逆作法一柱一桩新型调垂工艺的应用

胡 锦 顾兵兵

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

目前国内基坑工程一柱一桩逆作法中钢立柱的调垂方法基本分为气囊法、机械调垂架法和导向套筒法等。一般用此方法能够将钢管桩垂直度控制在1/300～1/600以内，但无法达到设计所要求的1/600～1/1 000的精度。为了加快施工进度，满足越来越高的垂直度要求，需要对现有调垂工艺进行设计优化，从而保证一柱一桩施工精度需求。

本文以上海董家渡金融城工程为例，对一柱一桩的施工调垂工艺进行应用研究，形成一套高效、经济的逆作法施工工艺。

1 工程概况

董家渡金融城位于上海市核心城区南外滩，东至中山南路，南至董家渡路，西至外仓桥街，北至王家码头路，地块总面积约74 089 m2（图1）；其中一柱一桩工程位于董家渡金融城项目北块GL地块。本工程±0 m相当于绝对标高＋4.40 m，自然地坪（相对）标高为－0.40 m。钻孔灌注桩径850 mm，设计强度为水下C40混凝土，采用桩端后注浆，设计抗压强度最大值为5 200 kN，设计抗拔强度最大值为3 000 kN。

图1 平面位置

逆作区共包含钢管一柱一桩295根，灌注桩采用φ850 mm，为保证钢筋笼顺利下放，上部扩径至1 400 mm，钢管立柱插入灌注桩身5 m，并在端头设置环板，钢管柱截面尺寸为550 mm×20 mm，钢管柱最长长度为29.4 m，最大质量9.5 t。由于该项目处于黄浦江畔，为软土地基，对于一柱一桩垂直度要求控制在1/600以上，故采用了新型调垂工艺以满足设计要求。立柱桩混凝土强度为水下C40，主筋保护层厚度50 mm，钢管柱内侧灌注自密实微膨胀混凝土（强度等级水下C60）。

根据勘察报告，场地地基土勘察深度范围内均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉土和砂土组成，分属不同层次的亚层。

2 一柱一桩调垂工艺原理

本工程对立柱的垂直度精度要求高，目前国内常用的调垂系统很难满足高精度、施工高效的要求。因此需研发应用新型调垂设备，本项目采用上海建筑工程逆作法工程技术研究中心研发的高精度激光测斜仪及上海市机械施工集团有限公司研发的调垂盘共同调垂施工。

调垂工作原理主要是利用钢管在胎架上焊接完成后，安装主激光测斜仪十字钢板。十字钢板与钢管螺栓连接并固定。工作时，在钢管另一端安装有机玻璃光靶，打开主激光测斜仪，调整激光线对准有机玻璃光靶中心，并不断转动胎架进行调整，确保激光线偏离光靶中心始终不大于5 mm（图2），以保证钢管在地面拼装的垂直度要求。钢管柱吊起插入钢筋笼并和调垂盘连接固定后，增设副激光测斜仪，并利用主激光测斜仪调整钢管柱垂直度，在满足要求后将数据移至副激光测斜仪进行下一步混凝土浇筑过程管桩的调垂[1-4]。

图2 测试原理

3 一柱一桩调垂施工

3.1 钢管进场

3.1.1 进场检验

核对每根进场钢管对应的一柱一桩编号并确定其现场使用位置，对材质证明、数量、外观进行检查和验收。

1）抗剪栓钉。核对梁柱节点处栓钉，按规范要求核查外观焊接质量、数量、布置间距、位置及栓钉检测痕迹。

2）吊装孔、返浆口、调垂盘固定口。主要核对吊装孔、返浆口、调垂盘固定口的尺寸及开设位置。

3）衬板。焊接位置、焊缝外观质量要严格控制，符合设计要求。

3.1.2 现场拼焊

由于施工现场受限，且钢管桩最长达29.4m，无法直接运送至施工现场，故需要分节运输至现场后采用现场焊接的方式。

1）准备工作。圆管拼接前，端头开单面20°坡口。圆管环缝拼接前，打磨并去除坡口两侧50mm范围内铁锈、氧化皮、油污等杂质，使坡口两侧露出金属光泽即可。准备好圆管组装胎架和环缝焊接专用滚动胎，并按圆管拼接长度合理布置滚动胎位置。

2）圆管拼装。拼装在胎架上进行，不得在地面上直接进行拼装。圆管一端先焊接固定钢衬垫，钢衬垫安装时，边点焊边用榔头敲打固定，使钢衬垫与圆管密贴。钢衬垫采用6 mm×40 mm×L规格的扁铁。拼装时，确保拼接接头尺寸；装配间隙为6（0，＋2）mm。在确保装配尺寸符合要求后，对拼接的圆管整体拉线，在确保直线度符合制作要求后，用马板对拼接圆管进行固定，在内侧检验钢衬垫密贴情况，对不符合要求的进行修正。

3）圆管拼桩焊接。采用CO2气体保护焊打底，焊丝为ER50-6，φ1.2 mm；埋弧焊填充和盖面，埋弧焊丝为H10Mn2，φ5.0 mm，焊剂SJ101。CO2气体保护焊打底，为确保焊缝根部熔透，焊接时须摆动焊接，采用240～260 A的电流、28～32 V的电压进行焊接。埋弧焊在专用滚动胎上进行焊接，埋弧焊接电流在650～720 A范围内，电压在27～32 V范围内，速度在300～500 mm/min范围内。

4）焊接检验。焊缝在焊接完成24 h后进行100%超声波检测，符合GB 11345—2013《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》B级检验，Ⅰ级合格。焊缝外观余高控制在3 mm以下，不得有超过0.4 mm的咬边、表面裂纹、未焊满等超标缺陷。

