CN112575771A - 逆作地下工程钢砼以桩兼柱竖向支承体系的绿色建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工程建设领域内一项逆作建造地下2～4层工程(H≤20m)技术，通过“临永结合、化繁为简”，将基坑内原竖向支承体系“临时立柱桩‑中间支承柱”与使用阶段的“工程桩‑地下室框架柱”高度合一，在桩基施工时就将基板下“工程桩(兼立柱桩)”与“永久中间支承柱”一气呵成地浇筑成型；使原承载力低、耗钢量大且需多次加固、补强的“临时一桩一柱支承体系”变革为一次成型的永久钢砼竖向变截面桩柱连体支承体系，即桩柱交接处柱截面可按设计需求能灵活地缩小与改变形状(方形、圆形、矩形)；对柱梁节点与柱身横向配筋进行推陈出新，使之具有足够强度与良好延性，满足工程抗震及兼顾施工下导管与浇筑水下砼需要；桩柱砼分界面也可按需控制改变砼设计强度，实现了钢砼“以桩兼柱”及“临时中间支承柱”到“永久框架结构柱”的双连跳。

Description

逆作地下工程钢砼以桩兼柱竖向支承体系的绿色建造方法

技术领域

本发明涉及地下工程结构建造领域，特别涉及一种在设计与施工紧密相结合的逆作建造地下室条件下，通过技术创新、工艺变革对原传统常规逆作工艺、技术制作的工程桩与中间支承柱(临时性一桩一柱)体系进行优化、升级，变革后，形成地下工程中重要的钢砼竖向桩柱连体性承重构件体系，它以技术进步手段与一次成型工艺，较好地实现逆作法三大关键性技术之一的第三项技术——钢砼“以桩兼柱”的一种新型建造方法。

背景技术

工程向地下拓展已成为城市现代化建设中节约土地与破解发展空间瓶颈难题的重要手段，“逆作法设计与施工技术”在城市地下空间的发展与改造中起了重要、关键作用，已在开发技术上取得了新的业绩与突破。总结与反思近几十年来地下工程发展案例的利弊分析，与传统“顺作法”施工相比，逆作其主要技术优势与发展趋势为：设计与施工的总体上是将施工阶段的“基坑支护”与使用阶段的“永久性地下室”完美结合与高度统一起来，其升级、变革思路与措施为：一是以“(地下)围护墙兼部分 (地下室)外墙”(如地下连续墙或含咬合连接的排桩围护墙)，在此围护墙内侧增设复合墙或叠合墙，最终使之“两墙合一”或“桩墙合一”；二是“以梁板兼撑”，即利用地下室各楼层间梁(板)兼作施工前期基坑的水平支撑体系以及地下室部分顶板兼作施工栈桥，以避免“顺筑法”施工时产生大量临时性、一次性、多道水平支撑(含施工栈桥)及数量众多的竖向支承体系(含临时立柱及其下的立柱桩等)的设置、拆除或废弃，故逆作地下工程具有节约资源、降低能耗、缩短工期、大大减少废弃物，保护环境等优点，体现出低碳经济、绿色施工的时代要求。但尚存不足主要为：当前上海及沿海软土地区工程建设中常见的地下2～3层地下室(基坑开挖深度H≤16m)，绝大多数工程仍普遍采用粗放型的“顺作法”，即围护结构采用“临时排桩围护墙+二至三道临时水平支撑体系(其中第一道水平支撑上还需布置临时施工栈桥)”的常规做法，而采用“逆作法”所建的工程所占比例很小，因为当前传统常规的“逆作法“虽有其上述“以梁板兼撑”节约数道临时性水平支撑体系及栈桥的优势，但受其它因素影响，其中主要因素特别是在第三项关键技术——“以桩兼柱”在研发与应用上的技术经济性方面尚存短板且不够理想，如基坑阶段支承楼层水平支撑体系的立柱，现设计时大多都采用钢结构的临时性型钢格构柱，造成工程成本大幅上扬；另在竖向支承构件受力方面：“临时性一桩一柱”中的“小直径单桩+格构柱”的组合承载力低、刚度小、造价高，以至于施工前期逆作工程时发挥地上、地下双向施工的优势不能实现。再因基坑内经开挖土方卸载、浇筑大底板后，势必引起基坑上浮，在“临时中间支承柱”承载力不足且无上部荷载的压重下，坑内只得另外再增加布置抗拔桩群以抵抗基坑的上浮力，故无论当前的“顺作法”还是“逆作法”在坑内都增加布置了抗拔桩群。由此，在建造时采用“临时排桩围护墙”作外围护的的地下2～3层的同一工程中，当前“逆作法”在工程费用上却比“顺作法”要稍高而不具备竞争优势，致使绝大部分业主仍依旧选用“顺作法”，而当今社会业内流行的传统的“顺作法”地下工程基坑支护技术，系一种较为原始、粗放的“大建大拆”，属短寿命的“建设-破坏型模式”的落后型技术，建后存有临时性、一次性水平梁板支撑体系及竖向支承杆件体系 (含水平支撑梁、栈桥、立柱桩及钢构立柱等)的废弃物过多，其后果为既浪费了大量建材资源与人工、机械、能源，拆除中不仅产生噪音、扬尘且施工扰民，还产生大量的建筑垃圾、外运费用及破坏环境，致使发展代价高昂，其弊处多多，故应从源头上主动避免或予以淘汰。

