竖向支撑柱调垂技术

竖向支承柱调垂技术引言在我国，逆作法技术始于上世纪90年代初，经过20余年的发展，已逐渐形成区别于传统顺作工艺的独立体系，设计、施工等方面的专项技术工艺以及安全、质量控制措施。其中，竖向支承柱调垂技术作为逆作工艺中的一项核心技术，直接影响到逆作竖向支承体系的承载能力及稳定性，从而制约着逆作工艺的发展。换言之，竖向支承柱调垂技术的每一次突破，也必然引领着逆作技术的整体发展。因此，本文将对至今为止较常用的竖向支承柱调垂技术进行回顾及总结，并对其今后的发展趋势进行简要的论述。1、概述竖向支承柱系指采用钢立柱插入桩基的逆作法竖向支承系统形式，是基坑逆作实施期间的关键构件。其施工方式主要有先插法及后插法，其中先插法是指竖向支撑柱施工中，先安放钢支承柱，后浇筑支承桩混凝土的竖向支承柱的施工方式；后插法是指竖向支承柱施工中，先浇筑支承桩混凝土，在混凝土初凝前插入钢支承柱的竖向支承桩柱的施工方式。在基坑逆作开挖实施阶段，竖向支承桩柱承受已浇筑的主体结构梁板自重和施工超载等荷载；而在地下室底板浇筑完成、逆作阶段结束以后，与底板连接成整体，作为地下室结构的一部分，将上部结构等荷载传递给地基。因此竖向支承桩柱构件必须具备足够的强度、刚度并具有相应承载能力。作为逆作体系中的核心构件，在施工中，竖向支承桩柱的垂直精度要求是确保逆作工程质量、安全的核心要素，决定着逆作技术的深度与高度。而与之相对应的竖向支承柱调垂设备及纠偏技术的不断发展，亦是逆作技术不断进步、成熟、发展的缩影。2、竖向支承柱调垂系统2.1气囊法调垂系统气囊法调垂是首次通过辅助设备，对竖向支承柱的垂直度进行有效的系统纠偏，以达到控制竖向支承柱垂直精度的目标。气囊法调垂系统主要有：传感器、电脑及程序、空压机、气囊、压电磁气筏等组成。图1气囊法调垂系统示意图工程实施中，将气囊和进气管绑扎固定在钢丝绳上，气囊中心要在竖向支承柱缀板中心。每根钢立柱4组气囊，分别控制正交方向的倾斜度。气囊布置在地下10m处，为防充气时气囊的相互影响，两对气囊应上下错开设置。图2气囊法调垂实施情况气囊法调垂系统能适用于各种类型的竖向支承柱的垂直度校正，是早期开发的一种普适性的调垂技术，其通过外部设备对竖向支承桩柱施工进行垂直度纠偏的技术路线对逆作法技术的发展具有里程碑式的意义。气囊法调垂系统及相关工艺首开竖向支承柱调垂技术先河，但其缺点及局限性亦是显而易见的，可主要概括为以下两方面：(1)气囊法调垂精度仅达到1/200，调垂精度较差，调垂效果不佳；(2)在调垂纠偏过程中，帆布气囊常被孔壁钩破而无法使用，或埋入混凝土而难以回收，造成工期的延误及成本的增加。2.2校正架法调垂系统校正架法调垂通过机械设备的顶进以实现竖向支承桩柱垂直度的调节控制，有效克服了气囊法调垂的缺陷与不足，调垂设备构造简单，经久耐用，调垂精度可达1/300以上，是目前应用较广的调垂系统。图3调垂校正架校正架法调垂系统主要包括：上部校正钢架、辅助底盘、校正顶进螺栓等组成。校正钢架必须有足够的刚度并且高度不小于3m。施工中，校正架与辅助底盘连接牢固，校正架本身垂直度由两台经纬仪控制。工程实施中，对需要调垂的竖向支承柱顶加长或设置一段工具柱，将支撑柱在辅助底盘上定位并固定，用两台经纬仪双向控制钢管上端的垂直度，使安放好的钢管上口居于校正架中心位置，底部中心与桩位的中心重合。调垂中，调整校正架上端的四只螺栓进行校正，通过校正架对支撑柱加长段（或工具柱）顶端进行校正，待上、下二点垂直后，固定下端螺栓，完成支撑柱的调垂纠偏。