新型双联式全过程逆作立柱垂直度监测工艺研究及应用

马跃强 龙莉波 刘 龙

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200080

随着城市化进程不断加速，城市地下空间开发势在必行，在城市核心城区的建筑密度不断增大、施工场地日趋紧张、安全文明施工总体要求越来越高的情况下，逆作法日益成为城市地下空间开发的常用施工技术[1]。

在逆作施工阶段，逆作立柱受力较为复杂，承担主体结构梁板自重和施工荷载，并将上部结构等荷载传递给桩基[2]。随着基坑深度越来越深，设计对逆作立柱的垂直度精度要求不低于1/600，甚至更高。逆作垂直度需要在施工全过程控制，除立柱随钢筋笼下放过程需要监测外，后期浇筑桩身及管内混凝土的振动、土方开挖、行车等对其垂直度都将产生影响，也需要进行监测。垂直度精度不高，将影响逆作竖向支承体系的承载能力和稳定性，也影响后续结构柱竖向钢筋连接、外包混凝土施工等。如果偏差过大影响到后期施工，将产生较高的处理费用。

针对常规一柱一桩垂直度监测工艺的局限性，本文研发一种符合工艺要求的高精度、可实现一柱一桩施工全过程垂直度动态监测的系统。以上海核心城区某在建的超大超深逆作法基坑工程一柱一桩施工为例，系统介绍了新型调垂监测的施工流程和应用效果。

1 工程概况

工程位于上海市核心城区，项目占地总面积为1 675 000 m2，总建筑面积约1 137 000 m2，涵盖办公、酒店、保护建筑、商业、住宅等功能。地上建筑面积约702 000 m2，地下建筑面积约435 000 m2，分为南北2个场地，其中北场地分为逆作区域和顺作T1塔楼区域（图1）。地理位置紧邻黄浦江畔，地貌属于上海地区五大地貌单元中的滨海平原地貌类型，同时⑧层土层缺失，⑦、⑨层连通，地质条件不良，黄浦江的潮汐效应对地下室水位影响较大。

工程为超大超深群坑，共分为5个大基坑和6个小基坑（图2）。为降低对周边环境的影响、提供充足的施工场地和保障300 m超高层的关键进度，29 297 m2的最大基坑（GL地块）采用逆作法工艺。基坑普遍开挖深度24.0 m，地下结构4层，地上钢结构裙房6层，本逆作工程项目体量极大，为超大超深异形逆作法基坑。

图1 建筑效果图

图2 逆作基坑与周边基坑的空间关系

工程逆作法竖向支承体系采用“一柱一桩”形式，立柱钢管为φ550 mm×16 mm、φ650 mm×20 mm，格构柱为480 mm×480 mm（4∠200 mm×20 mm），钢材等级Q345B，钢管内灌混凝土水下C60，钢立柱插入工程桩桩身5.0 m，钻孔灌注桩桩径800 mm。为方便钢立柱插入桩内施工，插入段高度范围桩径扩大至1 400 mm，具体逆作立柱桩主要参数见表1。为避免立柱桩出现较大的偏心弯矩，同时不影响后期钢筋混凝土结构柱的浇筑[3-4]，结构设计要求“一柱一桩”钢管柱垂直度精度不低于1/600[5-6]。

表1 立柱桩参数

2 常规一柱一桩垂直度监测的局限性

逆作法一柱一桩施工工艺：首先将钢管吊装至桩孔内设计标高位置并调垂完成，然后从钢管内下放导管进行桩基及立柱钢管内混凝土的浇筑。常规的一柱一桩调垂工艺是在钢管外或管内安装1台激光测斜仪进行垂直度监测[2]，都存在局限性。

1）管外垂直度监测单机监测：采用在立柱外安装1台激光测斜仪与光靶来进行钢管（格构柱）管身垂直度测量，此方法激光测斜仪与管身平行度控制精度较低，标定效率低，同时无法考虑钢管侧面自身的垂直度偏差，因此无法反映一柱一桩的真实垂直度。

2）管内垂直度单机监测：利用圆心对圆心的原理解决了激光测斜仪与管身平行度控制精度较低的问题 ，但后期在浇筑桩身及管内混凝土时，需拆除垂直度监测仪，会造成无法量化后续施工工序，如振动、土方开挖、行车等对其垂直度造成的影响。

