周鵬洋，蔡建良，孫 永，陳佳輝，許秀林

(浙江大東吳建筑科技有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，節(jié)能與環(huán)保成為人類發(fā)展所必須考慮的問題，被列為社會經(jīng)濟發(fā)展的重點，逆作法施工相對于傳統(tǒng)的敞開式順作基坑施工具有施工效率高、環(huán)境污染小、基坑變形小、施工成本低等優(yōu)勢，因此眾多大型項目開始設計成逆作法一次成型。

逆作法[1]施工即地下室自上而下施工，將地下結構和基坑支護結構相結合，利用主體結構，不另設支撐體系，這樣對于材料節(jié)約、縮短建設工期等都起到了極大的推進作用，逆作法中柱樁一體結構由此產(chǎn)生。逆作法施工技術的推廣，該類基礎形式也在諸多工程中不斷涌現(xiàn)。

所謂樁柱一體結構，通常是先施工下方的灌注樁，然后在灌注樁的上方設置立柱，立柱部分或整體插入灌注樁內，從而形成柱樁結合的支撐結構。因此需要在樁施工時把鋼柱或鋼格構柱整體預埋入樁內，鋼柱在混凝土樁內就位時，需要對鋼柱進行標高、軸線定位及垂直度的現(xiàn)場調節(jié)，使其達到設計和規(guī)范的精度要求，并在鉆孔灌注樁混凝土澆筑、鋼護筒拔除等過程中保持固定狀態(tài)一直到灌注樁內混凝土達到終凝狀態(tài)。

國內目前對于樁柱一體結構施工已提出多種調垂[2]工藝方法，如氣囊法、校正架法、導向套筒法、機械插入法。但實際施工過程中由于工期緊張，施工節(jié)奏較快，無論采用何種調垂方法，很多情況下，鋼柱垂直度不能達到設計及規(guī)范預定的精度要求，因此迫切需要探索新的施工方法，以適用這樣的結構形式。

本文結合某亞運會項目研發(fā)了一種裝配式一柱一樁調垂系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行了理論研究和工程實踐。

1 工程概況

德清地理信息小鎮(zhèn)運動中心項目為2022年杭州亞運會配套項目，坐落于浙江省湖州市德清縣，由于工期緊張，項目施工時，先進行地上部分建筑施工，再進行地下室開挖施工。項目總建筑面積50 000m2，地上建筑面積31 600m2，地下建筑面積18 400m2。建筑平面尺寸329m×66m，基本柱網(wǎng)9m×9m，中心區(qū)域建筑高度15.15m。建筑形態(tài)為緩坡式，逐漸向東西兩側降低，最低處與場地接平，如圖1所示。

圖1 德清地理信息小鎮(zhèn)運動中心Fig.1 Deqing Sports Center in Geographic Infamation Town

項目采用鋼框架結構，地下1層(樓板標高為-4.900m)，地上2層(局部含有2層夾層)，鋼結構主要分布于地下1層鋼柱、地上鋼柱、鋼梁及大跨度鋼梁。鋼材材質為Q355B，最大板厚50mm，總用鋼量1.3萬t。

樁為旋挖成孔灌注樁，樁身直徑為800～1 400mm，設計有效樁長25～30m，共323根。地下鋼柱共317根，截面為箱形(303根)和圓管形(14根)。基坑內鋼柱282根，底部標高為-11.100～-7.800m(地下室鋼柱)，基坑外鋼柱35根，底部標高為-1.550m，共有11種截面類型。施工時，基坑內鋼柱柱腳插入樁頂部分2.9～3.3m，典型預埋鋼柱如圖2所示。

圖2 預埋鋼柱Fig.2 Embedded steel column

2 樁柱一體施工的特點與難點

1)樁柱一體施工涉及混凝土工程樁及地下室結構鋼柱等多個分項工程，涉及多個工作面，施工步驟繁多，施工工藝較為復雜。

2)地下室結構鋼柱插入樁頂2.9～3.3m，鋼柱整體處于樁孔內部，樁身直徑為鋼柱邊長的2倍，樁內部施工空間狹小，且鋼柱柱頂處于樁基施工作業(yè)面下方，不能直接接觸鋼柱進行標高、軸線定位及垂直度調節(jié)，調節(jié)難度較大。

3)現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣，基礎作業(yè)面往往泥濘不堪、凹凸不平，無法提供合適的作業(yè)面，影響預埋鋼柱的施工精度。

4)逆作法樁柱一體施工精度要求極高，目前垂直度設計要求均在1/600以內。根據(jù)研究分析，樁柱施工造成的較小偏移也會在偏移位置產(chǎn)生較大的應力集中和較大的應變，且這種狀態(tài)會隨著樁柱偏差的累積逐步加重，影響上部結構甚至整體結構的安全性。

