預應力空心方樁集成立柱施工質量控制

周 杰，蔣 峰，洪 鑫，顧文斌

（江蘇九如建設有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

傳統的深基坑內支撐立柱通常是采用鉆孔灌注樁+鋼格構柱的立柱形式，這種施工工藝目前來講比較落后，施工過程中會產生大量的泥漿污染，而且鉆孔灌注樁的垂直度也一直比較難以控制，施工質量差，成本也相對較高，越來越難以滿足當前綠色建造和精益建造的發展理念。

筆者單位發明了一種預應力空心方樁+鋼格構柱的集成立柱形式，通過將預應力空心方樁和鋼格構柱進行裝配組合，有效克服了傳統做法的缺點，不僅減少了環境污染，而且提高了施工質量。本文結合樾河小學項目深基坑內支撐立柱的成功應用案例，對該種集成立柱的設計方案、施工流程以及施工質量控制要點進行了簡要介紹，可供類似工程參考。

1 項目簡介

1.1 工程概況

樾河小學項目包括行政樓 A、教學樓（B-C-DE-F）、地下車庫（含人防）及室外配套工程，位于江蘇省昆山市開發區南浜路南側、樾河路西側。本工程按綠色三星等級標準設計，并獲得江蘇省綠色施工示范工程。

本工程總用地面積為 39 635.6 m2，總建筑面積 41 067.49 m2，其中地上建筑面積 32 094.1 m2，地下 9 088.69 m2，所有單體均采用框架結構，地下 1 層，地上最高 5 層，最大建筑高度 23.6 m。項目整體效果圖如圖 1 所示。

圖1 項目整體效果圖

1.2 基坑概況

本工程地下一層地庫（含人防地庫）總建筑面積 9 088.69 m2，整體呈“Z”形，圍護面積約 9 200 m2，東西向最長處約 100 m，南北長約 180 m，圍護周長約 740 m。普通地庫挖深 4.9 m，南側人防地庫挖深 5.4 m。

基坑環境相對復雜。南側離紅線距離約 10.7 m，離紅線外的高層居民樓約 26.0 m，居民樓基礎形式為樁基礎，紅線外埋設有路燈等管線；北側離紅線距離約 10.7 m，離紅線外的市政道路約 16.7 m，紅線外埋設有污水管、天然氣管、雨水管等管線。

因此基坑圍護設計單位對南側 A 區和北側 F 區兩塊區域基坑均采用 SMW 工法樁+混凝土支撐的圍護方案，共設計了 37 根內支撐立柱（A 區 8 根，F 區 29 根），基坑平面布置圖如圖 2 所示。

2.1 預應力方樁基礎

由于本工程主體結構基礎采用預應力空心方樁，為了便于施工，下部方樁基礎采用同型號方樁 HKFZ-AB 500（310），以避免樁機打樁過程中換夾具，節省時間。

根據基坑圍護設計單位所提供的鉆孔灌注樁截面以及長度，根據文獻［1］的計算公式和地勘報告提供的土層參數進行等效承載力換算，經計算樁長取 22 m。

2.2 中部方樁插芯

中部方樁插芯用于連接下部預應力空心方樁基礎和上部鋼格構柱，其設計尤為重要。

根據計算，插芯采用 4 根長度 2.5 m的 L 型80 mm×10 mm 角鋼，綴板尺寸為 170 mm×100 mm×10 mm，間距 600 mm，底部為焊接直徑 290 mm、厚度 3 mm 的圓形托板（鋼材型號 Q235）。

2.3 上部鋼格構柱

上部鋼格構柱仍選用基坑圍護設計單位所提供的原設計方案，主要由 4 根長度 3.5 m 的 L 型 125 mm×12 mm 角鋼組成，綴板尺寸為 420 mm×300 mm×10 mm，間距 600 mm，鋼材型號 Q345。

