逆作法一柱一樁新型調垂工藝的應用

胡 錦 顧兵兵

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

目前國內基坑工程一柱一樁逆作法中鋼立柱的調垂方法基本分為氣囊法、機械調垂架法和導向套筒法等。一般用此方法能夠將鋼管樁垂直度控制在1/300～1/600以內，但無法達到設計所要求的1/600～1/1 000的精度。為了加快施工進度，滿足越來越高的垂直度要求，需要對現有調垂工藝進行設計優化，從而保證一柱一樁施工精度需求。

本文以上海董家渡金融城工程為例，對一柱一樁的施工調垂工藝進行應用研究，形成一套高效、經濟的逆作法施工工藝。

1 工程概況

董家渡金融城位于上海市核心城區南外灘，東至中山南路，南至董家渡路，西至外倉橋街，北至王家碼頭路，地塊總面積約74 089 m2（圖1）；其中一柱一樁工程位于董家渡金融城項目北塊GL地塊。本工程±0 m相當于絕對標高＋4.40 m，自然地坪（相對）標高為－0.40 m。鉆孔灌注樁徑850 mm，設計強度為水下C40混凝土，采用樁端后注漿，設計抗壓強度最大值為5 200 kN，設計抗拔強度最大值為3 000 kN。

圖1 平面位置

逆作區共包含鋼管一柱一樁295根，灌注樁采用φ850 mm，為保證鋼筋籠順利下放，上部擴徑至1 400 mm，鋼管立柱插入灌注樁身5 m，并在端頭設置環板，鋼管柱截面尺寸為550 mm×20 mm，鋼管柱最長長度為29.4 m，最大質量9.5 t。由于該項目處于黃浦江畔，為軟土地基，對于一柱一樁垂直度要求控制在1/600以上，故采用了新型調垂工藝以滿足設計要求。立柱樁混凝土強度為水下C40，主筋保護層厚度50 mm，鋼管柱內側灌注自密實微膨脹混凝土（強度等級水下C60）。

根據勘察報告，場地地基土勘察深度范圍內均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉土和砂土組成，分屬不同層次的亞層。

2 一柱一樁調垂工藝原理

本工程對立柱的垂直度精度要求高，目前國內常用的調垂系統很難滿足高精度、施工高效的要求。因此需研發應用新型調垂設備，本項目采用上海建筑工程逆作法工程技術研究中心研發的高精度激光測斜儀及上海市機械施工集團有限公司研發的調垂盤共同調垂施工。

調垂工作原理主要是利用鋼管在胎架上焊接完成后，安裝主激光測斜儀十字鋼板。十字鋼板與鋼管螺栓連接并固定。工作時，在鋼管另一端安裝有機玻璃光靶，打開主激光測斜儀，調整激光線對準有機玻璃光靶中心，并不斷轉動胎架進行調整，確保激光線偏離光靶中心始終不大于5 mm（圖2），以保證鋼管在地面拼裝的垂直度要求。鋼管柱吊起插入鋼筋籠并和調垂盤連接固定后，增設副激光測斜儀，并利用主激光測斜儀調整鋼管柱垂直度，在滿足要求后將數據移至副激光測斜儀進行下一步混凝土澆筑過程管樁的調垂[1-4]。

圖2 測試原理

3 一柱一樁調垂施工

3.1 鋼管進場

3.1.1 進場檢驗

核對每根進場鋼管對應的一柱一樁編號并確定其現場使用位置，對材質證明、數量、外觀進行檢查和驗收。

1）抗剪栓釘。核對梁柱節點處栓釘，按規范要求核查外觀焊接質量、數量、布置間距、位置及栓釘檢測痕跡。

2）吊裝孔、返漿口、調垂盤固定口。主要核對吊裝孔、返漿口、調垂盤固定口的尺寸及開設位置。

3）襯板。焊接位置、焊縫外觀質量要嚴格控制，符合設計要求。

3.1.2 現場拼焊

由于施工現場受限，且鋼管樁最長達29.4m，無法直接運送至施工現場，故需要分節運輸至現場后采用現場焊接的方式。

1）準備工作。圓管拼接前，端頭開單面20°坡口。圓管環縫拼接前，打磨并去除坡口兩側50mm范圍內鐵銹、氧化皮、油污等雜質，使坡口兩側露出金屬光澤即可。準備好圓管組裝胎架和環縫焊接專用滾動胎，并按圓管拼接長度合理布置滾動胎位置。

