逆作法中一柱一桩施工技术研究

逆作法中一柱一桩施工技术研究

符伟猜

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

摘要：结合某临地铁工程逆作法施工案例，对陡峭坚硬岩石中的一柱一桩关键施工工艺进行创新、总结，并提出设计优化。重点阐述了特坚岩中的扩底人工挖孔桩施工、坡面上桩孔内的钢管柱定位调垂、复杂梁柱节点的深化设计与施工等施工技术重点难点，为今后同类工程施工提供借鉴。

关键词：逆作法；一柱一桩；水磨钻；调垂；梁柱节点

1. 引言

随着城市化进程的快速推进，临地铁的深基坑工程也大量涌现，逆作法在保护周边敏感建筑、缩短工程工期、降低施工临时支护成本等方面有着明显的优势。然而，当逆作区位于陡峭坚硬的岩石中时，一柱一桩的施工将受技术条件限制，面临多重困难。结合某类似条件的施工案例，笔者对一柱一桩的多项施工技术重难点展开技术攻关，并总结出一套成熟、高效的施工方法。

2. 工程概况

   1. 工程总体概况

本工程基坑西侧为同期施工并先行完工运营的地铁站台，两基坑围护结构距离仅有4-8m。为减少对地铁的扰动，基坑西侧采用咬合桩+预留土石台的支护形式，预留土石台区域地下室结构采用逆作施工工艺。

土石台南北向长约265m，宽度约4m~32m，高度约11m。由北至南，岩面逐渐抬高，靠北1/3长度范围为土台，二级放坡，坡间平台宽2m，坡率约为1:1；靠南2/3长度范围为石台，一级放坡，坡率设计为1:0.3，但现场甚至更陡。根据地勘报告，石台属微风化粗粒花岗岩岩石，其饱和单轴抗压强度值介于39.2MPa～120MPa，平均值为76.5MPa，属较硬～坚硬岩。

图1 逆作区现场环境航拍图

1. 2. 一柱一桩设计概况

本工程竖向支承结构采用一柱一桩形式。

支承柱为永久钢管混凝土柱，钢管规格为∅700x25，材质为Q345，内灌C50微膨胀混凝土。柱下基础采用两次成形。施工阶段，支承桩为扩底嵌岩人工挖孔桩，桩径1400mm，扩大头尺寸1400~2200mm，桩端持力层为中、微风化花岗岩，从独立基础底起算最小桩长3m，桩端入持力层最小深度0.5m，桩身为C35水下混凝土，浇筑至底板面标高。使用阶段，结构地基采用天然地基，柱下基础为独立基础，不考虑施工阶段采用的柱下支承桩作用。

图2 一柱一桩基础节点剖面图

3. 特坚岩中的扩底人工挖孔桩施工

本工程逆作区共计20余根支承柱，局部支承柱位于陡峭岩壁当中，无法实施人工挖孔桩作业，需进行二次修整岩边，将该部分支承柱位开挖至基坑底，与顺作区一同施工。根据现场实际情况，在人工挖孔桩挖至强风化岩层时，可以采用风镐开挖；进入中、微风化岩层时，岩石的抗压强度很强，抗拉和抗剪强度较低，利用水磨钻施工是比较高效、经济的施工方法。

1. 1. 水磨钻施工工艺

水磨钻主要由水磨钻机、水磨钻筒和专用水泵三部分组成。一个水磨钻机配备3-5水磨钻筒，一个水磨钻筒上焊有7个刀头。钻筒外径为160mm，高度为620mm，一个循环可钻取600mm岩芯。

图3 水磨钻照片

工艺流程：

（1）钻取四周岩石：采用水磨钻沿桩外径钻取岩芯，形成一圈外围临空面；

（2）钻取中间岩石：对剩余的桩芯岩体进行分块，形成内部临空面；

（3）分裂岩石：使用手电钻在桩芯岩体根基上钻上一排小孔，在小孔内锥入钢楔，捶击钢楔挤压岩石，岩石在水平冲击力作用下沿铅垂面被拉裂，底部发生水平剪切破裂。依次分裂岩体，直至该层桩芯岩体全部从基岩中分裂出来；

