钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法.pdf

本发明公开的一种钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，具体包括如下施工步骤：a)钢管柱内浇注设计高度的砼，并在钢管柱底部安装定位螺旋千斤顶；b)施工地表上测量放线，钻机成孔；c)孔内安装钻孔桩钢筋笼；d)施工地表安装定位平台；e)吊装钢管柱入钻孔桩孔；f)地表定位平台定位钢管柱顶部；g)激光垂准仪定位测量钢管柱垂直度；h)螺旋千斤顶定位钢管柱底部；i)水下浇注钻孔桩砼至钢管柱设计埋深高度；j)钻孔桩内砼达到设计强度70％后，浇注钢管柱内砼至钢管顶；该方法操作简单、施工工效高、施工成本低、安装精度高且可控，安全风险小。

1.  一种钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，其特征在于：所述安装定位方法涉及钢管柱(7)、砼(6)的浇注、钻孔桩(3)、螺旋千斤顶(4)、定位平台(2)、激光垂准仪、全站仪的应用或实施，所述钢管柱(7)的安装结合砼(6)的浇注顺序、浇注量及螺旋千斤顶(4)、定位平台(2)对钢管柱(7)的定位实现；所述安装定位方法包括如下施工步骤：
a)、首先在钢管柱(7)内浇注设计高度的砼(6)，所述砼(6)凝固后，在高于钢管柱(7)内凝固的砼面40～60cm高度处，沿钢管柱(7)圆周上均布打孔，打孔处安装螺旋千斤顶(4)；
b)、在施工地表上测量放线，定出所施工支撑桩(14)桩位，并采用钻机成孔；
c)、在步骤b)中所钻孔内安装钻孔桩(3)钢筋笼；
d)、在施工地表安装定位平台(2)；
所述定位平台(2)的上部设有对称设置的定位大板(10)，所述定位平台(2)的下部边角设有支撑脚(11)；所述定位大板(10)的外边角设有定位大板螺旋千斤顶(13)，所述定位大板(10)的内边角设有精调定位螺旋千斤顶(12)；
在预先采用砼硬化的施工硬地坪上，测量放出定位平台的角点，并根据该角点吊装定位平台(2)；定位平台就位后，通过定位平台下部角点的支撑脚(11)调整定位平台的平整度；
e)、吊装钢管柱(7)入步骤c)中钻孔桩(3)内孔；
f)、地表定位平台(2)定位钢管柱(7)顶部；
通过全站仪测量出钢管柱的平面位置，当钢管柱吊装入钻孔桩孔内后，通过调节定位大板螺旋千斤顶(13)移动定位大板(10)，初步定位钢管柱；然后调节精确定位螺旋千斤顶(12)精确定位钢管柱(7)顶部；
g)、激光垂准仪定位测量钢管柱垂直度；
将激光垂准仪安设在钢管柱顶部，对准钢管柱中心，通过红色激光将钢管柱中心投影到钢管柱内；
h)、螺旋千斤顶定位钢管柱底部；
施工工人(5)在钢管柱内，测量红色激光在钢管柱内的投影点与钢管柱中心是否重合，当存在偏差时，调节螺旋千斤顶(4)，使钢管柱中心与激光投影点重合为止；并固定螺旋千斤顶使钢管柱(7)底部定位；
i)、水下在钻孔桩(3)内浇注砼(6)至钢管柱设计埋深高度；
j)、钻孔桩(3)内砼达到设计强度的70％以上后，在钢管柱(7)内浇注砼(6)至钢管顶。

2.  根据权利要求1所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，其特征在于：所述步骤a)中，所述钢管柱(7)内浇注的砼(6)，所述砼高度应满足(G_钢管自重+G_砼自重)＞F_泥浆浮力的条件；
其中：G_钢管自重代表钢管自身重量
G_砼自重代表所灌砼自身重量
F_泥浆浮力代表钢管柱在泥浆中受到的浮力。

3.  根据权利要求1所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，其特征在于：所述步骤d)中，所述定位平台(2)对角点高差不大于10mm。

4.  根据权利要求1所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，其特征在于：所述步骤e)中，所述吊装的钢管柱(7)设置在钻孔桩(3)内孔中心处。

钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法
【技术领域】
本发明涉及一种盖挖法施工结构中竖向承重体系的安装方法，尤其涉及盖挖逆作法施工结构中钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法。
