钻孔灌注桩内插钢立柱的施工技术

摘 要：本文根据实例，对深基坑施工中的竖向支撑钢立柱的安装质量进行了探讨，介绍了钻孔灌注桩内插入钢柱的两种施工方法，以及钢柱垂直度调整和控制的方法，同时介绍了其最新进展。

关键词：钻孔灌注桩；钢柱；垂直度

1 概况

许多民用和市政工程地下结构施工时，都要在钻孔灌注桩内插入钢管柱或格构柱，作为永久或临时的柱子使用。比如地铁车站盖挖逆作时的中立柱是作为工程永久柱使用，为钢管柱，必须在挖土前插入灌注桩混凝土内；比如跨度较大的基坑，为了防止水平内支撑过度下挠，同时又不致使水平支撑截面过大，经常在临时灌注桩内插入支柱，在水平支撑的中部支顶。

一般要求钢柱插入钻孔桩混凝土内的深度是2m，永久柱由于每根承担的梁板面积大、总层数多、施工荷载大，因此较一般柱子承担的荷载要大些，对其定位、垂直度等要求更高，因此控制的核心是柱子的定位精度和垂直度精度，要符合规范要求。规范规定结构立柱轴线偏差控制在±5mm以内，垂直度控制在1/500以内，否则在承重和建筑美观上都会受到影响。

2 钢管柱安装工艺

钻孔桩中插入钢柱的工艺比较复杂，一般分为两种，一种是先灌注桩混凝土，然后安装钢柱，另一种是先安装钢柱，然后从钢柱中间下导管，灌注桩混凝土。

2.1 先灌注桩混凝土，后安装钢柱

2.1.1 主要施工步骤

灌注桩混凝土、桩孔四周施工校正钢架基础定位器锚固面以上混凝土的清除下钢套管抽排钢套管内泥浆凿除桩头混凝土，自动定位器安装浇筑混凝土固定自动定位器安装钢柱拔出套管钢柱外回填细砂。

2.1.2 定位器的原理、设计及安装

以大型钻孔灌注桩中钢管柱的安装为例说明。重点步骤是在钢筋笼顶端焊接永久工作钢套管，该套管的高度与柱子插入桩内的高度一致，主要是为了二次浇筑锚固混凝土设置的。永久工作钢套管的上部是临时钢套管，在灌注桩混凝土浇筑完毕后下放，主要起护壁作用，防止在抽排泥浆和安装钢柱过程中发生坍孔，发生安全事故。临时钢套管在桩孔填沙前要拔出，可周转使用。

1）自动定位器的原理及作用：钢管柱采用上下两端同时定位法固定。柱下端定位主要依赖于自动定位器，上端用校正钢架定位。自动定位器是一种预先加工的装置，经精确校正其平面位置、高程和垂直度后，固定于工作钢套管壁上，浇筑桩基混凝土后其下端锚固于桩基混凝土中。其构造特点决定了可实现对钢管柱的引渡、限定、精确定位的功能。

2）自动定位器的设计：自动定位器一般设计为十字锥形，主要包括锥形引渡板、定位十字板、环形锚固脚及定位铁件等构件，其中锥形引渡板、定位十字板实现钢管柱的引渡功能，并限定钢管柱的水平位移；环形锚固脚承托钢管柱，并控制钢管柱的水平位置及标高，锚固于钢筋混凝土桩内，可防止自动定位器变形、移位；定位铁件承托上部构件，并提供准确的空间位置。定位器的制作质量必须严格控制，保证其具有足够的强度、刚度及精确度，其中心误差＜3mm，固定边与水平面成直角误差＜1‰，锥底宽度比钢管内径小6mm，见图1定位器安装图。

3）自动定位器的安装工艺：首先，在地面将自动定位器的预埋安装脚焊接在下节钢套管壁的设计位置上。在钢套管下放过程中，严格控制其管顶标高，从而精确控制定位器预埋安装脚标高。随后用平头钻将钢套管内桩基顶部浮浆钻除，抽排钢套管内泥浆，然后下人整平桩基表面。其后，由井口将标高控制点投测于钢套管管壁上，将桩心投测于桩基表面，并根据实测桩心位置在地面修整十字板四肢长度。用吊车将定位器及其配件运入桩底，施工人员下入桩底，并开始向桩孔内通风。将定位器安装就位，通过调节螺栓调节定位器标高，推移定位器调节其桩心。精确校核其平面位置、标高、垂直度后，紧固定位器调节螺栓。

