軟土地基中一柱一樁先插法施工關鍵技術

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著超大、超深基坑逆作法開挖回筑的施工越來越普遍，設計對逆作支撐樁柱的要求也逐步提高，目前在上海中心、白玉蘭廣場、國金中心等超大超深基坑中逆作支撐柱的垂直度都要求在1/600～1/500之間，如此高精度的鋼立柱施工除要求下部支承樁的垂直度達到1/300～1/200的精度外，還必須有一套成熟、高效且穩定的調垂方法和設備。

本文結合一柱一樁先插法在上海軟土地基中某超深基坑工程項目的成功實踐經驗，對軟土地基中施工逆作法高精度一柱一樁的機械設備和關鍵技術作深入分析，提供一套先進、高效、成熟的施工方法。

1 工程概況

上海國際金融中心工程位于上海浦東新區，是集商務、辦公一體的綜合性工程，總占地面積約5.5萬 m2，基坑總面積48 000 m2，周長960 m，由3 幢塔樓和5 層地下室組成，無裙房，其中塔樓區域挖深28 m，純地下室區域普遍挖深約26.5 m，整體基坑開挖方式為：首先B0層整體同步挖深約9 m，然后地下室停止開挖，塔樓區域順挖到底，待塔樓區地下結構回筑至地面，地下室再繼續向下逆作開挖，最終實現塔樓地上結構與地下室開挖、結構回筑平行施工。

地下室的逆作區采用一柱一樁（圖1）作為豎向支承系統承受整體地下結構完成前的樓板荷載及施工超載受力，下部支承樁用Φ1 200 mm的鉆孔樁，設計孔深61.5 m，樁端后注漿。

支承樁內插Φ550 mm×16 mm的鋼管，插入支承樁5 m，鋼管內澆筑水下C55的高強混凝土。支承樁成孔垂直度在鋼管柱插入范圍內≤1/300（插入范圍以下≤1/200），鋼管柱調垂垂直度≤1/500。

該工程成樁上部30 m的土層主要為軟黏土層，30 m以下的土層為密實砂層，支承樁底標高為－64.41 m，持力層為⑦層砂性粉土層，鉆孔在軟黏土和密實砂層的交界面處垂直度控制難度極大；且較厚的黏性土中鉆進成孔極易產生頸縮現象，影響后續的鋼管柱插入和高精度調垂效果；另外，由于下部支承樁樁身基本上全部位于粉土層和粉砂層中，孔底沉渣清除要求極高。

圖1 一柱一樁剖面示意

2 先插法工藝原理[1,2]

2.1 工藝原理

先插法施工是一種比較傳統、成熟的施作一柱一樁調垂鋼管柱的施工工藝，具有設備簡單、操作方便的優點。

其主要采用1 個3 層的調垂架，通過中、下2 層水平排布的各4 只調節螺桿，利用杠桿原理對鋼管柱進行調垂。理想情況下鋼管柱在鉆孔內僅受側向泥漿阻力，利用上層螺桿一點固定，下層螺桿一點調整可以輕易地將鋼管柱移動、調整。如果僅靠螺桿調整鋼管柱比較困難，可以同時開啟孔內（地下5 m處）的導向糾偏千斤頂給鋼管柱施加水平力，提高調垂的效果和精度。再配合精密的經緯儀、三維激光測斜儀以及第三方的測斜管等測量儀器，從而控制垂直度達到設計要求，如圖2所示。

圖2 改進的先插法施工示意

2.2 施工工藝的改進

常規的地面調垂架僅依靠地面以上的2 個支點調垂，且兩支點間距僅約2 m，依靠僅2 m的短管節調垂下部近30 m的鋼管柱難度極大。

改進的先插法調垂工藝新增加了地下的4 只導向糾偏千斤頂做調垂支點，一方面在鋼管柱下插過程中開啟導向糾偏千斤頂作導向，另一方面，在調垂時延長了地面上和地面下2 個支點的距離，由原來的2 m增長為7 m，以7 m長度的短管節來調垂下部逾20 m的鋼管柱，調垂達到設計要求精度的保證率提高很多。