校正架法是目前较为普遍的竖向支承柱调垂技术，标志着竖向支承柱调垂技术的逐步完善与成熟，具有以下特点：(1)调垂设备构造简单，经久耐用，能有效地保障施工并循环利用；(2)调垂工艺成熟，各道工序衔接连贯，工人易于掌握操作，可操作性强；(3)调垂精度最高可达到1/300以上，满足多数逆作工程对竖向支承桩柱垂直精度的要求。校正架法调垂具有工艺简单、经济实用的优势，但同时也存在劳动力配置量大、系统误差叠加效应显著以及人为操作中的主观不确定因素等不足，同时不利于大自重构件的安装，桩混凝土浇筑需采用泵送技术，增加了成本。2.3调垂盘法调垂系统调垂盘法是校正架法的平面简化，也是现阶段较常用的竖向支承柱调垂系统，主要由调垂盘支架、调垂盘及竖向螺栓顶升装置等组成（如图4所示）。其调垂原理是通过以调垂盘与竖向支承柱垂直紧固为前提，通过调节调垂盘的平面水平，达到支承柱垂直度校正的效果。工程实施中，调垂盘支架固定于地坪上，提供刚度及反力；调垂盘与支撑柱箍紧形成刚性连接，并通过调节四面的顶升装置，实现垂直度调节。同时，调垂盘可在支架范围内水平方向移动，实现平面位置调节。图4调垂盘法调垂调垂盘法较校正架法而言，更适用于对超重钢柱的调垂，其机械构造更加简单，便于安装拆卸、操作施工，在工程应用中更简单灵便，可直接进行混凝土浇筑，其调垂精度可达1/300以上。缺点是调垂的同时还要调整立柱中心，反复操作，时间较长。2.4液压调垂盘法调垂系统液压调垂盘法调垂系统是对调垂盘法系统的自动化改造，主要包括：调垂盘、液压顶升装置、数控系统等组成，其主要调垂原理与调垂盘法调垂系统基本相同。图5液压调垂盘法调垂系统工程实施中，调垂盘通过地锚与硬地坪连接，再通过控制相互正交的四点液压顶升装置，实现支承柱垂直度的自动调节。液压调垂盘法调垂系统通过对调垂盘系统的自动化改造，能有效的降低劳动强度，节约劳动力，但对设备操作人员的专业化要求较高，且目前还未能形成水平方向调节，调平过程中支承柱顶中心位置易发生水平偏差。2.5孔下调垂机构法调垂系统孔下调垂机构法是通过在支承柱下端正交方向各焊接1组调垂机构，通过调垂机构顶桩孔壁以实现支承柱垂直度的调节。该调垂系统主要包括：孔下调垂机构、可拆卸式长螺杆等装置。图6孔下调垂机构法调垂系统该法操作简单，调垂精度较高，可达1/500以上，但对孔壁的稳定性要求比较高，适合在土层稳定，能提供有效反力的地质条件下施工，在软土地基桩基施工中要选择合适的土层作为调垂机构的反力。无法实现调垂机构的回收，成本巨大。2.6孔下液压调垂法系统孔下液压调垂法系统为全自动调垂系统，由主站、控制站（又称为从站）、传感器模块、液压工作站等装置组成。控制系统采用了数字倾角传感器对支承柱的倾斜度进行测量，并采用无线数传模块在传感器与控制站之间进行数据通信，经过控制计算机对数据进行处理后，用液压装置对支承柱进行纠偏，以达到使支承柱保持垂直的目的。图7孔下液压调垂法调垂系统在支承柱垂直度控制系统中的每个控制站上都配有一台液压工作站，作为控制支承柱垂直度的执行部件。每台液压工作站是由三套同样的油缸液压控制回路组成的。每套液压控制回路中都有换向阀、锁阀、节流阀、液控单向阀、背压阀、以及压力继电器和压力表，对油缸进行控制。图9液压工作站系统该系统将调垂系统固定在桩护筒上，实现了全自动调垂，操作简单、高效，调垂系统可回收重复使用。但是，由于需要事先埋设大直径深护筒，受护筒埋设深度的限制，调垂力臂较短，调垂精度一般在1/500以内。