2）圓管拼裝。拼裝在胎架上進行，不得在地面上直接進行拼裝。圓管一端先焊接固定鋼襯墊，鋼襯墊安裝時，邊點焊邊用榔頭敲打固定，使鋼襯墊與圓管密貼。鋼襯墊采用6 mm×40 mm×L規格的扁鐵。拼裝時，確保拼接接頭尺寸；裝配間隙為6（0，＋2）mm。在確保裝配尺寸符合要求后，對拼接的圓管整體拉線，在確保直線度符合制作要求后，用馬板對拼接圓管進行固定，在內側檢驗鋼襯墊密貼情況，對不符合要求的進行修正。

3）圓管拼樁焊接。采用CO2氣體保護焊打底，焊絲為ER50-6，φ1.2 mm；埋弧焊填充和蓋面，埋弧焊絲為H10Mn2，φ5.0 mm，焊劑SJ101。CO2氣體保護焊打底，為確保焊縫根部熔透，焊接時須擺動焊接，采用240～260 A的電流、28～32 V的電壓進行焊接。埋弧焊在專用滾動胎上進行焊接，埋弧焊接電流在650～720 A范圍內，電壓在27～32 V范圍內，速度在300～500 mm/min范圍內。

4）焊接檢驗。焊縫在焊接完成24 h后進行100%超聲波檢測，符合GB 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定》B級檢驗，Ⅰ級合格。焊縫外觀余高控制在3 mm以下，不得有超過0.4 mm的咬邊、表面裂紋、未焊滿等超標缺陷。

5）鋼管堆放要求。鋼管堆放場地應平整，不積水。鋼管需堆放在專用支架或枕木上，支架或枕木數量及間距根據堆放要求布置，以控制鋼管因堆放帶來的撓度變形。

3.2 安裝主激光測斜儀并校正

鋼管在胎架上焊接完成后，安裝主激光測斜儀十字鋼板，十字鋼板與鋼管螺栓連接并固定（圖3）。在鋼管另一端安裝有機玻璃光靶，打開主激光測斜儀，調整激光線對準有機玻璃光靶中心，并不斷轉動胎架進行調整，確保激光線偏離光靶中心始終不大于5mm。

圖3 主激光測試儀及光靶安裝

3.3 GL區一柱一樁調垂

3.3.1 定位放線、埋設護筒、一次清孔

在埋設護筒時，其中心線與樁位中心線偏差不得大于20 mm，護筒底部應深入原狀土層不得少于200 mm。護筒定位后，護筒與孔壁之間用素土擠密夯實，以增大護筒的側壁摩阻力。采用GPS 20型鉆機成孔，立柱樁成孔垂直度≤1/300，并控制孔底沉渣厚度小于10 cm。

3.3.2 下放樁鋼筋籠、安裝校正架

定位校正架安裝，將四邊中心刻有“十”字線記號定位校正架與混凝土地坪上的軸線控制點吻合，確保鋼管柱（格構柱）安裝后對準護筒中心及對準x與y支撐軸線并與各邊軸線垂直或平行，用全站儀測量定位校正架四周，確保定位校正架安裝水平，將立柱定位底架與地面預埋螺栓鉚接牢固。

