世博B区逆作法基坑钢管立柱桩施工关键技术

潘 杰

(上海建科工程咨询有限公司，上海200032)

1 工程概况

上海世博B片区规划路地下空间采用逆作法施工，地下4层，现浇钢筋混凝土框架结构。该工程共有160根钢管立柱桩，分布在规划一路北段、规划一路南段、规划二路西段及公共绿地区间。钢管桩作为逆作法开挖立柱，同时也是永久结构柱。钢管柱采用φ600mm×10mm的Q345 B钢管，长度从坑底以下3 m至结构梁底标高处，约17 m，內灌C40微膨胀自密实免振捣混凝土。钢立柱垂直度≤1/500，且桩底有注浆要求。

2 钢管立柱桩施工难点

本工程钢管柱施工难度大，主要包括:①工期紧；②逆作法施工钢立柱垂直度要求高；③灌注桩内安装钢管混凝土柱，钢管柱的法兰盘最大直径达800mm，灌注桩钢筋笼内径仅为936mm，且有注浆管，极易造成钢管柱安装偏差无法校正；④地下障碍物多且分布不明。

考虑桩基施工时清障工作量大，且工期紧张，桩基施工时边清障边打桩，且清障时开挖深度达6 m，开挖面积也加大。因此桩基施工时均无条件做好硬地坪。

根据上海中心逆作法钢管柱施工经验，逆作法一柱一桩校正架法的施工，在钢管柱定位和垂直度校正过程中，需要对校正架进行固定。为确保钢管柱安装具有良好的作业平台，开工前需进行场地地面硬化，确保钢管柱安装时支撑架的稳定，从而为钢管柱垂直度控制创造有利条件。由于本工程无条件进行场地硬化，难以对校正架进行固定，因此钢管柱垂直度控制难以满足1/500的设计要求。

综合考虑以上难点，为保证工程进度和钢管立柱桩的垂直度[1-2]，本工程采取以下针对性技术措施。

1)增大钢管柱安装部位灌注桩的孔径，将孔径加大到1300mm，并将变径范围由1000mm增大到3000mm[3]。

2)不采用硬地坪施工，钢管柱安装采用HPE液压插入机进行安装施工[4-5]。

由于HPE插入机施工时可不采用硬地坪施工，就位对中后，HPE液压插入机可手动、自动调整水平度，能满足钢管柱垂直度要求，故采用此技术。

3 钢管柱连接

本工程安装钢管柱的灌注桩直径850mm，安装钢管柱部位为1150mm，钢管柱直径600mm，底部外挂100mm法兰，最大直径达800mm，根据目前国内钻孔灌注桩成孔垂直度的精度1/300计算，上部空钻加插入深度达18 m，偏差达60mm，1150mm灌注桩钢筋笼内径为936mm，钢筋笼内侧离钢管柱最大部位的最小净空间为68mm。考虑钢筋笼安装误差可能达50mm，钢管柱安装垂直度1/500根本无法保证。

根据D G T J08-2113—2012《逆作法施工技术规程》竖向支承桩的钢筋笼与支承柱的水平净距应根据桩和柱的垂直度控制要求以及相关构造要求综合确定，且不应小于150mm。按上述计算针对本工程灌注桩设计直径，只能增大钢管柱安装部位的孔径，将孔径需加大至1300mm，并将变径范围由1000mm增大到3000mm，如图1，2所示。

图1 灌注桩孔径变化

图2 灌注桩孔径变化处截面

由于超声波探头长度在40cm左右，最大直径为4cm，且不可弯折，超声波管在钢筋笼变截面处弯折，内径会略微减小，并且弯折角度为3°～5°，故超声波探头无法下放。对于桩身混凝土可采用低应变动测法，不预埋声测管，只根据桩底注浆要求预留2根内径25mm的注浆管，注浆管绑扎在钢筋笼内侧，跟随吊筋延伸至地面，在成桩后规定时间内完成注浆。

4 HPE工法插入钢管柱

4.1 钢管柱安装

钢筋笼安装完成后，钢筋笼下放定位后，重新复核桩位中心，并将十字线标记在护筒上。复核桩位后吊装HPE垂直插入机就位，HPE液压插入机根据复核的桩位中心对中，偏差不大于5mm。

