喬華山

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司

新型鋼立柱靜壓樁機(jī)的研制與應(yīng)用

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建筑的多層地下室、軌道交通地下車站和交通樞紐等多層地下結(jié)構(gòu)的施工，廣泛采用逆作法深基坑支護(hù)施工技術(shù)。而深基坑工程也越來越多的采用鋼立柱，其垂直度要求常常要達(dá)到1/ 500以上。常規(guī)的采用靜壓法地面調(diào)垂架調(diào)垂方法施工費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、垂直度控制效果不佳，且鋼立柱偏位，立柱的垂直度達(dá)標(biāo)率較低。本文介紹了一種新型鋼立柱靜壓樁機(jī)，采用全液壓控制，樁位定位、鋼立柱垂直度等精度高，為深基坑逆作法施工提供了一套先進(jìn)的壓入鋼立柱施工設(shè)備。

逆作法；靜壓樁機(jī)；鋼管柱；一柱一樁

1 問題的提出

隨著城市中心區(qū)基坑開挖以逆做或蓋挖法施工的工程越來越多，基坑施工中起豎向支承作用的立柱樁與結(jié)構(gòu)柱合二為一使用形成的一柱一樁主要承受結(jié)構(gòu)回筑階段的全部荷載，其施工垂直度要求比一般的支護(hù)體系立柱樁要高出許多，尤其是基坑開挖深約30m的超深、超大基坑，設(shè)計(jì)一般要求鋼立柱的垂直度控制在1/ 500～1/600[1]，國(guó)內(nèi)目前“逆作法工程中樁內(nèi)插永久鋼立柱”系統(tǒng)主要由鋼支架部分、調(diào)節(jié)部分、垂直控制系統(tǒng)等組成。垂直控制系統(tǒng)采用測(cè)斜管測(cè)量鋼立柱垂直度，通過支架上部平臺(tái)千斤頂和螺桿的調(diào)節(jié)部分對(duì)鋼立柱施加側(cè)向推力，從而改變鋼立柱平面定位以及傾斜角，是鋼立柱定位、垂直度達(dá)到要求[2][3]。該方法特點(diǎn)是：設(shè)備安裝就位時(shí)間較長(zhǎng)，而管樁的垂直度則依賴于地面支架的精度和操作人員技術(shù)水平。隨著鋼管樁的壓入深度增加（鋼管樁的長(zhǎng)度增加），其垂直度的精度就越低。常規(guī)的地面調(diào)直架調(diào)垂方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、垂直度控制效果不佳且鋼立柱偏位反復(fù)，普遍達(dá)標(biāo)率比較低。

研制一套既能高效的將鋼立柱插入到下部支撐樁中一定深度，又能確保鋼立柱的垂直度及樁位精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，解決傳統(tǒng)一柱一樁鋼管柱施工精度差、施工效率低的施工設(shè)備，為后插一柱一樁施工提供有力保障。

2 新型鋼立柱靜壓樁機(jī)結(jié)構(gòu)原理

2.1 目前鋼立柱靜壓樁機(jī)存在問題討論

靜壓法施工是通過抱緊油缸將樁抱緊，以機(jī)械的自重和機(jī)身上的配重通過頂壓油缸傳遞到鋼立柱柱身，集中受力后，再將鋼立柱壓至地層標(biāo)高。樁位的準(zhǔn)確度及鋼立柱的垂直度控制是沉柱質(zhì)量的關(guān)鍵。鋼立柱在一般情況下壓入30～50㎝后進(jìn)行調(diào)校。而一般的抱壓式壓樁機(jī)由于抱樁點(diǎn)采用一處或二處同時(shí)抱樁，即使二處同時(shí)抱樁，抱樁點(diǎn)之間的距離由于設(shè)備的高度限制都較短，當(dāng)需要壓入的鋼立柱較長(zhǎng)時(shí)，現(xiàn)有的壓樁設(shè)備的成樁垂直度一般都在1/200左右。隨著建設(shè)需要，沉樁垂直度尤其一樁一柱時(shí)，垂直度要求在1/400以上甚至更高，因此普通的壓樁設(shè)備很難滿足垂直度要求。同時(shí)現(xiàn)有的靜壓樁機(jī)對(duì)樁位時(shí)采用走管或步履對(duì)位，設(shè)備龐大，且對(duì)位精度較差，對(duì)位效率也較低。

2.2 新型鋼立柱靜壓樁機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

新型鋼立柱靜壓樁機(jī)由安裝在地面的路基座、前后及左右對(duì)中調(diào)節(jié)座、樁機(jī)機(jī)座、下鉗架、上鉗架、導(dǎo)向柱、壓柱油缸、調(diào)平油缸、對(duì)中油缸以及在地下安裝在孔口護(hù)筒內(nèi)的糾偏裝置等組成。

