水利工程中钢立柱灌注桩施工安全与质量控制要点

胡晓辉

（上海勤达水利工程有限公司，上海 201413）

0 引言

基坑工程在水利工程中应用越来越广泛。鉴于城市内有限的空间，很多城市水利工程设计了内支撑支护垂直基坑，应用最多的结构为泵站、水闸等结构工程。在上海市的城市水利工程中，钢立柱灌注桩是内支撑支护基坑工程中最常用的竖向支承结构之一，其施工过程的安全与质量控制对整个水利工程的建设有着极为重要的作用。本文就水利工程中钢立柱灌注桩施工安全与质量的控制要点进行分析。

1 钢立柱灌注桩的工艺特性

采用内支撑支护结构的深基坑工程，在基坑内部需要设置支撑梁的竖向支承体系，以承受来自支撑梁自重和施工荷载等。竖向支承体系是内支撑支护结构的关键构件，要求具有足够的强度和刚度，同时截面不宜过大，故一般采用钢立柱插入桩基的形式[1]。根据支撑荷载的大小，立柱一般可采用角钢格构式钢立柱、H型钢立柱或钢管柱，立柱下的桩基常采用灌注桩及钢管桩。角钢格构式钢立柱具有承载力较大、构造简单及便于加工的特点，与上海市大型泵站、水闸等结构工程多采用的灌注桩基础相结合，形成角钢格构式钢立柱结合灌注桩。即在钢筋笼、钢立柱下放后，导管插入钢立柱及钢筋笼中浇筑混凝土至灌注桩顶将钢立柱及灌注桩连接成一体即为钢立柱灌注桩。

工程中钢立柱灌注桩根据桩基功能分为两种：永久结构工程桩及基坑临时桩。考虑到控制建设工程造价，钢立柱下插桩一般充分利用结构工程桩，在空间上无法利用工程桩时，再在合适位置加设临时桩，但是对于钢立柱，不同于其它专业工程，水利工程一般无临时钢立柱与框架柱结合构造。

角钢钢立柱即每根柱由4 根等边角钢组成柱的4个主肢，4 个主肢间用缀板进行连接，共同构成钢格构柱。工程中最常用的规格有L140×14，L160×16，L180×18 等。角钢的选型涉及到钢立柱结构受力、造价、下插桩基直径等因素，规格太小，则结构受力不能满足要求，规格太大，则造价高，造成成本浪费。考虑到避让临时支撑及结构的钢筋，钢立柱拼接采用从上至下平行、对称分布的钢缀板，同时后续混凝土浇筑时，混凝土导管需从钢立柱穿过，为防止导管上拔过程中被钢立柱卡住，格构式立柱的截面常规不小于380mm×380mm。钢立柱截面与立柱桩桩径的关系为：截面 B≤460mm，立柱桩桩径 D≥800mm；截面 B≤480mm，立柱桩桩径≥850mm；截面B≤500mm，立柱桩桩径D≥900mm[2]。对于灌注桩钢筋笼内径小于钢立柱对角线长度的情况，常规采取将灌注桩顶部至钢立柱底以下一定范围内进行扩径处理的方案，在保证钢立柱桩承载力的同时能够控制工程造价。

为了满足下部连接的稳定与可靠，钢立柱一般需要插入灌注桩，插入的长度应根据计算确定，一般不宜少于2m[2]。通常插入深度为3～4m，上海市几项水利工程的钢立柱插入灌注桩中的长度均为3m。对于下插钢立柱是否要与钢筋笼焊接，通常认为，只要满足计算插入桩体深度，钢立柱无需与钢筋笼焊接。但是施工过程中，施工人员通常采取上节钢筋笼与钢立柱焊接一同下放的工艺，因为如果钢立柱不与钢筋笼焊接同时下放，会存在以下施工问题：（1）钢筋笼、钢立柱需分别设置吊筋，施工成本增加；（2）钢筋笼下放之后，钢立柱下放时可能会触碰钢筋笼，导致钢立柱无法下放至设计位置。但是，钢立柱与钢筋笼焊接会增加钢立柱垂直度控制的难度。

2 钢立柱灌注桩施工安全控制要点

2.1 钢立柱灌注桩打桩阶段

钢立柱灌注桩打桩阶段的安全管控要点主要包括以下几方面：（1）钢筋笼加工、安装时的电焊作业；（2）钻机、冲孔机等机械伤害；（3）泥浆泵、照明等临时用电；（4）设备检修、浇灌混凝土时的高处作业；（5）钢筋笼的吊装作业；（6）成孔后的洞口防护。（7）钢立柱的吊装，灌注桩钢筋笼主要采用钻机自带的卷扬机起吊、下放，钢立柱由于较重，一般需要采用吊机进行安放。施工中安全管理人员需严格监控各道施工工序。

2.2 基坑实施阶段

在基坑开挖阶段，由于钢立柱矗立在基坑中，一定程度上限制了挖机等设备的旋转半径，钢立柱桩设计主要承受竖向荷载，因此基坑开挖阶段，务必确保挖机不得碰撞钢立柱，防止影响支撑体系稳定，同时避免钢立柱两侧土方不均匀开挖，减少钢立柱水平力的影响。

