逆作法鋼管柱后插法鋼套管與液壓千斤頂組合定位施工技術(shù)

鮑萬偉

(深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518063)

大直徑鋼管結(jié)構(gòu)柱在插入灌注樁后的準(zhǔn)確定位，由于鋼管結(jié)構(gòu)柱超長(zhǎng)且直徑大，鋼管結(jié)構(gòu)柱采用后插法插入灌注樁頂面混凝土后，一旦鋼管結(jié)構(gòu)柱出現(xiàn)偏差，受鋼管柱截面大的影響，進(jìn)行鋼管結(jié)構(gòu)柱的底部糾偏調(diào)節(jié)難度大，需要反復(fù)起拔重新插入來完成定位，耗時(shí)耗力。

本文結(jié)合具體的工程實(shí)施案例，對(duì)解決大直徑超長(zhǎng)鋼管結(jié)構(gòu)柱后插精準(zhǔn)定位施工存在的問題提出的施工技術(shù)進(jìn)行全面闡述。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

深圳市城市軌道交通13號(hào)線深圳灣口岸站位于深圳市南山區(qū)東濱路與望海路交叉口，為地下2層車站，基坑深約21 m，右線長(zhǎng)337 m,左線長(zhǎng) 329 m。

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)條件及水文條件

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，場(chǎng)地工程地質(zhì)情況自上而下為素填土、粉質(zhì)黏土、礫砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化粉砂巖及強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖層。

1.3 設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)場(chǎng)施工情況

車站采用蓋挖逆作法施工，蓋挖逆筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 800@1 450 mm全葷套管咬合樁，豎向支撐構(gòu)件為鋼管結(jié)構(gòu)柱。該項(xiàng)目共89條鋼管結(jié)構(gòu)樁，樁基礎(chǔ)直徑2.5 m，深度超過55 m，鋼管結(jié)構(gòu)柱直徑1.3 m，鋼管柱長(zhǎng)度平均25 m。

該項(xiàng)目為軌道交通站點(diǎn)施工，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱精度要求高，對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)控制嚴(yán)格，采用傳統(tǒng)的鋼管結(jié)構(gòu)柱調(diào)節(jié)定位難以滿足精度要求，故項(xiàng)目組采用逆作法鋼管柱后插法鋼套管與液壓千斤頂組合定位施工技術(shù)，有效保證了鋼管結(jié)構(gòu)柱下放精度，保證施工質(zhì)量，節(jié)省了成本，取得了良好的施工效果，獲得了業(yè)主單位及監(jiān)理單位的一致好評(píng)。

2 工藝原理

2.1 技術(shù)路線

為了有效實(shí)施結(jié)構(gòu)柱糾偏，擬定以下技術(shù)設(shè)想：

2.1.1 設(shè)計(jì)液壓千斤頂調(diào)節(jié)偏差

當(dāng)出現(xiàn)鋼管結(jié)構(gòu)柱下插灌注樁內(nèi)發(fā)生定位偏差后，由于安插在灌注樁頂部混凝土內(nèi)的鋼管樁直徑大，鋼管柱的位置調(diào)節(jié)需要克服較大的阻力，采用對(duì)鋼管柱頂部調(diào)節(jié)的方法難以對(duì)鋼管柱底部進(jìn)行糾偏。因此，設(shè)想在鋼管柱的中下部設(shè)置一套液壓糾偏系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)定位。

2.1.2 設(shè)置千斤頂回頂鋼套管支撐

由于鋼管結(jié)構(gòu)柱定位時(shí)其處于鉆孔的覆蓋層內(nèi)，土層孔壁無法提供液壓千斤頂系統(tǒng)回頂力。為此，擬在鋼管結(jié)構(gòu)柱部分的鉆孔段設(shè)置護(hù)壁鋼套管，以便為液壓千斤頂對(duì)鋼管柱糾偏時(shí)提供回頂支撐點(diǎn)。

2.1.3 采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放鋼套管

由于鋼套管作為千斤頂回頂支撐，鋼套管安放的垂直度將直接影響回頂時(shí)的精度，施工過程對(duì)鋼套管安放的垂直度要求高。為此，擬采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)實(shí)施鋼套管安放，確保護(hù)壁鋼套管的垂直度滿足要求。