3 下部支承樁垂直度控制技術[3-5]

3.1 成孔機械設備

采用GPS-20及以上型號的重型回轉鉆機成孔，配備三翼雙腰箍鉆頭、配重鉆桿以及鉆桿扶正圈等鉆進設備；使用長6 m，壁厚10 mm的超長鋼護筒，為初始成孔起導向作用，且為孔內導向糾偏千斤頂提供反力支點。

3.2 循環泥漿管理

泥漿用優質膨潤土外加化學添加劑（Na2CO3、NaOH）的人工漿，泥漿經除砂機凈化循環后再抽回孔內重復利用，保證黏性土、砂性土層中孔壁穩定；清孔泥漿采用黏度、相對密度、泥皮和膠體率適中的指標，保證孔底沉渣滿足≤50 mm。

3.3 鉆進過程控制

黏性土層中用中等轉速、大泵量以及較稀泥漿的鉆進方法；粉質黏土和粉土中泥漿相對密度不超過1.3，以利進尺為準，防止產生糊鉆、進尺緩慢等現象；密實砂性土中用低擋慢速、大泵量、分級鉆進的方法，防止孔斜度超過公差范圍；軟硬土層交界面應放慢進尺速度，鉆頭穿過交界面后上下重復掃孔2～3 次，防止不平衡接觸面造成的孔斜。

3.4 成孔質量檢測

鉆進至1/2孔深時通過專業檢測儀從鉆桿內量測鉆桿垂直度，如不滿足1/300的精度，應立即糾偏，指導后續繼續鉆進；終孔經井徑儀檢測垂直度，鋼管柱插入范圍內成孔垂直度≤1/300，插入范圍以下成孔重直度≤1/200，否則掃孔調整孔斜率。

4 鋼管柱調垂及檢測關鍵技術[6-8]

4.1 先插法調垂架的改進

本工程采用的先插法調垂架在借鑒上海中心大廈工程調垂架的基礎上，進行了以下改進：

（a）將調垂架的上下兩層螺桿端部改造成Φ400 mm的環形手柄，便于操作工人旋擰螺桿時省時省力；

（b）調垂架的第3層上安裝護欄和踢腳板，提高操作的安全度；

（c）調垂架上增加回填碎石的漏斗，四個方向可以實現同步均勻回填碎石，保證鋼管柱受力均勻，減少擾動；

（d）調垂架4 個底角的固定措施進行了加強，在底角接觸面擴大的基礎上，增加了螺栓孔，便于和地面連接固定，保證調垂時架體絕對穩固。

4.2 鋼管柱調垂的輔助措施

（a）首次采用長6 m的加厚壁鋼護筒，使用90#振動錘振設埋入，埋設垂直度≤1/300，且四周回填足夠密實，為導向千斤頂提供穩定的水平反力；

（b）吊放鋼管柱之前，在孔內（地面下5 m）沿超長鋼護筒內壁四周安放4 只各300 kN頂升力的導向糾偏裝置，為鋼管柱插入、調垂提供導向和水平糾偏推力，便于高效調垂；

