預應力管樁組合立柱施工技術(shù)應用研究

蔣 峰，周 杰，洪 鑫，朱建飛，張宗成

（江蘇九如建設有限公司，江蘇 昆山 215300）

0 引言

廈門某項目施工時發(fā)生地下室局部坍塌事故，專家調(diào)查組認定原因為臨時格構(gòu)立柱承重超負荷導致失穩(wěn)。筆者單位發(fā)明了兩種新型的深基坑內(nèi)支撐立柱：一種是將預應力空心方樁和和臨時鋼格構(gòu)柱進行組合；另一種是將預應力管樁和臨時鋼格構(gòu)柱進行組合，兩種組合方式既有相同點，也有不同之處。前者已經(jīng)在參考文獻［1］中結(jié)合具體工程實例進行了詳細介紹，但是該工程在施工時全部采用頂壓法送樁，將組合立柱壓到設計標高處時，壓樁機的上夾具剛好勉強能夠夾住送樁器的底部。因此參考文獻［1］提及如果上部鋼格構(gòu)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。但是，在鋼格構(gòu)柱中間隔一定距離設置抱壓平臺，不但能夠有效解決超長組合立柱抱壓施工的問題，同時也能在很大程度上提高立柱的穩(wěn)定性，增加其承載能力。

本文結(jié)合康居夏苑項目的成功案例，對帶抱壓平臺的預應力管樁組合立柱施工技術(shù)的應用研究過程進行闡述，可以供相類似的工程作參考。

1 基坑概況

康居夏苑項目位于昆山市康居路南側(cè)、思常路西側(cè)，項目整體定位圖如圖 1 所示。

本工程基坑總開挖面積約 62 349 m2，總支護長度約為 1 210 m，通過中間的后澆帶分隔為 2 個標段，由筆者單位承建的二期 B 標工程位于西側(cè)區(qū)域，總建筑面積約 101 704 m2，基坑開挖面積為 33 168 m2，基坑外圍支護周長為 604 m?；又苓叢捎?4.7 m 寬 φ700@1 000 雙軸水泥攪拌樁重力式擋墻，局部拐角區(qū)域因空間不足，無法施工重力式擋墻，采用 1.2 m 寬 φ700@1 000 雙軸水泥攪拌樁內(nèi)插 H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm 型鋼結(jié)合一道鋼筋混凝土角撐的圍護形式。鋼筋混凝土角撐混凝土設計強度 C 3 0，截面尺寸為 1 200 mm×800 mm。

圖1 項目整體定位圖

角撐處設計有 6 根內(nèi)支撐立柱，內(nèi)支撐立柱設計采用樁長為 20 m 的 φ70 0 鉆孔灌注樁內(nèi)插鋼格構(gòu)柱，鋼格構(gòu)柱采用 4 根 L 型角鋼，截面尺寸為 125 mm×10 mm，綴板尺寸為 380 mm×150 mm ×8 mm，綴板間距為 500 mm。由于內(nèi)支撐立柱的總體工程量較小，且上部只有一道水平支撐，受力體系簡單，適合進行新技術(shù)應用研究，因此筆者單位提請基坑圍護設計單位將內(nèi)支撐立柱改為帶抱壓平臺的預應力管樁組合立柱形式，出具了相應的技術(shù)核定單，并邀請行業(yè)專家進行論證。

傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁內(nèi)插鋼格構(gòu)柱的立柱形式在施工時，上部臨時鋼格構(gòu)柱的垂直度和截面方向難以控制，當其截面方向與混凝土內(nèi)支撐梁沿跨度方向存在交角時，容易造成內(nèi)支撐梁的鋼筋無法正常穿越臨時鋼格構(gòu)立柱，從而對其節(jié)點承載力造成不利影響。因此，評審專家一致認為：帶抱壓平臺的預應力管樁組合立柱施工技術(shù)在施工質(zhì)量控制方面具有一定優(yōu)勢，具有很大的推廣應用前景，推薦實施。

2 立柱設計方案

預應力管樁組合立柱主要包括預應力管樁、插芯鋼格構(gòu)柱、帶抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱以及連接節(jié)點 4 部分，分別簡述如下。

2.1 預應力管樁

為施工方便，本工程選用與主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)同型號的預應力管樁 PH C600（AB）-130，根據(jù)參考文獻［2］的計算公式和地勘報告提供的土層參數(shù)進行計算，由樁周土提供的單樁極限承載力為 1 368 kN，特征值取 684 kN；同時根據(jù)江蘇省省標圖集蘇 G03－2012《預應力混凝土管樁》，該種型號管樁樁身結(jié)構(gòu)軸心受壓承載力設計值為 4 000 kN，換算為特征值 2 963 kN，遠大于樁周土所提供的承載力，且以上數(shù)值均大于原基坑圍護設計單位要求的采用鉆孔灌注樁時的特征值 562.4 kN。