2.3 钢立柱拆除阶段

水利工程中，如果钢立柱不在设计墩墙结构中，后续则需拆除处理。钢立柱与钢支撑连接时，仅需切割掉钢牛腿等构件；而与钢筋混凝土支撑连接时，由于目前钢筋混凝土支撑拆除常采取锯切法，而立柱处为多道支撑梁连接处，节点复杂，很难切除到该跨支撑梁根部，因此必须结合吊装设备、吊距等进行计算，确定立柱处支撑梁保留体积。

钢立柱拆除时有一个较大的隐患，就是钢立柱根部切割过程中，常规操作是采用吊车用钢丝绳捆绑住钢立柱上部，使用氧气乙炔焰切割钢立柱与基础连接处，在钢立柱最后一片角钢切割完成、钢立柱可以自由移动的一刹那，需防止钢立柱倾倒伤害底部切割工人。因此，钢立柱、支撑梁等的拆除需编制专项施工方案，严格按照施工方案实施。

3 钢立柱灌注桩施工质量控制要点

3.1 钢立柱打桩阶段

3.1.1 钢立柱加工

钢立柱加工前需校核其长度和缀板的位置等参数，必须根据水工结构图纸、基坑围护图纸等校核每根钢立柱的设计长度，防止加工信息错误。一般来说，钢立柱设计图纸中缀板为均匀分布，从结构受力来说，图纸不存在问题，但往往不会考虑到钢立柱缀板与支撑梁钢筋、水工结构基础的钢筋与缀板碰撞问题，为了减少后期对钢缀板的破坏，钢立柱加工前可以结合支撑梁的钢筋、结构基础的钢筋等可能与钢缀板碰撞部位的施工图纸，在钢缀板总数量不变的情况下，对影响部位的钢缀板位置进行微调，然后请设计复核，将每根钢立柱的钢缀板布置、长度、截面尺寸、材料规格等参数出图给钢构件加工厂家。厂家加工好后对每根立柱进行编号，出厂前进行出厂验收。

3.1.2 钢立柱桩位测量放样

设计时钢立柱桩往往是多根桩在同一轴线上，因此钢立柱桩位超过设计偏差时带来的影响会很大：（1）由于支撑梁有一定的截面尺寸，桩位偏差可能会导致支撑梁无法包裹钢立柱，节点处需重新设计，部分改变了支撑设计体系，施工成本增加；（2）在基坑高程渐变处，钢立柱桩位偏差，可能导致设计灌注桩高程或已按原设计加工的钢立柱不满足使用要求；（3）部分钢立柱可能设计在靠近基坑围护桩的墩墙里，如钢立柱桩位偏差导致钢立柱不能完全包裹在墩墙的钢筋结构中（钢立柱露出墩墙迎水面），此时基坑换撑需要完成墩墙的浇筑，但是钢立柱影响到墩墙的正常施工，可能导致钢立柱处局部墩墙需要二次施工，不仅影响墩墙整体受力性能，而且可能会影响水利工程通水工期，同时部分影响墩墙混凝土的外观效果；（4）基坑开挖出来后，各轴线钢立柱偏差过大，影响整体基坑工程外观，甚至可能影响上部栈桥的荷载，需要进行限载甚至立柱加固，没有实现原设计用途，浪费建设成本。因此钢立柱施工时技术人员必须严格计算复核桩位坐标，测量放样后，在地面上做出明显标记，同时需经测量监理复核后才可开钻施工。

3.1.3 灌注桩成孔

灌注桩成孔过程中主要是控制孔深、孔径、成孔垂直度等。与常规灌注桩施工相比，钢立柱桩成孔对灌注桩的成孔垂直度要求更高，根据《钻孔灌注桩施工标准》（DG/TJ 08-202-2020）：基础桩成孔垂直度允许偏差为≤1/100，支撑立柱桩成孔垂直度允许偏差为≤1/150，立柱垂直度偏差不应大于1/200[3]。很多工程中都采用的是最后一节钢筋笼与钢立柱焊接一起下放，因此成孔垂直度直接影响到后期钢立柱安装垂直度，为了保证钢立柱垂直度允许偏差能够满足不大于1/200的规范要求，因此灌注桩成孔时必须提高成孔时的垂直度标准，控制不大于1/200。成孔前使用校正后的测量设备精确定位，测量钻杆垂直度、钻机磨盘平整度（部分工程会采取硬化地坪或采用预制钢筋混凝土平台措施），成孔过程中控制泥浆性能，及时根据地质情况调整钻杆钻速，使用测斜仪测量成孔垂直度。

3.1.4 钢筋笼及钢立柱安装

钢筋笼一般在现场专用钢筋加工场地加工，钢筋笼加工好后应实行挂牌验收，每节笼上标明钢筋笼直径、长度、主筋规格等，监理验收完后才允许钢筋笼运至成孔处。钢筋笼运输应采用专用机械，吊装过程中防止钢筋笼变形、焊点脱焊等情形发生。钢筋笼安装入孔时，应保持垂直状态，对准孔位徐徐轻放，避免碰撞孔壁，严禁下放困难时，野蛮入孔，一旦发生此种情况，应清除障碍物后再下放。