从该传统技术的技术路径、工艺上分析且进一步究其原因，现常规“逆作法”设计与施工的竖向支承系统其柱下桩基大多采用基础底板(承台) 下的小直径多桩，而后在施工阶段前期则利用承台下多桩合力重心处之一的单根小直径桩作为临时性立柱桩，经在桩顶采用后插法插入钢构杆件形成“立柱桩与支承立柱”(当前主要为型钢格构柱或小直径钢管砼柱)，完成了“临时性一桩一柱支承体系”的第一次整合；中期基坑开挖后利用浇筑基础大底板砼，完成了多桩承台下桩基的第二次整合；后期再经铲除、清洗格构柱群表面泥浆污垢、还需在各临时钢立柱外侧对接楼层上、下预埋柱筋后再布设包裹柱钢筋笼、再需支好柱模后浇筑砼叠合层以形成叠合柱，方能整合成为永久性“一柱承台下的多桩”的结构体系，使得工艺繁杂、工效低下。又施工前期所构成临时性的“一桩一柱”因刚度小、承载力低，而刚整合后的永久性“一柱承台下的多桩”却因柱砼早期强度低而承载力不足，不仅不能发挥出前期逆作时地上、地下双向施工的优势及还因基坑卸土后为抗浮需增加坑内抗拔桩群，而且还使后期加固补强后柱内含钢量居高不下、节点复杂。但虽柱耗钢量大，却因临时钢格构柱件整体上并未含有锚固栓钉，故如此高投入的含钢量并未能形成钢骨混凝土劲性柱中的骨架(最终计算与实际定性仍为钢筋混凝土柱)。由于因上述因素使其造价过高，致使“以梁板兼撑”所获经济效益优势大部被抵消、甚至丧失殆尽出现“赤字”，故在经济上不再具备竞争优势。

发明内容

针对以上短板与不足，本发明作了以下针对性研发与改进，在设计时将原传统的基坑施工支护中竖向支承体系“临时立柱桩-中间支承柱”与使用阶段的“工程桩-永久性地下室框架柱”实施紧密结合与高度合一，采用“临永结合、化繁为简”的工艺，在桩基施工时就能将基础底板下的“钢砼工程桩(兼立柱桩)”与“带钢牛腿等的永久中间支承柱”一气呵成地浇筑成型。对原承载力不足、耗钢量大临时钢构立柱且需多次加固、补强、需繁杂工艺整合成叠合柱的“临时性一桩一柱支承体系”进行优化、升级且变革为一次成型的钢砼“永久性一桩一柱支承体系”，以实现“以桩兼柱、桩柱一体”的钢砼竖向变截面构件支承体系，其中将原基板承台下的小直径的多桩经“多桩合一”优化后变革为大直径的灌注单桩(又称巨型桩)，原“临时中间支承柱”则变革为一种临永结合的“两柱合一”(基坑施工阶段的“临时中间支承柱”与使用阶段“地下室内的永久性框架结构柱”合一)；在桩柱一体组合构件下的竖向承载能力上通过比选而选用刚度大、承载力强的“强桩强柱”；又在桩与柱交接处的柱截面做到可按设计需求能较为灵活地缩小与改变截面形状及尺寸(方形、圆形、矩形)；桩柱砼分界面也可按需控制改变砼设计强度等级；同时还对中间支承柱的柱梁节点与柱身横向配筋上进行推陈出新，使之具有足够的强度与良好的延性以满足工程抗震及兼顾施工下导管以满足浇筑混凝土需要；所形成“以桩兼柱、下桩上柱、桩柱一体、强桩强柱”，一举多得地形成了永久性地下室结构的“一桩一柱群竖向支承体系”，实现了从原“临时中间支承柱”到“永久中间支承柱(兼永久性框架结构柱)”双连跳，既提高工效、缩短工期又节约钢材，也较好地实现了逆作法三大关键技之一中的钢砼“以桩兼柱”的技术升级。现将变革、升级、完善后的新技术方案分述如下：

(一)、技术路径(设计总体思路的更新)

