新型鋼立柱靜壓樁機的研制與應用

喬華山

上海廣聯環境巖土工程股份有限公司

新型鋼立柱靜壓樁機的研制與應用

喬華山

上海廣聯環境巖土工程股份有限公司

建筑的多層地下室、軌道交通地下車站和交通樞紐等多層地下結構的施工，廣泛采用逆作法深基坑支護施工技術。而深基坑工程也越來越多的采用鋼立柱，其垂直度要求常常要達到1/ 500以上。常規的采用靜壓法地面調垂架調垂方法施工費時、費力、垂直度控制效果不佳，且鋼立柱偏位，立柱的垂直度達標率較低。本文介紹了一種新型鋼立柱靜壓樁機，采用全液壓控制，樁位定位、鋼立柱垂直度等精度高，為深基坑逆作法施工提供了一套先進的壓入鋼立柱施工設備。

逆作法；靜壓樁機；鋼管柱；一柱一樁

1 問題的提出

隨著城市中心區基坑開挖以逆做或蓋挖法施工的工程越來越多，基坑施工中起豎向支承作用的立柱樁與結構柱合二為一使用形成的一柱一樁主要承受結構回筑階段的全部荷載，其施工垂直度要求比一般的支護體系立柱樁要高出許多，尤其是基坑開挖深約30m的超深、超大基坑，設計一般要求鋼立柱的垂直度控制在1/ 500～1/600[1]，國內目前“逆作法工程中樁內插永久鋼立柱”系統主要由鋼支架部分、調節部分、垂直控制系統等組成。垂直控制系統采用測斜管測量鋼立柱垂直度，通過支架上部平臺千斤頂和螺桿的調節部分對鋼立柱施加側向推力，從而改變鋼立柱平面定位以及傾斜角，是鋼立柱定位、垂直度達到要求[2][3]。該方法特點是：設備安裝就位時間較長，而管樁的垂直度則依賴于地面支架的精度和操作人員技術水平。隨著鋼管樁的壓入深度增加（鋼管樁的長度增加），其垂直度的精度就越低。常規的地面調直架調垂方法費時、費力、垂直度控制效果不佳且鋼立柱偏位反復，普遍達標率比較低。

研制一套既能高效的將鋼立柱插入到下部支撐樁中一定深度，又能確保鋼立柱的垂直度及樁位精度達到設計要求，解決傳統一柱一樁鋼管柱施工精度差、施工效率低的施工設備，為后插一柱一樁施工提供有力保障。

2 新型鋼立柱靜壓樁機結構原理

2.1 目前鋼立柱靜壓樁機存在問題討論

靜壓法施工是通過抱緊油缸將樁抱緊，以機械的自重和機身上的配重通過頂壓油缸傳遞到鋼立柱柱身，集中受力后，再將鋼立柱壓至地層標高。樁位的準確度及鋼立柱的垂直度控制是沉柱質量的關鍵。鋼立柱在一般情況下壓入30～50㎝后進行調校。而一般的抱壓式壓樁機由于抱樁點采用一處或二處同時抱樁，即使二處同時抱樁，抱樁點之間的距離由于設備的高度限制都較短，當需要壓入的鋼立柱較長時，現有的壓樁設備的成樁垂直度一般都在1/200左右。隨著建設需要，沉樁垂直度尤其一樁一柱時，垂直度要求在1/400以上甚至更高，因此普通的壓樁設備很難滿足垂直度要求。同時現有的靜壓樁機對樁位時采用走管或步履對位，設備龐大，且對位精度較差，對位效率也較低。

2.2 新型鋼立柱靜壓樁機系統結構原理

新型鋼立柱靜壓樁機由安裝在地面的路基座、前后及左右對中調節座、樁機機座、下鉗架、上鉗架、導向柱、壓柱油缸、調平油缸、對中油缸以及在地下安裝在孔口護筒內的糾偏裝置等組成。