2 集成立柱設計方案

在編制施工方案時將基坑圍護設計單位設計的鉆孔灌注樁+鋼格構柱的立柱形式改為預應力空心方樁+鋼格構柱的集成立柱形式，并一次性通過專家論證。集成立柱體系主要由下部預應力方樁基礎、中部方樁插芯、上部鋼格構柱以及連接節點四部分組成，各部分簡述如下。

圖2 基坑平面布置圖（單位：m）

2.4 連接節點設計

插芯上端焊接厚度為 20 mm 的連接端板（鋼材型號為 Q235），在該連接端板的下邊緣設置與方樁端板一致的坡口，并與之采用角焊縫連接；上部鋼格構柱再與連接端板進行焊接，并通過設置三角形加勁板加強連接節點的可靠性。

3 施工工藝流程概述

3.1 第一階段工藝流程

第一階段工藝流程與傳統做法不同，主要施工工藝流程如下。

空心方樁采購→上部鋼格構柱制作→中部方樁插芯制作→立柱測量放線定位→壓樁→中部方樁插芯吊裝→連接端板與方樁端板焊接→端板上部設置塑料薄膜保護層→中部方樁插芯灌漿并振搗密實→去除塑料保護層→清理連接端板→上部鋼格構柱定位→鋼格構柱與連接端板焊接（含內部加勁板）→補澆混凝土至第一道綴板頂面→送至設計標高。

3.2 第二階段工藝流程

第二階段工藝流程與傳統的鉆孔灌注樁+鋼格構柱施工工藝相同，即根據基坑設計要求進行基坑開挖、施工支撐直至開挖至基坑底面→墊層施工→鋼格構柱穿越底板部位進行止水鋼板焊接→底板施工→按照設計要求換撐、拆撐→拆除上部鋼格構柱。

4 施工質量控制要點

由于集成立柱需要提前制作，為防止由于前面的疏忽導致后續施工大面積返工，本工程根據方案先行、樣板引路的理念進行管控，通過大量前期充分準備工作對施工方案進行調整、確認，并梳理出各項施工質量控制要點，從而真正做到事前控制。各控制要點分述如下。

4.1 方案可行性確認

4.1.1 基礎截面

基礎截面主要包括預應力空心方樁邊長（B）和孔徑（D），其邊長需與上部鋼格構柱方形截面邊長（b）匹配，即 B>b；同時應確保上部鋼格構柱的 4 根角鋼（壁厚 d）均位于預應力空心方樁截面上，即 b/2-d>D/2。

本工程 B 為 500 mm，D 為 310 mm，b 為 440 mm，d 為 12 mm，滿足要求，截面對比如圖 3 所示。

圖3 基礎截面對比圖（單位：mm）

4.1.2 插芯截面

由于方樁生產工藝問題，在混凝土離心過程中孔洞內壁會遺留部分凹凸不平的浮漿，經統計，厚度大約在 20 mm 左右。

為保證插芯能夠順利插入下部空心方樁內，插芯鋼格構柱的截面邊長（b0）應滿足b0≤（D-2×20）/1.414=190；同時為保證灌漿質量，混凝土應相應能夠穿過 L 型鋼之間的空隙（取 30 mm），則單根 L 型角鋼邊長不宜大于（b0-30）/2=80 mm，截面對比如圖 4 所示。

圖4 插芯截面對比圖（單位：mm）

4.1.3 連接節點

在鋼格構柱端部設置的三角形加勁板尺寸高度為鋼格構柱的綴板高度，即300mm；角部的加勁板邊長應滿足［（b×1.414-120）/2-2×d-45］，即取為 180 mm；中部的加勁板邊長可取［（b-240-10）/2-20］，即取為 75 mm，平面圖和剖面圖分別如圖 5～ 6 所示。

圖5 連接節點平面圖（單位：mm）

圖6 連接節點剖面圖

4.2 節點焊接交底

4.2.1 三維建模

鋼格構柱與連接端板節點比較復雜，為控制焊接質量，提前采用 BIM 技術進行三維建模。為防止信息傳遞有誤，到項目部組織相關人員統一進行技術交底，讓電焊工事先直觀了解節點相關要求，增強感性認識，確保焊接質量，三維節點詳圖如圖 7 所示。