（4）人工装渣，电动提升机出渣；

（5）依次按照分层取芯、破裂、取岩块的循环工序作用，最终达到成孔的目的。

图4 水磨钻开挖人工挖孔桩工艺流程图

1. 2. 基于施工工艺的扩底桩设计优化

（1）桩径

在一柱一桩施工中，人工挖孔桩钢筋笼绑扎完成后，再使用汽车吊或其他吊装机械将钢管柱吊放入桩孔中。若桩径设计过小，钢管柱吊放过程会极为困难，甚至因为人工挖孔桩施工定位或垂直度的偏差，导致钢管柱无法正常吊入孔内，给工程质量及进度产生较大影响。若桩径设计过大，人工挖孔桩施工工期延长，也不利于资源、资金的节约。因此，人工挖孔桩的桩径确定尤为重要。

本工程钢管柱外径为700mm，环板宽度为200mm，栓钉长度为120mm。人工挖孔桩的纵筋规格为25mm，焊接加强筋规格为20mm，螺旋箍筋规格为12mm，钢筋保护层厚度为50mm。为尽可能减小桩径，并消除钢管柱安装标高误差传递给环板的误差影响，采用环板后焊的施工措施。假定施工误差和吊放钢管柱空隙之和为100mm，则人工挖孔桩桩径至少为700+（120+25+20+12+50+100）×2=1354mm，本工程桩径取为1400mm。

（2）桩端扩大头尺寸

开挖桩端扩大头时，水磨钻仍是比人工风镐和静态破碎更为安全、高效的施工方法。工程实践中，水磨钻的倾斜角度超过10°时，钻机难以固定作业，容易倾倒。因此，扩大头的斜率有与水磨钻施工工艺匹配的限值。

工程中使用的水磨钻一般高度为1750mm，钻筒外径为160mm，一个循环可钻600mm，水磨钻倾斜角度取为10°，tan10°=0.176，每侧向外扩底宽度0.176×600=102mm，因此每进尺600mm约可扩大200mm桩径。

4. 坡面上桩孔内的钢管柱定位调垂

竖向钢管支承柱通常作为正式地下室结构的一部分，其安装定位及垂直度需严格控制。目前，广泛应用的方法有气囊法、校正架法。本工程钢管柱作为永久结构柱，一次成形，使用阶段钢管柱外无混凝土包裹，因此其安装精度要求高，单节柱垂直度允许偏差为H/1000且不大于10mm，柱全高垂直度允许偏差为35mm。但部分钢管柱位于坡面上，孔口地面不平整，无法安装固定校正钢架，而气囊法调垂精度较差，且气囊易被勾破而无法使用，造成工期延误。为解决这一问题，本工程采用了柱底定位靴固定钢管柱底部中心位置，调节柱顶位置使柱顶柱底平面坐标一致，并辅以线锤复核，达到钢管柱定位调垂的目的。

1. 1. 调垂装置

定位调垂装置包括：柱底定位靴、孔口调垂装置。柱底定位靴由底盘、十字形导向定位板、固定杆组成。孔口调垂装置由双向正交的一对千斤顶、固定钢筋组成。

图5 柱底定位靴加工图 图6 柱底定位靴现场照片

1. 2. 钢管柱定位、调垂施工方法

（1）人工挖孔桩浇筑第一段桩身混凝土；

（2）待桩身混凝土终凝后，清凿表面浮浆至钢管柱底标高；

（3）在孔顶测放柱心位置，传递至孔底，施工人员下孔安装定位靴，精确校核平面位置、标高、水平度；

（4）将柱底定位靴的固定杆与桩身钢筋网连接牢固，具体过程为：每个定位靴配有4套固定杆，每套固定杆由直角筋与斜撑筋组成，二者焊接牢靠；定位靴位置、标高、水平度校准后，仅需将直角筋与定位靴底盘、桩身纵筋焊接，即完成该步操作；

