超高层逆作法施工工艺研究

赵喜庆

中煤建工基础工程有限公司 浙江省杭州 310020

【摘要】随着大型城市建筑用地的日襟见肘，越来越多的新建筑施工场地极其狭窄，因此在施工结构期间，施工工艺需要优先考虑逆作法，以此确保周围环境及人的安全。

【关键词】逆作法；界面层；上下同步逆作法。

1、工程概况

某工程位于东南沿海省会城市，总建筑面积18.76万㎡，其中地上部分122245 ㎡，地下部分62463 ㎡。

建筑设计概况：

本项目地下5层，主楼地上41层，其中地下5至地下2层为停车库房、设备间与人防用房；地下1层至8层主要为货架式商业，9层为酒店服务用房；10层避难层；11～23层酒店客房层；24层避难层；25～41层为办公；以上为20.7m高构架；标高220m处设停机坪；人防位于地下3～5层。

结构设计概况：

主楼为带加强层框架核心筒结构（柱为钢管混凝土柱，核心筒为钢筋混凝土。

银行附楼为框架结构）柱为钢管混凝土柱，梁板为钢筋混凝土。

商场附楼为框架支撑结构（柱为钢管混凝土柱，支撑为钢支撑，梁板为钢筋混凝土）。

2. 裙楼逆作施工部署

根据设计要求，依据招标合同中标的专业分包基础工程公司，依据建筑物地下室外墙控制轴线施工地下连续墙，同时施工建筑物地下室中间支撑桩和基础工程桩，作为施工期间在底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的支撑。然后进行降水施工与首层土方明挖，再施工首层的梁板楼结构（界面层），作为地下连续墙刚度很大的支撑；随后逐层向下降水、暗挖土方和逆作地下各层结构，直至底板封底。上部各层结构以首层的楼面结构为平台同步向上逐层施工；如此地面上、下同时进行施工（上下同步逆作法），直至工程结束。

竖向支撑桩柱作为逆作法施工的关键工序，共有不同直径的90多根钢管柱需要与工程桩形成竖向支撑桩柱，逆作钢管柱垂直度要求较高，施工难度大。

3、钢管柱逆作施工工艺

（1）钢管柱逆作施工工艺流程

浇筑调垂架安装平台混凝土→ 测量定位→安装调垂架→确定工具段牛腿标高→安装工具段→弹出钢管柱柱中心线（轴线）→吊装→入桩孔→调垂仪校正钢管柱→钢柱固定→安装混凝土浇筑平台→ 浇筑混凝土→ 钢管柱纠偏→回填粹石→ 拆除调垂架。

（2）施工要点

1）调垂架安装混凝土地坪：是用来安装调垂架和混凝土浇筑平台，必须有足够的强度，用C20混凝土浇筑，平台尺寸为3000×3000×20mm，平台中间预留柱孔位洞口。由于平整度直接影响调垂架安装的水平度，因此要求混凝土地坪平整度控制在5mm以内，否则会影响调垂架安装的平整度，进而影响钢管柱垂直度精度。地坪如下图所示：

调垂架安装混凝土地坪图

2）钢管柱调垂架

由于钢柱安装垂直度精度要求很高。为保证钢柱安装垂直度符合设计要求，需设计钢柱安装支撑架，支撑架主要其固定钢柱、调节钢柱垂直度作用。调垂架高为2.8m,长宽均为2.0m，由[20槽钢焊接而成，调垂架每个腿底部焊接一块300×300×20mm 钢板。要求调垂架上部所在平面水平。调垂架安装就位：根据控制网放出柱子定位轴线及检查线、放出调垂架安装线（要求调垂架中心与柱子中心重合、误差控制在2mm内，并在调垂架上部横梁上做好标记，以备安装钢柱用。）；根据已放好的调垂架安装线用膨胀螺栓将调垂架固定在事先做好的混凝土地坪上，每个支腿用四个直径16mm膨胀螺栓将钢板固定在混凝土地坪上。要求调垂架安装水平。

