高精度超長準(zhǔn)直樁雙層鋼護(hù)筒施工技術(shù)

范銳釗 曹丙山 趙國強(qiáng) 趙夢廣 曹天祥 伏 靖

北京市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 北京 102628

在建筑工程量領(lǐng)域，雙層鋼護(hù)筒一般用于超高層建筑的試驗樁，主要目的是加快試驗樁的施工進(jìn)度，在土方開挖前，通過提前設(shè)置雙層鋼護(hù)筒阻隔外護(hù)筒長度范圍內(nèi)樁身與土體接觸，消除此范圍內(nèi)土體對試樁的影響。此種雙層鋼護(hù)筒的長度為自然地面至設(shè)計基坑底標(biāo)高面的深度，一般不超過30 m，如昆明恒隆廣場試驗樁雙護(hù)筒的長度為29.2 m，天津高銀117大廈試驗樁雙護(hù)筒的長度為26.5 m，昆明景成大廈試驗樁雙護(hù)筒的長度為26 m等[1-4]。

為了消除隧道底板及土體對準(zhǔn)直測量的影響，保證科學(xué)裝置進(jìn)行科學(xué)試驗的精確度，本文結(jié)合高能同步輻射光源項目準(zhǔn)直樁雙層鋼護(hù)筒的工程實例，對高精度超長準(zhǔn)直樁雙層鋼護(hù)筒的設(shè)計、加工制作、現(xiàn)場拼裝、吊裝及校正等進(jìn)行了詳細(xì)介紹[5-11]。

1 工程概況

高能同步輻射光源（HEPS）項目（圖1）是國家“十三五”期間優(yōu)先建設(shè)的重大科學(xué)裝置，建成以后將是中國的第一臺第四代同步輻射光源。同時，HEPS擁有世界最高的光譜亮度，高于目前世界上現(xiàn)有的和正在建設(shè)的光源，可為基礎(chǔ)科學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域的原創(chuàng)性、突破性創(chuàng)新研究提供重要支撐，是一項具有劃時代意義的工程項目。

圖1 高能同步輻射光源項目效果圖

為了建立高能同步輻射光源項目加速器一級地面控制網(wǎng)，同時為以后的維護(hù)、改造和變形監(jiān)測等工作提供基準(zhǔn)，在1#裝置區(qū)儲存環(huán)隧道內(nèi)呈90°布置布設(shè)了3個永久準(zhǔn)直控制點(diǎn)，其采用了超長無干涉雙層鋼護(hù)筒準(zhǔn)直樁結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 超長無干涉雙層鋼護(hù)筒準(zhǔn)直樁結(jié)構(gòu)

超長無干涉雙層鋼護(hù)筒準(zhǔn)直樁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁，樁徑為1 000 mm，編號分別為P05R、P06R、P07R和P08R，底部嵌入基巖樁層1 m，由于其底部基巖深度的不同，經(jīng)勘測確定其樁長分別為66.15、83.53、66.39、66.35 m，樁采用的混凝土強(qiáng)度等級為C35。

為保證準(zhǔn)直樁頂部的永久準(zhǔn)直點(diǎn)與底板結(jié)構(gòu)、土壤的隔離，避免周圍結(jié)構(gòu)及土壤的變形、振動等對準(zhǔn)直點(diǎn)的位置及定位準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，在上部30 m范圍內(nèi)現(xiàn)澆混凝土準(zhǔn)直樁的外側(cè)設(shè)置了雙層鋼護(hù)筒。

外護(hù)筒直徑為1 332 mm，壁厚為25 m，長度為30.33 m；內(nèi)護(hù)筒直徑為1 082 mm，壁厚為16 m，長度為30 m，內(nèi)外護(hù)筒間距為100 mm，其材質(zhì)均為Q235B，單根質(zhì)量約50 t。

2 施工難點(diǎn)

2.1內(nèi)、外層鋼護(hù)筒的同軸度控制難度大

外層鋼護(hù)筒的規(guī)格為φ1 332 mm×25 mm，長度為30.33 m；內(nèi)層鋼護(hù)筒的規(guī)格為φ1 082 mm×16 mm，長度為30 m，外層與內(nèi)層鋼護(hù)筒的底標(biāo)高一致，頂標(biāo)高相差400 mm。內(nèi)、外層鋼護(hù)筒相互獨(dú)立，其間設(shè)有100 mm的空隙，以保證內(nèi)層鋼護(hù)筒包裹的準(zhǔn)直樁與外側(cè)護(hù)筒的周圍土體、底板完全隔離，如何確保內(nèi)、外層鋼護(hù)筒的同軸度是整個施工的難點(diǎn)。