本发明在逆作法设计与施工技术的前期“基坑支护”与后期“永久性地下室”紧密结合与高度统一的总体框架下，通过技术创新与工艺变革，实施了基坑施工前期阶段原临时“立柱桩-中间支承柱”与使用阶段的“工程桩-地下室框架柱”的高度重合与统一，以及基坑内的“中间支承柱“与地下室内”框架结构柱”实质性的“柱网合一”目标，“通过“以桩兼柱、桩柱一体“的措施与手段，将原“临时性一桩一柱支承体系”进行优化、升级、变革且一次性成型为“永久性一桩一柱支承体系”。因从设计总体思路剖析看，原传统常规“逆作法”临时性竖向支承体系中的桩基与立柱”，在施工阶段与使用阶段其技术路线为“先分离、再加固、后整合”。反观本发明的钢砼“以桩兼柱、桩柱合一”竖向支承体系，从设计初始起就始终体现出“临时与永久的结合、施工阶段与使用阶段的统一”之思路，它能思前顾后、远近统一且与施工紧密相连，即采用“临永结合、化繁为简“的手段，变“间接”为“直接”进而一次成型：如设计、施工时中间支承构件下的工程桩经优化后为“多桩合一”，其上部的立柱则优化、升级、变革后为“两柱合一”(原“临时中间支承柱”与“永久性框架结构柱”的合一)；又在此基础上根据设计要求能形成不同形状柱截面、且具有强桩强柱特性及上下紧密相连的竖向“桩柱合一”的钢砼永久性联体构件群，使之既能充分利用钢筋混凝土性价比高、物美价廉的特长与优势，又能发挥出“强桩强柱”刚度大、承载力强的良好特性，来分别满足桩与柱两个竖向构件各个阶段的工况受力。故实施本发明后，在施工中一旦地下一层结构完工，上部结构的施工进度一般将不再受以往荷载及楼层数限制(桩柱龄期强度早已满足)，“逆作法”在施工中地上、地下双向空间同时施工与缩短工期的优势将得以充分发挥与体现。不仅如此，这样既可制止施工阶段前期主楼区域基坑的上浮，还有望取消或大大减少传统“顺作法”与“逆作法”在主楼区域布置的抗拔桩群。对于主楼周边的裙楼地下室或纯地下室下桩基，则可采用“两桩合一+两柱合一”(即原抗压工程桩部分桩筋可向下延伸结合桩根部的直径扩底、注浆，升级后兼作抗拔桩的两桩合一)组合形式来构成。以上由于能思前顾后与统筹兼顾且采用同一种经济、适用建材，而最终形成为整浇一次成型的永久性钢砼竖向中间支承柱体系，故该项发明在地下工程建设中系一举多得，事半功倍的技术升级版，既解决了当前逆作工程施工阶段前期竖向临时支承体系中桩承载力低下、柱刚度不够、相邻临时性单桩沉降差异、楼层梁因不均匀沉降易引发产生梁内次应力等问题，同时在确保功能的前提下也实现了节约资源与降本增效，解决了以往逆作法因采用“临时钢立柱构件的中间支承柱体系方案”时为满足上述功能(含因基坑抗浮需要所设置的抗拔桩群等)，而所需高投入、承受高代价与费工耗时的难题，(即相当于不用再请“高价临时工”了)。故在同一工程条件与保证质量的前提下，与传统常规逆作法中以“小直径钢砼单桩+钢立柱构件”为主的竖向临时支撑体系方案相比，本发明在新技术、新工艺设计构思的思路较为简洁、明了、科学、合理而更胜一筹，其设计计算也相对简化，不仅受力更为直接而非间接且工艺上也无需多次转换而一次成型，所选用的材料也更为普通、经济与适用，沉桩后(含柱身)地下室土建施工工序相对也更为简化、方便，故其成本代价也更为低廉。

(二)、技术布局

首先否决了采用原传统柱内耗钢量大的型钢或钢管构件的“后插法”工艺再加外包叠合柱砼的技术方案，其次在桩柱支模型式、桩笼与柱笼的连接、柱梁节点处梁端抗剪等布设、柱梁节点处梁正、负弯矩等钢筋布设及柱身段、柱梁节点抗震等布局方面与以往有如下不同：

1、在“桩柱支模型式”布局方面(请参考图2、图3、图4)：当实现“桩柱一体”时，针对“永久性一桩一柱”之间桩柱截面“桩大柱小”实情的差异，按照不同情况，巧妙发掘与利用桩孔柱身段空间而选择相应的适用技术，如大直径钻孔桩截面尺寸控制仍利用钻机成孔后形成的土模；柱支模时则是对桩孔内柱身段截面四周的空间进行充分构思与发掘，根据不同柱的设计外形截面(方形、圆形或矩形)选择布设薄围檩模板支模系统(方形、矩形柱模板可利用旧木模层压板裁剪或新木模层压板边料、或可免拆的薄型密目钢板(丝)网模、圆柱模可采用木质层压板筒模或玻璃钢筒模等)，支模后其外包尺寸须略小于桩孔直径，否则必要时可对桩孔上半段进行扩颈。