2.7HDC高精度液压调垂系统HDC高精度液压调垂系统是数字传感技术与逆作调垂工艺的有机结合，代表着当今世界最先进的新一代竖向支承桩柱调垂技术。该系统主要由上、下液压抱闸、竖向液压垂直插拔装置以及孔内导向纠偏装置组成。施工过程中，将钢立柱垂直向下插入支承桩中，边插边利用安装在钢立柱桩上的测斜仪随时监测钢立柱的垂直度，全程施行动态监控，时时调整垂直度，直至钢立柱插入达到设计标高。图9HDC高精度钢立柱安装系统HDC高精度液压调垂系统融合了国内、外同类施工方法的优点，克服了常规方法不能进行纠偏的不足，具有可靠度高、自动化程度高、调垂精度高和调垂成本低等特点，使支承柱的安装垂直度能够达到1/1000。由于是后插法，可以实现竖向支撑钢管内混凝土干作业，质量更可靠。3、支承柱的垂直度监测系统支承柱的垂直度监测系统主要有传感器监测系统、测斜管监测系统、激光倾斜仪监测系统等。3.1传感器监测系统传感器监测系统是一种早期应用较广的方法。安装传感器时，分别在正交方向设置传感器，固定其上下两端。在正式使用前，还必须对传感器进行调试。首先传感器线路接好并临时固定，将传感器上的电线沿钢管柱临时固定，一直接至钢管柱底，在起吊钢管柱时，先采用一台经纬仪在一个方向校核，控制钢管柱的垂直度，使之竖直，此时测出对应传感器的初始读数，再用经纬仪从另一方向按上述方法校核另一侧的垂直度，并读出另一传感器的初始读数，以此数据作为传感器的初始值归零，消除其对今后施工的影响。该方法的缺点是传感器的安装要求精度高，操作复杂。图10传感器监测系统3.2测斜管监测系统测斜管监测系统可采用钢管或PVC管。使用时，测斜管与竖向支承柱采用环箍固定，与竖向支承柱平行，以确保测斜管测试垂直度能代表竖向支承柱安放垂直度。该方法操作简单，成本低廉，测量的数据可靠。缺点是在调垂过程中，需反复测量测斜管的垂直度，并经过换算，给出调垂的数据，自动化程度低。图11测斜管监测系统3.3激光倾斜仪监测系统激光倾斜仪监测系统是激光器和倾斜仪的有机组合，激光倾斜仪在钢构柱上要精确定位并保证足够高的精度。工程中，首先将微型激光器巧妙的与高精度倾角传感器结合成一个整体，确保能利用激光定位快速安装高精度倾角传感器，并保证足够的定位精度。安装时调整激光倾斜仪的调整装置令激光束与钢立柱管柱体母线平行,达到钢格构柱管体与传感器定位安装面相互垂直的目的。当钢立柱管体下到桩孔中,激光倾斜仪即可实时输出钢格构柱管体的倾斜变化。该法在调垂过程中能即时给出调整数据，便于调垂施工，缺点是测斜系统安装精度要求高，操作时间长，而且在吊装过程中要严格保证测斜系统不能被碰到，否则其反应的数据容易失真。图12激光测斜监测系统４、总结随着逆作法技术的发展与推广，竖向支承柱调垂技术已趋于成熟，并向着更多元化的轨道上发展，以适应不同类型、不同技术特点的逆作工程的施工需要，总体而言包括以下三方面的发展趋势：(1)就调垂系统而言，高精度、数字化的自动化调垂体系将装备化，并逐渐成为主流，提升调垂效率；逆作法施工技术的门槛将被打破。(2)就垂直度监测系统而言，以无线传感技术为代表的数控传感技术将是未来的发展方向，以更好地实现监测数据的反馈与实时交互；(3)随着支承柱垂直精度要求的不断提升，对立柱桩成孔垂直度也提出了更高的要求。常用的GPS灌注桩成孔设备只能通过扩孔来满足支承柱的垂直度要求，而采用旋挖钻机等新的成孔工艺能确保成孔垂直度，从而有效提高竖向支承柱的垂直度。