2.2鋼護(hù)筒吊裝過程中變形控制難度大

鋼護(hù)筒的最大長度達(dá)到了33.33 m，質(zhì)量為50 t。選擇合理吊裝方法、采取合理的吊裝措施，減少吊裝過程中的變形，保證鋼護(hù)筒吊裝過程中穩(wěn)定性和安全性，是本工程的一個難點(diǎn)。

2.3鋼護(hù)筒的垂直度偏差控制精度高

本工程準(zhǔn)直樁垂直度的設(shè)計允許偏差是1.5/300，遠(yuǎn)小于施工規(guī)范中的垂直度允許偏差（1%）。對應(yīng)的30 m雙層鋼護(hù)筒的垂直度允許偏差為150 mm，樁徑為1 000 mm，而內(nèi)護(hù)筒內(nèi)徑為1 050 mm，如果鋼護(hù)筒的垂直度無法滿足設(shè)計要求，則在施工過程中會導(dǎo)致旋挖鉆機(jī)的鉆頭卡在鋼護(hù)筒內(nèi)，所以如何將鋼護(hù)筒的垂直度偏差控制在允許范圍內(nèi)是本工程的難點(diǎn)。

3 施工技術(shù)

3.1施工工藝流程

鋼護(hù)筒設(shè)計→鋼護(hù)筒加工制作→場地布置和測量定位→鋼護(hù)筒拼裝→鋼護(hù)筒焊接→鋼護(hù)筒吊裝→鋼護(hù)筒校正→鋼護(hù)筒固定

3.2鋼護(hù)筒設(shè)計

外層鋼護(hù)筒頂部比內(nèi)層鋼護(hù)筒高400 mm，將外層鋼護(hù)筒加長400 mm使得內(nèi)、外層鋼護(hù)筒的長度相同，內(nèi)、外層鋼護(hù)筒之間為間距100 mm的空腔，在其兩端均焊接25 mm厚環(huán)形鋼板將空腔封閉，以保證鋼護(hù)筒安裝過程中的整體穩(wěn)定性，同時防止泥漿等雜物進(jìn)入空腔內(nèi)。在準(zhǔn)直樁預(yù)埋件安裝前，將上端環(huán)板和加長的外層鋼護(hù)筒切割拆除，此時內(nèi)、外層鋼護(hù)筒上部分離；下部環(huán)形封板作為永久構(gòu)件，將內(nèi)、外層鋼護(hù)筒底部封閉。

通過沿外層鋼護(hù)筒縱向和軸向均勻設(shè)置調(diào)節(jié)螺栓，通過調(diào)節(jié)螺栓可以調(diào)整內(nèi)、外層鋼護(hù)筒的同軸度，同時大大增強(qiáng)雙層鋼護(hù)筒的整體性，減小其吊裝過程中的變形。具體設(shè)計為：在外層鋼護(hù)筒的筒壁上鉆孔，沿軸向設(shè)置6個（圖3），軸向間距為1.5 m，把螺母焊接在孔內(nèi)，擰調(diào)節(jié)螺栓使其穿過螺母，使調(diào)節(jié)螺栓的端部頂接在內(nèi)層鋼護(hù)筒的外壁上，則通過調(diào)節(jié)螺栓伸出外層鋼護(hù)筒的長度，可以調(diào)整內(nèi)層鋼護(hù)筒在徑向上相對于外層鋼護(hù)筒的位置。

圖3 調(diào)節(jié)螺栓和螺母的設(shè)置

在外層鋼護(hù)筒頂部焊接2個支撐牛腿，作用是鋼護(hù)筒下至孔內(nèi)后，進(jìn)行孔口支撐；同時在每個支撐牛腿上設(shè)置1個吊點(diǎn)，用于鋼護(hù)筒吊裝。

3.3鋼護(hù)筒加工制作

內(nèi)、外層鋼護(hù)筒均分3節(jié)加工，每節(jié)鋼護(hù)筒采用鋼板卷制后拼裝而成。根據(jù)鋼護(hù)筒的直徑、每節(jié)長度及鋼板尺寸確定下料長度、寬度和坡口形式。