【背景技术】
随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市建设进入大发展时期，各地建设热情日渐高涨，但日益繁华的城市给施工创造的条件及留给施工的时间越来越少，施工难度越来越大。上述现象主要体现在：工程规模大、基坑群多、基坑面积大、深度深。已知盖挖逆作法是先在地表面向下做基坑的围护结构和中间桩柱，基坑围护结构多采用地下连续墙或帷幕桩，中间支撑多利用主体结构本身的中间立柱以降低工程造价。随后即可开挖表层土体至主体结构顶板地面标高，利用未开挖的土体作为土模浇筑顶板；其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。由于盖挖法施工所特有的对城市市民施工影响小、深、大基坑施工安全系数高的优点，得到了较多学者的青睐。一桩一柱在盖挖法支撑体系中具有举足轻重的作用，桩、柱的施工精度不仅影响着盖挖法施工期间的安全，同时影响着后期内部结构的施工。
在富水软弱地层中，目前国内普遍采用普通钢护筒护壁法进行钢管柱在排空泥浆的深孔中安装定位，具体包括以下步骤：钢护筒护壁、抽排泥浆、人工孔底安装定位器、浇注砼锚固定位器、安装钢管柱、浇注砼锚固钢管柱底部、浇注钢管柱内砼；但该工法存在工序繁杂、工期长、施工成本高、抽排泥浆后安全风险高、钻孔桩内多次浇注砼形成的施工缝对桩的抗拨受力存在较大的不利影响、精度不易测量等缺点，具体表现为：
(1)、采用钢护筒护壁，由于钢管柱埋深大，钢护筒回收率低，施工成本高；
(2)、人工安装定位器前，需抽排泥浆，孔壁压力较大，当钢护筒强度小于孔壁压力后，容易引起孔壁坍塌，存在较大安全风险；
(3)、钻孔桩一般兼着抗拨桩，钢管柱底部需锚入钻孔桩内，多次浇注砼形成的施工缝对钻孔桩的抗拨受力存在较大的不利影响；
(4)、需多次浇注砼，工序繁杂、工期长；
(5)、定位安装后，浇注砼过程不易控制；
(6)、钢管柱安装时，定位器与钢管柱的接触程度直接影响着钢管柱垂直度，但接触程度不易检测。
【发明内容】
为了克服背景技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，该方法不仅不需要投入大量的钢护筒、无需抽排钻孔桩内泥浆，且施工过程中，可以全程直接测量钢管柱的垂直度和中心位置、当发生偏移后可以及时纠正，避免了误差累计和传统工艺中钢管柱与定位器接触不紧密的不可控性。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，所述安装定位方法涉及钢管柱、砼的浇注、钻孔桩、螺旋千斤顶、定位平台、激光垂准仪、全站仪的应用或实施，所述钢管柱的安装结合砼的浇注顺序、浇注量及螺旋千斤顶、定位平台对钢管柱的定位实现；所述安装定位方法包括如下施工步骤：
a)、首先在钢管柱内浇注设计高度的砼，所述砼凝固后，在高于钢管柱内凝固的砼面40～60cm高度处，沿钢管柱圆周上均布打孔，打孔处安装螺旋千斤顶；
b)、在施工地表上测量放线，定出所施工支撑桩桩位，并采用钻机成孔；
c)、在步骤b)中所钻孔内安装钻孔桩钢筋笼；
d)、在施工地表安装定位平台；
所述定位平台的上部设有对称设置的定位大板，所述定位平台的下部边角设有支撑脚；所述定位大板的外边角设有定位大板螺旋千斤顶，所述定位大板的内边角设有精调定位螺旋千斤顶；
在预先采用砼硬化的施工硬地坪上，测量放出定位平台的角点，并根据该角点吊装定位平台；定位平台就位后，通过定位平台下部角点的支撑脚调整定位平台的平整度；
e)、吊装钢管柱入步骤c)中钻孔桩内孔；
f)、地表定位平台定位钢管柱顶部；
通过全站仪测量出钢管柱的平面位置，当钢管柱吊装入钻孔桩孔内后，通过调节定位大板螺旋千斤顶移动定位大板，初步定位钢管柱；然后调节精确定位螺旋千斤顶精确定位钢管柱顶部；
g)、激光垂准仪定位测量钢管柱垂直度；
将激光垂准仪安设在钢管柱顶部，对准钢管柱中心，通过红色激光将钢管柱中心投影到钢管柱内；
h)、螺旋千斤顶定位钢管柱底部；
施工工人在钢管柱内，测量红色激光在钢管柱内的投影点与钢管柱中心是否重合，当存在偏差时，调节螺旋千斤顶，使钢管柱中心与激光投影点重合为止；并固定螺旋千斤顶使钢管柱底部定位；
i)、水下在钻孔桩内浇注砼至钢管柱设计埋深高度；
j)、钻孔桩内砼达到设计强度的70％以上后，在钢管柱内浇注砼至钢管顶。
