空心钢管垂直插入法锚入钻孔桩施工技术应用研究

陈加才

(福建省九龙建设集团有限公司 福建厦门 361008)

1 工程概况

闽投营运中心工程，位于福州市鼓楼区古田路南侧,总建筑面积106 557.12m2,其中，地下室面积39 265.63m2,地上67 291.49m2，建筑高度为118.45m。项目为1幢28层框架-支撑芯筒结构办公楼、1幢22层框架-支撑芯筒结构酒店，2幢高层由5层商业裙楼相连接。

该工程地下施工，采用盖挖逆做法，桩基采用扩底灌注桩加后注浆并插入永久钢立柱工艺[1]。桩岩组成的混基总根数182根。桩端持力层选择全风化花岗岩(标贯击数N>50击)或和土状强风化花岗合持力层，桩端进入持力层深度不应小于6m，且有效桩长不小于45m，钻孔深度约64.5m，采用桩底后注浆工艺；桩内安装Φ600mm-Φ1400mm钢管混凝土柱，钢管柱顶在现有地面以下约0.6m，钢管柱插入桩内2.4m～4.2m。

2 工程重点和难点

该工程灌注桩，采用目前国际国内先进的AM可视旋挖扩底钻孔灌注桩[2-3]。灌注桩有以下特点及难点：

(1)成孔深度最大达64.5m左右，桩直径最大为为1800mm，底部扩大为2000mm～2600mm，且桩内要施工插入600mm～1400mm钢柱，因此桩基成孔垂直度要求较高，最大垂直度偏差不得大于1/200桩长，否则空心钢管柱在垂直插入过程可能造成钢管柱锚栓与灌注桩的钢筋笼卡住，造成严重质量事故。

(2)地质条件较为复杂，上部淤泥质粘土较厚，下部砂层土颗粒较大且较为松散，旋挖钻孔施工容易造成局部坍孔和桩孔缩径；桩底要进入强风化岩6m,并且桩底要采用AM扩孔至2000mm～2600mm，因此对成桩施工稳定液护壁要求极高，旋挖钻孔、扩底施工难度大[4]。

(3)灌注桩钢筋笼主筋直径大、数量多，主筋钢筋采用36Φ25三级钢筋(其中Φ1200mm扩底2000mm桩主筋24Φ40)，加工难度较大，全笼长度最长约达46m。为确保工程质量，该工程钢筋笼拟采用全笼一次性加工；钢筋笼整体吊装入孔安放，同时考虑钢筋笼重量大、加工及吊装极易变形等可能出现的状况，加工制作时需做加固和防变形措施[5]。

(4)确保了旋挖扩底钻孔灌注桩的精准定位和垂直度，空心钢管柱在吊装和插入过程，同样必须保证其精准定位和垂直度，确保钢管柱插入垂直度最大偏差≤1/500L桩长。

3 钢管混凝土柱施工工艺

3.1 概述

该工程共有126根圆形钢管混凝土柱，柱型为Q345级壁厚25mm～55mm，单根最大长度22.45m，最大重量30.55t,(不含6m长工具柱重量)型号具体为：① GKZ1圆管600×25共88根；② GKZ2圆管1000×25，共17根； ③ GKZ3圆管800×25，共4根；④ GKZ4圆管900×25，共4根；⑤ GKZ8圆管850×25，共3根； ⑥ GKZ9圆管1400×25，共6根； ⑦ GKZ2a圆管1000×35，共4根；多种规格空心钢管，如图1所示。管底部密封，采用垂直插入法锚入钻孔灌注桩桩身混凝土内2.4m～3.0m，然后管内填充浇筑C50自密实混凝土，形成永久钢管混凝土柱；钢管柱长20.65m～22.45m,柱顶标高5.6m,柱顶在原地面下约0.6m。

图1 空心钢管柱

3.2 空心钢管垂直插入法锚入钻孔灌注桩施工工艺

因钻孔灌注桩单桩承载力大、桩直径大、桩深度深，永久性钢管混凝土柱施工须在钻孔灌注桩成型后再插入钻孔灌注桩内，并且垂直精度要求高，要求偏差≤L/500(L为钢管柱的高度)。因此，除了对钻孔灌注桩的中心定位精准度、桩身垂直度、桩身混凝土和易性及其它质量要求较高外，结合该工程钢管混凝土柱的特点以及安全性[7]、施工进度周期等因素综合考虑；采用目前国内最为先进的HPE工法(液压垂直插入永久性钢管柱)对该工程一次施工成型永久钢管混凝土柱。该工程拟投入吨位分别为180t和80t的2台履带吊，进行双机抬吊钻孔灌注桩的钢筋笼(图2)以及4台套2000型号套HPE液压垂直插入机，每台装置液压定位器2个、垂直插入系统2个，水平调校装置4个，垂直调校装置1个、垂直仪1台。