4）灌注钢管柱内混凝土:一般选择高位抛落浇筑，并采用振动棒振捣密实。鉴于钢管内混凝土强度较高，为避免施工冷缝出现，混凝土灌注必须连续进行。每根钢管柱浇灌混凝土之前，先在其底部浇灌10～20cm的与核心混凝土强度等级相同的水泥砂浆、以免初灌混凝土落下时粗骨料产生弹跳现象。灌注时，混凝土输送管一端送入钢管柱管底，另一端连接带阀门的进料斗，罐车混凝土连续不断地灌入钢管柱内，从地面插入高频振捣棒且必须始终控制棒体在混凝土表面以下1m内振捣。灌注到柱顶时，需用人工振捣，在钢管柱内混凝土灌注完毕24h后即可拆除钢套管。在钢套管内安装定位器结束后，人工拆卸中、下节钢套管内的法兰螺栓，用小型号无丝螺栓销住。钢套管初始起拔用2台100t千斤顶，将钢套管顶拔松动后用吊车缓慢起拔。

5）钢管柱外环形回填细砂保护:起拔回收钢套管时，为防止其过程中钻孔桩孔壁坍塌，需对柱体与钻孔桩孔壁之间进行回填细砂处理，填充过程应略滞后于起拔过程，回填至井口结束。回填量应不小于钢管柱与钻孔桩孔壁这间体积的1.13倍左右。

2.2 先安装钢柱，后灌注桩混凝土

2.2.1 主要施工步骤 灌注桩钻孔、桩孔四周施工校正钢架基础吊放钢筋笼和钢柱钢柱找正下放浇筑混凝土的导管浇筑桩混凝土抽排泥浆钢柱外回填细砂。

2.2.2 一般钢柱找正方法 以格构柱为例说明。

1）钢筋笼外设置定位块，以保证钢筋笼在桩孔内的位置准确，在钢筋笼上部设置钢柱定位装置，当钢筋笼进入桩孔内时，在桩孔上口临时固定，将钢柱与钢筋笼焊接固定为一体，然后吊车吊住钢柱缓慢下放，直至设定标高为止。

2）钢柱上安设测斜仪和测斜管，在吊放过程中利用经纬仪监测其垂直度。钢柱伸须出地面以上2m左右，以便利用地面调垂系统校正。地面调垂系统是在桩孔周围地面上设置校正钢架和钢架基础，钢架形成一个矫正框，使用油压千斤顶进行校正。

2.2.3 改进的钢柱找正方法 前述钢柱找正方法有比较明显它的缺陷，主要是：①校正钢架固定作用较差；②初始误差较大；③钢立柱安装过程中无法实时监测；④二轴调垂方法，调垂效率低；同时当调垂力矩过大时，会造成基础的移动，从而降低调垂的精度；⑤整个调垂系统材料消耗量较大。

有关文献介绍了新的调垂工艺，针对上述缺陷取消了校正钢架和基础，将柱子的可调装置设置在桩护筒上，如图3。这样的设计是依靠桩护筒四周的土压力提供调垂反力，比依靠钢架基础自重提供的反力大5～10倍，极大地提高了调垂和固定的可靠性。

同时，新的调垂系统在钢柱上端侧面安设侧斜仪无线信号传感器，信号直接将垂直数据传入电脑控制中心，可及时与经纬仪侧读的数据对比，首次读数作为首次垂直数据存入电脑，将作为后续调垂的依据。

由于新调垂工艺不需要钢柱伸出地面以上2m左右，因此桩混凝土的浇筑不需要使用泵车，可降低施工成本。

一桩一柱的施工技术是地下结构逆作法或基坑支撑的一个核心部分，其施工质量直接影响着地下结构施工的成败。

1）地铁车站等工程中，大直径钻孔灌注桩中插入永久钢管柱的施工，宜采用先灌注桩混凝土，后安装钢柱的施工工艺。永久柱由于每根承担的梁板面积大、层数较多、工作荷载和施工荷载大，因此较一般柱子承担的荷载要大些，对其定位、垂直度等要求更高。该工艺可精确控制其平面位置和标高。

2）基坑支撑使用的临时钢柱的施工，由于其精度要求相对较低，可以采用先安装钢柱，后灌注桩混凝土的施工工艺。

3）改进的调垂工艺需要由主站、控制站、液压工作站等较先进的装置组成，在条件具备时可以采用。