許孫杰

(福建地礦建設集團公司，福州 350002)

0 引言

隨著城市高層、超高層建筑的增多及地下空間向深度開發(fā)[1]，建(構)筑物的施工時間隨之延長，資金投入也越來越大，追求縮短建(構)筑物的施工工期、提高投入資金的使用效益、節(jié)省投資成為迫切的要求，逆作法施工是實現上述目標的有效施工方法[2, 3]。逆作法施工技術指的是沿著建筑物軸線、連續(xù)墻等來進行施工，并將混凝土澆筑在指定位置[4-6]。采用逆作法施工，避免了大量臨時支撐的施工養(yǎng)護及拆除，大大縮短工期，且利于控制變形，提高深基坑地下室施工安全性，有效提高綜合效益。近年來，上海市建(構)筑地下室尤其是深基坑地下室施工推廣采用逆作法，為滿足逆作法施工要求，一柱一樁被廣泛應用。

1 項目概況

長峰商城位于上海長寧區(qū)，占地面積25 000 m2，由58層主樓和10層裙房組成，主樓和裙樓均設4層地下室，開挖深度分別約19.60 m 、17.50 m，總建筑面積310 000 m2。樁基鉆孔灌注樁1150根，其中裙樓采用逆作法施工，設計勁性柱(樁)226根，采用直徑550 mm、壁厚16 mm、長度22 m鋼管，錨入樁內2 m，要求如下：①樁徑850 mm，樁長55 m，單樁設計承載力5700 kN，樁尖持力層為⑨層細中砂層，樁底沉碴不大于5 cm；②成孔垂直度要求達1/300，勁性柱鋼管安裝精度要求垂直度不低于1/400，平面位置偏差值小于50 mm；③柱底下部2 m為樁身砼換層界面，要求砼換層界面以上樁身及鋼管內采用高標號C60砼澆筑，以滿足勁性柱的承載要求。

地層地質情況：①、②層填土、黏土；③層淤泥質粉質黏土，層底標高一般-3.90 m；④層淤泥質黏土，層底標高一般-12.51 m；⑤層黏土/粉質黏土/粉質黏土夾黏質粉土/砂質粉土，層底標高一般-25.75 m；⑥層粉質黏土，層底標高一般-29.13 m；⑦層粉砂/粉細砂，層底標高一般-41.89 m；⑧層黏土/粉質黏土與粉砂互層，層底標高一般-59.97 m；⑨層細中砂，層底標高一般-88.86 m。

2 一柱一樁特點

勁性柱是逆作法施工采用的結構柱類型之一，柱下樁以結構柱位置進行布置，也稱一柱一樁，它是在灌注樁樁頂處插入鋼管或鋼格構柱，在逆作施工階段作為支撐立柱，在基坑開挖后，鋼立柱外布設鋼筋支模澆筑混凝土成為永久工程構造柱。柱下樁除了作普通工程樁外，逆作法施工對其承載力要求高，其樁身結構、鋼立柱安裝垂直度、鋼立柱平面位置允許偏差等技術要求嚴格，在軟土地基中，逆作法勁性柱下樁[7]通常有如下要求。

2.1 設計要求[8-10]

(1)樁徑、樁長不小于設計孔徑、樁長，樁身垂直度不低于1/300，樁身混凝土強度滿足設計要求。

(2)在基礎底板施工之前，所有結構樓板、梁、支撐、施工荷載由柱下樁及地下連續(xù)墻共同承擔，在軟土地基中，柱下樁通常設計要求樁徑較大、樁長超長，持力層選擇深部較厚、摩阻系數大的地層。