圖1是新型鋼立柱靜壓樁機系統結構原理圖。地面設備設有上下二層夾鉗。上夾鉗主要為穩固鋼管柱，即下層抱壓鉗在抬升回程時，穩固鋼管柱。下層夾鉗為抱、壓沉柱。上鉗架與機座通過四根導向柱連接，下鉗架沿導向柱上下滑動實現沉柱動作。樁孔內（在樁孔護筒內）設置4個導向糾偏裝置。在下層夾鉗抱壓沉柱時，鋼管柱由上夾鉗和孔內糾偏裝置共同作用，保證鋼管柱的垂直度。在地面設備機座下設置前后、左右兩個方向的樁位對中裝置和水平調整油缸。新型鋼立柱靜壓樁機整機如圖2，樁孔內糾偏裝置如圖3。

圖1 系統結構原理圖

圖2 靜壓樁機圖

圖3 糾偏裝置圖

圖4 下夾鉗架靜應力圖

圖5 下夾鉗架靜變形圖

圖6 液壓控制原理圖

圖7 為現場施工圖片

3 新型鋼立柱靜壓樁機性能及參數

3.1 夾鉗夾持力及抱壓、起拔力

上下二層夾鉗功能不同，是本新型鋼立柱靜壓樁機的一項重要特征。在沉柱過程中，上下夾鉗交替工作，鋼管柱始終在夾鉗的夾持控制下，從而保證鋼管柱的原有樁位、垂直的精度得以保證。避免了鋼立柱在沉柱過程中樁位偏位、垂直度變動。

夾鉗的夾持力按照夾鉗的功能來設計。考慮到設備適用范圍，上夾鉗的夾持力設定在100噸。下夾鉗抱壓、起拔功能，考慮到夾鉗架結構、鋼管柱的重量等因素，抱壓力在160噸，起拔力200噸。為增大鉗口摩阻，夾鉗的鉗口設計有多層環狀防滑槽。下夾鉗夾持力設為300噸。考慮到設備性能安全和超載，正常工作油壓設計為16Mpa，如油缸油壓增大到25Mpa，設備的安全裕量達到了1.5倍。

3.2 上下夾鉗同心度

據了解，目前在農村頻繁出現一種行為：政府組織、村委會等強迫轉讓土地使用權。在農村、甚至是城市中，由于土地問題引起的糾紛時有發生，嚴重的還會引起暴力性行為，危害社會穩定。

通過導向柱連接，上下夾鉗架同心度不大于0.5mm。確保鋼管柱起始垂直度有高精度的保證。

3.3 夾鉗開合行程

夾鉗的開合行程與鋼管柱的直徑和結構相關。本設計考慮最小鋼管柱直徑500mm，最大鋼管柱直徑900mm。因此夾鉗的開合行程為250mm。通過夾鉗變換，夾鉗開啟最大通徑1000mm。抱合最小通徑500mm。同柱的變徑差最大為400mm。

3.4 壓拔力、行程與速度

鋼管柱的靜抱壓力的設定，考慮到鋼管柱頭的結構，且支承樁為尚未初凝的混凝土，流動性相對較好。依據以往經驗，憑鋼管柱自身重量就能插入支承樁中。考慮到施工時間、支承樁混凝土流動性差異等因素，確保施工安全，鋼管柱的抱壓（拔）力最大設定為400噸，用4個100噸油缸同時壓（拔）。靜壓力在180噸、靜拔力在380噸。考慮上下夾鉗架的位置及整個設備的高度等要求，壓（拔）油缸的行程設定為400mm。為提高沉柱效率，壓（拔）油缸的速度設定為600～800mm/min，即鋼管柱調整到位，一般能在15～20min左右沉樁到標高。

3.5 樁位中心調整距離及調整油缸推力

在設備機座下設置前后、左右兩個方向的樁位對中滑移架。在設備基本就位后，可通過樁位對中的滑移架的滑移，精確對中樁位。中心可調整距離前后、左右均±100mm。考慮到設備自重、鋼管柱重量等，中心調整油缸的推拉力在88噸左右，前后、左右均各采用2個50噸的油缸實行推拉調整。