（5）吊放钢管柱进入人工挖孔桩内，使钢管柱底部直接嵌入定位靴中；

（6）在钢管柱顶测放正确的柱心位置，人工挖孔桩孔口正交方向放置两个千斤顶，千斤顶尾端顶住孔桩侧壁，头部顶住钢管柱壁，通过千斤顶油缸的伸缩调节钢管柱顶部的位置，直至柱顶、柱底位于同一垂直线上；

（8）使用四根短粗钢筋焊在钢管柱的四个正交方向，并牢固顶在桩孔侧壁上，固定钢管柱位置；

（9）浇筑桩身混凝土至设计标高，后浇筑钢管柱内混凝土；

（10）待桩身混凝土达到一定强度后，在钢管柱与人工挖孔桩护壁间的空心段内回填粗砂并灌水密实。

图7 钢管柱定位、调垂施工方法剖面图

5. 复杂梁柱节点的深化设计与施工

   1. 梁柱节点的钢筋深化

梁柱节点钢筋密集，有上层混凝土框架柱的纵筋，该层框架梁纵筋，柱帽钢筋。钢管柱与楼层梁接头采用加劲环板柱帽，柱帽尺寸为1200mm×（与该柱相交的最大梁高+50mm）上下环板厚度均为25mm，宽度为150mm，4块12mm厚的加劲肋正交布置，梁面筋与环板双面焊接5d，梁底筋下排筋与环板双面焊接5d，上排底筋伸至钢管柱边。进行节点区域深化时，应按以下步骤进行：

（1）根据框架梁尺寸、标高确定环板标高与平面位置；

（2）将上层框架柱纵筋投影到环板上，并开设穿筋洞；

（3）根据下料洞口尺寸确定最大钢筋长度，并确定分段下料。

图8 混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点大样图

1. 2. 环板焊接工艺

本工程钢管柱规格为D700×25mm，环板厚度为25mm，材质均为Q345B。环板采用后焊工艺，为了防止钢管柱在现场焊接过程中温度过高，而产生塑性变形，特采用以下的焊接工艺措施：

（1）环板焊接分为四片进行分段对称焊接，不能同时进行整个环板的焊接；

图9 环板焊接顺序图

（2）环板的焊接工艺参数严格按照GB50661-2011《钢结构焊接规范》中表6.6.2-4的焊接规范中偏小值执行。CO2气体保护焊的电流180~250A，焊接电压25~38V，焊接速度35~40cm/min；

（3）严格控制焊缝的层间温度，当层间温度超过250℃时，停止焊接等待温度在250℃以下时在进行焊接。整个焊接过程控制钢管的温度不超过300℃；

（4）环板厚度为20mm，为了控制焊接线能量，每层焊接厚度为3~4mm，分6~7层进行焊接，焊接到厚度10mm左右时停止焊接，等待温度在200℃以下时继续焊接。整个焊接过程温度不超过钢材Q345B塑性转变温度。

6. 结语

实践证明，水磨钻施工工艺及辅以相匹配的桩径、扩大头设计参数优化，经济、高效地解决了陡峭坚硬岩石中的人工挖孔桩施工难题；柱底定位靴的创新设计辅以便捷的千斤顶调垂、简易的钢筋固定，使得所有钢立柱均满足1/1000的高精度要求；加劲环板柱帽的节点深化与施焊工艺保证了复杂梁柱节点的施工质量与结构安全。可为逆作法一柱一桩类似工程提供参考和借鉴。

参考文献：

[1] 蒋卫民.人工挖孔桩水磨钻施工技术[J].建筑技术开发,41(12):15-17.

[2] 马超. 不良地质人工挖孔桩采取水磨钻施工技术[J].施工技术,(518):116-118.

[3] 杨学林,周平槐. 逆作地下室设计中的若干关键问题[J].岩土工程学报,21(1):238-244.