3）设置安装工具段

设计通常要求，钢管柱高出±0.00楼板1m，这样钢柱与调垂架之间有段高度差，在这之间设置安装工具段，由于现有地面存在高差，为保证工具段的通用性，工具段统一加工2.0m长。在工具段上四个面焊接耳板，通过耳板把钢柱支撑在调垂架上，在调垂架顶部四角设置调节钢柱水平位置的花篮螺丝。工具段与钢柱通过连接板用安装螺栓连接。工具段耳板标高的确定：由于现有地面标高不同，安装钢柱时工具段上耳板位置不同，必须根据调垂架顶部横梁标高确定工具段上耳板的标高。并确保工具段上四个牛腿在同一个平面，且垂直于钢柱中心线。弹出钢柱柱中心线（轴线）：从钢柱底部开始用经纬仪弹出柱子两根相互垂直面的中心线（轴线），中心线延长至工具段顶部，这两根中心线是柱子安装时调垂的基准线，精度要求达到1/2000。

4）钢柱吊装就位

在桩孔（一般要求垂直度控制在1/400）验收合格、桩钢筋笼下放到位、调垂架安装并通过验收后，开始吊装钢柱。钢柱起吊后尽量让钢柱垂直地面，再将钢柱调入到桩孔内并放置在调垂架上，用调垂架顶部四个花篮螺丝调整钢柱的水平位置，使钢柱中心与调垂架中心重合，上部支承耳板处用限位块固定，防止其水平滑动。

5）钢管柱的垂直度调整

①控制精度分析

针对钢管加工质量与制作钢管板材的缺陷，以及倾角传感器底座的误差，采取在钢管插入桩孔之前，利用吊车和调垂临时将钢管调直，将倾角传感器装好，采用经纬仪与钢管十字双向对准后读取倾角传感器的角度初始值，以修正上述的误差。X、Y方向各设2套倾角传感器，确保其实施的精度要求。倾角传感器设置在＋0.8m处，消除了钢管工作段由于吊装导致变形而引起的误差。

②垂直度初调

钢管柱吊装到位后是悬挂在支架上的，钢管柱的形状又比较对称，因此钢管柱在安装到设计位置后，靠钢柱本身的重量，可以使其基本保持垂直，其调整方法分两步进行，含初调和精调。

用经纬仪观察，调整钢柱绕支架顶面转动，以达到初步调整支架垂直度的目的。如下图所示：

③、垂直度精调

采用垂直测量控制系统对钢柱进行结构安装垂直度微量精确调整。该系统的工作原理是通过倾角传感器，将钢管柱垂直度信息传给计算机，由计算机发指令给液压千斤顶，千斤顶根据指令水平顶压钢柱，使钢柱垂直度达到要求。操作时，通过固定在调垂架四角调垂系统的四个千斤顶的工作，来实现钢管柱的精调，合格后，对系统垂直度归零。

6）钢柱固定

钢管柱的平面轴线位置、竖向标高、空间垂直度全部校正安装到位，经检验无误后，要进行临时固定。上部支承耳板处用限位块固定，防止其水平滑动，下部仍用液压油缸顶紧。

（3）钢筋笼导向钢筋和混凝土浇筑平台的使用

本工程逆作法采用的一桩一柱，为了防止由于钢筋笼的偏位而影响钢柱的入孔位，在每个桩钢筋笼上焊接导向钢筋，使钢柱沿导向钢筋插入桩钢筋笼内。由于桩柱一次性连续浇筑混凝土，为了减少浇筑混凝土时对钢管柱竖向垂直度产生偏移的作用，单独为浇筑混凝土设置一个操作平台，此操作平台不能与调垂架相连，彼此不接触。浇筑混凝土的导管由平台中部向下插入钢柱内，平台中部设置专用卡具固定导管，防止浇筑混凝土导管碰撞钢柱而影响钢柱垂直度。混凝土浇筑平台安装应平稳，平台四角固定在已调垂架混凝土地坪上，防止平台移动碰撞钢柱。

