承摩擦桩。桩孔采用两次清孔法，第1次在钢筋笼吊放前，将砂石泵吊放至桩底采用泵吸反循环法清孔；第2次在浇筑混凝土前，在混凝土导管上口安装砂石泵，采用泵吸反循环法清孔。在扩孔桩施工中，对沉底的大量泥砂在第1次清孔前采用等径钻头捞渣。泥浆护壁成孔灌注桩清孔质量检验标准，如表6所示。

表6 泥浆护壁成孔灌注桩清孔质量检验标准

2.2.5 逆作扩孔桩钢筋笼制作及吊装

大直径逆作桩常兼抗压桩或抗拔桩，钢筋笼尺寸大、自重重、中空后插钢管柱的要求制作精度高。钢筋笼的桩身段和空孔工具笼段分段制作，采用主副吊车分段吊装悬空对接。钢筋笼制作除满足常规要求外，需要重点检查钢筋笼的直螺纹套筒连接质量、钢筋笼外形尺寸、保护层厚度、钢筋笼刚度和整体稳定性、吊环焊接、注浆管和声测管安装质量，以及逆作桩钢筋笼制作质量。

2.2.6 逆作扩孔桩混凝土浇筑

混凝土的缓凝时间是逆作后插钢管桩柱工程的控制重点之一，其决定着后插钢管柱的成败。缓凝时间由混凝土运输时间、浇筑时间、插入机吊装时间、钢管柱插入时间和冗余时间构成，一般为36 h，缓凝混凝土通常采用调整粉煤灰和矿粉的掺量或者掺加缓凝剂确定配合比。混凝土浇筑高度须超过桩顶标高0.8 m～1.0 m，桩身完整性通过预设的声测管采用声波透射法检测。泥浆护壁灌注桩混凝土浇筑质量检验标准，如表7所示。

表7 泥浆护壁灌注桩混凝土浇筑质量检验标准

2.2.7 逆作扩孔桩桩后注浆

桩后注浆是通过浆液的填充、挤密和劈裂与桩周土结合，固化桩底沉渣和桩侧泥皮。大量工程实例表明，桩后注浆使桩的承载力提高30%以上，对减小桩沉降有显著效果。

（1）桩后注浆机理。泥浆护壁灌注桩成孔后，由于桩孔卸载应力释放使土体松弛，清孔后桩底残留沉渣，孔壁附有软弱泥皮。桩后注浆使水泥浆液与沉渣及泥皮结合固化，同时加固桩底和桩侧土体，使桩端阻力和桩侧摩阻力提高。根据浆液与土体相互作用方式分为渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆，在实际工程中，三种注浆方式往往同时发生，并且随着注浆条件的改变，三者之间可以相互转变。对于某一具体注浆工程，存在一种主导注浆形式，且存在一定的转化规律和过程。

逆作大直径扩孔桩桩底持力层大多数情况下为砂质地层，对于中砂以上的粗粒土，以渗透注浆为主，伴有少量的劈裂注浆和压密注浆。对于细砂地层，以劈裂注浆和压密注浆为主，伴有少量的渗透注浆。桩底注浆不但将沉渣层固化，还渗透到桩底周围土体，使桩底形成椭圆形的固化土层。随着桩底注浆压力逐渐增大，浆液沿桩周向上流动将泥皮劈裂，不但固化泥皮，还向桩周土渗透或劈裂。

在桩侧注浆中，浆液在出浆口对土体进行填充和挤密，随着压力增大将泥皮劈裂，浆液随后填充劈裂空隙，压力继续增高后形成第2次劈裂，依次循环。在饱和土体中竖向劈裂压力小于水平向劈裂压力，从而使浆液沿桩身向上移动。桩侧注浆不但使泥皮固化，而且浆液劈裂和渗透形成的网状浆脉骨架使桩周土加固。桩侧注浆使桩侧摩阻力增大，使桩的“嵌固效应”增强，从而使桩的极限承载力增大，桩顶总沉降量降低。

（2）桩后注浆施工要求。注浆次序方面，在桩位平面上先外围后中间；在复式注浆中，先桩侧后桩底，桩侧多断面时注浆先上后下，对于非饱和土层先桩底后桩侧，桩端注浆时对各注浆管依次等量注浆。在注浆时机方面，注浆管清水开塞时间应在混凝土初凝以后，若开塞过迟将无法冲开混凝土层；为避免串浆，桩底与桩侧注浆间隔大于2 h；当发现串浆且压力较低时，应间歇30 min～60 min后再注浆。

（3）桩后注浆监理要点。检查注浆管的敷设位置和密封性、注浆次序、注浆管开塞时间，检查浆液的水灰比，检查注浆的压力、流量和流速。终止注浆以控制注浆量为主，检查终止注浆条件的合规性。

