逆作法旋挖扩底与先插钢管柱定位施工技术

李 超

（深圳市工勘岩土集团有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

钻孔灌注桩作为钢管柱的下部结构，其承载能力决定整个上部结构的承受能力；为提高灌注桩的承载力，通常桩端持力层须进入岩层中。而当场地上部覆盖土层超厚（大于60m）时，灌注桩持力层进入岩层时往往钻孔超深，使钻进成孔、清孔、灌注成桩难度大，导致钻进时间长、成桩质量难保证以及综合成本高。

深圳湾口岸站为地下2层车站，车站底板埋深约19.5m。右线长337m，左线长329m，标准宽度35.2m，配线段宽度22.3m~23.8m。设3个出入口，4个疏散口、3组风亭。车站采用盖挖逆作法施工，盖挖逆筑围护结构采用φ1800@1450mm全荤套管咬合桩，竖向支撑构件为钢立柱，钢立柱下设置桩基础，车站使用阶段兼做抗拔桩。为保证灌注桩成桩质量，保证钢管结构桩的施工精度，项目优化采取直径2m扩底灌注桩，桩端持力层选择为土状强风化岩，桩承载力比非扩底桩提高4倍，孔深大大减少，成孔、成桩质量更可靠；同时，采用可调节螺杆式平台使钢管柱与工具柱现场对接，保证对接精度满足设计要求；另外，采用全回转钻机精准定位，既能节约工程成本，又能达到施工精度的要求，取得了显著的成效。

1 工艺原理

该基坑逆作法旋挖扩底与先插钢管柱组合结构全回转定位施工方法，主要由旋挖扩底、钢管柱对接平台以及全回转钻机定位等3项关键技术组合而成。

1.1 旋挖扩底施工工艺原理

钻孔扩底灌注桩利用钻孔达到所要求的持力层后，在桩端换用专用扩底钻头将桩端直径扩大，则桩的极限承载力与没有扩大头的灌注桩的极限承载力相比大幅度增加，如果工程设计要求桩身直径扩大2倍，桩的极限承载力将为非扩大头桩的极限承载力的4倍。

在土层钻进时采用普通旋挖筒钻，孔底开挖到设计标高后，更换扩底钻头进行扩底段施工。在扩底施工中，引进新型液压式扩底工艺，其采用全液压式切削挖掘，分上部斜面和下部立面二段分别扩底，扩底过程中电脑全程监控扩底实时数据，达到扩底工效高、扩底质量可靠的效果，如图1所

图1 斜面和立面分段扩底

示。

1.2 工具柱与钢管柱对接平台工艺原理

工具柱与钢管柱对接时，在现场加工场地设置专用对接平台，专用对接平台采用手动丝杆升降架，按4.5m间距设置。手动丝杆升降架包括带底板的螺杆、带升降旋转手柄的套筒螺母和带钢管套筒的工字钢支承架。对接时通过手动调节丝杆升降架来实现钢管柱和工具柱的水平位置的调整。

1.3 全回转钻机定位施工

全回转钻机调至指定位置，调水平、校准中心位置。利用全回转设备和万能平台的液压控制系统加持抱紧钢管结构柱的工具柱，根据“两点一线”的原理，调整倾角传感器显示仪上读数，作为钢管结构柱垂直的初始状态。全回转钻机垂直方向有两层夹紧装置，调节上下两层装置，两点确定一条直线原理，可保证钢管柱竖向的精确度。

调整精平全回转钻机平台，钻机主副夹（辅助夹紧装置为副夹，楔形夹紧装置为主夹）夹紧钢管柱，松开副夹，利用主夹缓缓下放钢管柱，当到达一个行程后，副夹夹紧钢管柱，主夹松开，主夹上升原先位置，如此反复，直至将钢管柱下放到设计标高，原理如图2所示。在钢管结构柱下插过程中，通过倾角传感器配套的显示仪实时监控钢管结构柱的垂直状态，如有偏差可以利用全回转钻机进行精确微调。

