水利工程中鋼立柱灌注樁施工安全與質量控制要點

胡曉輝

（上海勤達水利工程有限公司，上海 201413）

0 引言

基坑工程在水利工程中應用越來越廣泛。鑒于城市內有限的空間，很多城市水利工程設計了內支撐支護垂直基坑，應用最多的結構為泵站、水閘等結構工程。在上海市的城市水利工程中，鋼立柱灌注樁是內支撐支護基坑工程中最常用的豎向支承結構之一，其施工過程的安全與質量控制對整個水利工程的建設有著極為重要的作用。本文就水利工程中鋼立柱灌注樁施工安全與質量的控制要點進行分析。

1 鋼立柱灌注樁的工藝特性

采用內支撐支護結構的深基坑工程，在基坑內部需要設置支撐梁的豎向支承體系，以承受來自支撐梁自重和施工荷載等。豎向支承體系是內支撐支護結構的關鍵構件，要求具有足夠的強度和剛度，同時截面不宜過大，故一般采用鋼立柱插入樁基的形式[1]。根據支撐荷載的大小，立柱一般可采用角鋼格構式鋼立柱、H型鋼立柱或鋼管柱，立柱下的樁基常采用灌注樁及鋼管樁。角鋼格構式鋼立柱具有承載力較大、構造簡單及便于加工的特點，與上海市大型泵站、水閘等結構工程多采用的灌注樁基礎相結合，形成角鋼格構式鋼立柱結合灌注樁。即在鋼筋籠、鋼立柱下放后，導管插入鋼立柱及鋼筋籠中澆筑混凝土至灌注樁頂將鋼立柱及灌注樁連接成一體即為鋼立柱灌注樁。

工程中鋼立柱灌注樁根據樁基功能分為兩種：永久結構工程樁及基坑臨時樁。考慮到控制建設工程造價，鋼立柱下插樁一般充分利用結構工程樁，在空間上無法利用工程樁時，再在合適位置加設臨時樁，但是對于鋼立柱，不同于其它專業工程，水利工程一般無臨時鋼立柱與框架柱結合構造。

角鋼鋼立柱即每根柱由4 根等邊角鋼組成柱的4個主肢，4 個主肢間用綴板進行連接，共同構成鋼格構柱。工程中最常用的規格有L140×14，L160×16，L180×18 等。角鋼的選型涉及到鋼立柱結構受力、造價、下插樁基直徑等因素，規格太小，則結構受力不能滿足要求，規格太大，則造價高，造成成本浪費。考慮到避讓臨時支撐及結構的鋼筋，鋼立柱拼接采用從上至下平行、對稱分布的鋼綴板，同時后續混凝土澆筑時，混凝土導管需從鋼立柱穿過，為防止導管上拔過程中被鋼立柱卡住，格構式立柱的截面常規不小于380mm×380mm。鋼立柱截面與立柱樁樁徑的關系為：截面 B≤460mm，立柱樁樁徑 D≥800mm；截面 B≤480mm，立柱樁樁徑≥850mm；截面B≤500mm，立柱樁樁徑D≥900mm[2]。對于灌注樁鋼筋籠內徑小于鋼立柱對角線長度的情況，常規采取將灌注樁頂部至鋼立柱底以下一定范圍內進行擴徑處理的方案，在保證鋼立柱樁承載力的同時能夠控制工程造價。

為了滿足下部連接的穩定與可靠，鋼立柱一般需要插入灌注樁，插入的長度應根據計算確定，一般不宜少于2m[2]。通常插入深度為3～4m，上海市幾項水利工程的鋼立柱插入灌注樁中的長度均為3m。對于下插鋼立柱是否要與鋼筋籠焊接，通常認為，只要滿足計算插入樁體深度，鋼立柱無需與鋼筋籠焊接。但是施工過程中，施工人員通常采取上節鋼筋籠與鋼立柱焊接一同下放的工藝，因為如果鋼立柱不與鋼筋籠焊接同時下放，會存在以下施工問題：（1）鋼筋籠、鋼立柱需分別設置吊筋，施工成本增加；（2）鋼筋籠下放之后，鋼立柱下放時可能會觸碰鋼筋籠，導致鋼立柱無法下放至設計位置。但是，鋼立柱與鋼筋籠焊接會增加鋼立柱垂直度控制的難度。