2.2 插芯鋼格構(gòu)柱

插芯鋼格構(gòu)柱用于連接預應力管樁和鋼格構(gòu)柱，本工程采用 4 根 L 型角鋼加綴板焊接而成，角鋼型號80 mm×10 mm，長度 2.5 m，綴板尺寸 170 mm× 100 mm×10 mm@600 mm，上部與連接端板焊接，下部與托板焊接，托板為圓形，直徑 290 mm、厚度 3 mm。鋼材型號均為 Q235B。

2.3 帶抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱

上部的鋼格構(gòu)柱原本可以直接選用原基坑圍護設計單位提供的方案，但采用預應力管樁組合立柱時應綜合考慮應如何進行靜壓施工的問題。本工程開挖深度較深，上部鋼格構(gòu)柱較長，無法采用頂壓法送樁，采用抱壓法施工時要做抱壓平臺。靜壓樁機的常規(guī)抱壓行程一般在 1.5～1.8 m，因此本工程結(jié)合靜壓樁抱壓施工特點需在鋼格構(gòu)柱相對應位置設置抱壓平臺。而且下部管樁為圓形，上部鋼格構(gòu)柱為方形，在施工下部管樁時采用圓形抱壓夾具，如果在施工上部鋼格構(gòu)柱段時將夾具更換成方形將費時費力。經(jīng)研究及反復試驗，在需要設置抱壓平臺的位置，采用鋼板制作成與管樁直徑相同圓環(huán)，通過加強鋼筋與鋼格構(gòu)柱綴板相連，做法具體如圖 2 所示。

圖2 抱壓平臺示意圖（單位：mm）

外鋼護筒外徑 600 mm，內(nèi)鋼護筒內(nèi)徑 150 mm，壁厚均為 3 mm；1# 加強筋長 190 mm，2# 加強筋長70 mm，直徑均為 18 mm，沿豎向間距 100 mm；加強筋與鋼護筒以及鋼格構(gòu)柱之間均采用焊接，抱壓平臺本身的高度為 500 mm，間距為 1.5～1.8 m，內(nèi)部澆灌強度等級為 C40 的混凝土。抱壓平臺的設置對于上部鋼格構(gòu)柱的穩(wěn)定性有很大的提高作用，在上部鋼格構(gòu)較長時可以對截面尺寸等進行優(yōu)化。本工程為安全起見，對上部鋼格構(gòu)柱進行加強，考慮施工偏心（1.5 %）影響，L型角鋼截面調(diào)整為 140 mm×12 mm，材質(zhì)相應調(diào)整為 Q345。

2.4 連接節(jié)點

本工程在鋼格構(gòu)柱端部焊接了一塊外徑為 600 mm 的圓環(huán)端板，厚度 20 mm，鋼材型號為 Q 235。為方便鋼格構(gòu)柱端板與管樁端板的焊接，在鋼格構(gòu)柱端板的接觸面設置與管樁端板一致的坡腳，在端板的內(nèi)部開設一個內(nèi)徑 150 mm 的圓孔用于滿足澆筑灌芯混凝土，同時在端板上設 4 個 10 mm 的透氣孔，用于澆筑混凝土時排氣。鋼立柱與端板連接通過內(nèi)外加勁板以及 4 根角鋼連接，鋼立柱最下沿增設一道 380 mm×150 mm×8 mm 綴板，在外側(cè) 4 塊綴板中部分別焊接 75 mm×150 mm×8 mm 的三角形加勁板，同時在格構(gòu)柱 4 根角鋼內(nèi)側(cè)分別焊接 180 mm×150 mm×8 mm 的三角形加勁板，確保立柱承擔的荷載能夠均勻傳遞至管樁頂部。

3 施工方法概述

在現(xiàn)場首次應用該技術(shù)時，將上部帶抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱與下部插芯鋼格構(gòu)柱通過連接節(jié)點整體一次性加工完成，結(jié)果同心偏差沒有能夠精確控制，導致后續(xù)在抱壓施工時需要調(diào)整夾具的時間花費較長。另外整體加工后澆灌樁芯混凝土時，澆筑振搗施工操作也不方便。經(jīng)過多次試驗調(diào)整后，最終形成完整的施工方法如下。

1）在場地內(nèi)提前集中加工和制作上部帶抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱、下部的插芯鋼格構(gòu)柱；

