HPE 工法插入钢管柱施工的技术难点及处理方法

孙晓东

(中煤邯郸中原建设监理咨询有限责任公司，河北邯郸 056031)

1 工程概况

天津滨海国际机场扩建配套交通中心工程位于滨海国际机场T1航站楼北侧进出港广场及其东侧的空地下。机场交通中心工程占地面积约60 000 m2，建筑面积约112 398 m2，投资估算约29亿元，基坑最深约24 m。包括地铁2号线机场站(含站厅、站台层)及区间预留(盖挖区间)工程，京津城际铁路机场站(含站厅、站台层)，地下停车场工程，换乘通道工程，t 2航站楼连接通道工程，集散大厅工程。根据图纸设计要求，将机场交通中心工程整体划分为四个土建施工合同段。除1标段7区车库出口、3标段5区集散大厅和4标段6区连接通道采用明挖顺作法施工外，其余所有结构主体工程全部采用盖挖逆作法施工。中间竖向支撑结构全部采用永久性钢管柱，钢管柱下部基础为混凝土钻孔灌注桩。根据结构跨度不同，结构永久性钢管柱分别采用φ900 mm，φ1 100 mm和φ1 200 mm三种类型，钢管柱长度主要是13.55 m和23.96 m两种，最长的可达到25.97 m;灌注桩有φ2 200 mm直桩和φ2 200 mm～φ3 200 mm扩孔桩两种类型，直桩的有效桩长主要是37 m，扩孔桩的有效桩长主要是40 m，其中扩孔桩最长的可达到58 m。总共使用中间桩柱463根(不含293根临时格构柱)。全部采用HPE液压垂直插入的工艺进行施工。

2 HPE插入钢管柱工艺

1)HPE液压垂直插入机就位。灌注桩混凝土浇筑至设计标高后，重新放出桩位中心，并将十字线标记在护筒上。复核桩位后，使HPE液压插入机的定位器中心与桩位中心在同一垂直线上。

2)调整HPE液压垂直插入机垂直度。就位对中后，HPE液压插入机可手动、自动调整水平度，满足要求后即可吊装钢管柱入孔，并重新复核中心位置。

3)吊装钢管柱。根据钢管柱的长度，为保证吊装时不产生变形、弯曲，采用两台吊车三点抬吊，将钢管柱垂直缓慢放入HPE垂直插入机上。

4)校正钢管柱的垂直度。钢管柱吊放至HPE垂直插入机内，利用给观众的自重下放到孔内一定深度后，安装定位抱紧装置，由HPE垂直插入机抱紧钢管柱，采用两台经纬仪双向复测钢管柱垂直度。满足设计要求后，为绝对保证钢管柱的垂直度不大于1/500，在钢管柱上再安装一个垂直传感器，双重监测钢管柱垂直插入精度。

5)HPE垂直插入机插入钢管柱。垂直度校正完成后，开始由HPE垂直插入机进行插入钢管柱。由HPE垂直插入机将钢管抱紧，由液压插入装置的液压下压力将钢管柱下压插入混凝土内，当插至混凝土顶面后，再次复测钢管垂直度。此时可根据HPE垂直插入机自身的垂直仪、经纬仪及钢管柱上安装的垂直仪传感器反映到电脑上的信号来确定钢管柱的垂直度，满足垂直度要求后将钢管柱进行抱紧固定。

6)钢管柱四周回填碎石并排除泥浆。钢管柱插入完成后，用碎石填充钢管柱四周至柱顶，填充时需四周均匀填入，防止单侧填入过多造成钢管柱偏位、弯曲，边回填边将孔内泥浆排除。碎石回填高度在永久性钢管顶标高以下800mm，上部等工具柱拆除后回填。

7)钢管柱内浇筑混凝土。钢管柱四周回填碎石、排浆完成待灌注桩混凝土达到终凝时工具柱割除后即可进行钢管柱内下放钢筋笼浇筑混凝土，钢管柱内的混凝土不易灌注过高，至钢管柱顶标高以下200 mm～300 mm即停止灌注;钢管柱内的混凝土采用导管混凝土灌注。