3.6 孔內導向糾偏距離

孔內導向糾偏是本新型鋼立柱靜壓樁機的另一項重要特征。在樁孔內設置導向糾偏裝置，使控制鋼管柱垂直度由普通的靜壓樁機的一點或很近的二點，變成長距離的二點，調整控制的精度更高。孔內導向糾偏裝置，掛靠在孔口護筒內壁。導向糾偏點設置4點，方位相差90度分布。導向糾偏距離200mm。

3.7 樁機水平調整油缸推力及幅度

為快速調整樁機的水平，在樁機機座與上層中心調整架間，設置4個水平調整油缸，每個油缸推力為100噸，調整幅度在300mm。

4 鋼立柱靜壓樁機關鍵部件及系統設計

分析新型鋼立柱靜壓樁機受力，夾鉗架又是本樁機的關健部件，且夾鉗架受力狀態最為復雜，尤其下夾鉗架的夾鉗滑動座部分受力最為惡劣。本文僅以下夾鉗架設計為例說明。

4.1 夾鉗架設計

建立下夾鉗架三維模型，并施加載荷。對該結構模型劃分有限元網格。在進行有限元計算處理后，得出下夾鉗架應力、變形的分布圖。

如圖4為下夾鉗架應力分布圖。模型應力分布區域大部分呈藍色，應力約在30MPa以下。最大應力約為231MPa，在鉗口滑動座角處區。此處采用了墊板加強，分擔了架體的應力，設計較為合理。

圖5為下夾鉗架變形位移分布圖。受到鉗口座擠壓作用，架體鉗口滑動座中間部分變形弧度較大，這與應力分析相符。數據結果顯示最大位移變形0.17mm，完全滿足設計及使用要求。

4.2 液壓系統設計

液壓系統是實現設備自動化控制的重要一環。圖6為新型鋼立柱靜壓樁機的液壓系統原理圖。

5 工程應用

某工程整體地下室五層。一樁一柱198根，支承樁直徑1200mm。鋼管立柱直徑500mm，壁厚16mm，長35米，插入支承樁5m，設計要求插入后的鋼管柱垂直度小于1/500，樁位偏差小于± 5mm。用本新型鋼立柱靜壓樁機調垂、對位，采用后插法工藝施工，95%的鋼管柱垂直度一次性滿足1/500的設計要求，最高的垂直度達到1/1000。圖7為現場施工圖。

6 結論

采用本新型鋼管柱靜壓樁機提高了對鋼管柱的限位、導向、調垂效果，使整個鋼管柱調垂流程簡潔、方便，且可以與一柱一樁支承樁同步施工，能滿足逆作法深基坑高精度的后插法鋼立柱施工要求，具有廣闊的應用前景。本新型鋼管柱靜壓樁機除后插法插入鋼管柱的功能外，配置方面稍作改變，適用于先插法插入鋼管柱或格構柱，將夾鉗弧形夾具變更為鋼管柱或格構柱形夾具，配套增加灌注操作平臺，采用移動泵車輸送混凝土至平臺；也適用于后插法插入“H”型或“十”字型等各種異形的鋼立柱。本新型鋼管柱靜壓樁機目前已獲國家授權專利。

[1]吳潔妹.大直徑、高精度的一柱一樁型鋼后插法施工關鍵技術[J].建筑施工,2013（12）：1045-1047.

[2]周圣平等.逆作法工程樁內插鋼立柱的施工技術研究[J].建筑施工,2013（2）：267-269.

[3]曾維楚等.鋼格構柱樁施工技術探討[J].探礦工程,2015（1）：64-67.

[4]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社.2007.

[5]劉古岷等.樁工機械[M].北京：機械工業出版社.2001.

喬華山（1963-），男，漢族，上海人，上海廣聯環境巖土工程股份有限公司，機械專業總工程師，從事工程機械、傳動機械等的設計工作。