先壓邊再進(jìn)行筒體卷制，筒體卷制過程不應(yīng)少于3次，以達(dá)到自然合口，同時也消除了卷制過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

縱焊縫采用雙面埋弧自動焊，先焊接內(nèi)口，然后用碳弧氣刨清根，并用砂輪磨光，最后焊接外口。環(huán)焊縫采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接打底，單面埋弧焊罩面。每個筒節(jié)的縱焊縫相錯90°。對鋼護(hù)筒端部進(jìn)行機(jī)械加工，使鋼護(hù)筒端面垂直。

為防止運(yùn)輸過程中鋼護(hù)筒發(fā)生變形，在鋼護(hù)筒兩端設(shè)置角鋼支撐。

3.4場地布置和測量定位

在準(zhǔn)直樁周圍預(yù)留45 m×40 m的施工場地，以滿足旋挖轉(zhuǎn)機(jī)、吊裝機(jī)械等作業(yè)要求。

施工場地未開挖前為原狀土，土質(zhì)為砂卵石層，根據(jù)地勘報告，本層土承載力為350 kPa。經(jīng)計算，場地能滿足旋挖鉆機(jī)、350 t汽車吊等大型設(shè)備行走及施工安全。

確保鋼護(hù)筒的起吊位置和鉆孔點(diǎn)位均位于350 t汽車吊的允許起重半徑內(nèi)。

根據(jù)測設(shè)場區(qū)控制軸網(wǎng)，測設(shè)出樁的位置、地面標(biāo)高等，樁位點(diǎn)采用鋼釬撒白灰標(biāo)識。

施工中保護(hù)好已測設(shè)的樁位點(diǎn)，如有其他施工機(jī)具碾壓樁周邊土體，則樁位點(diǎn)需重新測量。

3.5鋼護(hù)筒拼裝

鋼護(hù)筒進(jìn)場后，要對其管長度、管端橢圓度、管端平整度、管端平面傾斜和外周長等進(jìn)行嚴(yán)格驗收。

在每個準(zhǔn)直樁附近設(shè)置1個鋼護(hù)筒拼裝平臺，地面采用混凝土硬化，拼裝平臺由H型鋼組成。

采用經(jīng)緯儀測設(shè)出鋼護(hù)筒的拼裝軸線。

采用水準(zhǔn)儀對拼裝平臺上的H型鋼進(jìn)行抄平，使其標(biāo)高誤差小于2 mm。

在拼裝平臺上按鋼護(hù)筒的加工編號拼裝內(nèi)層鋼護(hù)筒，經(jīng)驗收合格后，采用75 t汽車吊將其吊離拼裝平臺；然后在拼裝平臺上拼裝外層鋼護(hù)筒。

采用雙機(jī)抬吊將內(nèi)層鋼護(hù)筒插入外層鋼護(hù)筒內(nèi)，在內(nèi)層鋼護(hù)筒端部與外層鋼護(hù)筒接觸位置設(shè)置移運(yùn)器（圖4），將內(nèi)層鋼護(hù)筒端部與移運(yùn)器焊接連接，首先采用雙機(jī)抬吊（圖5）將內(nèi)層鋼護(hù)筒插入25 m，然后采用單個吊車（圖6）繼續(xù)將內(nèi)層鋼護(hù)筒插入5 m，最后采用挖掘機(jī)（圖7）將內(nèi)層鋼護(hù)筒移至設(shè)計位置。

圖4 移運(yùn)器

圖5 雙機(jī)抬吊施工

圖6 單機(jī)吊裝施工

圖7 挖掘機(jī)施工

從一端至另一端，調(diào)節(jié)螺栓露出外層鋼護(hù)筒的長度（圖8），通過多個調(diào)節(jié)螺栓協(xié)同配合，進(jìn)而調(diào)整內(nèi)、外層鋼護(hù)筒的同軸度，使其滿足要求。

