逆作法施工中一桩一柱的超高垂直精度控制方法

陈 琦

（上海广联环境岩土工程股份有限公司，上海 200444）

1 工程概况

广州市越秀区恒基中心地块项目，位于广州市越秀区，东临海珠广场，南邻珠江，属于繁华闹市区，定位为大型商业综合体和超5A级甲级写字楼。项目建筑面积23万m2，用地面积2.06万m2，包含南、北2栋塔楼。其中，北塔30层，建筑高度约150m；南塔设计地下室5层、裙楼7层、塔楼20层，建筑高度约100m。项目周边建筑物林立，医院、电力公司、博物馆、地铁车站都与之毗邻，环境保护要求高。

2 一桩一柱设计情况

该工程南塔设计地下室5层、裙楼7层、塔楼20层，建筑高度约100m。设计共176根钻孔灌注桩，其中30根纯工程桩、146根立柱桩。钢立柱分为圆柱、矩形柱和异形柱3种，共26种截面规格（其中圆形钢柱119根11种截面，矩形钢柱25根13种截面，异形钢柱2根2种截面）。支承桩分为19种类型，桩径在φ1000～2500mm，共8种桩径，其中有4种桩径38根桩设计为扩底桩，扩底最大直径为φ3500mm。根据不同的桩径、不同规格钢立柱、扩底情况，形成了52种不同类型的组合。该工程桩桩型均为端承摩擦桩，采用旋挖成孔灌注桩。

3 工程特点、难点

钢立柱有水平方向性要求，水平调控难度大。吊装钢柱长约30m，最大重量54t，吊装危险性大；钢立柱垂直度控制偏差要求≤1/1000，在全国范围内尚属首例。为了克服常规后插、先插法施工钢立柱的不足，结合本工程的立柱规格多、精度要求高的特点，在已有技术基础上进行改进、升级，研制出了更为先进、高效、可靠的高精度钢立柱调垂架液压自动调垂的施工设备与方法。

4 立柱桩总体施工方案

4.1 成孔针对性措施

桩孔孔壁的稳定性与垂直度是立柱桩顺利实施的前提，因此该项目根据项目特点采取了以下针对性措施，取得了较好的成效。

（1）区别于常规工程桩施工，一桩一柱在成孔完成后，其清孔、下笼、钢立柱安装、调垂、砼浇筑等工序作业时间较长且不稳定地层厚，确保孔内安全是顺利进行钢立柱调垂、成桩的先决条件。结合场内地质情况，需采用长护筒罩住不稳定地层。因各项目情况各有差异，在进行类似工程施工时，可参照采取此措施，钢护筒的长度根据地层情况确定。

（2）成孔垂直度的控制。成孔垂直度的控制是后续进行钢立柱垂直度调节的前提条件。针对钢筋笼与钢立柱设计净间隙较小的情况，为确保钢立柱下放入孔内后能顺利调垂，自我提高要求确保旋挖钻进成孔的垂直度不大于1/300，这也是本工程质量控制的一个重大难点。由于地层各层软硬程度不同，旋挖钻机在成孔过程中很容易发生斜孔，尤其是在软硬交接、岩面倾斜时；另据旋挖钻机自身钻孔的特点，其原理是动力头驱动钻杆，靠钻杆或钢丝绳加压进行成孔钻进，其本身特性就决定了容易发生偏孔，根据钻进加压的情况，基本都是朝钻机右前方偏斜。受以上几种因素的影响，成孔垂直度控制不论是施工技术组织的可行性，还是整个项目的进度、成本方面，都是势必要解决的难题。为此，项目部采取了几种措施，且得到了较好的成效，有效确保了后续钢立柱安装调垂工作。①根据钻孔直径，选用恰当的大功率旋挖钻机钻进成孔，大功率钻机凭借自身重量大、扭矩大、稳定性好等特点，对成孔的垂直度、效率都有很好的保证。②采取分级成孔、扩孔的形式钻进成孔。大直径的桩孔，根据直径情况分2～4级成孔，这样做的好处是在前一级钻孔出现偏移的情况下，后一级能及时纠偏；另一个好处是分级成孔会大大提高成孔钻进效率。③采用筒式钻头对岩层进行环切，利用筒钻钻进对岩层切削，再用捞渣斗挖除岩屑。筒钻切削钻进能起到一定的导正作用，在进入岩层一定深度且垂直度能符合要求后，可换截齿钻头继续正常钻进。值得注意的是，在软硬交接层钻进时，适当放慢钻进速度，待入岩一定深度后使用正常速度钻进。④将场内岩层的起伏情况和旋挖钻机自身特性相结合，调整旋挖钻机站位。如岩层向西北方向倾斜，钻机可向东南向站位，钻机头朝西南。实践证明，调整旋挖钻机站位对成孔垂直度控制能起到一定作用。⑤成孔钻进过程，利用超声成孔检测仪进行孔壁检测，适时掌握成孔偏斜情况，来指导旋挖钻机操作人员进行正确的操作、纠偏。