2、在“桩笼与柱笼连接”的布局方面(请参考图1)：因截面上桩大柱小，故在桩顶部相应部位留设有一定数量与长度的外伸插筋，其平面位置应处于桩柱的同一圆心或同一形心；柱插筋的配筋与底层柱笼截面、配筋相同且端部含有一定长度的直螺纹丝，在事前经桩笼、柱笼成型后预拼装与试连接成功的基础上分离，在沉桩中将桩笼顶至近场地面平时作临时固定，再吊装竖向的带模柱笼根部就位后，将桩笼顶插筋与柱笼底伸出的钢筋相应一一对准后，即可采用加长型直螺纹套筒进行连接；又桩顶伸出的柱插筋外侧事先已套入一定数量的箍筋，以用作连接后柱根部的加密箍筋之用，连接后即对柱根部进行加密箍筋绑扎固定及柱根部位的局部封模，再继续柱笼下沉、就位、调试、固定等。

3、柱梁节点支座处梁端抗剪、溢出通道布局方面(请参考图11)：在柱钢笼成型时，笼内的柱梁节点处部位就布设了“双向井字形外挑型钢 (暗)牛腿，以抵抗后浇梁近梁端支座施工接缝处的剪切力；在柱笼根部的与基础底板交接处布设预埋带直螺纹套筒的双向井字形连排抗剪插筋 (请参考图3)；其中“井字形暗牛腿构造平面及双向井字形连排抗剪插筋”的中央留设出一定的空腔部位作上下通道，以使施工时便于下导管浇筑。另在上述“双向井字形外挑型钢牛腿”与双向井字形抗剪插筋中央部位周边的空腔部位留设好通道，利用后续浇灌水下砼充盈后的向上溢出效应，使混凝土从桩底不断上升直至到达柱顶，实现了永久性钢砼中间支承柱的“以桩兼柱、桩柱合一“形成连体构件的根本目的。

4、柱梁节点处梁正、负弯矩及柱笼根部止水环片埋件的布局(请参考图12、图1、图5)：在柱笼内柱梁(板)节点处“双向井字形外挑型钢 (暗)牛腿”的上下部位布设预埋好带直螺纹套筒的正、负弯矩钢筋，以便于基坑内土方开挖后使后浇的梁与先浇的柱进行梁正、负弯矩钢筋连接。又在柱根部的基板部位处布设安置埋件，便于日后焊接立柱根部的止水环片，以满足后浇的地下室基础底板与桩柱接缝处第二道永久性止水防线的止水需要(注：第一道永久性止水防线为基底素砼的垫层上敷设防水卷材与桩柱接缝泛水处的防水)。

5、在柱身段及柱梁节点的抗震等布局方面：“对不同外形截面(方形、圆形、矩形等)的柱身钢筋笼内的横向配筋构造上采用井字形组合复式箍筋网片”(请参考图2、图3、图4)，以使钢砼柱构件增强延性，即在设计上通过控制“柱轴压比”与“增大配箍率”两者相结合的措施，使柱在构造与配筋上能形成“延性构件”，以满足日后工程抗震的需要。又笼内设置的各类井字形的箍筋网片的中央空腔部位内包尺寸应能满足下放导管及浇筑混凝土的需要。另在柱梁节点与柱梁端部布设了组合箍筋加密区其刚性约束及抗震处理上遵循“强柱弱梁、节点更强”的抗震设计原则，使震后可能产生的”塑性铰“(诱导塑性裂缝)预设发生在近框架梁端部暗钢牛腿的以外部分，从而达到震后“裂而不到”的根本目的。

(三)、技术选择：

在桩柱一体构件组合下承载能力与工艺选型、立柱材质、总长与柱分层长度尺寸等精度控制、砼柱与后浇梁板选型的连接等各方面优化后的选择与采纳，它与以往常规“逆作法”有以下诸多不同：