2）進行預應力管樁基礎(chǔ)靜壓施工，壓至規(guī)定標高后停止壓樁，開始吊裝插芯鋼格構(gòu)柱；

3）將連接端板與管樁端板進行焊接，焊接完畢后在連接端板上部設置塑料薄膜保護層；

4）進行灌漿并振搗密實，清理連接端板，撕掉塑料薄膜保護層；

5）開始吊裝上部帶抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱，進行立柱定位，控制立柱截面方向；

6）將上部鋼格構(gòu)柱與連接端板進行焊接，在其底部外側(cè)與連接端板交界處焊接加勁板；

7）補澆混凝土至上部鋼格構(gòu)柱底部的第一道綴板頂面處，繼續(xù)將立柱抱壓至設計標高；

8）根據(jù)基坑圍護設計要求進行基坑開挖、施工支撐直至開挖至基坑底面，施工墊層；

9）在立柱穿越底板的部位焊接止水鋼板，然后再施工地下室底板以及換撐帶；

10）按要求進行換撐、拆撐，以及拆除上部臨時鋼格構(gòu)柱，基坑圍護施工完成。

4 質(zhì)量控制措施

4.1 準備階段利用 BIM 技術(shù)交底控制

在前期施工準備策劃階段，應進行施工方案的深化和交底。對于復雜節(jié)點，采用 BIM 技術(shù)進行三維建模展示，例如立柱中部的連接節(jié)點做法，具體如圖 3 所示。

圖3 連接節(jié)點三維示意圖

4.2 抱壓平臺豎向及水平定位控制

抱壓平臺的豎向定位需要避開地下室的底板、頂板以及水平支撐等位置，防止上述位置的鋼筋無法穿越，因此必須進行各部位的結(jié)構(gòu)尺寸實際放樣。本工程鋼立柱為 4.5 m 長，結(jié)合靜壓樁施工設備的抱壓行程，分別在上部鋼立柱的頂部以下 1.0、2.5、4.0 m 處設置抱壓平臺，豎向標高偏差控制在 30 mm 以內(nèi)。同時，多個抱壓平臺水平方向的同心偏差必須越小越好。精度應控制在靜壓樁機夾具調(diào)整范圍內(nèi)，超過則無法進行抱壓。本工程將抱壓平臺的同軸度偏差要求控制在 5 mm 以內(nèi)。因此，在現(xiàn)場制作鋼格構(gòu)柱和抱壓平臺位置的鋼護筒時，應對其定位進行反復校準，精準把控，細化下料尺寸，如圖 4 所示。

圖4 抱壓平臺定位校準圖

4.3 上部鋼格構(gòu)柱豎立加固處理控制

在澆筑抱壓平臺時，應將上部鋼格構(gòu)柱豎立起來澆筑，不能平躺澆筑，如平躺澆筑容易造成抱壓平臺偏位，影響同軸度。又因為鋼格構(gòu)柱高度較高（需設置抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱高度通常在 4 m 以上），如搭設腳手架作業(yè)平臺則比較繁瑣，且安全性較低，因此現(xiàn)場采用向下開挖溝槽的方式，將鋼格柱向地下放置一定深度，同時采用鋼管對鋼格構(gòu)柱進行豎立加固處理，從而為澆筑抱壓平臺內(nèi)的混凝土做準備，如圖 5 所示。

圖5 鋼格構(gòu)柱豎立加固處理圖

4.4 抱壓平臺混凝土澆筑振搗控制

抱壓平臺的澆筑質(zhì)量應嚴格控制，如果混凝土不密實，內(nèi)部中空，則無法承受夾具橫向的壓力，稍有壓力外鋼護筒即產(chǎn)生變形，無法進行抱壓。因此，混凝土應至少提前 7 d 進行澆筑，振搗密實，養(yǎng)護至規(guī)定齡期?；炷连F(xiàn)場澆筑振搗如圖 6 所示，混凝土澆筑成型質(zhì)量如圖 7 所示。

圖6 抱壓平臺混凝土澆筑圖

圖7 抱壓平臺成型圖

4.5 插芯鋼格構(gòu)柱制作尺寸控制

插芯鋼格構(gòu)柱前期制作時一定要注意其截面能否順利插入管樁的空腔內(nèi)，要注意管樁生產(chǎn)時殘余浮漿對其產(chǎn)生的影響。由于內(nèi)部浮漿厚度可能沿長度方向不均勻，可采用與插芯鋼格構(gòu)柱同等長度、同樣輪廓的木制模具提前進行管樁內(nèi)徑實體檢驗，該模具包括上部端板和下部托板都應制作出。另外當?shù)?2 節(jié)管樁靜壓至地面標高時，需要安裝插芯角鋼（焊接格構(gòu)柱端板）后進行混凝土灌芯，因此前期制作時一定要注意核查插芯角鋼之間的空隙足夠，否則后期混凝土無法澆灌。