所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，所述步骤a)中，所述钢管柱内浇注的砼，所述砼高度应满足(G_钢管自重+G_砼自重)＞F_泥浆浮力的条件；
其中：G_钢管自重代表钢管自身重量
G_砼自重代表所灌砼自身重量
F_泥浆浮力代表钢管柱在泥浆中受到的浮力。
所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，所述步骤d)中，所述定位平台对角点高差不大于10mm。
所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，所述步骤e)中，所述吊装钢管柱设置在钻孔桩内孔中心处。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
(1)施工成本低，维持钻孔桩的泥浆护壁，不需要投入大量的钢护筒。
(2)作业相对安全，在钢管柱底采用砼封底提供操作空间，不需抽排钻孔桩内泥浆；且钻孔桩采用泥浆护壁，人在钢管柱内操作，安全系数高。
(3)一次性浇注砼锚固钢管柱底，钢管柱一次性定位，工序简单、施工工效高，单根桩比传统安装工艺可提前2天以上。
(4)由于施工过程中，可以全程直接测量钢管柱的垂直度和中心位置、当发生偏移后可以及时纠正，避免了误差累计和传统工艺中钢管柱与定位器接触不紧密的不可控性，提高了作业精度。
【附图说明】
图1是盖挖法一桩一柱结构横断面图；
图2是本发明的钢管柱在深孔水下定位的结构示意图；
图3是本发明钢管柱底部定位平面结构示意图；
图4是本发明钢管柱顶部定位平面结构示意图；
图中：1、顶部定位千斤顶；2、定位平台；3、钻孔桩；4、螺旋千斤顶；5、施工工人；6、砼；7、钢管柱；8、施工硬地坪；9、泥浆；10、定位大板；11、支撑脚；12、精确定位螺旋千斤顶；13、定位大板螺旋千斤顶；14、支撑桩。
【具体实施方式】
参考下面的实施例，可以更详细地解释本发明；但是应当指出的是本发明并不局限于下述实施例。
结合附图2～4所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，首先在钢管柱7内浇注一定高度的砼6，再进行安装；一是利用砼6和钢管自重平衡钢管柱7在泥浆9和钻孔桩3内砼中的浮力，二是利用钢管柱内的砼6阻隔钻孔桩内泥浆9进入钢管柱7内，为施工工人5到钢管柱7中下部定位提供条件；且钢管柱7采用两点定位法安装，一点设在地表，一点设在钻孔桩3孔内；地表利用定位平台2对钢管柱7顶端高程和平面位置定位，采用激光垂准仪定位测量；钻孔桩3孔内定位利用钢管柱7内螺旋千斤顶4调整钢管柱7与地表垂直度并固定；钢管柱7定位后，水下浇注钻孔桩3内砼至钢管柱7设计埋深高度，待钻孔桩3内砼达到设计强度70％后，即钢管柱7底端已被约束，浇注钢管柱7内砼至钢管顶；由于钢管柱采用封底后，上、下两点定位法，精度高，可控性好，适应于富水软弱地层的钻孔桩内钢管柱的安装。
实施本发明所述的钢管柱在富水软弱地层中深孔水下的安装定位方法，以一城市文化中心交通枢纽工程钢管柱安装为例，此工程概况为：
一市文化中心交通枢纽工程土建第一标段包括Z1线文化中心站、地铁5号线文化中心站及西端242.2m区间工程，其中Z1线文化中心站主体为地下三层三跨现浇钢筋混凝土框架结构；地铁5号线文化中心站及西端242.2m区间工程，主体为地下两层三跨现浇钢筋混凝土框架结构；且施工场区内地下水位高，并具有两层承压水，水头相对标高为-0.5m，岩性主要为粘性土、粉土、粉砂。
设计采用盖挖逆作法施工，钢管柱施工是逆作法施工中的关键工序，安装精度要求高，是车站结构的承力柱。本工程采用一桩一柱的承载方式，即柱下基础采用φ2200mm钻孔灌注桩作为支承桩14，孔深分别为42m和61m；钢管柱有φ800mm和φ1000mm两种直径，壁厚δ均为20mm，高度分别为17m和26m，共设计有123根钢管柱，钢管柱内浇筑C50高性能微膨胀混凝土砼。购买了激光垂直仪配合全站仪测量。
以下仅以钢管柱在地铁5号线文化中心站深孔水下精确定位安装施工过程详细叙述，钢管柱在Z1线文化中心站及西端242.2m区间工程深孔水下精确定位安装施工步骤与前者相同，仅为具体施工参数的区别，本文不做详尽叙述；
a)、钢管柱7内浇注6m高砼6，并在钢管柱7底高于砼面50cm高度，沿钢管柱圆周上四象限点位置打孔，打孔处焊接安装螺旋千斤顶4；