图2 旋挖扩底钻孔灌注桩钢筋笼

HPE钢管柱施工方法，按照“两点一线”的定位原理，通过机身垂直液压装置，将钢管柱在桩基础混凝土初凝前插入至设计标高[6]。

3.2.1具体施工步骤

钢管柱插入，是通过插入机上4个液压垂直插入装置，由插入机将钢管柱抱紧，复测并保证钢管柱的垂直度和中心位置满足要求。然后，由上下2个液压垂直插入装置同时驱动，上下依次环抱钢管柱，通过其向下压力，将钢管柱垂直向下插入到桩基础混凝土中，直至将钢管柱插入到设计深度。垂直插入钢管柱施工方法的基本原理，就是根据“两点一线”的原理。

3.2.2具体施工方法

旋挖扩底钻孔灌注桩桩工艺流程如图3所示。

图3 旋挖扩底钻孔灌注桩工艺流程

(1)插入机就位对中

桩基础混凝土浇筑完成后，重新放样定出桩位中心，并用十字线标记在护筒上，复核桩位后，将HPE液压插入机械的定位器中心与基础桩位中心置于同一垂直线上，然后插入机就位，插入机根据定位器就位对中，分片安装液压机的环抱卡环，调试机器保证可正常运转。

图4 液压垂直插入机

(2)调整插入机水平

插入机就位对中后，可手动或自动调整水平度，通过调整液压机，如图4所示。4个脚柱，保证插入机水平度满足要求，并复核插入机中心位置，满足要求后即安装钢管柱。

(3)吊装钢管柱至液压机内

准备工作完成后，用吊车采用2点起吊法吊装钢管柱，将柱体缓慢吊起，至钢管柱垂直，移至插入机正上方，然后将钢管柱垂直缓慢放入插入机中，如图5所示。

图5 吊装钢管柱至液压机内

(4)经纬仪测设钢管柱插入前垂直度

钢管柱安装至插入机内部前，施工现场交叉方向同时架设2台经纬仪，通过对角线相交的方法控制垂直液压插入机定位钢管柱时的垂直情况，通过机器液压装置控制好钢管柱垂直度后，进行插入，如图6所示。

图6 经纬仪测设垂直度

(5)插入钢管柱

钢管柱吊放至插入机内，由插入机卡住钢管柱，并复测钢管柱垂直度满足要求后，在钢管柱法兰盘顶部安装一个垂直传感器，并设置吊环悬挂于钢护筒边缘；刚开始下放钢管柱时，由于钢管柱的自重，钢管柱能自由下入孔内一定深度，当浮力大于钢管柱重量后，由插入机将钢管柱抱紧，由液压插入装置将钢管柱下压插入桩基础混凝土内，此时可根据钢管柱下部安装的传感器确定钢管柱的垂直度，满足要求后继续插入至设计深度，如图7所示。

图7 插入钢管柱

(6)钢管柱安装标高

根据钢管柱距地表高度而定，在工具柱位置标记出一段距离的标高位置，做出标高控制线，钢管柱插入施工过程中用红外线激光标线仪定位标高至工具柱标线高度，使得激光仪红外线与控制线标高一致，最后再把红线投放到钢管柱工具柱上，为控制标高准确度，安放的扫线仪距离≤2m。

(7)固定工具柱管口位置

HPE垂直液压插入机插入完成后，不再挪动机器本身，待桩基砼初凝后，采用3cm～5cm大粒径碎石回填钢管柱周围的空隙并排浆，直至稳定后，工字钢、钢管等材料将钢管固定在护筒平台上；待桩基砼完全初凝后，切割工具柱并将插入机移位。

(8)安装柱内钢筋笼及浇筑砼

垂直液压机移位后，安装柱内钢筋笼及浇筑混凝土，待施做车站顶板时人工切除钢管柱法兰盘顶部工具柱。

该工程钢管柱以GKZ7最重，重量达31.1t,考虑施工中钢管柱需对接6m长的同规格工具柱，因此其最大长度达28.65m，最大重量达39.2t。故，以GKZ7型钢管柱为例，进行吊装参数、吊荷验算等方案设计。现场机械选用主吊180T，副吊80t履带式起重机。

4 结语

该工程采用盖挖逆做法，桩基采用扩底灌注桩加后注浆然后垂直插入空心钢管柱，并在钢管柱内灌注混疑土作为地下室框架柱的施工工法，确保垂直插入钢管空心柱过程的中心定位精准度和垂直度，是工程质量的关键技术，采用目前国内最为先进的HPE工法——液压垂直插入永久性钢管柱，也就解决了中心定位精准度和垂直度的施工难题，避免因定位或垂直度不准造成钢管空心柱在插入过程卡住锚栓等等质量技术问题。

采用HPE 液压垂直插入机施作钢管柱施工工艺，可以保证钢管柱施工精度，加快施工进度、降低投资成本、质量可靠、安全性高，取得良好的社会、环保、经济效益。