逆作桩柱一体安装加设回转钻机平台混凝土底座施工技术研究

位帅鹏，刘汝超，樊子烁，丁光鑫，李宏芬，李文军

（中国建筑第四工程局有限公司，广州 510665）

随着社会蓬勃发展，更多超高层的多层地下室、地下商场和隧道等结构采用逆作法施工工艺，而国内大直径的逆作桩柱一体安装技术尚未成熟。钢管柱设计做法存在环板，回转钻机平台在夹持钢管柱插入设计深度的过程中受到浮力阻碍，如何避免与环板节点碰撞，保证钢管柱施工达到设计要求是研究桩柱一体安装技术的重点。本文结合北京城市副中心站综合交通枢纽工程，以超长大直径逆作桩柱一体安装施工中的实际操作经验，有针对性地对该施工技术进行探讨。

1 工程概况

北京城市副中心站综合交通枢纽工程03A 地块位于通州区芙蓉路以东，杨坨一街以南，既有6 号线以北，地下结构采用框架结构体系，普通楼面采用现浇钢筋混凝土楼板体系，地上有100、150 和240 m 的塔楼，地上裙房5 层，地下3～5 层地下室，无裙房区域地面覆土约3 m，基础埋深最深约-28 m，工程项目整体效果图如图1 所示。

图1 项目建设效果图

盖挖逆作区域工程桩深度达到68 m，桩径为2 m，钢管柱最小直径1.5 m，最小长度29 m；逆作钢管柱施工过程中，由于混凝土会对其产生浮力阻碍，钢管柱环板与回转钻机夹持产生节点碰撞，现拟通过研发一种超长大直径逆作桩与钢管柱一体安装的施工技术，以达到降本增效、节约工期的目的。回转钻机夹持钢管柱效果图如图2 所示。

图2 回转钻机夹持钢管柱效果图

2 逆作桩柱一体安装施工的难点

由于逆作钢管柱依靠自重下沉到与桩混凝土临界面时，继续插入桩的过程中将产生浮力阻碍，另一方面，钢管柱按照设计要求焊接环板与回转钻机夹持部分存在碰撞，钢管柱环板后焊接施工困难，且存在结构安全隐患，成本较高、经济效益不理想。因此，研究发明一种回转钻机平台可周转混凝土底座，以抬高平台高度避免与回转钻机平台的碰撞。钢管柱组合布置图如图3 所示，钢管柱环板节点如图4 所示，钢管柱结构梁搭接环板如图5 所示。

图3 钢管柱组合布置图

图4 钢管柱环板节点效果图

图5 钢管柱结构梁搭接环板效果图

3 逆作桩柱一体安装施工加设混凝土底座的原理及作用

逆作桩的钢管柱在插入已施工完成逆作桩内的过程中，钢管柱接触到桩内混凝土界面时，会受到浮力阻碍且下沉深度增大，随着浮力逐渐增大，需借助回转钻机夹持钢管柱插入设计深度，调整钢管柱中心线偏差与垂直度。由于钢管柱环板节点位于回转钻机机身高度范围内，外径较大，且回转钻机原机身高度受限，回转钻机在夹持位置点与环板碰撞，若钢管柱环板采用后焊接，即在土方开挖完成后对钢管柱进行环板焊接，将造成施工及其困难且成本较高，经济效益不理想。所以在不采用钢管柱环板后焊接的前提下，依据桩内混凝土产生的浮力阻碍计算设计出一组可周转混凝土底座，使回转钻机定位平衡板增加高度，满足施工要求。钢管柱基础节点如图6 所示。