4.2 调垂注意事项与原理

（1）调整注意事项。钢立柱在安装时因吊点位置设置、吊索具长度不完全一致，且由于地内环境复杂，在吊装、安装过程中，难免出现倾斜。为避免该现象造成的后期上层施工的偏移，需在安装钢立柱时使用高精度钢立柱调垂架液压自动调垂系统对其姿态进行调节，使其达到要求的垂直精度，符合要求后固定于孔口调垂架，浇筑桩身柱内混凝土完成成桩作业。

（2）调垂原理。调垂液压系统根据测斜仪适时监测钢立柱安装时的角度偏差，自动或人工操作完成调垂工作。液压系统采用双泵系统，低压大流量快速补油，高压小流量精确调垂。液压泵站的油箱采用全封闭结构，避免环境对液压油液造成的影响。液压主管路采用快速接头安装，便于拆装。调垂系统由2层水平油缸和1组顶升油缸组成，垂直顶升油缸用于调整平台水平，水平调节缸用于调整钢立柱垂直，每一只油缸上均安装有液压锁，防止卸压。

4.3 调垂方法、机具与测斜

（1）调垂方案。采用地面调垂架方式进行调垂，地上钢柱可调高度为4.2m；柱身设置高精度倾角仪进行垂直度动态监控辅助调垂。灌注桩成孔、钢筋笼安装工序结束后，根据钢立柱调垂监控仪显示的调整量，利用调垂架四个方向的油缸对钢立柱姿态调节，使其达到要求的垂直精度。高精度倾角仪在钢柱安装完成后二次清孔、砼灌注至柱底、回填碎石等每道工序实时显示钢柱的垂直精度、调整量，作业人员按监控仪显示的调整量进行调节，以确保钢柱最终的垂直精度符合要求。

（2）调垂架工具。由工字钢加工而成，设有上、下2层8只调节油缸和4只顶升油缸，中上部设置2根扁担梁用于架设和固定钢立柱。顶面为立柱安装、混凝土灌注的操作平，四面装有安全防护栏杆。使用时，四脚铺设路基板（见图1）。

图1 调垂架示意图

（3）垂直度监测仪。①操作面板。控制箱本地控制面板操作如下：系统通电，红色指示灯亮。“启动”为钥匙开关，打开后，绿灯亮。②触摸屏控制（见图2、图3）。初始值标定：首次使用时，必须对已安装好的倾角仪进行初始值标定（即置零）。数据储存：调整完毕后，根据需要，按下“数据储存”按钮，该时刻数据储存至硬盘。调整竖向位置输入：竖向距离为倾角仪到调节油缸的垂直距离。由于倾角仪检测到的数据为角度信号，根据不同的高度，需要进行调节的数值不同，因此在输入“调整竖向位置”时，应确保数值的准确性。倾斜角度：界面上显示的倾斜角度X/Y为倾角仪检测到的角度数值，置零后，若出现偏移，则该处会出现相应偏移的角度。调整过程中，由于倾角仪安装的钢立柱姿态产生变化，该数值也会出现相应的变动。调整完毕后，静置钢立柱，待数据稳定后可观察其倾斜角度，判断是否需继续调整。

图2 开机画面

图3 监控界面

（4）接线方式。倾角监控仪提供220V电源接口和倾角仪数据线接口。

（5）倾角仪。H系列角度传感器是一款高精度水平传感器，采用标准工业电器接口，可长距离传输输出信号，抗干扰性强，是工业设备监测的好帮手。产品采用最新的工艺生产，对温度误差和非线性误差做出了精确的补偿和修正，长期稳定性小于0.002°，准确度高、体积小、承受冲击震动能力佳，产品内置抗射频，采用抗电磁干扰电路，尤其适合应用地下非开挖型机械及其他恶劣工业环境。①吊装调直架就位，对中、调平。使调直架中心与桩中心保持一致，观察调直架上的水平仪，调节4只顶升油缸，使调直架水平，并予以固定。②连接好工具柱，事先将倾角仪固定在钢立柱上端，使倾角仪基本水平（使X和Y轴和钢立柱上标注的轴线方向保持一致）。③使用2台履带吊车和吊具吊起钢立柱，底部脱离地面。通过测量仪器两个方向校正，使钢立柱保持坚直。④将倾角仪正确接入倾角监控箱，保证信号正常。⑤进入控制页面，通过触摸屏输入调整位置数值，屏幕上显示偏移值。⑥调垂开始前，钢立柱插入前保持坚直时，按“置零”按钮。⑦下放钢立柱至设计标高，上层4只液压油缸调整使钢立柱中心与桩中心重合。⑧观察垂直度监测仪屏幕上角度和位移变化，指导调整对应油缸的行程，使钢立柱垂直度达到设计要求。调整完毕后，静置钢立柱，角度稳定后，对钢立柱予以固定。⑨砼灌注过程中，密切观察钢立柱垂直度的变化情况，可根据监测数据情况再次调节、固定。完毕后，可点击“数据储存”按钮储存。

5 结束语

广州市越秀区恒基中心地块项目通过精心部署，利用自主研制的高精度钢立柱调垂系统，成功完成了一桩一柱的施工任务，达到了设计目标，取得了业主、总包、监理单位及到现场参观同行的一致好评。