圖8 鋼護(hù)筒的間隙調(diào)整

采用線錐、水準(zhǔn)儀和卷尺檢測雙層鋼護(hù)筒的拼裝精度，滿足要求后，安裝端部環(huán)形封板，并檢查調(diào)節(jié)螺栓的松緊。

在外護(hù)筒頂部安裝支撐牛腿。在雙層鋼護(hù)筒上端設(shè)置2 m高的支架，在支架頂部的橫桿上開豁口，此豁口位于雙層鋼護(hù)筒的中心線上；將2個方管分別設(shè)置在鋼護(hù)筒上端筒口的表面和距離筒口2 m的內(nèi)壁上，將雙層鋼護(hù)筒的中心線測設(shè)至方管上，并開豁口（圖9）。

圖9 垂直度檢測示意

3.6鋼護(hù)筒焊接

定位焊接的長度為2 0 ～3 0 m m，距離為2 0 0 ～300 mm，高度不應(yīng)超過設(shè)計焊縫的2/3。

現(xiàn)場對接焊縫均為環(huán)形焊縫，焊接方法采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。

焊接前，將焊縫兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)的鐵銹、泥土、油污等清理干凈，并打磨光潔。

焊接時，由2人同時在相對位置焊接，保證其焊速基本相同，以減小焊接變形。

首先，對焊縫外觀進(jìn)行檢查；然后用砂輪機(jī)清除焊道周圍飛濺物，使焊縫周圍光滑平整，對焊縫進(jìn)行無損超聲波檢測。

3.7鋼護(hù)筒吊裝

整個準(zhǔn)直樁采用旋挖鉆機(jī)泥漿護(hù)壁的濕作業(yè)法分2次進(jìn)行鉆孔。首先進(jìn)行雙層鋼護(hù)筒范圍內(nèi)的鉆孔，樁孔鉆至雙護(hù)筒底標(biāo)高后，向下繼續(xù)鉆進(jìn)0.5 m，以保證雙層鋼護(hù)筒有足夠的安裝空間，此時雙護(hù)筒底部不接觸孔底，使雙護(hù)筒懸空垂直。

采用350 t汽車吊將鋼護(hù)筒整體吊裝就位的施工方法。

在雙層鋼護(hù)筒的吊裝過程中，調(diào)節(jié)螺栓對內(nèi)層鋼護(hù)筒的頂接力始終存在，并且長螺栓沿軸向間隔均布，使長螺栓對內(nèi)層鋼護(hù)筒有足夠的頂接力，從而使內(nèi)層鋼護(hù)筒和外層鋼護(hù)筒在徑向上相對固定，其同軸度和垂直度比較穩(wěn)定。

在雙層鋼護(hù)筒吊裝入孔的過程中，在孔口處，依次將調(diào)節(jié)長螺栓拆除，采用焊縫方式封堵外層鋼護(hù)筒上的孔，并進(jìn)行防腐處理。

當(dāng)鋼護(hù)筒下至孔口位置時，采用H型鋼將鋼護(hù)筒支撐在孔口，用水準(zhǔn)儀調(diào)整鋼護(hù)筒頂標(biāo)高。

雙層鋼護(hù)筒正式吊裝前，必須進(jìn)行試吊，觀察雙護(hù)筒、吊索、吊具及吊點(diǎn)等的受力、變形情況，如發(fā)現(xiàn)變形過大、焊縫開裂、吊索受力不均，應(yīng)將鋼護(hù)筒下放至地面，采取如調(diào)整吊點(diǎn)、吊索或吊具等措施，以確保吊裝安全。

在試吊及吊裝的過程中，要安排專人觀察吊車4個支腿處的地基承載情況，如發(fā)現(xiàn)地基有下沉、裂紋等現(xiàn)象，立即停止吊裝作業(yè)，對地基進(jìn)行加固。

3.8鋼護(hù)筒校正

鋼護(hù)筒安裝完成后，先將護(hù)筒內(nèi)泥漿抽出3 m，用清水將護(hù)筒內(nèi)壁沖洗干凈，露出下層控制方管。

從頂部支架上的圓心點(diǎn)垂下線墜，如果線墜能夠同時穿過雙護(hù)筒頂部和筒內(nèi)方管的豁口并不碰到方管（圖10），即可認(rèn)定為在4 m范圍內(nèi)能夠達(dá)到1.5/400的精度要求，按照比例關(guān)系可以得出40 m雙護(hù)筒能夠滿足1.5/400的精度要求。