3 一柱一樁調垂系統(tǒng)

為了保證鋼柱預埋入混凝土樁內標高、軸線的定位精度，利于上部鋼結構的安裝，基于本項目研發(fā)了一種裝配式一柱一樁調垂系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)組成

調垂系統(tǒng)由預埋鋼柱導向段、預制混凝土底座、裝配式調垂支架三部分組成，如圖3所示。

圖3 裝配式調垂系統(tǒng)Fig.3 Assembled vertical adjustment system

裝配式底座提供調垂基準工作面，在工廠內預制好，預留相關埋件以及鋼護筒出口。裝配式調垂支架長、寬、高均為2m，由4根立柱、下層井字梁、上層井字梁組成，為了工人施工安全，設置了鋼爬梯及欄桿。裝配式調垂支架通過預埋螺栓與底座連接并對中，導向段結構安裝在預埋鋼柱頂部進行加長，并穿過裝配式底座中心與調垂支架中心，再通過調垂支架的上下層井字梁與調節(jié)螺桿進行水平限位、標高校準、垂直度調節(jié)。采用高精度裝配式調垂施工技術，保證逆作法樁柱一體化施工中樁柱的施工精度，滿足規(guī)范要求。

3.2 施工流程

3.2.1鋼護筒埋設

鋼護筒采用明挖埋設法，開挖前對樁位放樣進行二次測量復核，復核無誤后用十字交叉法將樁中心點引至樁身開挖區(qū)域外。埋設施工時，在兩個互相垂直的方向利用經(jīng)緯儀監(jiān)測垂直度，并及時根據(jù)監(jiān)測結果調整垂直度，最后根據(jù)引出的樁中心點重新校驗鋼護筒中心位置。

3.2.2鉆進成孔及清孔

鉆孔作業(yè)應連續(xù)進行，過程中嚴格控制鉆進速度，避免由于鉆斗升降速度過快導致孔壁縮徑、坍塌事故。

成孔至設計要求深度后，清孔應分2次進行。清孔時，輸入孔內的泥漿量不應小于排漿量，保證補量充足。同時應合理控制氣量、氣壓，避免吸塌孔壁。

3.2.3下放鋼筋籠

鋼筋籠分節(jié)制作，長度為12m。鋼筋籠在制作過程中運用相應的鋼筋制作吊耳，確保吊裝和下放過程中箍筋不會脫落。鋼筋籠下放時應綁設保護層墊塊，每節(jié)鋼筋籠上不少于2組，每組數(shù)量不少于3塊。

3.2.4安放預制混凝土底座

預制混凝土底座在工廠預制生產(chǎn),復核表面平整度及尺寸后運輸至施工現(xiàn)場，待鋼筋籠安裝就位，采用履帶式起重機安放就位，復測軸線尺寸及標高，沿底座角部下插角鋼進行限位避免位移，同時在底座板上彈出水平方向的雙向中心線便于下一道工序的對中。

3.2.5安放調垂支架

調垂支架構件散件運輸至施工現(xiàn)場后進行組拼成型，采用履帶式起重機整體吊裝至預制混凝土底座上就位，為保證鋼柱下放時與樁基同心，調直架固定前應與樁位對中，安裝過程中利用經(jīng)緯儀雙向控制，確保調垂支架中心與樁位軸線重合。位置調節(jié)完成后將調垂支架與預制混凝土底座上預埋的鋼板進行焊接固定。

3.2.6鋼柱加工

鋼柱為箱形柱，有600×600×36×36，700×700×36×36等截面，均在工廠加工成型。加工時必須要確保垂直度，使用前在現(xiàn)場對格構柱4條邊進行垂直度復測。

3.2.7導向段加工

導向段為角鋼及槽鋼組合形成的格構式鋼柱，與鋼柱預埋段通過焊接相連，鋼柱預埋段主要為箱形鋼柱，在預埋段柱頂4個側面中部分別與槽鋼焊接，槽鋼凹口朝內正對鋼柱，組拼成型。復測構件尺寸，將下端鋼柱4個側面的中心線引至槽鋼外側，用于安裝過程中的垂直度調節(jié)。

3.2.8吊裝預埋鋼柱并落位

預埋鋼柱起吊前應復核垂直度，再進行試吊，試吊無誤后直接起吊空中回直，如鋼柱出現(xiàn)較大變形，立即放回地面進行檢查。正式起吊后鋼柱應緩慢接近調垂支架及樁位，下放時須緩慢下落，依次穿過調垂支架、裝配式底座，落入樁孔內部，避免與鋼筋籠發(fā)生碰撞。

3.2.9標高、軸線定位、垂直度調節(jié)