(3)樁底沉渣不應大于5 cm。

(4)鋼立柱采用鋼管或鋼格構柱，一次性起吊安裝，立柱底插入工程樁樁頂，鋼管立柱混凝土換層面以上以及鋼管內用高標號混凝土澆筑。

(5)立柱安裝垂直度1/400以上。

(6)立柱平面位置允許偏差50 mm以內。

除上述設計要求外，施工還需要滿足地區(qū)、行業(yè)建筑樁基技術規(guī)范、驗收規(guī)程等。

2.2 施工要求

一柱一樁受力復雜，要求定位準確，垂直度要求高，承載力大，施工質量好。一般的灌注樁施工工藝難以達到要求，一柱一樁其施工有以下特點：①以樁位為中心，澆筑素砼硬化平整地面，以此作為樁機就位、成孔施工，定位調垂架安裝的施作平臺；②使用高精度測量儀器，準確測放樁孔中心的位置，護筒挖設、樁機就位、定位調垂架安裝，始終進行有效復核，保持中心位置準確，確保樁、柱中心偏差滿足要求；③通過控制泥漿性能和合理選擇鉆進技術參數，保持孔壁穩(wěn)定，始終采取有效的防斜技術措施，保證樁孔垂直度高，確保鋼管或鋼格構的順利安裝；④提高清孔效果，保證孔底沉渣滿足要求，同時確保水下砼的順利灌注；⑤使用測斜儀器，通過預埋在鋼管或鋼格構上的測斜管，在專用的定位調垂架上進行鋼管或鋼格構的安裝、定位、調垂，確保鋼管或鋼格構的位置準確、垂直度高；⑥砼灌注過程中，準確測定砼面深度，通過控制導管深度，進行不同標號砼界面替換，通過計算確定替換時導管底以上的殘留低標號砼，在高標號砼灌注中將其反頂出，保證高標號砼的位置準確。

3 一柱一樁工藝流程及施工方法

3.1 工藝流程

①平整地面，澆筑施工平臺；②正循環(huán)鉆進成孔；③原土泥漿護壁，必要時采用人工造漿護壁；④鋼筋籠分段制作成型，孔口焊接，采取吊筋控制籠頂安裝標高；⑤鋼管一次性加工制作成型；⑥定位調垂架安裝、調平；⑦終孔后進行第一次清孔，砼灌注前進行第二次導管正循環(huán)清孔替漿；⑧鋼管外側布設測斜管，吊車起吊安裝，定位調垂架上調垂直、定位；⑨水下反頂法砼灌注；⑩水下砼灌注中，不同標號砼更替。

3.2 施工方法[11]

3.2.1 樁定位

根據施工圖，采用全站儀進行樁定位，并經協作單位復測驗收，要求樁位測量誤差小于5 mm。

3.2.2 定位調垂架砼平臺施工

砼平臺作為定位調垂架安裝平面基礎及鋼管安裝平面位置定位及安裝標高控制的依據，平臺砼等級不低于C25。砼平臺是以樁位為中心施工的鋼筋砼平臺，其長寬以樁機底座尺寸及定位調垂架尺寸確定，厚度根據地坪面標高、鋼管安裝標高而定，厚度不低于150 mm，要求臺面水平，高差小于5 mm。在砼臺面定出并標識通過樁中心的兩條互相垂直軸線，該軸線作為鋼管平面定位控制方向。

3.2.3 成孔

鉆機就位基礎穩(wěn)固，調平對中嚴控“三點一線”；采用同心度好且長徑比不低于1.5∶1.0的雙腰箍鉆頭以及平直度高的鉆桿進行樁孔保徑及垂直度控制，牢固鉆機平臺，嚴格控制成孔垂直度，發(fā)現孔斜立即查明原因及時糾斜。

3.2.4 定位調垂架安裝

樁孔一清結束后提鉆移開鉆機，將定位調垂架垂直安裝在砼承臺面上，使定位調垂架中心軸線與標識在砼承臺面上兩條軸線重合，架底座四角用膨脹螺栓固定在砼承臺上，膨脹螺栓直徑通常不小于18 mm，長度與砼承臺厚度相適應。

3.2.5 鋼筋籠安裝

采用吊機起吊鋼筋籠，鋼筋籠在樁孔孔口分節(jié)焊接安裝，最后一節(jié)焊接后不直接安放至設計標高，而采用鋼絲繩臨時懸掛在定位調垂架底座上，籠頂露出地表，為與鋼管錨入安裝做好準備。