2 鋼立柱灌注樁施工安全控制要點

2.1 鋼立柱灌注樁打樁階段

鋼立柱灌注樁打樁階段的安全管控要點主要包括以下幾方面：（1）鋼筋籠加工、安裝時的電焊作業；（2）鉆機、沖孔機等機械傷害；（3）泥漿泵、照明等臨時用電；（4）設備檢修、澆灌混凝土時的高處作業；（5）鋼筋籠的吊裝作業；（6）成孔后的洞口防護。（7）鋼立柱的吊裝，灌注樁鋼筋籠主要采用鉆機自帶的卷揚機起吊、下放，鋼立柱由于較重，一般需要采用吊機進行安放。施工中安全管理人員需嚴格監控各道施工工序。

2.2 基坑實施階段

在基坑開挖階段，由于鋼立柱矗立在基坑中，一定程度上限制了挖機等設備的旋轉半徑，鋼立柱樁設計主要承受豎向荷載，因此基坑開挖階段，務必確保挖機不得碰撞鋼立柱，防止影響支撐體系穩定，同時避免鋼立柱兩側土方不均勻開挖，減少鋼立柱水平力的影響。

2.3 鋼立柱拆除階段

水利工程中，如果鋼立柱不在設計墩墻結構中，后續則需拆除處理。鋼立柱與鋼支撐連接時，僅需切割掉鋼牛腿等構件；而與鋼筋混凝土支撐連接時，由于目前鋼筋混凝土支撐拆除常采取鋸切法，而立柱處為多道支撐梁連接處，節點復雜，很難切除到該跨支撐梁根部，因此必須結合吊裝設備、吊距等進行計算，確定立柱處支撐梁保留體積。

鋼立柱拆除時有一個較大的隱患，就是鋼立柱根部切割過程中，常規操作是采用吊車用鋼絲繩捆綁住鋼立柱上部，使用氧氣乙炔焰切割鋼立柱與基礎連接處，在鋼立柱最后一片角鋼切割完成、鋼立柱可以自由移動的一剎那，需防止鋼立柱傾倒傷害底部切割工人。因此，鋼立柱、支撐梁等的拆除需編制專項施工方案，嚴格按照施工方案實施。

3 鋼立柱灌注樁施工質量控制要點

3.1 鋼立柱打樁階段

3.1.1 鋼立柱加工

鋼立柱加工前需校核其長度和綴板的位置等參數，必須根據水工結構圖紙、基坑圍護圖紙等校核每根鋼立柱的設計長度，防止加工信息錯誤。一般來說，鋼立柱設計圖紙中綴板為均勻分布，從結構受力來說，圖紙不存在問題，但往往不會考慮到鋼立柱綴板與支撐梁鋼筋、水工結構基礎的鋼筋與綴板碰撞問題，為了減少后期對鋼綴板的破壞，鋼立柱加工前可以結合支撐梁的鋼筋、結構基礎的鋼筋等可能與鋼綴板碰撞部位的施工圖紙，在鋼綴板總數量不變的情況下，對影響部位的鋼綴板位置進行微調，然后請設計復核，將每根鋼立柱的鋼綴板布置、長度、截面尺寸、材料規格等參數出圖給鋼構件加工廠家。廠家加工好后對每根立柱進行編號，出廠前進行出廠驗收。