（c）引進三維激光測斜儀安放在鋼管柱柱身，及時反映柱身的傾斜方位并指導調垂，同柱身的測斜管檢測數據對比校核；

（d）增加了鋼管柱外的附加注漿，保證調垂后柱身四周受力均勻，避免鋼管柱在懸臂狀態下產生較大的撓度；

（e）支承樁鋼筋籠頂部增加2 道雙箍筋，鋼管柱插入范圍內箍筋間距適當調大，防止鋼管柱上的栓釘、環筋等碰觸鋼筋籠造成無法正常調垂。

（f）鋼管柱設計頂標高以上安裝長3 m的工具管柱，與主柱靠4 個Φ32 mm的螺栓連接，保證連接的順直和穩固，方便調垂。

4.3 鋼管柱調垂關鍵步序

（a）支承樁鋼筋籠順直吊放入孔后，全站儀再次復核孔位和護筒中心偏差，并做好標識；沿護筒內壁安放4 只導向糾偏裝置；

（b）先插法調垂架吊放就位對中、調平與理論樁位中心偏差≤10 mm后及時固定4 個底角；

（c）鋼管柱插入調垂架后，開啟孔內導向糾偏導向，利用互成直角的2 臺激光經緯儀觀測柱身的通長墨線，待鋼管柱靠自重插入至支承樁內5 m時，根據觀測數據進行初調；

（d）根據測斜管和三維激光測斜儀的檢測數據，利用調垂架的上下2 層螺桿機孔內導向千斤頂對鋼管柱進行調垂，直至達到設計要求的1/500；

（e）將調垂架和鋼管柱分上下2 層用槽鋼呈井字形固定，同時在鋼護筒和鋼管柱之間用短鋼筋加強固定；

（f）從鋼管柱內下導管，采用氣舉反循環法將孔底沉渣清除，以滿足孔底沉渣≤50 mm標準；

（g）分別澆筑支承樁水下C35和鋼管柱內水下C55混凝土，孔內回填碎石；

（h）待鋼管柱內混凝土終凝后（一般為24 h），拆除固定措施，移走調垂架，拔出鋼護筒，進行鋼管柱外孔內注漿。

5 一柱一樁高低標號混凝土澆筑控制

由于下部支承樁澆筑水下C35混凝土，鋼管柱內澆筑水下C55混凝土，兩種不同混凝土澆筑界面的控制關鍵在于：

（a）采用泵車布管澆筑，開始澆筑水下C55混凝土時導管埋深2.5 m，使兩種混凝土置換面位于鋼管柱底以下2 m；

（b）通過前幾根的原位試驗，依據泥漿相對密度、石子體積、質量等精確計算出C35混凝土的上升速率，當管外碎石與C55混凝土的頂托力平衡時即可停止回填；

（c）保證合理低速的澆筑速度，拆除起拔導管時嚴禁生拉硬拽碰觸鋼管柱本身；

（d）待鋼管柱頂端（高出地面約20 cm）的溢流孔內溢出C55混凝土時停止澆筑。

6 鋼管柱垂直度的保持控制

由于鋼管柱垂直度的控制精度比較高，調垂達標后的保持至關重要，后續施工步序對鋼管柱的擾動將會使調垂效果大打折扣，施工過程中主要從以下幾個方面重點控制：

（a）鋼管柱調垂達標后應立即分別與調垂架和鋼護筒固定，同時調垂架自身必須與地面穩固連接；

（b）二次清孔從鋼管柱內下放導管時，應采取措施嚴禁碰觸鋼管柱本身；清孔采用的氣舉反循環壓力控制應確保在徹底清除孔底沉渣的同時不會對鋼管柱產生附加擾動；

（c）澆筑不同標號混凝土時應采用泵車布管，以勻速且最低速度泵入鋼管柱內的C55混凝土，嚴禁拆拔導管時對鋼管柱造成擾動；

（d）回填碎石應四個方向同步、對稱、均勻，避免單側擠壓受力擾動鋼管柱；

（e）后期基坑開挖階段應在鋼管柱四周均勻掏挖，嚴禁單面卸載對鋼管柱產生擠壓，導致處于懸臂狀態的柱身傾斜。

7 結語

在常規的地面調垂架調垂的基礎上，通過改良的調垂架、改進的先插法調垂工藝不僅提高了調垂的工效，更提高了鋼管柱的垂直度精度保證率，現場施工澆筑混凝土前一次性調垂達到設計標準的比例高達90%以上。

利用該改進的先插法工藝取得了良好的社會效益和經濟效益，同時，該先插法工藝的操作使用比常規的地面調垂架調垂，技術更加成熟，推廣使用的空間得到了較大拓展。