1、在“桩柱一体构件组合下承载能力与工艺选型”的选择方面：通过回顾与小结以往常规逆作工程中桩柱叠加后共同受力作用下的实例，对其竖向承载能力作简要的定性分析、评判，在此基础上进行比选与择优，进而主动地回避当今业内流行的一些常见“临时性一桩一柱”的不合理作法，如采用“弱桩弱柱”(小直径钻孔桩+型钢格构柱)、“弱桩中强柱“(小直径钻孔桩+小直径钢管砼柱)“与“强桩弱柱”(大直径钻孔桩+型钢格构柱)等这些不利组合，以避免施工前期中发生类似于桩柱的“两手都软“或”一手硬一手软“而最终影响桩柱连体构件承载力的现象出现。为此，一是在工程桩基选型方面：在满足桩基承载力的前提条件下，桩截面选用上采取“以大制小”、数量上“以少胜多”的技术替代策略，因而主动、有意地选择大直径钻孔灌注桩(巨型桩)，即在满足桩基承载力条件下，地下室内柱网下采用旋压大直径钻孔灌注桩作工程桩来替代原传统柱基础承台下多根小直径灌注桩，以实施“多桩合一”(施工前期工程桩也兼立柱桩)；在立柱选型上：一是将原承载力低下、刚度小且势单力薄的“临时钢格构立柱”(或小直径钢管砼柱)，且需经多次加固、补强、整合后方成为永久性支承柱的传统工艺做法，变革为“两柱合一”(基坑阶段原临时“中间支承柱”与使用阶段永久性“框架结构柱”的合一)。二是在中间支承柱体系的材质、工艺上选用上既传承了砼桩，又选择“临永结合、化繁为简”普通含钢量且经济适用的全现浇的钢筋混凝土永久性立柱体系工艺，将原传统工艺、技术的“临时性一桩一柱”变革升级后形成钢砼“永久性一桩一柱”竖向连体构件，三是在此基础上，桩柱的组合选择优化后的“强桩强柱”且能实现“双控”的有利组合，最终构成能同时满足施工阶段与使用阶段两种不同受力工况的”以桩兼柱、下桩上柱、桩柱一体、强桩强柱”的永久性钢砼竖向支承骨架体系，来替代需多次整合、转换、价格高昂的临时钢结构立柱体系，用永久钢砼柱群一步到位地替代原需待加固补强的临时钢构立柱群。通过以上优化、变革、升级的措施与手段，使得常规“逆作法”施工前期“临时性一桩一柱”竖向支承体系刚度不足和承载力低下且需待多次加固补强与转换，以及施工前期因各临时桩间不均匀沉降差异及引起梁内次应力等缺陷问题迎刃而解。

2、在“立柱材质”选用方面，“中间支承柱“的工程材质上选择了普通常规、经济适用、成本低廉、经久耐用、性价比高的钢筋混凝土作立柱材料，取代了成本高昂、代价不菲的“临时性钢立柱构件+外包钢筋混凝土的叠加柱”，使现钢砼柱内不再存有以往因分步到位的加固、补强，而所致工艺复杂、型钢格构叠合柱内含钢量过高，致使代价不菲的弊病(相当于减少了多层次、辞退一批高价临时工)，使之较好地处理了工程建设中发展速度与成本代价之间的一对矛盾，达到了又好又快与降本增效的根本目的。

3、在“桩柱总长与柱分层长度尺寸等精度控制”的选择方面：进场前在图纸上对地下室内工程桩的每一根(永久性)一桩一柱进行编号。进场后在通长、硬化、平整的砼地坪场地基础上分别对不同类型的桩笼、柱笼的总长度、各自长度、柱内分层、各楼层柱梁节点部位处的井字形暗钢牛腿、柱根部处井字形抗剪插筋等进行现场实线放样与定位，经复核无误后即可作为按此基准重复制作“桩柱合一”一体化钢笼成型的尺寸样工具；桩笼与带模柱笼分别经沉桩、连接、柱底封模进入桩孔后，再采用校正架、测量工具等进行桩、柱轴线定位、柱网轴线偏差、标高的调整(最终以满足桩顶同一标高来控制整段桩柱长度及柱分层长度的精度)、校垂，直至满足精度为止(质量标准：桩、柱轴线定位、柱网轴线偏差≤5mm、柱顶标高≤5mm、柱垂直精度控制1≤/350)。

4、在砼柱与后浇梁板受力选型与连接的选择方面：后浇的梁板受力选型为T形叠合式梁板且分二次整浇，其中第一次先浇叠合梁，以形成基坑水平支撑骨架体系，而后结合兼作施工栈桥分步再浇基坑周边顶层、楼层叠合梁上的叠合板等，以增加梁板整体刚度与基坑抗变形能力；梁截面可设计为矩形或倒梯形，梁底截面的宽度宜适当放宽且≥600。在柱梁节点钢筋布置的选择方面：从有利于解决原柱梁节点支座处负弯矩钢筋过于密集而需分散布置的目的出发，设计计算时选择T形截面的整体梁板计算(即可按T形受弯构件受压区翼缘计算宽度b′f考虑)，故部分负弯矩钢筋可布设在T形梁(楼)板的翼缘上，有利于负弯矩钢筋的分布受力更为合理且施工更为方便。