3 新型双联式全过程垂直度监测的特点

鉴于工程对“一柱一桩”钢管柱垂直度精度要求高、施工体量大的现状，需研发一种符合工艺要求的高精度、可实现一柱一桩施工全过程垂直度动态监测的系统。

新型一柱一桩施工双联式垂直度监测系统监测精度高，设备操作简单、携带方便、整机坚固耐用。结合逆作法一柱一桩施工工艺的特点，实现了针对逆作法一柱一桩施工垂直度的主副激光测斜仪双联、全过程高精度动态测量等主要目标。

ICM-02建筑用高精度倾角传感器是由上海建筑工程逆作法工程技术研究中心联合上海西派埃自动化仪表公司研发的逆作法一柱一桩专用第三代垂直度动态监测设备，此套设备主要组成包括手持式垂直度监测仪及主、副2台激光测斜仪，综合了常规一柱一桩施工工艺的特点及技术优势，确保在一柱一桩施工过程中对钢管柱垂直度的双联、全过程监测及动态调整（图3）。

图3 ICM-02逆作用高精度倾角传感器

4 新型双联式全过程垂直度监测工艺流程

一柱一桩钢管起吊桩孔前，需将主激光测斜仪与钢管主体进行平行度标定。主激光测斜仪通过十字钢板及调整基座固定于钢管管口处，通过调节基座旋钮控制激光线对准管底处光靶中心，严格控制光靶形心偏差，使其小于5 mm，保证将主激光测斜仪与钢管管身平行度控制在1/2 000以上，确保钢管起吊后主激光测斜仪的垂直度读数可准确反映钢管垂直度[1,5-6]。研制的可调式碳纤维光靶定位精度高，适用于不同内径尺寸钢管的形心快速定位，通用性强（图4）。

图4 十字钢管固定和可调式碳纤维光靶

将主激光测斜仪与一柱一桩钢管平行标定并在桩基成孔后，下放钢筋笼及一柱一桩钢管，钢管吊装至桩孔内设计位置后与调垂盘进行螺栓连接固定，通过管口处主激光测斜仪的实时垂直度监测数据，用调垂盘对钢管管身垂直度进行动态调整，直至管身垂直度满足设计要求（图5）。

图5 主激光测斜仪及其监测

钢管垂直度调整达到设计要求后，在钢管管口安装副激光测斜仪，将主激光测斜仪通过手持式垂直度监测仪与副激光测斜仪数据一键同步（图6）。

图6 主、副激光测斜仪一键同步及其监测

主激光测斜仪通过手持式垂直度监测仪与副激光测斜仪数据一键同步后，数据留存后即将拆除主激光测斜仪及十字钢板，下导管浇筑桩身及管内混凝土，由管身外副激光测斜仪持续监测后续一柱一桩施工对管身垂直度的影响，直至管内混凝土初凝结束（图7）。

图7 下导管浇筑桩身及管内混凝土

5 新型双联式全过程垂直度监测应用效果

本逆作法基坑一柱一桩共计401根，对施工完成的一柱一桩调垂施工控制精度进行汇总，发现98%的一柱一桩垂直精度在1/600以上。常规调垂工艺的超限率为5%以上，调垂精度较大提升，降低了后期钢筋连接和模板支设的施工难度。预估可避免3～5根的立柱桩由于偏差过大而无法后期施工。根据常规经验，单根处理费用约40万元，本项目共可节约处理费用120万～200万元。

6 结语

新型双联式垂直度监测设备解决了常规垂直度监测工艺无法对逆作立柱垂直度施工全过程监测的问题，实现了逆作立柱施工全过程的垂直度高精度测量与控制，极大地提高了垂直度控制的水平，是逆作立柱垂直度控制工艺的一大技术革新。同时，本新型双联式垂直度监测系统可以定量化记录已施工完成的逆作立柱最终垂直度，并以后续反映大地坐标系为基准显示钢管垂直度实际偏移方向及偏差量，为后续逆作立柱外包混凝土施工、节点施工钢筋放样、节点做法选择、结构安全复核、设计协调变更提供量化参考指标，并间接节约了大量后期补救措施成本，提高了后期地下结构施工质量并节约了施工工期，体现了技术创新与经济效益的统一。