（4）混凝土的浇筑

1)选择具有资质和实力的商品混凝土商，提前将配合比及混凝土浇筑通知单送给监理单位验收批准，待监理工程师签发混凝土浇筑通知单后方可进行桩身混凝土的浇捣。

2）浇筑前应事先确定混凝土的垂直运输方法和浇筑顺序。

3）验收合格后，清洗护壁及桩底，确保桩底没有沉渣，且抽干地下水，孔底剩余的少量积水须用铁瓢把水排干。

4）钢筋笼安装后，应对其标高、轴线、垂直度、保护层进行检查符合要求后，及时请监理单位验收，办理隐蔽工程签字手续。

5）浇灌前，应事先安装好传料串筒，串筒底距桩底混凝土面不大于2.0米，保证混凝土不产生分层离析现象。

6）严格控制混凝土的水灰比、坍落度，坍落度控制在设计配合比的范围内，应由取验员检验其坍落度，合格后方可开始浇捣。现场混凝土试块制作采取随机取样制作，制作时，应请监理人员监督检查，试块制作数量应严格按“JGJ94-2008”《桩基技术规范》的要求制作，且保证每根桩必须有一组试块。

7）混凝土浇灌时，宜采用插入式振动器，分层捣实（振捣时人工下井作业），每层浇捣高度≤0.5米。整个桩芯混凝土必须连续浇捣成型，保证桩身完整，密实性良好。

8）桩身混凝土浇灌也可采用导管泵送方式。

9）在混凝土浇灌前，应事先测好每个桩孔口标高，及设计桩顶标高，用红油漆作上标记，以便混凝土浇捣时，控制浇捣面的标高，桩顶浮浆根据现场实际浇注情况预留高度不少于0.5m。

10）在桩头混凝土初凝后及时回填至地面。

11）对插钢管柱的人工挖孔桩，桩身混凝土浇灌采用导管泵送商品混凝土施工，混凝土坍落度可适当加大。

12）由于桩柱一体施工，桩与柱混凝土强度不同，桩混凝土强度相对较低为C40，柱混凝土强度较高为C60。浇筑时怎样实现混凝土强度转换，是施工难点。采用理论计算与现场实测混凝土相结合，桩混凝土再少2m³，以确保柱部分混凝土强度达到C60。首批混凝土量灌注应超过导管底口0.8m，灌注过程中混凝土面应高于导管下口2.0m。混凝土浇筑必须连续不断进行直至柱顶，以免影响桩和柱混凝土浇筑质量。在混凝土灌注过程中，当导管内混凝土不满含有空气时，后续浇筑混凝土宜徐徐灌入漏斗和导管，不得将混凝土整斗从上面放入导管内，以免在导管内形成高压气囊，挤出管节间的橡胶垫而使导管漏水。

（5）桩孔粹石回填及调垂架拆除

在桩体部分混凝土浇筑完成后，必须在孔位四面同时回填粹石。为了确保钢管柱柱的安装质量，防止因桩基混凝土强度不足而不能承受格构柱重量，悬挂钢柱的调垂架必须待桩基混凝土浇筑24小时后，四周碎石填充后才能拆除，工具段在混凝土浇筑完成后拆除。

（6）上部不进行钢管柱和格构柱施工的桩孔，用原状素土进行回填，为施工提供工作面，减少安全隐患。

5、施工过程中精度的控制与纠偏

（1）钢管柱垂直度控制及纠偏

钢管柱垂直的控制和纠偏一直是逆作法施工的难点和重点，是逆作法施工成败的关键，，为解决逆作法施工的关键性技术难题，设置调垂架、独立混凝土浇筑平台、安装调垂仪等措施来控制钢柱与桩体钢筋笼的垂直度。