图2 全回转钻机下放钢管柱原理

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 施工工艺流程

基坑逆作法旋挖扩底与先插钢管柱组合结构全回转定位施工工艺流程如图3所示。

图3 工艺流程图

2.2 施工操作要点

清理场地，按照设计和规范要求，对桩孔周围和钢管柱加工场进行硬化处理。

机械设备按照施工要求进场，钢管柱、工具柱、钢筋等按施工计划进场和场地规划堆放。

根据桩位平面设计图坐标、高程控制点标高进行桩孔放线定位，施工放样测量确定灌注桩桩位中心点后做好标识。

根据十字交叉定位方法，安放4个控制桩，以4个控制桩为基准埋设钢护筒；护筒高出地面300 mm，并利用四个控制桩复核护筒中心点；护筒固定复测桩位无误后，用黏土分层回填夯实，以保证其垂直度及防止泥浆流失及位移、掉落。

在桩位复核正确、护筒埋设符合要求后，旋挖钻机就位准确后开始钻进。旋挖机自身带有孔深和垂直度监测系统，钻孔作业过程中实时关注钻孔深度和垂直度等控制指标，如有偏差及时进行调整。

旋挖直孔段钻进采用捞渣钻头，在钻进时，调配好泥浆参数，保证泥浆护壁效果，钻进至设计桩底标高要求终孔，终孔完成用平底捞砂钻头进行第一次清孔。

直孔开挖到设计标高后，更换扩底钻头进行扩底段挖掘，先进行扩底段上部斜面挖掘，然后进行扩底段下部里面挖掘。

扩底钻进时，先将扩底钻头下放至扩底位置，然后进行慢速旋转并加压，使扩底钻头缓慢张开并进行斜面扩底作业；扩底钻头完全张开后斜面扩底完成，然后进行立面扩底施工，扩底过程中电脑全程监控扩底实时数据。扩地完成后在原位不加压快速旋转10 min后，停止旋转缓慢匀速提出钻头。

扩底完成后，进行第二次捞渣清孔；清孔时，换专用的捞渣平底钻头安装捞砂钻头将扩底段钻渣进行清除；如有必要可更换扩底钻头进行扩底位置扫孔，再换捞渣钻头捞渣，反复数次直至将沉渣清除。

清孔完成孔内进行孔深测量，各项指标都达到设计要求后，做好资料记录，现场终孔后验收。

全回转钻机就位前，吊放定位平衡板，将定位平衡板吊放至护筒上方后，根据“双层双向定位”原理，调节定位平衡板，使平衡板中心点引出的铅垂线与护筒引出的桩位中心点重合，此时即可保证定位平衡板和桩中心点位重合；并用全站仪对平衡板中心点位进行复核。

定位平衡板定位后，将全回转钻机吊放在平衡板设置的定位圆弧内，并精确对中并校核钻机的水平度。

根据设计，将支撑架按4 m~5 m的间距摆放在同一水平面上对准中心线，然后将配好定长的主筋平直摆放在焊接支撑架上，将箍筋按设计要求套入主筋并保持与主筋垂直进行点焊。

箍筋与主筋焊好后，将绕筋按规定间距绕于其上，并满焊固定；钢筋制作完成后，会同监理工程师进行隐蔽验收并做好记录。

钢筋笼吊放采用100 t履带吊为主副钩同时起吊，设置4个起吊点，以保证钢筋笼在起吊时不变形。吊放钢筋笼入孔时应对准孔位，保持垂直，轻放、慢放入孔，不能左右旋转。下放钢筋笼时技术人员现场旁站，现场测量护筒顶标高，并准确计算吊筋长度，以控制钢筋笼的桩顶标高。

对接施工场地上布置等间距4.5 m的对螺栓升降架，共6个，定位在同一水平面上。对各升降架顶同标高进行校平后，采用吊车分别将对接的钢管柱、工具柱吊放至对接架上，并采用螺栓连接固定。