1)軸線定位調節(jié)

鋼柱下放至一定高度后開始限位進行鋼柱對中，根據(jù)樁中心點位置及底座板上的雙向水平中心線，計算出鋼柱外壁至樁位中心的距離，通過調節(jié)調垂支架下層井字梁水平滑動，使鋼柱被限位處完成對中。

2)鋼柱標高調節(jié)

根據(jù)預設的標高水平線，鋼柱下放至設計標高附近時保持靜置狀態(tài)，采用水準儀重新測定標高后繼續(xù)下放鋼柱，直到導向結構四周的架設腳擱置在調垂支架下層井字梁上，再復測標高，測量無誤后吊機脫鉤，完成標高調節(jié)。

3)垂直度調節(jié)

根據(jù)導向段格構柱上的柱中心引線，在調垂支架旁架設經(jīng)緯儀進行雙向垂直度控制，根據(jù)測定結果進行調節(jié)，在調垂支架上層井字梁位置處調節(jié)千斤頂、螺桿組成的角度調節(jié)裝置進行頂推，直至垂直度偏差滿足設計要求，最后調節(jié)上層井字梁進行限位，將鋼柱進行固定。

3.2.10灌注混凝土

鋼柱調節(jié)就位后在調垂支架上架設灌漿斗、采用泵送混凝土的方式灌注混凝土?；炷敛捎脤Ч芊ㄋ聺补?，導管采用絲扣連接?；炷凉嘧⑦^程中導管應始終在混凝土中，嚴禁將導管提出混凝土面。首批混凝土下落后，混凝土應連續(xù)供應。

3.2.11拔除鋼護筒

混凝土初凝前1h首先臨時拆除調垂支架，再拔除鋼護筒，拔除過程應緩慢進行，避免出現(xiàn)較大擾動影響鋼柱垂直度。

3.2.12二次調節(jié)

鋼護筒拔出后，將調垂支架再次安裝到預制混凝土底座上，對預埋鋼柱的軸線定位、標高、垂直度進行復測、調整。待混凝土達到終凝后，拆除調垂支架，預制混凝土底座，完成該一柱一樁施工。

3.3 調垂原理

1)軸線定位調節(jié)

灌注樁身鉆孔完成后吊裝裝配式底座，落在樁孔上方并與樁孔中心對中固定，調垂支架整體吊裝落位在裝配式底座上并通過螺栓與裝配式底座上的預埋件進行連接，再次對中，保證樁孔、裝配式底座、裝配式調垂支架均在同一中軸線上。

導向段提前安裝在預埋鋼柱上端連接形成剛性同軸結構，吊裝落位依次穿過裝配式調垂支架、裝配式底座、樁孔。

調垂支架下層4根井字梁合圍成限位口，控制導向段結構與鋼立柱的水平位置。限位口的位置即決定了導向結構與鋼立柱在水平軸線上的位置，控制限位口位于樁孔的中心位置，從而使鋼立柱設置在樁孔中心。調垂支架下層限位梁根據(jù)水平軸線定位進行預埋鋼柱與導向段的水平對中。

2)鋼柱標高調節(jié)

導向段外側的架設腳落位在下層限位梁上，通過調節(jié)架設腳與限位梁之間的豎向調節(jié)螺桿，控制預埋鋼柱與導向段達到設計標高。

3)垂直度調節(jié)

根據(jù)“杠桿原理”，如圖4所示，下層限位梁與導向結構架設腳間的接觸點形成支點，在上層井字梁給導向結構上端施加外力，可使導向結構以支點為中心轉動，導向結構帶動鋼立柱旋轉，進而控制鋼立柱垂直度。在調垂支架上層設置調垂平臺，通過千斤頂和螺桿調整限位梁，使限位梁推動導向結構，導向結構以支點為中心帶動鋼立柱轉動，導向結構轉動至垂直狀態(tài)后，鋼立柱也隨之調整為垂直狀態(tài)。調節(jié)設置在調垂支架上層結構梁與導向段中間的千斤頂及頂緊螺桿使導向段產(chǎn)生位移Δ1，下端的預埋鋼柱產(chǎn)生反向位移Δ2，使得預埋鋼柱與導向段圍繞支點進行旋轉實現(xiàn)垂直度調節(jié)。

圖4 裝配式調垂系統(tǒng)調垂原理Fig.4 Principle of assembled vertical adjustment system

4 有限元分析

4.1 預埋鋼柱導向段[3-4]

預埋鋼柱導向段的作用主要有兩個，一個是鋼柱起吊時，導向段桁架需滿足吊裝工況要求；再一個是調垂時，導向段桁架所受水平力作用下的強度、變形需滿足要求。對預埋鋼柱導向段按照上述兩種工況進行了計算分析。