5）钢管堆放要求。钢管堆放场地应平整，不积水。钢管需堆放在专用支架或枕木上，支架或枕木数量及间距根据堆放要求布置，以控制钢管因堆放带来的挠度变形。

3.2 安装主激光测斜仪并校正

钢管在胎架上焊接完成后，安装主激光测斜仪十字钢板，十字钢板与钢管螺栓连接并固定（图3）。在钢管另一端安装有机玻璃光靶，打开主激光测斜仪，调整激光线对准有机玻璃光靶中心，并不断转动胎架进行调整，确保激光线偏离光靶中心始终不大于5mm。

图3 主激光测试仪及光靶安装

3.3 GL区一柱一桩调垂

3.3.1 定位放线、埋设护筒、一次清孔

在埋设护筒时，其中心线与桩位中心线偏差不得大于20 mm，护筒底部应深入原状土层不得少于200 mm。护筒定位后，护筒与孔壁之间用素土挤密夯实，以增大护筒的侧壁摩阻力。采用GPS 20型钻机成孔，立柱桩成孔垂直度≤1/300，并控制孔底沉渣厚度小于10 cm。

3.3.2 下放桩钢筋笼、安装校正架

定位校正架安装，将四边中心刻有“十”字线记号定位校正架与混凝土地坪上的轴线控制点吻合，确保钢管柱（格构柱）安装后对准护筒中心及对准x与y支撑轴线并与各边轴线垂直或平行，用全站仪测量定位校正架四周，确保定位校正架安装水平，将立柱定位底架与地面预埋螺栓铆接牢固。

3.3.3 下放钢管柱、安装测斜仪

根据相关设计规定，下放钢管柱并控制其钢管柱插入桩身大于3 m。下放钢筋笼、钢管柱，钢管柱吊装到位后安装十字钢板及主激光测斜仪。

3.3.4 放置调垂盘

采用上海市机械施工集团有限公司自主研发的调垂盘（图4），将定位好的十字线引出桩心位置，并调整校正架的中心亦处于桩心。定位架的高度为700 mm，为方便校正架的校正，钢管柱高度加工时也相应增加长度至自然地坪以上800 mm。桩帽在定位架内，立柱（钢管柱）的顶端用滑板夹紧后，紧固螺栓与桩帽固定，为保证桩帽与立柱在同一水平线，需在现场拼接。桩体与定位架固定以后，通过测量装置显示，用千斤顶将其在所需调整方位（共8个）进行校正。

图4 校正架固定

3.3.5 增设副激光测斜仪及浇筑混凝土

利用主激光测斜仪垂直度读数对钢管垂直度进行调整，直到垂直度达到要求。然后将主激光测斜仪读数同步至副激光测斜仪，尔后拆除主激光测斜仪及十字钢板，灌注桩身及管身混凝土，利用副激光测斜仪进行此阶段管身垂直监测及调整，并做好每根桩的垂直度监测记录。

这里需要注意的是，钢管柱内需灌满高低2种标号的混凝土，为了保证混凝土浇灌质量，确保进入劲性柱内的混凝土达到设计要求，计划采取一次性不分层水下混凝土灌注工艺，具体方法如下：从钢管柱内插入灌注混凝土导管，进行二次清孔。然后按常规进行水下C40、C35混凝土灌注，在施工过程中，由专人负责混凝土面上升测试控制。当该部分混凝土达到设计指定的2种混凝土交接面时，调整控制好导管在混凝土内的插入深度及灌注速度，然后进行高标号水下混凝土灌注。在钢管柱内灌注高标号混凝土达到设计指定的桩顶标高以上3 m，此时开始回填碎石，并继续灌混凝土，同时测量混凝土上升面；由于灌混凝土架须移位后方能回填碎石，为控制钢管内外压差，宜控制回填碎石速度，以使其与灌混凝土速度相匹配，当钢管口充分泛混凝土后，灌混凝土结束。

3.4 垂直度控制效果

激光倾斜仪监测系统是激光器和倾斜仪的有机组合，激光倾斜仪在钢构柱上要精确定位并保证有足够高的精度。工程中，首先将微型激光器巧妙地与高精度倾角传感器结合成一个整体，确保能利用激光定位快速安装高精度倾角传感器，并保证足够的定位精度。安装时调整激光倾斜仪的调整装置，令激光束与钢立柱管柱体母线平行，达到钢格构柱管体与传感器定位安装面相互垂直的目的。当钢立柱管体下到桩孔中时，激光倾斜仪即可实时输出钢格构柱管体的倾斜变化。

基于激光倾斜仪监测系统，本项目完成295根一柱一桩施工，每一根的施工均采用激光调垂设备，其中95%达到了1/600的精度，更有25%的立柱达到了1/1 000的精度。调垂时间也大大地缩短了。根据现场实测，工人熟练操作后可以在30 min内完成钢管桩起吊安放及调垂工作，满足本项目要求。

4 结论

1）通过运用新型激光倾斜调垂监测系统，加快了施工速度，提高了效率，节约了施工成本，提高了逆作法桩基施工垂直精度。从完成的钢管桩施工情况来看，施工质量满足本工程调垂需要，能够适用于逆作区的立柱桩调垂工作。采用的双联置换式激光测斜设备，可确保在一柱一桩施工过程中对钢管柱垂直度的全过程监测及动态调整，确保一柱一桩垂直度控制在1/600以内。同时，为以后类似调垂系统的工程应用提供参考。

2）本文所描述的调垂系统能够满足操作简便、高精度的要求，但是在复杂的施工条件下，对于钢管柱施工完成后因交叉施工产生的土体挤压而再次遭受变形的因素仍不可控制，对后期的精度控制有一定影响。