3.1.2 鋼立柱樁位測量放樣

設計時鋼立柱樁往往是多根樁在同一軸線上，因此鋼立柱樁位超過設計偏差時帶來的影響會很大：（1）由于支撐梁有一定的截面尺寸，樁位偏差可能會導致支撐梁無法包裹鋼立柱，節點處需重新設計，部分改變了支撐設計體系，施工成本增加；（2）在基坑高程漸變處，鋼立柱樁位偏差，可能導致設計灌注樁高程或已按原設計加工的鋼立柱不滿足使用要求；（3）部分鋼立柱可能設計在靠近基坑圍護樁的墩墻里，如鋼立柱樁位偏差導致鋼立柱不能完全包裹在墩墻的鋼筋結構中（鋼立柱露出墩墻迎水面），此時基坑換撐需要完成墩墻的澆筑，但是鋼立柱影響到墩墻的正常施工，可能導致鋼立柱處局部墩墻需要二次施工，不僅影響墩墻整體受力性能，而且可能會影響水利工程通水工期，同時部分影響墩墻混凝土的外觀效果；（4）基坑開挖出來后，各軸線鋼立柱偏差過大，影響整體基坑工程外觀，甚至可能影響上部棧橋的荷載，需要進行限載甚至立柱加固，沒有實現原設計用途，浪費建設成本。因此鋼立柱施工時技術人員必須嚴格計算復核樁位坐標，測量放樣后，在地面上做出明顯標記，同時需經測量監理復核后才可開鉆施工。

3.1.3 灌注樁成孔

灌注樁成孔過程中主要是控制孔深、孔徑、成孔垂直度等。與常規灌注樁施工相比，鋼立柱樁成孔對灌注樁的成孔垂直度要求更高，根據《鉆孔灌注樁施工標準》（DG/TJ 08-202-2020）：基礎樁成孔垂直度允許偏差為≤1/100，支撐立柱樁成孔垂直度允許偏差為≤1/150，立柱垂直度偏差不應大于1/200[3]。很多工程中都采用的是最后一節鋼筋籠與鋼立柱焊接一起下放，因此成孔垂直度直接影響到后期鋼立柱安裝垂直度，為了保證鋼立柱垂直度允許偏差能夠滿足不大于1/200的規范要求，因此灌注樁成孔時必須提高成孔時的垂直度標準，控制不大于1/200。成孔前使用校正后的測量設備精確定位，測量鉆桿垂直度、鉆機磨盤平整度（部分工程會采取硬化地坪或采用預制鋼筋混凝土平臺措施），成孔過程中控制泥漿性能，及時根據地質情況調整鉆桿鉆速，使用測斜儀測量成孔垂直度。

3.1.4 鋼筋籠及鋼立柱安裝

鋼筋籠一般在現場專用鋼筋加工場地加工，鋼筋籠加工好后應實行掛牌驗收，每節籠上標明鋼筋籠直徑、長度、主筋規格等，監理驗收完后才允許鋼筋籠運至成孔處。鋼筋籠運輸應采用專用機械，吊裝過程中防止鋼筋籠變形、焊點脫焊等情形發生。鋼筋籠安裝入孔時，應保持垂直狀態，對準孔位徐徐輕放，避免碰撞孔壁，嚴禁下放困難時，野蠻入孔，一旦發生此種情況，應清除障礙物后再下放。

鋼立柱在工廠分段加工好后，運至現場吊裝，必須確保灌注樁與相應編號的鋼立柱對應。鋼立柱吊裝焊接至灌注樁最上節鋼筋籠中，滿足插入深度，鋼立柱的安裝控制重點是高程、平面位置以及垂直度。對于高程控制，要結合樁機選型、地表高程考慮。水利工程中有的工程需要對老河道回填施工，因此土方回填時，從施工成本角度，回填至首道撐底部工程量最小，但是需考慮到一般設計鋼立柱需錨入鋼筋混凝土支撐梁中約60cm，同時鋼立柱不能影響施工完成后的導軌式灌注樁移動，因此這種情況下，最優方案是土方回填至鋼立柱設計頂高程處。對于原地面較高的結構，必須計算準確吊筋的長度，防止后期鋼立柱不能滿足錨固要求以及灌注樁沒達到有效設計樁深。鋼立柱安裝的平面允許偏差為20mm，同時為了減少立柱樁對支撐梁及主體結構基礎鋼筋施工的影響，立柱樁轉向不宜大于5°，鋼立柱的垂直度要求為不大于1/200[4]，鋼立柱樁的平面位置和垂直度累計偏差對基坑工程及主體工程的重要性已在前文所述，為了控制鋼立柱安裝效果，工程實踐中積累了多種控制方法，主要分為氣囊法、機械調垂架法和導向套筒法三大類。其中機械調垂法是最經濟實用的，因此大量應用于內支撐體系中的鋼立柱施工中[1]。盧海燕[5]、黎海航[6]、徐松杰[7]、葉江忠[8]等人均對鋼立柱樁調垂技術進行了研究，并取得了較好的工程效果。