(四)、技术预见与对比

从技术预见与以往对比看：选用本发明的“逆作地下工程以桩兼柱的结构竖向支承体系”，在与永久性楼层梁板兼作基坑水平支撑的技术相结合后，由于工程桩与中间支承柱的连体构件在桩基施工阶段系一次成型，基坑阶段水平支撑体系中的原临时支承柱群将被直接优化、升级成使用阶段永久性支承梁板体系的框架柱群；又在桩基施工阶段结束后，它就一气呵成地构筑了基坑围护墙内，形成具有能支承地下室结构各楼层荷载的永久性竖向支承骨架(工程桩-框架结构柱群体系)和初步形成了地下室结构的基本雏形，故在基坑施工前期阶段变革后的钢砼“以桩兼柱”完成后，就为下一步地下室楼层向下逐一分层开挖、浇筑各层的“楼层梁板体系”，实施“整体框架-预开孔梁板逆作技术”的施工形成可替代原临时水平支撑体系的基础条件，(即利用地下室各楼层永久梁板体系兼作永久性水平支撑体系来替代原传统“顺作法”的基坑临时性数道水平支撑体系，其中预开孔的地下室顶板在施工阶段还可临永结合，兼作施工栈桥，以便于为挖土机械开上栈桥进行施工挖土开创良好条件。

此外，一旦只要地下一层结构完工，本发明就基本不受±0.000上下同时施工的限制，该“逆作法”工程在地上、地下双向空间同时施工与缩短工期的优势将得以充分发挥与体现，如只要将上部楼层施工进度措施控制得当，通过计算适度加载后，即可制止施工阶段前期基坑主楼区域的上浮，还可有望取消或大大减少现顺、逆作法在主楼区域布置的抗拔桩群。在主楼周边的裙楼地下室或纯地下室，则可利用中间支承柱下的抗压工程桩在功能上进行拓展，如对该部分原有桩筋进行延伸与桩根部扩底及桩底、桩侧注浆等相结合的技术措施，以实施“两桩合一”(抗压桩兼抗拔桩)，使之物尽其用及降本增效，以使较好地处理发展进度与成本代价的关系。又现永久性的“中间支承柱”无需多次加固、补强、转换与整合，即实现了原基坑施工阶段的“临时中间支承柱”，在日后使用阶段自然成为地下室内框架结构柱，低耗高效地实现了这一角色“双连跳”地跨越与转换。而原传统工艺虽经多次加固补强后的柱含钢量巨高，但因为临时钢格构柱件整体上并未含有锚固栓钉，故如此高投入的含钢量并未能形成钢骨混凝土劲性柱中的骨架，最终实质上定性仍为钢砼柱群，故属于高耗低效构件。另在竖向支承及水平支撑系统的施工应用上，与传统“顺筑法”相比：不仅几乎没有了以往“顺筑法”临时性的水平支撑体系与施工栈桥，因而既可同时发挥出“以桩兼柱”与“以梁板兼撑”的组合优势而一次成型，又可避免产生大量临时性、一次性的钢构立柱与柱下桩基(立柱桩)及水平支撑构件及栈桥的拆除量或废弃物，故无需经爆破拆除或静音切割后再要清除外运等产生诸多费用，使之既保护环境又降本增效。

在工艺革新方面，与当前传统的“逆作法”相比：通过桩基施工时桩笼在沉桩中与带模柱笼连接，除经浇筑后一次成型工程桩外，还一举多得地在其桩身顶部的上段立即实现了施工阶段“临时柱”与使用阶段“永久柱”的两柱合一，而无需采用传统临时性“一柱多桩”再整合的形式，也无需在型钢格构柱上再外包钢砼叠合层以形成叠合柱等，而是一步到位地制成的钢筋混凝土的“中间支承柱兼永久框架柱”。以上除传统湿法作业的钻孔灌注桩护壁产生废泥浆液现场需用泥水分离机以及凿除桩顶泛浆层混凝土经破碎可作路基碎石垫层就地消化处理外，其余基本上都不产生污染物或废弃物，即在地下空间拓展中，通过技术进步与科学管理，转变了经济发展的方式，摒弃了粗放型的发展之路，最大限度地节约资源与减少对环境的负面影响，促进了地下工程建设绿色施工水平的不断提升，故达到了简化工艺、节材节能、省工省料、提高工效、降低成本、受力更为科学合理、缩短工期、绿色环保等良好的经济，社会效益的根本目的。

