一柱一樁全自動(dòng)激光測(cè)斜與高精度調(diào)垂技術(shù)研究

蒲 洋

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

1 工程概況

北外灘白玉蘭廣場(chǎng)位于上海市虹口區(qū)北外灘區(qū)域，總建筑面積413 175 m2（其中地上建筑面積249 466 m2）。北外灘白玉蘭廣場(chǎng)擬采用“分區(qū)施工，順逆結(jié)合”方法施工，根據(jù)工程情況初步將基坑劃分為A、B、C、D、E五個(gè)區(qū)域。

在白玉蘭項(xiàng)目中，C區(qū)裙房基坑開挖深度約為21 m，采用逆作法施工。棧橋立柱設(shè)計(jì)為φ550 mm×16 mm鋼管混凝土柱，支撐立柱設(shè)計(jì)為∠200 mm×24 mm角鋼格構(gòu)柱，樁均為TZ5型樁。

其中，鋼管（格構(gòu)）柱垂直度設(shè)計(jì)要求1/400，鋼管（格構(gòu)）柱埋深均≥4 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為水下C40，鋼管內(nèi)及樁頂標(biāo)高以下8 m段混凝土強(qiáng)度為水下C50（C60）。

一柱一樁不僅要發(fā)揮工程樁的功能，同時(shí)也要作為施工階段的重要承重構(gòu)件，其垂直度與成樁質(zhì)量比一般工程要求更高[1-3]。施工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：如何保證樁孔的垂直度，如何安裝并固定鋼立柱，采用何種方法測(cè)試垂直度并指導(dǎo)鋼立柱調(diào)垂。解決上述3個(gè)問題，是保證立柱樁質(zhì)量的關(guān)鍵所在[4-6]，因此，在本工程中采用了如下措施進(jìn)行垂直度的調(diào)整。

2 復(fù)雜地形條件下一柱一樁全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔施工技術(shù)

上海白玉蘭廣場(chǎng)項(xiàng)目地層復(fù)雜，擬建場(chǎng)地為古河道沉積區(qū)，中部（深度20.0～55.0 m）土層起伏變化較大，且部分樁離地下連續(xù)墻外墻較近，樁與樁凈距較小，對(duì)鋼立柱樁的施工造成了不利影響。為了保證一柱一樁成樁垂直度及鋼立柱垂直度，工程中選用RT-150Ⅱ型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行復(fù)雜地層的鉆穿，鋼套管的長(zhǎng)度為33 m，鉆孔鋼套管直徑為1.5 m，孔深為30 m。鉆孔位于鉆孔灌注樁中心，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)樁徑為1.5 m，一柱一樁孔徑為1.3 m。

全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的施工流程為：施工鋼筋混凝土地面→與樁同心，鉆入1.5 m直徑的鋼套管（深度約30 m）→固定鋼套管→下入直徑1.4 m，壁厚6 mm內(nèi)襯管（插入地層中）→拔出鋼套管（保留內(nèi)襯管）→工程鉆機(jī)成孔，灌注成樁。

為了避免一柱一樁混凝土灌注完成后，拔出φ1 500 mm鋼套管時(shí)，鋼立柱垂直度受到影響，也為了防止鋼立柱四周空孔內(nèi)的回填碎石及注漿后的孔壁受到擾動(dòng)而擠壓鋼立柱，施工中采取了在φ1 500 mm鋼套管內(nèi)下入φ1 400 mm×6 mm鋼內(nèi)襯管的解決措施，確保內(nèi)襯管下入孔內(nèi)時(shí)的軸心與樁中心完全重合，管底插入土層后，管口上端與鋼套管間隙打入木塞固定。φ1 500 mm鋼套管拔出后，鋼內(nèi)襯管留在孔內(nèi)，待基坑開挖時(shí)割除。

3 一柱一樁鋼立柱二次調(diào)垂定位技術(shù)

本工程先用全球定位系統(tǒng)GPS定出樁位，再將鋼制定位板放置在樁位處，如圖1所示，然后利用高精度測(cè)量?jī)x器進(jìn)行微調(diào)，確保定位偏差小于5 mm。