圖7 三維節點詳圖

4.2.2 焊接要求

焊接時要求質檢員專門按方案要求測量控制截面、垂直度、綴板間距，各節點焊縫的施工應滿足參考文獻［2］的要求，焊縫等級不低于二級。

4.3 樁基定位

下部空心方樁基礎的定位應按照基坑設計方案要求進行，測量放線定位誤差應符合參考文獻［1］的方樁樁位偏差的要求。

為便于支撐施工時的鋼筋排布，上部鋼格構柱的邊長方向應與混凝土內支撐方向保持平行，因此打樁時應重點注意控制方樁的邊長方向，定位要準確。

4.4 插芯灌漿

按照要求對方樁進行抱壓施工。在抱壓施工過程中應注意保持方樁的垂直度，待最后一節方樁的樁頂比自然地面高 1.2 m 左右時立即停止靜壓施工。隨后開始清理方樁端板，插入中部插芯，并將中部插芯的連接端板與下部方樁端板進行焊接。

待各節點焊接完成后，在中部插芯的連接端板頂面鋪設一層塑料薄膜保護層，在插芯范圍澆灌 C40 微膨脹混凝土，注意振搗密實，直至透氣孔處泛出混凝土漿液，去除連接端板的塑料保護層。

4.5 節點加固

吊裝上部鋼格構柱，注意調整其截面方向，將上部鋼格構柱與連接端板進行焊接，并焊接內側的加勁板，然后補澆混凝土至鋼格構柱下部第一道綴板的頂面。

澆灌插芯混凝土以及補澆連接端板上部的混凝土時，內部操作空間很小，混凝土澆筑比較困難，只能用小灰桶一桶一桶倒，耗時耗人工，應注意澆筑質量。

4.6 頂壓送樁

繼續利用靜壓樁機送樁，對于鋼格構柱樁頂標高低于自然地面的，采用送樁器進行送樁，直至鋼格構柱柱頂標高達到設計標高，注意應壓至不影響止水鋼板和底板鋼筋施工的深度。

本工程采用頂壓法送樁，壓至設計標高處時，壓樁機的上夾具剛好勉強夠到送樁器的底部。如果上部鋼格構柱超過一定長度，壓樁機行程不夠，就無法用該方法送樁，需要另做抱壓平臺，相對比較復雜。

5 工程應用實際效果

經與傳統的鉆孔灌注樁+鋼格構柱立柱形式對比分析，單根立柱節約成本近 8 000 元、節約工期約 2.5 h，共節約成本近 30 萬元、節約工期約 12 d，大大提升了施工效率，安全可控，施工質量得以大幅提升，獲得了業主及監理單位的一致好評。現場施工過程如圖 8 所示，現場應用效果如圖 9 所示。

圖8 現場施工過程圖

圖9 現場應用效果圖

6 結語

該集成立柱通過將空心方樁和鋼格構柱裝配組合，充分發揮兩者優勢。本技術適用于一道或多道內支撐支護的深基坑立柱，以及位于基坑內需要采用組合式基礎的塔吊立柱。預應力空心方樁和鋼格構柱均可先在工廠內提前加工制作，將二者運至工地現場后再進行裝配組合，施工效率高，工序可以前置，工期大大縮短。但是現場尚需對節點部位進行濕作業處理，只有去除所有的濕作業，同時盡量減少現場的焊接，這樣才能真正做到簡捷高效。該技術不僅提高了深基坑內支撐立柱的垂直度施工控制質量，而且有效減少了傳統鉆孔灌注樁+鋼格構柱施工方法帶來的泥漿對周邊環境的污染，加之采用靜壓法施工，噪音能夠得以有效控制，屬于環境友好型的一項綠色施工技術，經濟效益也相對比較高，值得在今后的項目中進一步推廣應用。