在对接过程中，利用水准仪进行校平，并根据测量人员的校核结果，旋转自动升降架的工字钢支撑架两端手动螺杆升降架手柄，保证对接精度。

钢管结构柱起吊前，在工具柱顶部的水平板上安置倾角传感器。倾角传感器通过连接倾斜显示仪，能够监测钢管结构柱下插过程的垂直度，其控制精度控制在0.01度。

钢管柱采用双机侧式抬吊，主吊和副吊置于钢筋笼同一侧边，主吊使用50 t履带吊作业。

钢管柱起吊后穿过全回转钻机中心，下放至入孔至设计灌注桩顶面上方200 cm的位置后，用测斜仪（测量精度＜0.1%）对钢管柱进行垂直度校准，同步使用HCR-1500全回转钻机进行精确微调，以保证钢管柱的垂直度；然后，再用全回转钻机自带的上夹持装置抱紧钢管柱，下夹持装置松开开始安装，一个行程后使用下夹持装置对钢管柱进行夹持固定，松开全回转的上夹持器，全回转钻机回升复位，然后交替作业将钢管柱安装到位。

在钢管柱定位过程中，全过程采用测量仪器测量钢管柱的垂直度和水平标高，同步观察测斜仪显示的精度，满足设计精度要求后用全回转钻机将钢管桩固定。

在钢管柱下放完成、灌注混凝土前，安放灌注导管，并利用导管进行第三次清孔，清孔采用气举反循环，清孔过程实时检查泥浆指标。清孔满足要求后进行灌注，根据灌注桩扩底段的直径及深度，选择直径为300 mm（外径）导管灌注混凝土。根据扩底段的直径初灌采用4 m大料斗进行，保证初灌的导管埋深不小于1 m。在灌注过程中定期测量导管的混凝土埋管深度，根据埋管情况拔除导管，导管埋管不超过4 m；在混凝土灌注至钢管结构柱顶断面并超灌800 mm后停止灌注。

灌注完成后，待混凝土终凝达到设计强度，用吊车将全回转钻机调离孔位；起吊前松开主夹（楔形夹紧装置），副夹（辅助夹紧装置）加紧。起吊过程中设专业指挥人员，避免起吊过程中碰撞工具柱。

全回转钻机调离后，平衡板副夹（辅助夹紧装置）松开，在定位平衡板上对钢管柱外侧进行回填，回填材料选用级配碎石。

回填过程采用铲运车将碎石运送至孔口附近，采用人工回填；回填按照工具柱四周位置均匀分层回填，回填至工具柱底部位置。

采用泥浆泵将工具柱内的泥浆抽空，保证露出钢管柱和工具柱衔接位置。泥浆抽空后，安排专业人员下到工具柱底拆除对接螺栓；拆除前，往工具柱内送风，再采用氧气气割将工具柱和钢管柱的连接螺栓拆除。拆除完成后，将工具柱吊出。

全回转钻机平衡板吊移后，采用碎石、水泥土或砖渣等将桩孔空孔段回填。在回填过程中，采用泥浆泵及时将剩余泥浆进行回收利用，严禁泥浆随意流淌，污染环境。回填完成后，采用挖机进行碾压平整并做好警示标志，防止大型机械进入造成安全事故。

3 结语

该技术通过专用扩底钻头进行扩底，在相同承载力的要求下，基础桩持力层由块状强风化改为土状强风化，减少基础桩的工程量；采用全回转钻机进行钢管柱定位，快捷准确，大大提升了施工效率。采用螺杆手动调节升降平台实施工具柱与钢管柱的现场对接，操作方便，定位准确；根据二点定位的原理，通过全回转钻机平台自身的上下两套液压定位装置，交替进行钢管柱的抱紧下插作业，在保证平台定位和水平精度情况下将钢管柱精确下放到设计位置，实现了高精度对接和定位。适用于岩层埋深较深、桩端持力层为强风化的扩底灌注桩施工和钢管结构柱先插法定位施工。

该技术属于深基坑支护工程钢管柱施工领域，在工序管理、生产效率、施工事故成本控制等方面都突显出了显著的效果，避免了钢管柱焊接效率低、钢管柱吊放精度不够精确的问题，为钢管柱的施工提供了一种创新、实用的工艺技术，减少了事故处理时间，加快了施工进度，具有现实的指导意义和推广价值。