本工程护筒直径1500mm，埋深6 m，地表浅层障碍物较多，需要大开挖，不采用硬地坪施工，定位架设机器采用30mm路基箱，如图3所示。

图3 定位路基箱

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，如图4所示。

图4 调位控制器

根据钢管柱长度，为保证吊装时不产生变形、弯曲，采用2台起重机多点抬吊，将钢管柱垂直缓慢放入HPE垂直插入机上。将钢管柱的底板、中板部位的锚栓钉部位穿越HPE插入机后，安装HPE液压垂直插入机的定位抱紧装置，启动液压抱紧装置将钢管柱抱紧，并用2台经纬仪双向复测垂直，垂直度满足要求后开启安装在钢管柱上的高精度垂直监测仪，监测钢管柱垂直插入全过程垂直度状况，根据数据及时调整垂直度。

本工程钢管柱顶标高约在地面以下3 m，为确保HPE垂直插入机将钢管柱送至设计标高，需在钢管柱顶焊接1根与钢管柱同直径的工具柱，连接时必须牢固并与钢管柱同心，如图5，6所示。

根据钢管柱安装与HPE垂直插入机的施工工艺要求，钢管柱顶的法兰及锚栓钉暂时不能安装焊接，必须保证上部钢管柱表面光滑，确保HPE液压垂直插入机抱紧钢管柱垂直插入。

图5 钢管柱与工具柱加工平台

图6 钢管柱与工具柱连接节点

由于钢管柱底端开口，无任何浮力，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缓慢下压插入孔内，当插至标高面后，上下抱箍同时抱紧钢管柱，重新复测钢管垂直度，如图7所示。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计算机上的信号确定钢管柱的垂直度(见图8)，以此来满足垂直度小于1/500的要求。

图7 垂直插入钢管柱

4.2 导管安装与清孔

图8 钢管柱上的高精度垂直度传感器

钢管柱安装完成后在HPE液压机工作平台上下放导管并进行二次清孔。

安装钢管柱完成后，应尽快安装导管，并严格控制孔底沉渣。吊放导管应位置居中，稳步沉放，防止卡挂钢筋笼，下放导管必须严格计算长度，确保有效导管底距孔底300～500mm。

如沉渣300mm以内可采用正循环清孔，当沉渣超过300mm，宜采用气举反循环清孔，气举反循环清孔适用于第2次清孔；气举反循环清孔的主要设备机具包括空气压缩机、出水管、送气管、混合喷射器等。设备机具规格一般应根据孔深、孔径等合理选择。出水管可利用灌注混凝土导管。

4.3 混凝土灌注

由于钢管柱安装HPE插入机的存在，混凝土灌注必须采用泵车灌注；混凝土灌注中应使用隔水板及隔水球，在灌注前首先把隔水球放入导管内，再在混凝土料斗内放入隔水板，待料斗放满混凝土后快速打开隔水板，使混凝土顺着隔水球往导管内下落，考虑混凝土灌注排浆需要，需在工具柱与钢管柱接口部位对称开2个200mm×200mm的孔。

混凝土灌注至钢管柱底以上2 m时将导管拆至柱底部位，更换C40自密实混凝土继续灌注，灌注至桩顶以上2 m时停止灌注，向钢管柱四周回填碎石，回填3 m后边回填边继续灌注。

混凝土灌注至钢管柱顶时将钢护筒与工具柱之间的泥浆抽出，抽至柱顶以下1.5 m，观察排浆孔翻出新鲜混凝土即停止灌注，人工下入钢护筒内将柱顶混凝土挖除至柱顶标高，防止混凝土面过高影响后续工具柱的切割。

4.4 移除HPE插入机

混凝土灌注达到终凝后，将孔内泥浆抽除，由电焊工下至钢管柱与护筒之间的空隙内，将工具柱与钢管柱连接部位切割分离，调除工具柱及HPE插入机移位至下一孔位。

4.5 柱顶保护

切除工具柱并将HPE插入机移位后，为避免钢管柱的中心位置因后期施工造成偏位，需将钢管柱顶以上部位回填，并浇筑一定厚度的混凝土保护，如图9所示。

5 结语

上海世博B片区规划区地下空间逆作法基坑钢管立柱桩采用增大钢管柱安装部位灌注桩孔径和HPE工法施工，通过科学手段和先进技术，在有限工期内，保证了钢管柱最终的垂直度偏差都小于1/500，满足设计要求。另外，HPE工法对地质条件和场地环境适应能力较强，适合软土地区和场地硬化条件不足环境，具有一定的推广价值。

图9 柱顶保护