圖1 鋼制定位板

測(cè)量定位完成后，將孔口定位調(diào)垂鋼板用膨脹螺絲固定在樁孔四周的硬地坪上，使鋼板孔中心軸線與樁孔中心軸線重合，如圖2所示。采用此方法可能會(huì)出現(xiàn)管口固定不牢靠的問題，導(dǎo)致孔口出現(xiàn)偏差。因此，本工程對(duì)鋼管柱孔口安裝進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)鋼管柱孔口固定如圖3所示。

圖2 定位板安裝示意

圖3 現(xiàn)場(chǎng)鋼管柱孔口固定

4 利用鋼絲繩與定位環(huán)裝置的鋼管柱調(diào)垂控制技術(shù)

在一柱一樁試樁期間及施工開始階段，采用在樁鋼筋籠頂部，即鋼立柱下端對(duì)稱安裝4個(gè)千斤頂?shù)姆椒ㄗ鳛檎{(diào)整裝置，如圖4所示。

圖4 原調(diào)垂裝置

現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析表明，采用千斤頂調(diào)垂難度較大，操作不方便，且在混凝土澆搗至鋼管樁底時(shí)，須將千斤頂取出，若混凝土澆搗過(guò)程中導(dǎo)致鋼管樁發(fā)生垂直度偏差，則無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了便于鋼立柱垂直度的調(diào)整和固定，減少施工程序，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將鋼立柱下端對(duì)稱安裝在鋼筋籠頂端的4個(gè)千斤頂取消，改為在鋼立柱下端對(duì)稱安裝4根鋼絲繩，如圖5所示，以此對(duì)鋼立柱的垂直度進(jìn)行調(diào)整和固定。

圖5 改進(jìn)后調(diào)垂裝置

該調(diào)垂固定方式操作簡(jiǎn)易，孔內(nèi)調(diào)垂空間大，地面上可通過(guò)拉伸連接在鋼管下端不同方向的鋼絲繩調(diào)整鋼立柱的垂直度。鋼立柱垂直度調(diào)整完成后，將連接在鋼管壁上的4根鋼絲繩同時(shí)拉緊。

此方法對(duì)鋼管下端的固定簡(jiǎn)單有效，減小了混凝土灌注時(shí)對(duì)鋼管柱垂直度的影響。

調(diào)垂鋼絲繩安裝方法：

1）在鋼筋籠錨筋頂端焊接1道φ25 mm加強(qiáng)筋，鋼絲繩繞過(guò)該加強(qiáng)筋后再拉住鋼立柱調(diào)垂。由于鋼筋籠自重＞10 t且與孔壁間配有保護(hù)塊，因此，在拉伸鋼絲繩調(diào)垂過(guò)程中不會(huì)影響鋼筋籠的垂直度。

2）為了保證灌注后的鋼管垂直度，鋼絲繩調(diào)垂后不拆除，仍留在樁孔內(nèi)。

5 一柱一樁施工全過(guò)程全自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)垂控制方法

在一柱一樁試樁時(shí)，采用了將測(cè)直管與測(cè)斜儀相連，進(jìn)行垂直度計(jì)算的方法，如圖6所示。此方法因鋼管柱的長(zhǎng)度（23 m）比測(cè)直管長(zhǎng)度（10 m）長(zhǎng)很多，易導(dǎo)致垂直度誤差較大，且測(cè)斜速度較慢，精度不高，不利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，同時(shí)，在混凝土澆搗過(guò)程中極易造成對(duì)測(cè)直管的破壞，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行測(cè)斜。因此，本工程改用全自動(dòng)調(diào)垂法進(jìn)行垂直度的檢測(cè)，如圖7所示。