2.1.4 實(shí)時(shí)測(cè)控糾偏

當(dāng)液壓千斤頂、鋼套管糾偏系統(tǒng)工作時(shí)，需要提供實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)定位偏差數(shù)據(jù)。為此，設(shè)想在鋼管結(jié)構(gòu)柱頂部設(shè)置一套超聲波檢測(cè)儀，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱中心點(diǎn)位置偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并與液壓千斤頂、鋼套管糾偏調(diào)節(jié)系統(tǒng)協(xié)同工作、同步糾偏、反復(fù)校核，直至定位精度滿足要求。

2.2 后插鋼管柱鋼套管與液壓千斤頂組合定位系統(tǒng)

該技術(shù)工藝原理所述的綜合定位系統(tǒng)由鋼套管、液壓千斤頂、超聲成孔檢測(cè)儀3部分組成，構(gòu)成對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱的糾偏和精確協(xié)調(diào)定位。

2.2.1 鋼套管

1)鋼套管的作用主要表現(xiàn)為兩方面，一是作為千斤頂對(duì)結(jié)構(gòu)柱糾偏時(shí)的千斤頂?shù)幕仨斨?，二是鉆進(jìn)過程中起鉆孔護(hù)壁作用。

2)鋼套管為鋼管結(jié)構(gòu)柱的定位糾偏垂直度提供導(dǎo)向定位，為保證結(jié)構(gòu)樁垂直度，鋼管結(jié)構(gòu)柱施工采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放，套管內(nèi)采用抓斗或旋挖鉆機(jī)取土，采用分節(jié)下入、孔口接長(zhǎng)安放到位。為保證鋼套管在完成結(jié)構(gòu)柱定位后順利拔出，鋼套管的底部按置于灌注樁設(shè)計(jì)頂標(biāo)高以上1.0 m控制，鋼套管長(zhǎng)度約20 m，以避免鋼套管底部埋入灌注樁頂混凝土內(nèi)導(dǎo)致鋼套管起拔困難。

2.2.2 液壓千斤頂

1)千斤頂位置設(shè)計(jì)。為確保千斤頂回頂效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、優(yōu)化，將千斤頂安放在鋼管結(jié)構(gòu)柱中部偏下位置，即安裝在鋼管柱約15 m位置，如圖1所示。

圖1 鋼套管孔內(nèi)千斤頂設(shè)置安放示意圖

2)千斤頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。千斤頂對(duì)稱設(shè)置共4組，單個(gè)裝置為1個(gè)鋼板焊接而成的獨(dú)立長(zhǎng)方形卡槽及1套液壓千斤頂組成，長(zhǎng)方形卡槽焊接在法蘭盤上，液壓千斤頂放置在卡槽內(nèi)，千斤頂隨鋼管結(jié)構(gòu)柱下放至預(yù)定位置，千斤頂連接鐵鏈、液壓管連接千斤頂引至地面的操作箱[1]，如圖2、圖3所示。

圖2 液壓千斤頂安裝立面圖

圖3 液壓千斤頂安裝俯視圖

2.2.3 超聲波檢測(cè)儀

1)超聲波檢測(cè)儀設(shè)置和選擇。鋼管柱下放到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，將超聲波檢測(cè)儀架設(shè)在鋼管結(jié)構(gòu)柱工具柱頂，并從工具柱中心孔內(nèi)下放實(shí)施探測(cè)。選用UDM100WG檢測(cè)儀，其測(cè)量精度0.2%FS，測(cè)量最大孔徑4.0 m。

2)超聲波檢測(cè)原理。將超聲波傳感器沿充滿泥漿的鉆孔中心以一定速率下放，在探頭下放過程中，接收并記錄4個(gè)方向(或兩個(gè)方向)的垂直孔壁的超聲波脈沖反射信號(hào)，可以直觀對(duì)孔內(nèi)X、X′、Y、Y′4個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行孔壁狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以通過屏幕顯示孔徑、垂直度等參數(shù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以隨時(shí)回放或打印輸出，便于數(shù)據(jù)資料的分析和管理。為液壓千斤頂回頂鋼套管，調(diào)節(jié)鋼管結(jié)構(gòu)柱垂直度提供實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