(五)、本发明技术创新特色小结：

综上所述，经优化、变革后现钢砼桩柱一体的竖向承重构件与以往传统常规逆作法施工前期中常见的桩柱组合构件(小直径钻孔桩+型钢格构柱+补强整合)有所不同，除主要体现出具有“强桩强柱”组合之特征外，更有其结果——由于在桩基施工时就将含钢牛腿的桩柱一体竖向构件一气呵成，使得“永久性一桩一柱”桩柱强度形成的时间上大为提前，也使施工前期地下工程竖向承载能力大幅提高，这就为地上地下空间双向施工开创了有利条件。当剖析该永久性“一桩一柱”时有以下特色：若从立面图沿纵向看：该竖向承重连体构件具有“下桩上柱、以桩兼柱、桩柱一体、强桩强柱”的结构特征；若从横向看(沿桩柱结合处为剖面切开后分为上下两部分)：其下部基板(承台)下的原小直径多桩经“多桩合一“优化后变革为大直径的钻孔旋压灌注单桩；其上部原“临时中间支承柱”经优化、升级后变革为“永久性柱”——其桩柱的承载力不但能满足施工、使用两个受力阶段工况，而且还系一种临永结合且能适应不同形状柱截面、设计强度等级需求的”两柱合一(即施工前期阶段的原“临时中间支承柱”与使用阶段“永久性框架结构柱”的合一)。本发明依靠工艺变革与技术创新，不仅在施工工艺上化繁为简、一次成型；在技术上采用优化组合、临永结合；而且在经济上节约资源、降本增效。与历来传统施工方法所不同的是，它在桩基施工阶段就能将“钢砼工程桩基”与基坑水平支撑体系的“中间支承柱”一气呵成地成型而较为完美地得以实现，其中的柱身部分日后则自然成为永久性地下室结构楼层内的钢砼框架柱。在当前建造地下室工程时的设计与施工紧密结合条件下，本发明在技术路径(设计总体思路)、技术布局、技术选择等方面均有所创新、突破及改进与完善，从技术预见及对比上也有低碳绿色发展的光明前景，它系“钻孔灌注立柱桩 -临时中间支承柱”竖向支承体系的技术升级版，故属于一种从粗放型向质量效益型转型发展、升级换代的新工艺、新技术。

本发明依靠科技创新，改变了传统顺、逆作法基坑施工中“中间支承柱”工艺烦杂、技术粗放、材料浪费的“高成本、低效型”经济的发展方式。此外，该项“以桩兼柱(钢砼工程桩兼中间支承柱且桩柱合一)的竖向支承关键技术，还可以与“以围护墙兼结构墙(即以临时围护墙兼作地下室永久性结构的部分外墙)”和“以梁板兼撑(即以地下室楼层梁板兼作基坑水平支撑体系及顶板兼作施工栈桥)其它两大关键技术紧密结合、相得益彰，将产生事半功倍、降本增效的叠加效果与放大后的经济、社会效益，对升级传统技术与实现“低成本、高效率、环保型”转型发展，具有良好的技术经济性，有利于地下工程的建设(地下四层内)加快进度、缩短工期、降低造价、使工程提前交付使用，同时还能体现出资源节约、环境友好、物尽其用、降本增效，走绿色施工的可持续发展之路，以期取得良好的经济、社会、环保效益。故它属于建造地下室工程时的一种升级换代、转型发展的新型绿色设计与施工的建造方法。

附图说明：

图1为本发明“桩笼与带模柱笼在沉桩就位后的连接”

图2为本发明图1中A-A剖面“圆桩方柱截面配筋示意图”

图3为本发明图1中B-B剖面“圆桩圆柱截面配筋示意图”

图4为本发明图1中C-C剖面“圆桩矩形柱截面配筋示意图”

图5为本发明“工程桩与基础底板的连接示意图”

图6为本发明“方柱平面配筋示意图”

图7为本发明“方柱井字形箍筋兼拉结示意图”

图8为本发明“方柱钢笼支模后平面大样示意图”

图9为本发明“方柱带模柱笼薄围檩系统方案示意图”

图10为本发明“柱梁节点部件套(双向井字形外挑型钢暗牛腿)侧视图”

图11为本发明“柱梁节点方柱部件套(双向井字形外挑型钢暗牛腿) 平面图”

图12为本发明“T形梁截面(叠合梁、板)配筋示意图”

图13为本发明“钢砼以桩兼柱水下砼强度等级改变浇筑工艺示意图”

图14为本发明“钢砼桩柱施工流程图表”(适用以桩兼柱、一桩一柱的地下逆作法)