4.6 立柱整體垂直度偏差控制

立柱通過連接節(jié)點與管樁連接成整體之后，管樁的垂直度就會影響立柱的整體垂直度。因此首先要控制管樁施工的垂直度，垂直度控制不好會造成上部鋼格構(gòu)柱產(chǎn)生傾斜，立柱越高，傾斜越大。經(jīng)現(xiàn)場試驗，如不對垂直度進行控制，則鋼格構(gòu)柱的 4 根角鋼頂標高誤差可能高達 20 mm，導致上端不平整，如采用頂壓法施工時只能現(xiàn)場割，既耽誤了時間，又增加了壓樁的難度，因此務必對垂直度進行控制。樁基施工時的垂直度控制目前一般采用跟蹤測量方法。測量放線定位誤差應符合參考文獻［2］的樁位偏差的要求，確保樁身的垂直度＜ 0.5 %，并保證樁位準確。因此對于立柱的整體垂直度偏差要求≤ 1/200，立柱與管樁的平面整體定位偏差≤20 mm，同時通過測量校正復核，保證其垂直度。

4.7 立柱截面方向定位控制

為確保上部混凝土內(nèi)支撐的縱向鋼筋順利穿越立柱，應對立柱的截面方向進行控制，確保其 4 個面中的至少一個面與支撐軸線方向保持平行。因此，安排專人對就位后的鋼格構(gòu)柱進行檢查，主要檢查截面方向，確保其截面布置方向與設計圖一致，邊長方向應與混凝土內(nèi)支撐方向保持平行，調(diào)整控制鋼立柱截面布置方向后方可進行連接節(jié)點的焊接施工。

4.8 連接節(jié)點焊接質(zhì)量控制

鋼格構(gòu)柱與管樁連接節(jié)點的最薄弱位置主要位于內(nèi)插型鋼與端板的焊接，故要對該節(jié)點處的角焊縫進行焊縫強度計算，包括能夠承受的水平力和抗拔力兩大指標。為保守起見，本工程對角鋼的兩側(cè)均進行焊接，進一步提升該節(jié)點處的承載能力。應安排專業(yè)工人進行制作焊接，嚴格把關(guān)焊工持證上崗，并在施焊前進行技術(shù)交底，進行鋼立柱與端板清理焊接。端板應縮進 10 mm 或留設坡口，方便焊接。對稱施焊，焊縫等級最低二級，焊接質(zhì)量滿足參考文獻［3］的要求，如圖 8 所示。

圖8 連接節(jié)點焊接成型圖

4.9 樁芯混凝土澆灌質(zhì)量控制

上部鋼格構(gòu)柱端板與管樁端板焊接完畢后，在端板上部設置熟料薄膜保護層，然后進行樁芯 C40 微膨脹細石混凝土的澆筑灌漿，利用端板上留設的排氣孔進行排氣，確保管樁插芯部位充填混凝土，控制密實度。振搗密實后撕掉熟料保護層，清理端板。由于內(nèi)部操作空間很小，操作比較困難，因此現(xiàn)場只能用小灰桶一桶一桶倒，對于工人技術(shù)要求較高。樁芯混凝土澆至鋼格構(gòu)柱最下排綴板的頂面（即鋼立柱端板上 150 mm），澆筑完成方可抱壓安裝鋼格構(gòu)柱。

4.10 立柱豎向標高抱壓控制

在鋼格構(gòu)柱穿越底板部位需要進行止水鋼板節(jié)點焊接，然后再進行底板施工。因此在將鋼格構(gòu)柱進行抱壓時，應按照實際的底板標高進行控制，必要時將鋼格構(gòu)柱往下多壓一點，以使得鋼格構(gòu)柱底部澆筑混凝土的第一道綴板避開底板位置，以防止底板鋼筋無法穿越，止水鋼板無法焊接。

5 結(jié)語

本工程通過將帶抱壓平臺的鋼格構(gòu)柱提前加工制作后，在現(xiàn)場與預應力管樁進行裝配組合，施工效率高，工序可以前置，不僅大大縮短了工期，而且有效提高了深基坑內(nèi)支撐立柱的施工控制質(zhì)量。本技術(shù)創(chuàng)造性地采用了抱壓平臺的做法，有效解決了靜壓樁機行程不足的問題，已申請相關(guān)發(fā)明專利（專利號為：ZL 2015 2 0850280.5），并成功申報江蘇省省級工法。