計算分析選取最大截面鋼柱B700×40，預埋鋼柱長5.5m，導向段長5m，導向段截面規(guī)格如表1所示。計算分析采用有限元軟件Midas Gen。

表1 導向段截面規(guī)格Table 1 Section of guiding part

1)起吊工況

起吊時，預埋鋼柱及延長段平放地面是最不利工況。計算分析結果如圖5，6所示，導向段槽鋼最大應力比為0.8，最大位移為5.9mm，均滿足規(guī)范要求。

圖5 起吊工況應力比Fig.5 Stress ratio of lifting condition

圖6 起吊工況位移Fig.6 Deformation of lifting condition

2)調垂工況

調垂時，預埋鋼柱重力由調垂支架下層井字梁承擔，首先調節(jié)預埋鋼柱在下層井字梁處的標高、軸線定位。然后在上層井字梁上用電動葫蘆對預埋鋼柱進行調垂，保證預埋鋼柱處于豎直方向。選用的電動葫蘆為3t，也即調垂時，作用在導向段桁架頂端的水平力≤3t。

計算分析結果如圖7,8所示。導向段槽鋼最大應力比為0.64，最大位移為6.3mm，均滿足規(guī)范要求。

圖7 調垂工況應力比Fig.7 Stress ratio of vertical adjustment condition

圖8 調節(jié)工況位移Fig.8 Deformation of vertical adjustment condition

調垂工況時，預埋鋼柱作用在調垂支架處的支座反力，按照作用在導向段桁架頂端的水平力10，10，30kN分別計算，導向段桁架各桿件支座反力如表2所示。可預埋鋼柱導向段桁架弦桿1、弦桿3作用在調垂支架上的力，隨著電動葫蘆作用力的增大而增大。

表2 垂工況支座反力Table 2 Reaction of vertical adjustment condition kN

4.2 調垂支架

預埋鋼柱吊裝在調垂支架下層井字梁就位后，在上層井字梁調整預埋鋼柱垂直度，此時調垂支架處于最不利受力工況。調垂支架截面規(guī)格如表3所示，計算時忽略爬梯、欄桿的影響。計算分析采用有限元軟件Midas Gen。

表3 調垂支架截面規(guī)格Table 3 Section of vertical adjustment frame

計算分析結果如圖9，10所示。導向段槽鋼最大應力比為0.71，最大位移為1.56mm，均滿足規(guī)范要求。

圖9 調節(jié)工況應力比Fig.9 Stress ratio of vertical adjustment condition

圖10 調節(jié)工況位移Fig.10 Deformation of vertical adjustment condition

調垂工況時，調垂支架各立柱的支座反力，根據(jù)作用在導向段桁架頂端的水平力10,20,30kN分別計算，調垂支架各立柱支座反力如表4所示。

表4 調垂工況支座反力Table 4 Reaction of vertical adjustment condition kN

4.3 預制混凝土底座[5-6]

調垂支架通過支座螺栓固定在預制混凝土底座上，混凝土底座厚40cm，中間開孔，方便拔出樁護筒。在調節(jié)工況時，底板承受最不利荷載。

將調垂支架的柱腳反力施加在底板上，近似按照基礎筏板進行模擬，采用YJK計算分析，得到預制混凝土底座下地基的應力以及地基變形。

現(xiàn)場場地考慮臨時鋪墊60cm厚建筑垃圾，預制混凝土底座下地基最大應力為31MPa，小于場地地基承載力60MPa。地基變形為15mm。經(jīng)過計算分析，預制混凝土底座下的地基承載力滿足要求。

經(jīng)過上述分析，考慮到拔樁護筒時，混凝土尚未完全凝固以及安裝時預制混凝土底座下地基變形等因素，在焊接預埋鋼柱導向段的架設板時，向上預留15mm余量。

5 結語

通過上述對研發(fā)的一種裝配式一柱一樁調垂系統(tǒng)的仿真計算分析，對預埋鋼柱導向段、裝配式調垂支架、預制混凝土底座的計算分析，證明了本調垂系統(tǒng)各組成部分的可靠性。

通過本項新技術在實際工程中的應用，項目首層土方開挖后對預埋鋼柱進行復測，預埋鋼柱軸線偏差≤5mm，標高偏差≤5mm，垂直度偏差≤10mm，施工控制精度在1/700～1/850預埋鋼柱高度范圍內。一柱一樁施工完畢的鋼柱標高、軸線定位精度以及垂直度均比規(guī)范要求提高了很多，減少了上部鋼結構安裝調整的工作，大大提高了施工效率，加快了工程進展，工程質量與項目成本得到了有效控制，為今后樁柱一體化施工提供了一種高效可靠的施工技術。