钢立柱在工厂分段加工好后，运至现场吊装，必须确保灌注桩与相应编号的钢立柱对应。钢立柱吊装焊接至灌注桩最上节钢筋笼中，满足插入深度，钢立柱的安装控制重点是高程、平面位置以及垂直度。对于高程控制，要结合桩机选型、地表高程考虑。水利工程中有的工程需要对老河道回填施工，因此土方回填时，从施工成本角度，回填至首道撑底部工程量最小，但是需考虑到一般设计钢立柱需锚入钢筋混凝土支撑梁中约60cm，同时钢立柱不能影响施工完成后的导轨式灌注桩移动，因此这种情况下，最优方案是土方回填至钢立柱设计顶高程处。对于原地面较高的结构，必须计算准确吊筋的长度，防止后期钢立柱不能满足锚固要求以及灌注桩没达到有效设计桩深。钢立柱安装的平面允许偏差为20mm，同时为了减少立柱桩对支撑梁及主体结构基础钢筋施工的影响，立柱桩转向不宜大于5°，钢立柱的垂直度要求为不大于1/200[4]，钢立柱桩的平面位置和垂直度累计偏差对基坑工程及主体工程的重要性已在前文所述，为了控制钢立柱安装效果，工程实践中积累了多种控制方法，主要分为气囊法、机械调垂架法和导向套筒法三大类。其中机械调垂法是最经济实用的，因此大量应用于内支撑体系中的钢立柱施工中[1]。卢海燕[5]、黎海航[6]、徐松杰[7]、叶江忠[8]等人均对钢立柱桩调垂技术进行了研究，并取得了较好的工程效果。

3.1.5 灌注桩清孔

上海地区支护桩允许沉渣厚度≤200，工程桩（摩擦型）允许沉渣厚度≤100，但是钢立柱桩无论是否兼做永久工程桩，都不能作为支护桩看待，因为立柱桩工作期间处于单桩受荷状态，各桩之间的不均匀沉降控制要求甚至比工程桩更高[4]，因此施工时必须严格控制桩底沉渣厚度，减少立柱桩受荷沉降。

3.1.6 混凝土浇灌

采用设计标号的混凝土浇灌至设计桩顶标高1m，确保桩基质量，但是严格控制混凝土超高，减少后期混凝土凿毛工程量。

3.2 基坑实施阶段

在前述微调钢立柱缀板的基础上，如果因为钢立柱桩施工偏差仍导致钢立柱与支撑梁、主体基础钢筋发生碰撞，在设计同意的情况下，可以采用氧气-乙炔焰切割缀板，缀板切割时应按照最小破坏原则，切割后在钢立柱上补足不少于原来面积的缀板，但是角钢严禁破坏。如钢筋与钢格构柱角钢相遇穿不过去时，将钢筋在角钢处断开，采用同直径帮条钢筋同时与角钢和支撑梁钢筋焊接，焊接满足相关规范要求[9]。

基坑开挖土方钢立柱暴露出来后，应及时复核钢立柱的水平偏差和竖向垂直度，应根据实际的偏差测量数据对钢立柱的承载力进一步校核。当施工偏差严重时，应与设计商讨采取限制荷载、加固等措施确保钢立柱承载力满足要求。

钢立柱穿越基础底板范围将成为地下水往上渗流的通道，因此在底板施工时需凿除、清理钢立柱内杂物，在钢立柱构件周边加焊止水钢板，止水钢板焊接于底板中间高程。对于设计在墩墙内部的钢立柱，在墩墙施工前，还应将钢立柱内部的渣土等全部凿除，确保钢立柱与墩墙钢筋混凝土结构连接成整体。

3.3 钢立柱拆除阶段

基坑换撑完成，具备拆除钢立柱的条件时，采用氧气-乙炔焰从立柱根部切割。但此时，结构底板已完成，钢立柱残余部分会高出底板面。考虑到水利工程的结构底板多是过流，需要抗冲刷，而且部分工程为出海泵站、水闸，钢筋混凝土耐久性要求更高，因此钢立柱根部处理比其它工程要求更高。将埋入底板范围的钢立柱周边5cm 混凝土凿除至底板面层钢筋，使用氧气-乙炔焰切割完全，切割过程中禁止破坏结构钢筋，钢立柱范围内完全凿毛，然后浇筑掺加微膨胀剂的高一等级标号的混凝土，覆盖养护至设计强度。

4 结束语

钢立柱灌注桩在水利工程基坑工程中发挥重要的作用，钢立柱灌注桩施工安全与质量对水利工程的建设效果有着极其重大的影响。本文结合水利工程的特点，阐述了钢立柱施工全过程中的安全、质量控制要点，为行业类似工程提供借鉴。其中，关于钢立柱灌注桩垂直度控制问题，是钢立柱灌注桩施工中最难控制的指标，仍需要进行更多的研究。