由于钢管柱是安装在桩孔中，因此必须确保桩孔本身的垂直度。必须对每个桩孔进行超声波检测，保证桩孔垂直度达到设计要求规定的要求。此外，本工程采用的是一桩一柱，桩柱同时施工，设计要求钢管柱插入桩体内3.0 m。桩体内钢筋笼的倾斜也会导致钢管柱发生偏移，而影响钢管柱的垂直度。因此，安装钢筋笼是通过导向钢筋悬挂固定在护筒上，保证钢筋笼不发生下沉和偏位。整个钢筋笼通过导向吊挂在桩孔口，悬挂桩底标高上方5～10cm，确保钢筋笼垂直及钢管柱插入桩钢筋笼中。

（2）钢管柱现场拼装的直线度控制

本工程逆作施工的钢管柱长度达26.1m，由于运输方面等问题，不能在工厂一次加工成型，需在现场拼装焊接而成，由于钢柱采用的是成品钢管，工厂不需对接，所以加工时其垂直度一般没问题，关键是现场拼装对接，本工程每根钢柱分三段，在现场拼装焊接而成，现场拼装的直线度控制是关键。其主要措施是：在现场塔设拼装胎架，胎架用水准仪抄平，误差控制在2mm内，并在胎架侧面设置1m检查线；在钢柱上弹出相互垂直的2条中心线（轴线），拼装时其中一条垂直地面朝上，根据这2条中心线和1m检查线用经纬仪调整控制钢管柱直线度；同时为控制好焊接变形，拼装的钢柱刚性固定在台架上，焊接时每条对接焊缝采用2人同时对称施焊。通过以上措施为不影响钢柱安装垂直度，钢管柱直线度控制在2mm内。

（3）混凝土浇筑过程中实时控制与纠偏

固定在调垂架上的钢管柱在混凝土浇筑过程中，受到水下混凝土浇筑时返浆对钢管柱产生的侧向力及提升导管时对钢管柱的影响，会导致钢管柱垂直度发生位移偏差。因此要求在混凝土浇筑过程中对钢管柱垂直度进行实时监测，在钢柱垂直度发生偏移时，及时采取措施进行纠偏。首先，在钢管柱安装就位，其垂直度调整验收合格并固定后，对调垂仪系统垂直度进行归零。在混凝土浇筑过程中通过调垂仪对钢管柱垂直度进行监控。单根钢管柱在混凝土浇筑过程中一般需要好几个小时，做好对钢柱监控的全程记录。对钢管柱混凝土浇筑过程中的重点环节进行重点监控，重点环节包括桩体初灌、混凝土进入钢管柱阶段、碎石回填阶段、柱顶超灌返浆阶段。在钢管柱垂直度接近设计临界值时，暂停混凝土浇筑和粹石回填，及时启动调垂仪千斤顶进行纠偏，并轻微晃动导管，使钢管柱内外混凝土和泥浆压力保持平衡，等钢管柱垂直度纠偏到预警值内后，继续浇筑混凝土。根据本工程特点，设本工程钢柱垂直度偏差预警值为35mm,设计允许偏差为45mm。混凝土进入钢管柱的起始阶段，最容易影响钢管柱的垂直度。因浇筑混凝土时，要根据桩体的浇筑量计算充盈系数，判断混凝土进入钢管柱的时间，以便及时轻微晃动导管，保持钢管柱内外压力平衡。要注意的是，大泥浆结块极易造成返浆不畅，在混凝土进入钢管柱时，使钢管柱偏位，在钢管柱清孔时，保证孔内无大的泥浆结块。

（4）圆钢柱吊装过程及管端变形控制

将拼装好钢管柱移位到将要安装钢管的桩孔附近，用两台吊车将钢管柱悬吊空中，在空中将钢管柱调直，误差控制在3mm以内，使钢管柱在空中保持竖直状态。钢管吊装过程利用工作段避免顶端口变形。钢筋笼与钢柱分别放入桩孔中。将灌注桩钢筋笼吊入桩孔中，并将钢筋笼用钢丝绳吊挂在桩孔口处,使钢筋笼上部露出桩孔口。紧接着吊装钢柱，钢柱起吊后能垂直大地，钢柱吊到桩孔后，将钢管插入钢筋笼中，钢筋笼和钢管缓慢放入桩孔中（备注：钢管表面栓钉头用φ6钢筋点焊竖向连接，下端与柱脚环板点焊，上端与紧贴钢管壁的φ6钢筋环点焊，避免与钢筋笼钩挂。），见下图所示：