3.3.3 下放鋼管柱、安裝測斜儀

根據相關設計規定，下放鋼管柱并控制其鋼管柱插入樁身大于3 m。下放鋼筋籠、鋼管柱，鋼管柱吊裝到位后安裝十字鋼板及主激光測斜儀。

3.3.4 放置調垂盤

采用上海市機械施工集團有限公司自主研發的調垂盤（圖4），將定位好的十字線引出樁心位置，并調整校正架的中心亦處于樁心。定位架的高度為700 mm，為方便校正架的校正，鋼管柱高度加工時也相應增加長度至自然地坪以上800 mm。樁帽在定位架內，立柱（鋼管柱）的頂端用滑板夾緊后，緊固螺栓與樁帽固定，為保證樁帽與立柱在同一水平線，需在現場拼接。樁體與定位架固定以后，通過測量裝置顯示，用千斤頂將其在所需調整方位（共8個）進行校正。

圖4 校正架固定

3.3.5 增設副激光測斜儀及澆筑混凝土

利用主激光測斜儀垂直度讀數對鋼管垂直度進行調整，直到垂直度達到要求。然后將主激光測斜儀讀數同步至副激光測斜儀，爾后拆除主激光測斜儀及十字鋼板，灌注樁身及管身混凝土，利用副激光測斜儀進行此階段管身垂直監測及調整，并做好每根樁的垂直度監測記錄。

這里需要注意的是，鋼管柱內需灌滿高低2種標號的混凝土，為了保證混凝土澆灌質量，確保進入勁性柱內的混凝土達到設計要求，計劃采取一次性不分層水下混凝土灌注工藝，具體方法如下：從鋼管柱內插入灌注混凝土導管，進行二次清孔。然后按常規進行水下C40、C35混凝土灌注，在施工過程中，由專人負責混凝土面上升測試控制。當該部分混凝土達到設計指定的2種混凝土交接面時，調整控制好導管在混凝土內的插入深度及灌注速度，然后進行高標號水下混凝土灌注。在鋼管柱內灌注高標號混凝土達到設計指定的樁頂標高以上3 m，此時開始回填碎石，并繼續灌混凝土，同時測量混凝土上升面；由于灌混凝土架須移位后方能回填碎石，為控制鋼管內外壓差，宜控制回填碎石速度，以使其與灌混凝土速度相匹配，當鋼管口充分泛混凝土后，灌混凝土結束。

3.4 垂直度控制效果

激光傾斜儀監測系統是激光器和傾斜儀的有機組合，激光傾斜儀在鋼構柱上要精確定位并保證有足夠高的精度。工程中，首先將微型激光器巧妙地與高精度傾角傳感器結合成一個整體，確保能利用激光定位快速安裝高精度傾角傳感器，并保證足夠的定位精度。安裝時調整激光傾斜儀的調整裝置，令激光束與鋼立柱管柱體母線平行，達到鋼格構柱管體與傳感器定位安裝面相互垂直的目的。當鋼立柱管體下到樁孔中時，激光傾斜儀即可實時輸出鋼格構柱管體的傾斜變化。

基于激光傾斜儀監測系統，本項目完成295根一柱一樁施工，每一根的施工均采用激光調垂設備，其中95%達到了1/600的精度，更有25%的立柱達到了1/1 000的精度。調垂時間也大大地縮短了。根據現場實測，工人熟練操作后可以在30 min內完成鋼管樁起吊安放及調垂工作，滿足本項目要求。

4 結論

1）通過運用新型激光傾斜調垂監測系統，加快了施工速度，提高了效率，節約了施工成本，提高了逆作法樁基施工垂直精度。從完成的鋼管樁施工情況來看，施工質量滿足本工程調垂需要，能夠適用于逆作區的立柱樁調垂工作。采用的雙聯置換式激光測斜設備，可確保在一柱一樁施工過程中對鋼管柱垂直度的全過程監測及動態調整，確保一柱一樁垂直度控制在1/600以內。同時，為以后類似調垂系統的工程應用提供參考。

2）本文所描述的調垂系統能夠滿足操作簡便、高精度的要求，但是在復雜的施工條件下，對于鋼管柱施工完成后因交叉施工產生的土體擠壓而再次遭受變形的因素仍不可控制，對后期的精度控制有一定影響。