3.2.6 鋼管起吊

鋼管起吊前在其外側布設測斜管，由于鋼管長徑比大、易變形，起吊采用50 t履帶吊和25 t汽吊雙機抬吊、空中回直的施工方法。

3.2.7 鋼管錨入鋼筋籠安裝[12-16]

鋼管與鋼筋籠不進行焊接連接，為保證鋼筋籠安裝定位以及鋼管與鋼筋籠的順利錨入，將2根預先測量好長度的吊筋固定在鋼管上端吊環(huán)上，吊筋上端設置上下兩吊環(huán)，鋼筋籠安裝標高以下吊環(huán)位置進行確定，鋼管與吊筋一起起吊，鋼管吊直后穿過定位調垂架中心孔插入鋼筋籠，先將吊筋與鋼筋籠焊接，鋼筋籠由吊筋懸掛在鋼管或鋼格構吊環(huán)上隨同一起下入孔內，鋼筋籠下至設計標高后將吊筋下吊環(huán)固定在定位調垂架上，然后拆除上吊環(huán)與鋼管的固定，使鋼管呈自由狀態(tài)，進入鋼管調垂校正工序。

3.2.8 鋼管調垂校正

(1)采用測斜儀測量立柱垂直度，其原理是通過數據采集系統采集鋼管或鋼格構測斜數據，通過計算機進行數據處理，計算出垂直度、傾斜角、偏斜方位以及偏差值，通過圖形與文字提示，指導鋼管定位調垂架對其垂直度進行調節(jié)，直至符合要求。

(2)本工程采用定位調垂架雙層徑向螺桿進行鋼管調垂校正，定位校正架見圖1。根據鋼管垂直度測量結果，通過定位架上雙層共8根徑向調節(jié)螺桿在鋼管頂部施加一個反向轉動力矩，達到校正孔內鋼管或鋼格構垂直度的目的。鋼管安裝標高根據焊在鋼立柱上端部的定位板以及定位調垂架操作平臺上標高調節(jié)螺桿進行微調。

圖1 鋼立柱定位調垂架結構示意圖Fig.1 Structure diagram of steel column positioning and lowering frame

3.2.9 清孔、孔底沉渣控制

鋼管安裝完成后，采用吊機安放澆筑導管，砼灌前進行二次清孔，選用兩臺3PNL泵正循環(huán)清孔，通常清孔時間1.0～1.5 h。清孔結束以泥漿技術參數及孔底沉渣符合有關規(guī)范及設計要求為標準。

3.2.10 水下砼灌注

鋼管設計通常高出地面，樁砼水下澆筑需用吊機和砼泵車配合在定位調直架平臺上實施操作。本工程立柱采用直徑550 mm、壁厚16 mm鋼管，設計要求除樁身混凝土應達到工程樁的要求外，鋼管內需用高標號混凝土(C60以上)填筑，其水下砼澆筑過程應考慮混凝土換層澆灌問題。鋼管柱一柱一樁水下混凝土澆灌過程，詳示意工況圖2。

圖2 水下混凝土灌注示意圖Fig.2 Diagram of underwater concrete pouring

(1)工況1。樁身混凝土正常澆灌至換層砼交界面上部L0時，起拔導管嚴格控制導管底端位于換層砼交界面位置。L0的確定需考慮以下因素：①因L0這部分混凝土作為樁身浮砼，今后須鑿除，從經濟上考慮應盡可能少；②樁身浮砼應能滿足樁頂超灌高度的要求；③導管起拔至砼交界面位置時導管埋深須達到施工規(guī)范要求。

(2)工況2。更換高標號(C60以上)鋼管內芯砼繼續(xù)澆筑，此時應考慮高標號混凝土澆灌前導管及砼泵車內殘留低標號砼因素，高標號混凝土澆灌應在高標號混凝土砼面上升高度為L3時，及時起拔導管，盡可能使導管底部進入鋼管內，此時在地面上通過線錘可測孔內樁身浮砼面深度L1，砼面深度L1由以下公式進行推算：

L1=L-L2-L3

Q0]/(0.25KπD2)

(1)