4、格构柱逆作安装施工工艺

在逆作法施工格构柱时，其施工方法基本与钢管柱相同，由于格构柱没有足够的刚度来调整自身的垂直度，在格构柱施工中可不使用调垂仪系统。

1、格构柱吊装的挠度计算 （以4∠200x20为例计算）

（1）梁的静力计算概况

1）单跨梁形式： 简支梁

2）荷载受力形式：

3）计算模型基本参数：长 L =28 M

4）均布力：标准值qk=qg+qq =3.6+0=3.6 KN

设计值qd=qg*γG+qq*γQ=3.6*1.2+0*1.4=4.32 KN

（2）选择受荷截面

1）截面类型： 4∠200X20

2）截面特性： Ix=125000cm4 Wx=6500cm3 Sx=357.26cm3 G=360kg/m

3）翼缘厚度 tf= 20mm 腹板厚度 tw= 20mm

4）材质 ：Q345

（3）内力计算结果

1）支座反力 RA = qd * L / 2 =60.48 KN

2）支座反力 RB = RA =60.48 KN

3）最大弯矩 Mmax = qd * L * L / 8 =423.36 KN.M

（4）强度及刚度验算结果

1）弯曲正应力σmax = Mmax / (γx * Wx)＝62.03 N/mm2

2）A处剪应力 τA = RA * Sx / (Ix * tw)＝.86 N/mm2

3）B处剪应力 τB = RB * Sx / (Ix * tw)＝.86 N/mm2

4）最大挠度 fmax = 5 * qk * L4 / 384 * 1/( E * I )=111.9mm

5）相对挠度 v = fmax / L =1/ 250.2

弯曲正应力 σmax= 62.03 N/mm2 < 抗弯设计值 f : 295 N/mm2 ok!

支座最大剪应力τmax= 86 N/mm2 < 抗剪设计值 fv : 170 N/mm2 ok!

跨中挠度相对值 v=L/ 250.2 < 挠度控制值 ［v］:L/ 250 ok!

从以上计算结果可看出，吊装时格构柱的挠度达到112mm，通过调垂仪的千斤顶是无法调整格构柱的垂直度。格构柱的垂直度控制采用刚性固定，格构柱在安装合格后，在调垂架的上部、与下部用角钢焊接固定，通过调垂架上部与下部，对格构柱形成两个固定面，保证格构柱在浇筑混凝土是不发生偏位。

2、钢柱现场检测

（1）焊接检测

钢结构的焊接检验包括检查和验收两项内容，因而焊接检验不能仅仅局限于焊接完成后，应该穿插在焊接作业的全过程中。

焊接前的加工及装配尺寸允许偏差按“钢结构工程施工及验收规范”有关规定执行。

焊缝的外形尺寸及表面缺陷允许范围按“钢结构工程施工及验收规范”有关规定执行。

焊缝内部缺陷检查：

焊缝探伤必须在外观检验合格后进行。

焊缝探伤检查应在焊接24小时后进行。

对接焊缝100%超声波探伤。

（2）安装质量检测

安装过程中及时对下列项目进行检测，确保安装质量。

5、结语

由于本工程采用逆作施工工艺，有力保证了施工安全，并解决了结构施工期间现场平面布置的难题，通过本工程逆作施工工艺的总结，对其它逆作工程具有重要的借鉴意义。

参考文献：

【1】建筑工程逆作法施工工艺标准：JGJ432-2018。

【2】建筑施工手册（第五版）。

【3】实用建筑结构静力计算手册（第二版）国振喜、张树义主编。

【4】浅谈人工挖孔桩施工工艺 周健详《科学时代》2013-04-30。

【5】超深拟作钢管柱垂直度控制施工技术 廖秋林；江绍忠，许宁，李孝贤等《工程质量A版》；2010-01-10。