8)回填孔口拔除钢护筒。HPE液压垂直插入机移位后，用碎石将上部孔口回填至地面以下300 mm，并将钢护筒拔除，在孔口浇筑混凝土保护下部钢管柱。

3 施工难点分析及对应措施

3.1 灌注桩的垂直度偏低，钢管柱垂直度要求较高

1)基坑开挖深度大，钻孔桩上部空钻最大深度可达22 m左右。灌注桩的垂直度偏差为不大于1%(详见JCJ 94-2008建筑桩基技术规范第6.2.4的规定)，而钢管柱垂直度偏差为不大于2‰。由于灌注桩的垂直度偏低，对钢管柱插入的垂直度造成困难。

2)提高灌注桩的垂直度。首先采用先进的施工设备和技术经验丰富的操作人员，在设备上采用大功率旋挖钻机成孔，采用旋挖钻机的最大扭矩在250 kN·m以上。并且将工程桩的垂直度提高到不大于3‰，尽量为钢管柱的插入提供方便。

3.2 对工程桩混凝土的缓凝时间要求较长

1)考虑到插入钢管的时间较长，一般的混凝土凝结时间根本无法满足要求，要求混凝土必须有足够的缓凝时间，才能保证钢管柱能够顺利插入。因此必须保证混凝土的凝结时间在插入钢管柱完成之后，否则将会造成钢管柱无法正常插入。

2)对此混凝土的缓凝时间最为重要。缓凝时间过短，则会对后续的钢管柱正常插入带来困难。缓凝时间过长，则会影响钢管柱插入后的稳定。所以控制好混凝土的缓凝时间是全部钢管柱正常插入的重点工作。经过全面分析各种因素并经过认真的计算后，最终确定采用缓凝时间不小于36 h的超缓凝混凝土。

3.3 钢筋笼内径内空间小，钢管柱中心校正困难

1)在灌注桩内安装钢管柱，钢管柱的法兰盘最大直径达1.7 m，而灌注桩内钢筋笼内径仅为1 836 mm，两侧间隙仅为68 mm，由于钢筋笼内部的空间过于狭小，对钢管柱最终的校正带来了极大的困难。2)将钢筋笼上口加大。首先将钢管柱底标高以上成孔直径适当增大，将直径增大至2 300 mm。再将钢筋笼加工时对插入钢管柱部位的钢筋笼直径放大100 mm，做成喇叭口形式，即钢筋笼上口内径为1 936 mm。使钢筋笼与钢管柱法兰之间的间隙增大至118 mm，在成孔垂直度偏差位不大于3‰时22 m孔深偏差73 mm，还有43 mm间隙允许钢筋笼安装偏差，从而保证钢管柱在钢筋笼内部校正的活动空间。

3.4 地下水位高，浮力大，下插困难

1)由于地下水位高的原因，造成钢管柱的自重相对较轻，钢管柱底部封闭插入桩基混凝土中，并且钢管柱法兰直径较大(1 100 mm钢管混凝土柱法兰直径达1 700 mm)，更加增大了向上的浮力。造成钢管柱无法靠自重支撑插入到设计标高，必须有可靠的技术措施。2)增加柱内配重。在直径为600 mm钢管内浇筑混凝土，在混凝土终凝后形成配重。配重的重量根据钢管柱的长度计算浮力在6 t～12 t之间。当钢管柱下至一定深度后泥浆的浮力大于钢管柱自重时无法继续下沉，必须在钢管柱内加放配重。确保重力下放使钢管柱法兰下至HPE垂直插入机底部，保证钢管柱顺利插入到设计标高。

3.5 钢管柱插入垂直度控制难度大

1)钢管柱在插入过程中是不断活动变化的，其垂直度难以掌握，给其垂直度的控制造成困难。

2)同时采用两台经纬仪和两台倾角垂直度监测传感器。首先在两个不同的方向，同时使用两台经纬仪观测并校正钢管柱垂直度，以保证其在X，Y两个方向上的垂直。并在钢管柱的第二道法兰盘上相互呈90°角的两个位置上安装两个垂直度检测传感器，同时将传感器与电脑连接。传感器将监测数据传到电脑上，通过对电脑上数据进行分析，来判断钢管柱的垂直度。使钢管柱的垂直度得到有效保障。

4 结语

在施工过程中通过上述措施的处理，使钢管柱得到了顺利的的完成。并通过对该工程土方开挖后的钢管柱进行实体检查，证明钢管柱的施工质量确实得到了保证。再次验证了上述处理方法是科学合理的。

［1］ JCJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.

［2］ CECS 28∶90，钢管混凝土结构设计与施工规程［S］.

［3］ 浙江鼎业基础工程有限公司.HPE液压垂直插入钢管柱工法［Z］.