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全套管全回转钻机钢管柱施工技术

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：张宇

[导读] 摘要：全套管全回转钻机插入钢立柱施工技术具有垂直度精度高、施工易于控制的特点，已经能克服以往存在垂直度调整困难或达不到设计要求等常规问题，在实践钟取得了明显的经济效益与社会效益。

        广东省深圳市 518000
        摘要：全套管全回转钻机插入钢立柱施工技术具有垂直度精度高、施工易于控制的特点，已经能克服以往存在垂直度调整困难或达不到设计要求等常规问题，在实践钟取得了明显的经济效益与社会效益。
        关键词：全套管全回转钻；钢管柱；垂直度
        Construction technology of steel pipe column of full casing and full rotary drilling machine
        Zhang Yu
        （Shenzhen City，Guangdong Province 518000）
        Abstract With the characteristics of high verticality precision and easy construction control，the construction technology of inserting steel column into full casing and full rotary drilling rig has overcome the conventional problems such as the difficulty in verticality adjustment or the failure to meet the design requirements，and has obtained obvious economic and social benefits in practice.
        Keywords Full casing full rotary drilling；Steel tube column；Vertical degree
        1 工程概况
        1.1 项目概况
        深圳市城市轨道交通16号线工程施工总承包主体工程总共包含24站25区间1场1段，标段全长29.2km，本工程施工范围位于龙岗区、坪山区。
        1.2 工点概况
        16号线龙平站为地下3层三跨岛式站台车站，全长184.18m，标准段基坑宽度22.9m，车站站台宽13.5米，车站设置4个出入口，4个安全疏散口。由于现状雨水箱涵与主体标准段围护结构冲突，需将其一次永久改移至主体北侧附属顶板上方，附属结构需提前施工（钢管柱、顶板结构等）。
        1.3 工程地质及水文地质
        1.3.1 地质情况
        地质条件复杂，覆盖层主要为全新统人工填土层、全新统冲洪积层、残积层，下伏基岩为石炭系下统石蹬子组灰岩。现由新到老分别描述如下：
        （1）全新统人工填土层：粉质黏土素填土、碎石填土、杂填土。
        （2）第四系全新统冲洪积层：淤泥质黏土、粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾、卵石。
        （3）残积层：粉质黏土。
        （4）石炭系下统测水组：微风化灰岩。
        （5）溶洞：
        空洞，无充填物，掉钻，漏水漏浆。垂直厚度0.40～13.20m，平均厚度2.50m。
        溶洞充填物（粉质黏土）：溶洞充填物或溶沟溶槽堆积物，深灰色、灰褐色，以软塑状粉质黏土为主，局部含约8%～16%的砂粒和砾石，岩芯采取率为53%～60%。该层的主要物理学指标如下：含水量平均值23.8%，天然密度平均值1.95g/cm3，比重平均值2.69，孔隙比平均值0.708。标准贯入试验实测击数3～13击，平均击数8击。垂直厚度1.30～6.60m，平均厚度4.95m。
        1.3.2 水文情况
        勘察观测到两类地下水，分别为松散岩类孔隙水和裂隙岩溶水。
        松散岩类孔隙水：主要赋存于填土、砂层中，水量较小。
        裂隙岩溶水：主要赋存于石炭系下统石磴子组灰岩裂隙和溶洞中，水量丰富，其渗透系数相对于基岩较小，裂隙岩溶水表现出一定的承压性。
        稳定地下水位埋深2.1～6.6m，稳定地下水位高程26.54～30.59m，地下水水位随降水量不同年变化幅度约3.0～5.0m。
        1.4 钢管柱设计工况
        钢管柱桩共计14根，分为6种桩型，分别为GZ1（5根）、GZ2（1根）、GZ3（1根）、GZ4（3根）、GZ5（1根）、GZ6（3根），桩径分别为GZ1、GZ2、GZ3：1.6m，GZ4、GZ5、GZ6：1.3m，嵌入微风化灰岩。本次施工的为GZ1、GZ2、GZ3型工程桩的上部Φ800×20mm的钢管柱，GZ4、GZ5、GZ6型工程桩的上部Φ600×20mm的钢管柱，材质：钢管柱Q355B，其余节点构件Q355B，栓钉的性能等级为4.6级C级螺栓。
        2 施工准备
        （1）探查地下管线分布情况，防止钻孔伤及地下管线，防止污染水源。
        （2）施工场地预先平整，设置必要的排水坡。
        （3）准确测量所放桩位及高程。
        （4）接通施工用水、电，钻机试运行，确保设备能正常开钻；施工前，对DTR2005H全套管全回转钻机、吊装设备等机械进行检查、调试、维修，使其保持良好的状态。
        （5）进场原材料进行检验。
        （6）对现场操作人员进行技术交底、岗前培训。
        3 施工要求
        （1）为了保证钢柱定位的精确度和垂直度，场地采用250mm厚混凝土硬化地面，在钻孔灌注桩浇灌完成后，必须马上进行清理，以确保液压插入机械就位、定位的准确。
        （2）安装钢管柱的垂直度要求不大于1/1000。
        （3）钢套管采用 40mm厚的钢板制作，保证钢套筒在施工时不易变形，套管之间采用螺拴接头连接。
        （4）考虑插入永久性钢管的需要，灌注桩的混凝土要有一定缓凝时间，缓凝时间不小于30h，同时要求混凝土运输至插入永久性钢管柱时间段内混凝土的坍落度不少于200mm。
        4 施工原理
        全套管全回转钻机钢管柱施工技术的核心是根据两点定位的原理，通过全套管全回转钻机压入垂直度满足要求的外套管，通过钢立柱管壁上的两块定位板约束钢立柱的位置和垂直度使之达到偏差小于10mm的要求，在柱下桩基混凝土浇注完成后、混凝土初凝前，将底端封闭的钢柱垂直插入桩基中，直至插到设计标高。
        5 施工方案及工艺
        5.1 施工工艺流程
        放线定位→DTR回转平台就位→全套管全回转钻机就位→全套管全回转钻机垂直压入钢套管→检测压入钢套管的垂直度→吊开全套管全回机→旋挖钻机就位采用旋挖钻机配捞砂斗钻进成孔→→检测成孔的垂直度→第一次清孔→吊放钢筋笼→下放导管→第二次清孔→浇灌混凝土至设计标高→吊放钢管柱→钢管柱下沉至设计标高→钢管柱外侧填筑中粗砂→钢管柱内浇灌混凝土→回填孔口拔除钢套筒[1]。
        5.2 桩基施工
        5.2.1 放线定位
        全站仪测出桩中心点并作标记，根据标记用十字线交叉法确定中心点，调整操作平台中心与桩中心队中，吊装钻机至平台就位。