2.3 后插钢管柱施工监理要点

2.3.1 钢管柱后插工法简介

钢管柱液压垂直插入工法是根据二点定位原理，利用插入机自身的两套液压装置，在桩混凝土初凝前，将钢管柱垂直插入混凝土中。液压插入机由上、下两组液压定位器构成，在钢管柱上粘贴的传感器与控制显示屏连线，液压定位器具有调整柱位、垂直度和转向的功能。钢管柱吊放后由上、下定位器夹具夹紧，根据显示屏数据调整钢管柱姿态。松开下平台夹具（副夹），由上平台夹具（主夹）下压钢管柱一个行程（750 mm），然后副夹抱紧钢柱，主夹松开，上平台上升后主夹再抱紧，再次调整钢管柱姿态，完成一个工作流程，以此循环，将钢管柱插入至设计标高。在地面采用2台全站仪呈90°双向校核钢管的垂直度，最后由水准仪测量柱顶标高。

2.3.2 后插钢管柱制作

钢管柱由钢构件厂分段制作，在施工现场拼装焊接为整体，同时在钢管柱上口焊接等径工具柱以满足下插施工的工艺需要。钢构件厂根据设计图纸编制《施工详图设计》和《焊接工艺评定》。钢管柱制作质量管理的重点是梁柱节点和现场的焊接，施工监理重点是钢板、栓钉、焊材的材质质量，焊缝质量和防腐涂料质量，钢管柱对接（一级熔透焊缝）采用超声波探伤仪检测。钢管柱制作外形尺寸允许偏差，如表8所示。

表8 钢管柱制作外形尺寸允许偏差

2.3.3 钢管柱下插施工

钢管柱下插是逆作后插钢管桩柱施工中的重点和难点。其关键在于混凝土终凝前（坍落度宜大于120 mm），钢管柱保持高精度的柱位和垂直度姿态插入。施工程序为：灌注桩混凝土浇筑完成→吊装专用路基箱→吊装插入机→吊装钢管柱并抱紧→精调钢管柱姿态→下插钢管柱至混凝土顶面→再次精调钢管柱姿态→插入机下插钢管柱→钢管柱就位。插入机自身系统完成钢管柱姿态的定位、调垂、调平和转向，现场2台全站仪和1台水准仪校核钢管柱的定位、垂直度和标高。钢管柱下插质量允许偏差，如表9所示。

表9 钢管柱下插质量允许偏差

2.3.4 回填钢管柱周边碎石

钢管柱下插到位、混凝土终凝后，在钢管柱周边人工回填小粒径碎石。为避免钢管柱受力不均造成弯曲，碎石沿柱周均匀填入，为便于切割工具柱操作，碎石高度在工具柱底面1.0 m以下为宜。

2.3.5 浇筑钢管柱内混凝土

钢管柱周边碎石回填后，移除插入机切割工具柱，临时固定钢管柱上口；然后在钢管柱内吊放导管浇筑混凝土，续接钢管柱时，浇筑至管上口以下0.5 m，浇筑混凝土时，在敷设内法兰的梁柱节点处，上下抽插导管以增强混凝土的密实性，采用敲击钢管法检查浇筑质量（基坑开挖后检测）。钢管柱为钢-混凝土（S-CFST）复合构件，须保证钢管与管内混凝土界面的有效黏结，常采用大于C50自密实不收缩混凝土，在混凝土中掺加氧化镁（MgO）膨胀剂，它以氢氧化镁生成物的体积膨胀来补偿混凝土的硬化收缩。监理工作重点是掺加氧化镁膨胀剂混凝土的质量和浇筑质量控制。

3 工程效果及经验

根据对已完成逆作后插钢管桩柱的施工数据的分析，以及检测评定报告汇总结果，本工程施工质量合格率100%。其中扩孔灌注桩孔垂直度1/600～1/800；钢管柱柱位中心偏差1.0 mm，垂直度1/900，一级焊缝合格率1 0 0%。C 3 5水下超缓凝混凝土配合比为水泥∶水∶砂∶碎石∶减水剂∶粉煤灰∶矿粉＝248∶151∶723∶1 042∶16∶78∶96，水胶比0.36，坍落度220 mm，终凝时间72 h。C60自密实不收缩混凝土掺加M型氧化镁膨胀剂4.7%。本工程经验体会如下。

（1）细化施工组织与现场协调，动态控制工作重点。前期做好旋挖扩孔钻机和钢管柱插入机的选型以及专业分包队伍的选择，施工中落实工序间的紧密衔接和检测。每根桩柱施工结束后，对发现的问题进行分析总结，制定措施并落实整改。

（2）重视高性能混凝土配合比的试配工作，重点控制逆作桩混凝土的初凝时间和管内自密实不收缩混凝土的膨胀率，除特殊工程外，桩混凝土初凝时间设定为36 h即可。

（3）精细做好钢管柱的定位、垂直度、转向和标高控制工作，使钢管柱插入机的自身调节系统与现场测量结果可以相互验证。

（4）桩后注浆对桩承载力贡献很大，关键在于对后注浆适用性和时机的把握。后注浆方案的设计、注浆管的埋设、注浆参数（主要是注浆量和注浆压力）的选定、注浆的开塞时间、间隔时间和次序的控制对注浆的可靠性、有效性和经济性至关重要。

本工程逆作后插式标准桩柱为H-GKZ2（扩孔桩桩径φ2.4 m，桩底扩孔φ3.5 m，桩长47 m，孔深73.117 m，桩身混凝土224.19 m3，钢管柱直径1 400 mm、壁厚50 mm，柱长30 m）。直径1.4 m钢管柱标准桩柱H-GKZ2实测平均施工参数，如表10所示。