圖1是新型鋼立柱靜壓樁機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。地面設(shè)備設(shè)有上下二層夾鉗。上夾鉗主要為穩(wěn)固鋼管柱，即下層抱壓鉗在抬升回程時(shí)，穩(wěn)固鋼管柱。下層夾鉗為抱、壓沉柱。上鉗架與機(jī)座通過四根導(dǎo)向柱連接，下鉗架沿導(dǎo)向柱上下滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)沉柱動(dòng)作。樁孔內(nèi)（在樁孔護(hù)筒內(nèi)）設(shè)置4個(gè)導(dǎo)向糾偏裝置。在下層夾鉗抱壓沉柱時(shí)，鋼管柱由上夾鉗和孔內(nèi)糾偏裝置共同作用，保證鋼管柱的垂直度。在地面設(shè)備機(jī)座下設(shè)置前后、左右兩個(gè)方向的樁位對(duì)中裝置和水平調(diào)整油缸。新型鋼立柱靜壓樁機(jī)整機(jī)如圖2，樁孔內(nèi)糾偏裝置如圖3。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 靜壓樁機(jī)圖

圖3 糾偏裝置圖

圖4 下夾鉗架靜應(yīng)力圖

圖5 下夾鉗架靜變形圖

圖6 液壓控制原理圖

圖7 為現(xiàn)場(chǎng)施工圖片

3 新型鋼立柱靜壓樁機(jī)性能及參數(shù)

3.1 夾鉗夾持力及抱壓、起拔力

上下二層夾鉗功能不同，是本新型鋼立柱靜壓樁機(jī)的一項(xiàng)重要特征。在沉柱過程中，上下夾鉗交替工作，鋼管柱始終在夾鉗的夾持控制下，從而保證鋼管柱的原有樁位、垂直的精度得以保證。避免了鋼立柱在沉柱過程中樁位偏位、垂直度變動(dòng)。

夾鉗的夾持力按照夾鉗的功能來設(shè)計(jì)?？紤]到設(shè)備適用范圍，上夾鉗的夾持力設(shè)定在100噸。下夾鉗抱壓、起拔功能，考慮到夾鉗架結(jié)構(gòu)、鋼管柱的重量等因素，抱壓力在160噸，起拔力200噸。為增大鉗口摩阻，夾鉗的鉗口設(shè)計(jì)有多層環(huán)狀防滑槽。下夾鉗夾持力設(shè)為300噸?？紤]到設(shè)備性能安全和超載，正常工作油壓設(shè)計(jì)為16Mpa，如油缸油壓增大到25Mpa，設(shè)備的安全裕量達(dá)到了1.5倍。

3.2 上下夾鉗同心度

據(jù)了解，目前在農(nóng)村頻繁出現(xiàn)一種行為：政府組織、村委會(huì)等強(qiáng)迫轉(zhuǎn)讓土地使用權(quán)。在農(nóng)村、甚至是城市中，由于土地問題引起的糾紛時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重的還會(huì)引起暴力性行為，危害社會(huì)穩(wěn)定。

通過導(dǎo)向柱連接，上下夾鉗架同心度不大于0.5mm。確保鋼管柱起始垂直度有高精度的保證。

3.3 夾鉗開合行程

夾鉗的開合行程與鋼管柱的直徑和結(jié)構(gòu)相關(guān)。本設(shè)計(jì)考慮最小鋼管柱直徑500mm，最大鋼管柱直徑900mm。因此夾鉗的開合行程為250mm。通過夾鉗變換，夾鉗開啟最大通徑1000mm。抱合最小通徑500mm。同柱的變徑差最大為400mm。

3.4 壓拔力、行程與速度

鋼管柱的靜抱壓力的設(shè)定，考慮到鋼管柱頭的結(jié)構(gòu)，且支承樁為尚未初凝的混凝土，流動(dòng)性相對(duì)較好。依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，憑鋼管柱自身重量就能插入支承樁中?？紤]到施工時(shí)間、支承樁混凝土流動(dòng)性差異等因素，確保施工安全，鋼管柱的抱壓（拔）力最大設(shè)定為400噸，用4個(gè)100噸油缸同時(shí)壓（拔）。靜壓力在180噸、靜拔力在380噸。考慮上下夾鉗架的位置及整個(gè)設(shè)備的高度等要求，壓（拔）油缸的行程設(shè)定為400mm。為提高沉柱效率，壓（拔）油缸的速度設(shè)定為600～800mm/min，即鋼管柱調(diào)整到位，一般能在15～20min左右沉樁到標(biāo)高。

3.5 樁位中心調(diào)整距離及調(diào)整油缸推力

在設(shè)備機(jī)座下設(shè)置前后、左右兩個(gè)方向的樁位對(duì)中滑移架。在設(shè)備基本就位后，可通過樁位對(duì)中的滑移架的滑移，精確對(duì)中樁位。中心可調(diào)整距離前后、左右均±100mm?？紤]到設(shè)備自重、鋼管柱重量等，中心調(diào)整油缸的推拉力在88噸左右，前后、左右均各采用2個(gè)50噸的油缸實(shí)行推拉調(diào)整。