圖10 鋼護(hù)筒的校正

3.9鋼護(hù)筒固定

雙層鋼護(hù)筒校正到位后，在樁底灌注1 m厚的C15素混凝土進(jìn)行封底。

樁底混凝土終凝后，對外層鋼護(hù)筒與巖土體之間的空隙進(jìn)行注漿，固定鋼護(hù)筒的位置。

確保水泥砂漿的質(zhì)量，注漿前對設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)檢查，確認(rèn)其工作狀態(tài)良好，以確保注漿連續(xù)進(jìn)行。

待水泥漿終凝后，通過復(fù)鉆至設(shè)計孔深、清孔、吊鋼筋籠入孔、安放灌注導(dǎo)管、測孔底沉渣、灌注混凝土、樁底后壓漿、剔鑿樁頭、鋼護(hù)筒頂部切割分離及安裝預(yù)埋件（圖11）等工序，完成超長無干涉雙層鋼護(hù)筒準(zhǔn)直樁的施工。

圖11 鋼護(hù)筒頂部切割分離及預(yù)埋件安裝就位

4 施工中遇到的問題及處理措施

4.1雙層鋼護(hù)筒間隙調(diào)整用時過長

在通過調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整內(nèi)、外層鋼護(hù)筒間隙的過程中，鋼護(hù)筒的兩端口調(diào)整就位后，由于鋼護(hù)筒長度為30.33 m，內(nèi)層鋼護(hù)筒自然下?lián)吓c外層鋼護(hù)筒接觸，且其質(zhì)量達(dá)到了17 t，導(dǎo)致單個調(diào)節(jié)螺栓受力較大，調(diào)整用時過長，且容易損壞調(diào)整螺母。

處理措施：提前在外層鋼護(hù)筒正下方的3等分點(diǎn)上開設(shè)2個直徑為150 mm的孔，首先采用千斤頂通過孔對內(nèi)層鋼護(hù)筒的位置進(jìn)行粗調(diào)，然后采用調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行精確調(diào)整，最后將孔封堵。

4.2雙層鋼護(hù)筒無法一次安裝就位

由于旋挖鉆孔的偏差，導(dǎo)致鋼護(hù)筒重復(fù)起拔，使現(xiàn)場350 t汽車吊長時間吊著鋼護(hù)筒無法安裝就位，存在較大安全隱患。處理措施：成孔后，采用智能超聲成孔質(zhì)量檢測儀對孔進(jìn)行質(zhì)量檢測，待孔垂直度、孔深等均滿足要求后，方可進(jìn)行鋼護(hù)筒的安裝作業(yè)。

5 結(jié)語

本工程準(zhǔn)直樁系統(tǒng)是目前國內(nèi)護(hù)筒最長、成樁最深、要求最高的系統(tǒng)，其83.53 m準(zhǔn)直樁施工在國內(nèi)前所未見，施工精度要求較高，是目前我國深度最深的雙護(hù)筒準(zhǔn)直樁。通過本高精度超長準(zhǔn)直樁鋼護(hù)筒施工技術(shù)，克服了現(xiàn)場質(zhì)地條件限制，于2020年9月圓滿通過了工藝驗收。將設(shè)計理念完美地體現(xiàn)了出來，為準(zhǔn)直系統(tǒng)的施工提供了精度保證，對于類似項目的施工具有重要指導(dǎo)意義，現(xiàn)總結(jié)如下：

1）通過對設(shè)計、加工制作、現(xiàn)場拼裝、吊裝和校正等施工全過程進(jìn)行嚴(yán)格的積累誤差控制，保證了超長雙層鋼護(hù)筒的垂直度大于1/400。

2）利用調(diào)節(jié)螺栓和螺母嚴(yán)格控制了內(nèi)、外層鋼護(hù)筒的間距，保證了雙層鋼護(hù)筒在拼裝、吊裝過程中的同軸度和垂直度，同時使得雙層鋼護(hù)筒受力均勻，增強(qiáng)了其整體穩(wěn)定性，大大減小了吊裝變形，進(jìn)而保證了安裝進(jìn)度。

3）通過垂直度測量裝置，實時反映出垂直度偏差方向及偏差大小，并根據(jù)5 m的偏差數(shù)據(jù)測算出40 m鋼護(hù)筒的實際偏差數(shù)據(jù)，保證鋼護(hù)筒垂直度的精度。