3.1.5 灌注樁清孔

上海地區支護樁允許沉渣厚度≤200，工程樁（摩擦型）允許沉渣厚度≤100，但是鋼立柱樁無論是否兼做永久工程樁，都不能作為支護樁看待，因為立柱樁工作期間處于單樁受荷狀態，各樁之間的不均勻沉降控制要求甚至比工程樁更高[4]，因此施工時必須嚴格控制樁底沉渣厚度，減少立柱樁受荷沉降。

3.1.6 混凝土澆灌

采用設計標號的混凝土澆灌至設計樁頂標高1m，確保樁基質量，但是嚴格控制混凝土超高，減少后期混凝土鑿毛工程量。

3.2 基坑實施階段

在前述微調鋼立柱綴板的基礎上，如果因為鋼立柱樁施工偏差仍導致鋼立柱與支撐梁、主體基礎鋼筋發生碰撞，在設計同意的情況下，可以采用氧氣-乙炔焰切割綴板，綴板切割時應按照最小破壞原則，切割后在鋼立柱上補足不少于原來面積的綴板，但是角鋼嚴禁破壞。如鋼筋與鋼格構柱角鋼相遇穿不過去時，將鋼筋在角鋼處斷開，采用同直徑幫條鋼筋同時與角鋼和支撐梁鋼筋焊接，焊接滿足相關規范要求[9]。

基坑開挖土方鋼立柱暴露出來后，應及時復核鋼立柱的水平偏差和豎向垂直度，應根據實際的偏差測量數據對鋼立柱的承載力進一步校核。當施工偏差嚴重時，應與設計商討采取限制荷載、加固等措施確保鋼立柱承載力滿足要求。

鋼立柱穿越基礎底板范圍將成為地下水往上滲流的通道，因此在底板施工時需鑿除、清理鋼立柱內雜物，在鋼立柱構件周邊加焊止水鋼板，止水鋼板焊接于底板中間高程。對于設計在墩墻內部的鋼立柱，在墩墻施工前，還應將鋼立柱內部的渣土等全部鑿除，確保鋼立柱與墩墻鋼筋混凝土結構連接成整體。

3.3 鋼立柱拆除階段

基坑換撐完成，具備拆除鋼立柱的條件時，采用氧氣-乙炔焰從立柱根部切割。但此時，結構底板已完成，鋼立柱殘余部分會高出底板面。考慮到水利工程的結構底板多是過流，需要抗沖刷，而且部分工程為出海泵站、水閘，鋼筋混凝土耐久性要求更高，因此鋼立柱根部處理比其它工程要求更高。將埋入底板范圍的鋼立柱周邊5cm 混凝土鑿除至底板面層鋼筋，使用氧氣-乙炔焰切割完全，切割過程中禁止破壞結構鋼筋，鋼立柱范圍內完全鑿毛，然后澆筑摻加微膨脹劑的高一等級標號的混凝土，覆蓋養護至設計強度。

4 結束語

鋼立柱灌注樁在水利工程基坑工程中發揮重要的作用，鋼立柱灌注樁施工安全與質量對水利工程的建設效果有著極其重大的影響。本文結合水利工程的特點，闡述了鋼立柱施工全過程中的安全、質量控制要點，為行業類似工程提供借鑒。其中，關于鋼立柱灌注樁垂直度控制問題，是鋼立柱灌注樁施工中最難控制的指標，仍需要進行更多的研究。