        图5.1桩中心定位               图5.2桩机就位
        5.2.2 成桩施工
        桩机就位对中后，手动调节全套管全回转钻机的垂直度，并重新复核中心位置，满足要求后即可压入钢套管，一边压入钢套管一边用全站仪监测套管的垂直度，钢套管下压到15m后，可以停止压入钢套管，并用超波检验套管的垂直度。成孔达到验收合格后进行混凝土浇筑，浇筑至设计标高。

        图5.3 钻孔垂直度检测
        5.3 钢管柱下插施工
        5.3.1 钢管柱插入
        在钢管柱顶部连接一根同直径的工具柱，首先利用钢管柱的自重，自由下入桩基内一定深度，当浮力大于永久性钢管柱重量后，采用旋挖机压入，最终利用工具柱将永久性钢管柱插入至设计标高，同时在工具柱顶部增加防上浮措施。
        5.3.2 回填中粗砂
        垂直插入钢管柱后，即可对钢管柱四周进行砂回填，在钢管柱外侧设置溜槽，回填时中粗砂在钢管柱四周均匀填入，防止单侧填入过多造成钢管柱偏位、弯曲，边回填边将孔内泥浆排除，排出的泥浆采用泥浆泵抽至废浆池后外运清除。
        5.3.3 钢管柱内混凝土灌注
        桩基混凝土达到终凝时间后，柱顶标高稳定即可进行钢管柱内浇筑混凝土，混凝土采用泵车浇筑C50微膨胀自密实混凝土，混凝土浇筑至钢管顶位置停止浇灌。浇筑完成后，必须待桩孔内混凝土终凝后，才可以对钢管顶部以上周边再次进行粗砂回填。
        5.3.4 钢套筒拔除
        钢管柱内的混凝土达到初凝后，对钢管柱内上口350-500mm未浇筑混凝土的回填粗砂，便于后期开挖清理；其余部位回填碎石或易密实的砂土至孔口，吊回全套管全回转钻机拔除钢套管。

图5.4钢管柱起吊图5.5钢管柱插入

        图5.6防上浮措施             图5.7钢套桶拔除
        5.6 施工质量控制
        5.6.1 钢管柱制作材料
        在液压垂直插入钢管柱施工过程质量控制中，首先要对钢管柱的制作进行质量控制。制作过程中，最重要的是控制钢管柱的卷制以及焊接过程。钢管应为直缝焊接管，焊接管必须采用对接熔透焊缝，焊缝强度不得低于钢管强度的要求。
        5.6.2 桩基混凝土浇筑质量控制
        由于钢管柱桩基础为大直径混凝土灌注桩，对混凝土质量要求较高。钢管柱下桩基础因在灌注桩混凝土施工完成后、混凝土初凝前，完成插入钢管柱，根据本工程的实际情况，要求混凝土缓凝时间不低于30h。
        5.6.3 垂直度控制
        工程桩的垂直度是钢管柱安装精度的保证，特别对于空桩深度较大，桩径与钢管直径相差较小时，工程桩的垂直度的控制更为重要。所以应从成孔垂直度、钢管柱加工垂直度、插入过程中垂直度进行全过程监控，以保证施工质量。
        6结束语
        通过对龙平站钢管柱施工过程中成桩效果、钢管柱下插过程记录、监测资料等数据进行分析，总结如下：
        （1）钢管柱垂直度偏差为不大于1‰，由于灌注桩的垂直度偏低，对钢管柱插入的垂直度造成困难，在采用技术经验丰富的操作人员前提下，在设备上采用先进的DTR2005H全套管全回转钻机配合SR360大功率旋挖钻机成孔，可以保证钢管和灌注桩部位的平面误差控制在涉及要求之内。
        （2）插入钢管过程是控制施工质量的重点。混凝土缓凝时间过短，则会对后续的钢管柱正常插入带来困难，缓凝时间过长，则会影响钢管柱插入后的稳定。经过现场多次施工经验总结，对各种因素认真考虑后，最终确定采用缓凝时间不小于30h的超缓凝混凝土。
        （3）当终孔深度较大时，克服混凝土阻力和钢管浮力也将成为钢管柱下插是否成功的重要影响因素。根据计算在直径为800mm钢管柱长度为20.45m，重量为8.46t，在下插桩孔深度约17m时，混凝土浮力已经基本和钢管自重相等，下插到位的浮力为12.27T，浮力和自重相差3.81T。采用旋挖钻机钻杆加压下沉的压力可以达到40t，完全可以克服混凝土的阻力和钢管浮力，顺利插入钢管至设计标高。
        参考文献：
        [1] 全套管全回转钻机成桩施工技术在工程实践中的应用/扬言.建筑节能，2020.10