φ800mm直径钢管柱7每米重G为384.7Kg，单根钢管柱长度h为23.1m；砼6自重g’取2.4×10³KN/m³；钢管柱在泥浆中埋深h’为21.6m，泥浆比重ω取1.3×10³KN/m³；砼浇注高度H计算如下：
G_钢管自重＝G*h＝384.7*23.1＝8.88T
G_砼自重＝π*(φ/²-δ)2*g’＝3.14*(0.8/2-0.02)²*H*2.4
F_泥浆浮力＝ω*π*(φ/2)²*h’*g＝1.3*3.14*0.4²*21.6*9.8＝138KN
根据浇注砼高度应满足(G_钢管自重+G_砼自重)＞F_泥浆浮力的条件
F_泥浆浮力＝(G_砼自重+G_钢管自重)*g
即：H＝4.8m，为保证施工安全和满足钢管柱受自重力保持铅垂状态的要求，需要乘以1.2的系数，即4.8*1.2＝5.76m，取6m；
b)、在施工地表上测量放线，画出支撑桩14桩位，采用旋挖钻机完成Φ2.2m支撑桩成孔；
c)、在步骤b)中所钻孔内安装钻孔桩3钢筋笼；
d)、在施工地表安装矩形定位平台2；
所述矩形定位平台2的上部设有对称设置的定位大板10，所述矩形定位平台2的下部边角设有支撑脚11；所述定位大板10的外边角设有定位大板螺旋千斤顶13，所述定位大板10的内边角设有精调定位螺旋千斤顶12；
在预先采用砼硬化的施工硬地坪上，测量放出定位平台的四个角点，并根据四个角点吊装定位平台2；定位平台就位后，通过定位平台下部角点的支撑脚11调整定位平台的平整度，使定位平台对角点高差不大于10mm；
e)、吊装钢管柱7入步骤c)中钻孔桩3内孔；
f)、地表定位平台2定位钢管柱7顶部；
通过全站仪测量出钢管柱7平面位置，当钢管柱7吊装入钻孔桩3孔内后，通过调节定位大板螺旋千斤顶13移动定位大板10，实现初步定位钢管柱、然后调节精确定位螺旋千斤顶12精确定位钢管柱顶部；即顶部定位千斤顶1由定位大板螺旋千斤顶13、精确定位螺旋千斤顶12两部分构成；
g)、激光垂准仪定位测量钢管柱垂直度；
将激光垂准仪安设在钢管柱7顶部，对准钢管柱中心，通过红色激光将钢管柱中心投影到钢管柱内；
h)、螺旋千斤顶定位钢管柱底部；
施工工人5在钢管柱7内，测量红色激光在钢管柱内的投影点与钢管柱中心是否重合，当存在偏差时，调节螺旋千斤顶4，使钢管柱7中心与激光投影点重合为止；并固定螺旋千斤顶4使钢管柱7底部定位；
i)、在钻孔桩3内浇注砼至钢管柱7底部上3m，满足设计锚固要求；
j)、通过检测同条件养护的砼试件强度，判定钻孔桩3内砼达到设计强度70％以上后，浇注钢管柱7内砼至钢管顶。
本实施例中，灵活运用钢管柱7内一定高度的砼6，解决了泥浆9浮力和为施工工人5实施钢管柱7水下定位提供了操作空间；采用激光垂准仪保证了测量精度；通过钢管柱7的两点定位法和螺旋千斤顶，实现了钢管柱7的垂直度测量和定位；该工法操作简单、工效高、成本低、精度高且可控，安全风险小，保证了工程安全、优质、顺利的实施。
若采用传统的钢护筒护壁施工工法，地铁5号线文化中心站每根钢管柱需投入23.7T钢护筒，Z1线文化中心站每根钢管柱需投入33.3T钢护筒，在成本上仅钢护筒材料费一项就花费了23.7T/根×50根×6000元/T+33.3T/根×73根×6000元/T＝2170万元，施工成本高。同时，在抽排泥浆后，较大的水压和软弱的地层对钢护筒安全要求高，工程风险大。
本发明钢管柱在富水软弱地层中深孔水下一次精确定位安装工法在本施工中的实用效果：
本工程第一根钢管柱的安装施工，施工时间仅1天，施工进度满足设计要求。与传统钢护筒施工工艺相比，在时间上节约了约2天，在成本上仅钢护筒材料费一项就节约了23.7T/根×50根×6000元/T+33.3T/根×73根×6000元/T＝2170万元。
本发明采用所述工法取得了良好的经济效益和社会效益，具体分析如下：
(1)经济效益：这种新工法的应用，工作效率高，安装精确，操作简单；特别是不需要投入较多的钢护筒护壁、进行泥浆抽排，获得了显著的经济效益。
(2)社会效益：这种新工法的应用，施工安全程度高，钢管柱一次准确定位，施工速度快，对以后类似工程有着很好指导作用。
在此需要说明的是，螺旋千斤顶及激光垂准仪为现有成熟的技术设备，因此本发明并未做进一步的描述和限定。
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。