式中：Q0為高標號混凝土澆灌前砼泵車內殘留低標號砼量，m3；L為砼換層面深，m；L0為高標號混凝土澆灌前導管埋深，m；L1為浮砼面深度，m；L2為浮砼高度，m；L3為樁身高標號混凝土高度，m；K為樁身擴徑充盈系數，一般為1.05～1.20；D為設計樁徑，m；d為灌注導管內徑，m；γ1為孔內泥漿密度，一般取1.20～1.25 g/cm3；γ2為混凝土密度，取值2.40 g/cm3。

(3)工況3。如果鋼管外浮砼面在混凝土澆至樁頂標高后繼續(xù)上升，會造成混凝土的浪費并增加基坑開挖后的混凝土鑿除工作量，因此，在導管進入鋼管內后應及時在鋼管外側回填礫料(粒徑20～40 mm)，回填高度依據澆灌混凝土時鋼管外不返泥漿為原則。繼續(xù)澆灌鋼管內混凝土，至鋼管上端溢流口溢出高標號混凝土即可終灌。終灌16 h后，拆除定位架。

4 一柱一樁施工質量情況

4.1 鋼管立柱安裝情況

長峰商城裙樓樁基共施工226根一柱一樁，經校垂系統實時監(jiān)測鋼立柱垂直度情況并通過定位架螺桿徑向調垂校正，其結果表明，鋼立柱安裝全部達到不大于1/400(或0.25%)的垂直度要求，合格率100%，垂直度值1/400～1/1250。

4.2 開挖后鋼管平面位置偏差情況

裙樓地下室基坑開挖后，分別在±0.00 m和樁頂處(標高-18.55 m)實測鋼管中心與樁位軸線偏差值，并通過上述偏差值計算立柱實際垂直度，結果為：①在±0.00 m處板面彈線實測實量，鋼管中心偏移理論中心位置最大處45 mm，最小為0 mm，均達到設計要求；②在樁頂位置(標高-18.55 m)，鋼管中心偏移理論中心位置最大處80 mm，最小為0 mm，平均值40 mm；③基坑開挖后所測鋼管垂直度值，除11根垂直度超過0.25%(0.26%～0.43%)外，其余為0～0.25%

4.3 靜載測試

由上海港灣工程質量檢測中心對本工程共10組測試樁進行靜載測試，結果為：11 000 ～12 500 kN荷載下，樁頂沉降為22.54～37.70 mm，卸載后殘余沉降7.44～23.38 mm，單樁垂直極限承載不小于11 000 kN。

5 效益分析

勁性柱一柱一樁達到了建(構)筑物結構逆作法施工的良好條件，結合鉆孔樁施工，無擠土影響，泥漿密閉運輸排放，基坑土方實現了暗挖作業(yè)，做到了文明施工。

勁性柱一柱一樁作為支撐體系的縱向構件，同地下室的梁、樓板構成了基坑的圍護體系，省去了專門的臨時支撐體系，從而節(jié)約了工程總造價。

勁性柱一柱一樁傳導了上部結構與樁基礎間在逆作法施工中的荷載，實現了上部結構與下部基坑以及地下室結構同時施工，相比常規(guī)順作法施工，明顯縮短了工程的施工工期。

6 結語

逆作法一柱一樁在基礎底板施工之前，與地下連續(xù)墻共同承擔所有結構樓板、梁、支撐的重量和施工荷載，施工技術要求高，具有相當的施工難度，只有從測量放樣、成孔、鋼管立柱安裝、水下砼灌注等全過程嚴把技術質量關，才能保證一柱一樁滿足設計要求。

在施工中，應注意以下幾點：①孔垂直度是影響一柱一樁施工的重要工序，必需通過操作工藝措施的改進，不斷提高軟土地層深孔鉆進成孔質量；②保證鋼管立柱安裝位置和垂直度的準確性并進行調垂監(jiān)測，是保證施工質量的關鍵；③砼澆灌過程基本不影響一柱一樁立柱的垂直度值及平面位置偏差值，但在砼灌注過程應注意保證砼面均勻上升和鋼立柱周邊回填礫石均勻，以防產生側向推力引起立柱位置變化。