2.3 鋼管柱、液壓千斤頂、超聲波檢測(cè)儀協(xié)同測(cè)控定位原理

當(dāng)鋼管結(jié)構(gòu)柱后插入灌注樁頂混凝土后，在鋼管柱頂設(shè)置超聲波檢測(cè)儀測(cè)定鋼管柱垂直度，同時(shí)在孔口根據(jù)測(cè)量的鋼管柱偏差數(shù)據(jù)，操作液壓千斤頂調(diào)節(jié)4個(gè)千斤頂縮放，并通過鋼套管為液壓千斤頂提供支撐點(diǎn)和調(diào)節(jié)點(diǎn)，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)定位。通過反復(fù)數(shù)據(jù)測(cè)量、自動(dòng)回頂調(diào)節(jié)操作，直至鋼管柱中心點(diǎn)與鋼套管中心點(diǎn)重合，如圖4～圖6所示。

圖4 鋼管柱后插偏差狀態(tài)示意圖

圖5 千斤頂回頂套管調(diào)節(jié)鋼管柱示意圖

圖6 鋼管柱調(diào)節(jié)后示意圖

3 工藝流程

施工工藝流程如圖7所示。

圖7 施工工藝流程

4 操作要點(diǎn)

4.1 平整場(chǎng)地、樁位放線定位、全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位

1)施工前需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行硬底化處理。

2)采用JAR-260H型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，最大鉆孔直接2.6 m，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)樁徑2.5 m，可以滿足該項(xiàng)目的需求。

3)用全站儀測(cè)量放線定位樁位坐標(biāo)點(diǎn)，在樁位中心點(diǎn)處用短鋼筋進(jìn)行標(biāo)志。

4)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位前，先安放定位板，定位板安放到位后吊放全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)；定位板4個(gè)角設(shè)置定位卡槽，鉆機(jī)就位時(shí)對(duì)中定位板卡槽即可準(zhǔn)確就位。

5)全回轉(zhuǎn)磚機(jī)就位后利用四角油缸支腿調(diào)平，并對(duì)鉆機(jī)中心點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，確保鉆機(jī)中心位置與樁位中心線重合[2]。

4.2 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放鋼套管

1)為保證鋼管結(jié)構(gòu)樁垂直度及防止鉆孔坍塌，護(hù)壁采用鋼套管，鋼套管采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放。

2)安放時(shí)，將全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位對(duì)中，壓進(jìn)底部鋼套管時(shí)，待底部套管被壓入約1.5 m后，檢查套管中心與樁中心的偏差，保證偏差值滿足規(guī)范要求。

3)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)套管的同時(shí)下壓鋼套管，配合使用沖抓斗反復(fù)抓取鋼套管內(nèi)的土進(jìn)行取土。

4)在鋼套管壓入過程中，用全站儀不斷校核垂直度，并利用鉆機(jī)上垂直調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)整鋼套管垂直度，且滿足設(shè)計(jì)要求，直至將套管安放到指定的深度。鋼套管的長(zhǎng)度按基坑底以上1.0 m進(jìn)行控制，鋼套管平均長(zhǎng)度為20 m[3]。

4.3 旋挖鉆機(jī)直孔段鉆進(jìn)成孔

鋼套管護(hù)筒安放到位后移開全回轉(zhuǎn)設(shè)備，山河SEDM550旋挖鉆機(jī)就位進(jìn)行鉆進(jìn)成孔作業(yè)。并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔深度和垂直度等控制指標(biāo)，達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后進(jìn)行清孔撈渣作業(yè)。

4.4 旋挖鉆機(jī)樁底擴(kuò)底

1)旋挖鉆機(jī)施工至樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，換上旋挖擴(kuò)底鉆頭，對(duì)樁底進(jìn)行擴(kuò)底鉆進(jìn)。

2)在樁底鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊加壓鉆機(jī)，并在鉆進(jìn)中邊旋轉(zhuǎn)邊伸展鉆頭斗門，通過預(yù)先設(shè)置的擴(kuò)底鉆進(jìn)行程控制擴(kuò)底直徑，直至完成擴(kuò)底施工至4 000 mm。

4.5 鋼筋籠制安、導(dǎo)管安放、灌注樁身混凝土

1)清孔到位后，安放鋼筋籠。

2)采用300 mm導(dǎo)管對(duì)樁身混凝土進(jìn)行灌注。

3)檢查孔底沉渣符合設(shè)計(jì)要求后即實(shí)施樁身混凝土灌注。為保證后續(xù)有充足的時(shí)間安放糾偏鋼立柱等工序，采用不小于24 h的超緩凝混凝土。灌注時(shí)，嚴(yán)格控制混凝土的灌注標(biāo)高，防止混凝土灌入鋼套管中導(dǎo)致后續(xù)難以拔出。