图6 钢管柱基础节点详图

3.1 钢管柱插入桩内过程中的受力分析计算

钢管柱进入桩内即受到泥浆的阻力，在未接触到桩内混凝土之前，依靠钢管柱自重可以克服泥浆阻力作用（G＞F阻），在这个过程中，只需依靠履带吊控制钢管柱即可满足施工要求。随着钢管柱接触到桩内混凝土，混凝土对钢管柱产生浮力作用，此时仅借助履带吊依靠钢管柱的自重无法克服浮力阻碍（G＜F浮），因此需要借助回转钻机平台夹持钢管柱继续插入混凝土中，考虑钢管柱环板与回转钻机平台夹持位置点碰撞，且环板若后焊接会造成结构安全隐患及耗费巨大成本，经济效益滑坡；回转钻机平台加设混凝土底座，抬高平台高度，解决了与钢管柱环板节点碰撞问题；根据回转钻机平台和混凝土底座自重应大于或等于混凝土产生的浮力（G1＋G2≥F浮），通过钢管柱重量（M）计算得出浮力值（F浮=G排=ρgV排），从而得出混凝土底座的最小重力，根据G=pgv 计算得出混凝土底座体积大小及配筋（配筋率=As/b×h0）。

钢管柱插入使钢管柱受到的浮力与钢管柱的重力相等的深度时，通过钢管柱上部栓钉此时的高度与回转钻机此时的高度差得出混凝土底座的高度。

式中：r 为钢管柱半径，b1为桩柱搭接长度，h 为柱长，p混为混凝土比重（12.45～2.5 t/m3），p 泥为泥浆比重（1.05～1.2 g/cm3）。

式中：a 为底座长，b 为宽，h 为底座高，r 为钢护筒半径。

3.2 单根钢管柱环板后焊接成本分析计算

钢管柱环板后焊接成本分析计算表见表1。

表1 钢管柱环板后焊接成本分析计算表

以单根直径为1 300 mm 的钢管柱为例，若钢管柱环板后焊接比钢管柱在工厂加工焊接为成品增加费用约1.3 万元，且现场施工操作困难，因此加设回转钻机混凝土底座可解决成本增加问题，亦满足施工要求。

3.3 底座技术参数及说明

①通过受力计算得出单个混凝土底座高1.7 m，宽为2.4 m，长为5 m，中间部分像内侧凹进，2 个为一组，对接拼装，在桩孔周围形成完整平台，平台上部布置定位平衡板、回转钻机，其平面尺寸满足定位平衡板、回转钻机的安装需要。②底座平台顶面作为施工平台，用于安拆回转钻机、夹块和钢管柱安装等，四周布置护栏，作为安全措施，保证人员安全。③使用底座将加高平台和回转钻机，其重心也随之升高，对底座稳定性要求也更高，必须保证底座的强度和稳定，底座在桩基混凝土浇筑完成后吊运至孔口布置，保证底座平台的稳定，并且混凝土底座强度较大，满足平台、回转钻机和钢管柱施工荷载要求。④平台下部预留钢筋笼穿杠安装空间，不影响钢筋安装和混凝土浇筑，混凝土底座下部预留30 cm 高度空间，用于布置钢筋笼穿杠。

4 现场实施效果

现场实施效果如图7、图8 所示。

图7 桩柱一体安装回转钻机平台

图8 混凝土底座上部

5 结束语

目前国内各大城市基础设施建设初具规模，城市规划格局基本定型，城市中心区内见缝插针式的用地以及老城区建筑改造必将成为城市建筑发展新方向；施工场地狭小、周边建（构）筑物复杂且沉降变形要求高，对建筑施工提出了更高的要求，而逆作法具备施工占用场地小、基坑开挖对四周建（构）筑物、道路和地下管线及市政设施影响小等特点将越来越引起人们的关心和重视。如果说20 世纪是逆作法施工的起步时期，而今在全国范围内迅速发展和大量应用之后，目前正处于技术成熟期，随后将会有更大发展的全盛时期。

本文介绍的逆作桩柱一体安装施工加设混凝土底座解决钢管柱环板后，焊接施工技术起到了节能环保效果，也可为其他类似工程提供参考借鉴并在同类工程中推广应用。