3.6 孔內(nèi)導(dǎo)向糾偏距離

孔內(nèi)導(dǎo)向糾偏是本新型鋼立柱靜壓樁機(jī)的另一項(xiàng)重要特征。在樁孔內(nèi)設(shè)置導(dǎo)向糾偏裝置，使控制鋼管柱垂直度由普通的靜壓樁機(jī)的一點(diǎn)或很近的二點(diǎn)，變成長(zhǎng)距離的二點(diǎn)，調(diào)整控制的精度更高?？變?nèi)導(dǎo)向糾偏裝置，掛靠在孔口護(hù)筒內(nèi)壁。導(dǎo)向糾偏點(diǎn)設(shè)置4點(diǎn)，方位相差90度分布。導(dǎo)向糾偏距離200mm。

3.7 樁機(jī)水平調(diào)整油缸推力及幅度

為快速調(diào)整樁機(jī)的水平，在樁機(jī)機(jī)座與上層中心調(diào)整架間，設(shè)置4個(gè)水平調(diào)整油缸，每個(gè)油缸推力為100噸，調(diào)整幅度在300mm。

4 鋼立柱靜壓樁機(jī)關(guān)鍵部件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分析新型鋼立柱靜壓樁機(jī)受力，夾鉗架又是本樁機(jī)的關(guān)健部件，且夾鉗架受力狀態(tài)最為復(fù)雜，尤其下夾鉗架的夾鉗滑動(dòng)座部分受力最為惡劣。本文僅以下夾鉗架設(shè)計(jì)為例說明。

4.1 夾鉗架設(shè)計(jì)

建立下夾鉗架三維模型，并施加載荷。對(duì)該結(jié)構(gòu)模型劃分有限元網(wǎng)格。在進(jìn)行有限元計(jì)算處理后，得出下夾鉗架應(yīng)力、變形的分布圖。

如圖4為下夾鉗架應(yīng)力分布圖。模型應(yīng)力分布區(qū)域大部分呈藍(lán)色，應(yīng)力約在30MPa以下。最大應(yīng)力約為231MPa，在鉗口滑動(dòng)座角處區(qū)。此處采用了墊板加強(qiáng)，分擔(dān)了架體的應(yīng)力，設(shè)計(jì)較為合理。

圖5為下夾鉗架變形位移分布圖。受到鉗口座擠壓作用，架體鉗口滑動(dòng)座中間部分變形弧度較大，這與應(yīng)力分析相符。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示最大位移變形0.17mm，完全滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

4.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化控制的重要一環(huán)。圖6為新型鋼立柱靜壓樁機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖。

5 工程應(yīng)用

某工程整體地下室五層。一樁一柱198根，支承樁直徑1200mm。鋼管立柱直徑500mm，壁厚16mm，長(zhǎng)35米，插入支承樁5m，設(shè)計(jì)要求插入后的鋼管柱垂直度小于1/500，樁位偏差小于± 5mm。用本新型鋼立柱靜壓樁機(jī)調(diào)垂、對(duì)位，采用后插法工藝施工，95%的鋼管柱垂直度一次性滿足1/500的設(shè)計(jì)要求，最高的垂直度達(dá)到1/1000。圖7為現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

6 結(jié)論

采用本新型鋼管柱靜壓樁機(jī)提高了對(duì)鋼管柱的限位、導(dǎo)向、調(diào)垂效果，使整個(gè)鋼管柱調(diào)垂流程簡(jiǎn)潔、方便，且可以與一柱一樁支承樁同步施工，能滿足逆作法深基坑高精度的后插法鋼立柱施工要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。本新型鋼管柱靜壓樁機(jī)除后插法插入鋼管柱的功能外，配置方面稍作改變，適用于先插法插入鋼管柱或格構(gòu)柱，將夾鉗弧形夾具變更為鋼管柱或格構(gòu)柱形夾具，配套增加灌注操作平臺(tái)，采用移動(dòng)泵車輸送混凝土至平臺(tái)；也適用于后插法插入“H”型或“十”字型等各種異形的鋼立柱。本新型鋼管柱靜壓樁機(jī)目前已獲國(guó)家授權(quán)專利。

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[2]周圣平等.逆作法工程樁內(nèi)插鋼立柱的施工技術(shù)研究[J].建筑施工,2013（2）：267-269.

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[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007.

[5]劉古岷等.樁工機(jī)械[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2001.

喬華山（1963-），男，漢族，上海人，上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司，機(jī)械專業(yè)總工程師，從事工程機(jī)械、傳動(dòng)機(jī)械等的設(shè)計(jì)工作。