4.6 萬能平臺(tái)及全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位

1)鋼管結(jié)構(gòu)柱底部樁基混凝土灌注完成后清理場(chǎng)地，重新校核、定位鋼管結(jié)構(gòu)柱中心點(diǎn)位。

2)萬能平臺(tái)采用雙層雙向十字重合就位方法。吊運(yùn)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)至萬能平臺(tái)上，就位后調(diào)整全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)水平狀態(tài)并進(jìn)行復(fù)核，確保全回轉(zhuǎn)設(shè)備的中心點(diǎn)與鋼管結(jié)構(gòu)柱中心保持一致[4]。

4.7 鋼管結(jié)構(gòu)柱與工具柱現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接

鋼管結(jié)構(gòu)柱與工具柱采用同心同軸平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，對(duì)接原理是根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)柱和工具柱半徑的不同，預(yù)先制作滿足完全精準(zhǔn)對(duì)接要求的操作平臺(tái)，平臺(tái)按設(shè)計(jì)精度的理想對(duì)接狀態(tài)設(shè)置，并采用弧形金屬定位板對(duì)柱體進(jìn)行位置約束，確保鋼管柱和工具柱吊放至對(duì)接平臺(tái)后兩柱處于既同心亦同軸狀態(tài)，將固定螺栓連接后即可滿足高效精準(zhǔn)對(duì)接。

4.8 鋼管結(jié)構(gòu)柱及千斤頂安放

1)鋼管柱設(shè)計(jì)直徑1.3 m，平均長(zhǎng)度約25 m。鋼管結(jié)構(gòu)柱按照設(shè)計(jì)長(zhǎng)度在鋼加工廠一次性加工成型并驗(yàn)收合格，然后整體運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

2)安裝液壓千斤頂裝置，鋼管柱連接時(shí)，先在鋼管柱約15 m位置安裝托盤，將4個(gè)長(zhǎng)方形卡槽均勻分布焊接在托盤上。在鋼管柱下放至孔口時(shí)，將4個(gè)液壓千斤頂放在鋼板卡槽里，千斤頂連接鐵鏈、液壓管連接千斤頂引至地面的操作箱，完成安裝。千斤頂隨鋼管結(jié)構(gòu)柱下放到預(yù)定位置，為后續(xù)鋼管樁定位糾偏做準(zhǔn)備。

3)利用雙機(jī)抬吊吊起鋼管結(jié)構(gòu)柱至垂直狀態(tài)。然后緩慢插入鋼套筒內(nèi)[5]。

4)鋼管結(jié)構(gòu)柱安放到位后采用全站儀再次進(jìn)行復(fù)測(cè)，如圖8、圖9所示。

圖8 液壓千斤頂實(shí)物圖

圖9 千斤頂安裝位置

4.9 鋼管柱頂設(shè)置超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

1)在鋼管結(jié)構(gòu)柱安放完成后，將UDM100WG超聲成孔檢測(cè)儀架設(shè)在鋼管結(jié)構(gòu)柱工具柱中心點(diǎn)處上。

2)超聲波傳感器(探頭)在升降裝置的控制下從孔口勻速下降，侵入成孔的泥漿里，探頭向孔內(nèi)周圍的4個(gè)方向同時(shí)發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖穿過泥漿介質(zhì)，在遇到孔壁時(shí)被反射回來至探頭并轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)。

3)超聲信號(hào)傳送至檢測(cè)儀控制器上并分析和管理資料數(shù)據(jù)，為液壓千斤頂調(diào)節(jié)提供實(shí)施監(jiān)測(cè)，如圖10所示。

圖10 超聲成孔檢測(cè)儀測(cè)垂直度

4.10 鋼管柱液壓千斤頂協(xié)同調(diào)節(jié)定位

在工具柱頂上，根據(jù)檢測(cè)儀測(cè)定的鋼管柱位置偏差值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)4個(gè)千斤頂伸縮，通過鋼套管為液壓千斤頂提供支撐點(diǎn)和調(diào)節(jié)點(diǎn)，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)定位；通過反復(fù)數(shù)據(jù)測(cè)量、自動(dòng)回頂調(diào)節(jié)操作，直至鋼管柱中心點(diǎn)與鋼套管中心點(diǎn)重合。

4.11 固定鋼管柱、移出全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)

1)待樁身混凝土24 h終凝后，移出全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。

2)為了避免鋼管結(jié)構(gòu)柱變形，移出全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)前，用4塊鋼板將工具柱對(duì)稱焊接固定在孔口鋼套管上。