圖6 原測(cè)直管安裝示意

圖7 激光傾斜儀安裝示意

全自動(dòng)測(cè)斜儀由測(cè)斜儀和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。測(cè)斜儀是結(jié)合激光和測(cè)斜儀原理開發(fā)的一種內(nèi)置微型激光精密測(cè)斜儀，在鋼管表面安裝測(cè)斜儀并通過(guò)激光束來(lái)確定鋼結(jié)構(gòu)柱的安裝位置，利用傾斜儀的輸出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼管架設(shè)后的鋼管格構(gòu)柱傾斜狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)程序，將傾斜儀直接與計(jì)算機(jī)或配套的顯示儀表連接，可以很容易地讀出鋼立柱樁的垂直度、傾斜角度以及偏移量。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1）高效率：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反映被測(cè)鋼格構(gòu)柱柱體的傾斜變化情況。

2）高性能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍可以達(dá)到30 m以上。

3）高精度：理論測(cè)量精度在1/1 500以上。

4）重復(fù)精度高。

5）安裝簡(jiǎn)單。

6 一柱一樁調(diào)垂階段控制原則

采用了鋼絲繩調(diào)垂及全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)垂的方法，使得調(diào)垂操作簡(jiǎn)易，傾斜數(shù)據(jù)直觀，保證可以多次測(cè)量鋼管柱的垂直度，并及時(shí)調(diào)整垂直度，提高了施工精度。在工程中，安排了如下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行垂直度檢測(cè)和調(diào)整。

1）鋼管柱孔內(nèi)安裝完成后檢測(cè)一次，利用鋼絲繩調(diào)垂，使其垂直度達(dá)到設(shè)計(jì)的1/600要求后進(jìn)行下道工序。

2）第2次清孔后檢測(cè)一次，利用鋼絲繩調(diào)垂，使其垂直度達(dá)到設(shè)計(jì)的1/600要求后進(jìn)行下道工序。

3）當(dāng)混凝土澆筑到鋼管柱底部時(shí)，檢測(cè)一次垂直度，此時(shí)可能會(huì)因澆筑鉆孔灌注樁導(dǎo)致鋼管柱發(fā)生偏差，若發(fā)生偏斜則利用鋼絲繩調(diào)垂。

4）當(dāng)混凝土澆筑至鋼管柱底部向上1 m時(shí)，再檢測(cè)一次，此次調(diào)垂后，鋼管柱發(fā)生大偏移的可能性減小。

5）混凝土灌注完畢后再檢測(cè)一次，以確定鋼管柱最終垂直度。

6）嚴(yán)格控制水下C50混凝土的坍落度，以減少混凝土灌注時(shí)對(duì)鋼管柱的影響。

7 工程應(yīng)用效果

在逆作法一柱一樁鋼構(gòu)柱施工完畢后，對(duì)鋼構(gòu)柱的平面定位與垂直度的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 鋼管一柱一樁垂直度統(tǒng)計(jì)

結(jié)果表明，垂直度基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有很大一部分甚至高于設(shè)計(jì)的垂直度要求。通過(guò)本工程一柱一樁鋼構(gòu)柱的施工，得到了如下成果：

1）在一柱一樁鋼構(gòu)柱施工過(guò)程中，首先進(jìn)行平面定位，通過(guò)特制的鋼支架，精確地對(duì)鋼構(gòu)柱的平面位置進(jìn)行確定。通過(guò)改進(jìn)管口柱孔，保證了鋼構(gòu)柱的水平定位不受后續(xù)施工工序的影響，從而確保了一柱一樁鋼構(gòu)柱的平面定位精度。

2）通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)用的鋼絲繩調(diào)垂法，不僅使施工操作簡(jiǎn)便，同時(shí)節(jié)約了施工成本，并且可以隨時(shí)進(jìn)行鋼構(gòu)柱垂直度的調(diào)整，節(jié)省了施工時(shí)間，提高了垂直度的精度。

3）利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以迅速、直觀地掌握鋼構(gòu)柱垂直度的變化情況，精度高，操作方便，并且可以很好地配合鋼絲繩調(diào)垂，從而對(duì)鋼構(gòu)柱的垂直度進(jìn)行調(diào)整，既方便施工，又保證施工質(zhì)量。