4.12 灌注鋼管結(jié)構(gòu)柱內(nèi)混凝土

1)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)移出后，吊運(yùn)裝配式混凝土灌注平臺(tái)固定在工具柱頂部位置。

2)平臺(tái)吊裝完成后，采用吊車吊放灌注導(dǎo)管和初灌斗至鋼管結(jié)構(gòu)柱內(nèi)。

3)罐車將混凝土卸入料斗內(nèi)，采用吊車吊運(yùn)料斗至初灌斗進(jìn)行柱內(nèi)混凝土的灌注，灌注至鋼管柱頂標(biāo)高?；炷敛捎肅35補(bǔ)償收縮混凝土，并加入少量的微膨脹劑。

4.13 拆除千斤頂、拆除工具柱

1)拆除工具柱前，將4個(gè)液壓千斤頂泄壓，拉動(dòng)連接千斤頂?shù)蔫F鏈，將千斤頂拉出孔外，將其拆除。

2)人工下入工具柱內(nèi)，拆除工具柱與鋼管柱連接螺栓。

3)連接螺栓拆除后，割除工具柱與套管的臨時(shí)固定鋼塊，將工具柱拆除。

4.14 回填碎石、拔出鋼套管

1)為了避免鋼管結(jié)構(gòu)柱受力不均發(fā)生偏斜，在拆除工具柱前對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱與鋼套管間隙回填碎石，采用人工沿四周均勻回填。

2)碎石回填完成拆除工具柱后，用振動(dòng)夾配合吊車拔除鋼套管。

5 施工工藝特點(diǎn)

1)定位控制精度高。采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放鋼套管并成孔，下放鋼管結(jié)構(gòu)柱后，采用超聲成孔檢測(cè)儀測(cè)出鋼管結(jié)構(gòu)柱的垂直狀態(tài)，并利用設(shè)置在鋼管結(jié)構(gòu)柱上的液壓千斤頂回頂鋼套管，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)并完成定位，確保了鋼管結(jié)構(gòu)柱的準(zhǔn)確定位。

2)綜合施工效率高。采用鋼管結(jié)構(gòu)柱、工具柱在工廠內(nèi)預(yù)制加工，制作精準(zhǔn)度高；采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放鋼套管，利用旋挖鉆機(jī)完成直孔段和擴(kuò)底段施工，鉆進(jìn)成孔速度快；采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)后插鋼管柱，利用液壓千斤頂與鋼套管、超聲波檢測(cè)協(xié)同配合進(jìn)行定位，大大提升綜合施工效率。

3)降低施工成本。液壓千斤頂自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直度，液壓千斤頂可以重復(fù)利用，定位精準(zhǔn)快捷，節(jié)省大量輔助作業(yè)時(shí)間，加快了施工進(jìn)度，綜合施工成本低。

6 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

逆作法鋼管結(jié)構(gòu)柱后插法鋼套管與液壓千斤頂組合定位施工工法在現(xiàn)場(chǎng)操作、成本和工期控制等方面都突顯出了獨(dú)特的優(yōu)越性，通過調(diào)整施工工藝、優(yōu)化工藝流程，利用全回轉(zhuǎn)設(shè)備配合旋挖機(jī)成孔，依托超聲波檢測(cè)儀測(cè)鋼管柱的實(shí)時(shí)垂直度，液壓千斤頂對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)柱垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)定位的工藝技術(shù)，精準(zhǔn)下放鋼管結(jié)構(gòu)柱，有效地保證了施工質(zhì)量，大大縮短施工工期，節(jié)約了成本，為鋼管結(jié)構(gòu)柱的施工提供了一種創(chuàng)新、實(shí)用的工藝技術(shù)，得到建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位和監(jiān)理單位的一致好評(píng)，取得了顯著的社會(huì)效益。

7 結(jié)語

逆作法鋼管柱后插法鋼套管與液壓千斤頂組合定位施工技術(shù)通過采用鋼套管、液壓千斤頂、超聲成孔檢測(cè)儀對(duì)鋼管柱進(jìn)行精確定位，在實(shí)際工程應(yīng)用上取得了顯著成效，具有定位控制精度高、綜合施工效率高、降低施工成本等優(yōu)點(diǎn)，使其易于技術(shù)推廣，是一種施工工藝上的突破和創(chuàng)新。