图中标号如下：

桩孔1；桩钢筋笼2；桩笼顶外伸(柱)插筋3；外伸(柱)插筋钢笼伸入桩笼内段及内环加强箍筋4；柱笼基板部位双向井字形连排抗剪钢筋套筒埋件5；桩顶外圆环薄钢板点焊封口6；带模柱笼(截面可为圆形、方形、矩形)7；带模柱笼外伸钢筋8；长螺纹套筒连接件9；柱底加密箍筋10；桩顶柱底钢筋连接后局部封模部位11；桩顶柱底每侧附加2Ф20 加强钢筋12；桩顶锚固钢筋13；柱底止水钢板环片14；桩笼外围缠绕螺旋箍筋固定15；灌注大直径圆形砼桩(低强度砼)16；方形柱模17；方柱(高强度砼)18；桩顶段内设井字形定位箍筋网片19；柱笼内“井字形 +菱形复合箍筋”网片20；圆柱模21；圆柱(高强度砼)22；矩形柱模23；矩形柱(高强度砼)24；抗震必要时可增加的核芯柱筋25；施工浇筑水下砼下导管的位置26；砼桩身(低强度砼)27；砼柱体(高强度砼)28；基础底板29；基础底板局部加厚30；方柱纵向主筋31；方柱箍筋32；柱井字形点焊箍筋网片延长兼支模拉结33；锚固板带兼支模定位34；方柱木模35；小型方形空心钢管或槽钢的竖向龙骨36；双根并排Ф48厚壁钢管 @300～500抱箍围檩37；伞形固定扣件38；外挑抗剪型钢牛腿39；柱顶工具柱套模40；分段柱模板结合处四周采用＜75角钢加固41；＜75加固角钢两端Ф16@120拉结紧固螺栓42；扁钢电焊作临时加固43；柱宽44；主梁宽(B≥600)45；次梁宽451；地下室楼层板46；喇叭口导向管47；喇叭口导向管底部与井字形钢牛腿内筒焊接连接48；井字形双挑焊接工字钢暗钢牛腿49；井字形工字钢外伸主梁暗钢牛腿491；井字形工字钢外伸次梁暗钢牛腿492；井字形工字钢外伸牛腿底部焊接吊筋支架50；吊筋支架连接钢筋与中央核心筒外壁焊接51；柱箍筋从腹板孔眼穿入后塞焊封闭52；柱箍筋从腹板孔眼穿入后错缝搭接电焊53；叠合梁箍筋54；叠合梁单肢构造拉结箍筋541；井字形工字钢外伸牛腿底部焊接钢板底座55；T形截面梁翼缘计算宽度b′f 56；楼层板厚度57；梁底中部纵向主筋采用“传力钢板法焊接”58；梁底外侧主筋预埋钢筋套筒连接59；T形梁翼缘负弯矩主筋60；梁(板)顶中间部分负弯矩钢筋端部采用焊接连接601；梁中部纵向构造钢筋采用预埋甩筋或钢筋套筒连接61；钢砼桩柱合一中的高强度砼62；不同强度混凝土交接面63；泛浆层高度64；混凝土灌注面65；桩顶标高66；桩孔周边碎石、砂回填67；

具体实施方式

以下结合附图中“桩柱施工流程图表”(请参考表一)和具体实施方法，同时就本发明主要关键工序中的“钢笼成型时桩柱总长与柱分层长度尺寸等精度控制”、“桩笼与带模柱笼沉桩吊装过程中的连接”、“沉桩后柱笼轴线、标高、垂直度的调整校正及固定”和“永久性钢砼以桩兼柱不同设计强度等级水下砼的浇筑”作进一步详细说明如下(其余略)，需说明的是：上述附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅以方便、明晰地辅助说明本发明实施的目的及方法的描述。

(一)“钢笼成型时桩柱总长与柱分层长度尺寸等精度控制”：

进场前在图纸上对地下室内工程桩的每一根(永久性)一桩一柱进行编号。进场后在通长、硬化、平整的场地基础上分别对不同类型的桩笼、柱笼的总长度、各自长度、柱内分层、各楼层柱梁节点部位处的井字形暗钢牛腿、柱根部处井字形抗剪插筋等进行现场实线放样与定位，经复核无误后即可作为按此基准作尺寸样板工具，进行重复制作“桩柱合一”的桩钢笼、柱钢笼直至分别成型。

(二)“桩笼与带模柱笼吊装与沉桩过程中的连接”(请参考图1)：

在大直径旋压钻孔桩机钻成孔、将桩孔1内泥浆护壁清孔后；桩笼2 经吊装入孔、沉桩至近场地表面基本平时作初步临时固定；然后将事前经预拼装、试连接成功后拆卸的带模柱笼7经吊装就位，柱笼根部外伸钢筋 8与桩顶外伸钢筋3一一对应且对准、对齐后，即采用事先套入柱筋的加长型长螺纹套筒9分别旋入后进行连接固定，当桩笼与柱笼可靠连接后，再将原事前已套入桩顶的箍筋分别就位后，即可绑扎柱底加密箍筋10；桩笼顶柱笼底四周则用侧向加强筋12在柱笼校垂后即进行焊接固定；柱根部部位11局部封模后在垂直吊装下继续下沉带模柱笼，直至近柱顶一定标高后作临时固定。

(三)“沉桩后柱笼轴线、标高、垂直度的调整校正及固定”：

桩笼与带模柱笼在经全站仪、经纬仪等复核现场柱网尺寸无误的留孔硬地坪条件下，分别经沉桩、连接、柱底封模经垂直吊装深入桩孔内近地表面作临时固定后，再采用校正架、测量工具等对柱笼轴线定位、柱网轴线偏差、标高进行调整(最终以满足柱笼顶部同一标高来控制连接后的整段桩柱长度及柱分层长度的精度)、校垂，直至满足精度为止(质量标准：桩、柱轴线定位、柱网轴线偏差＜5mm、柱顶标高＜5mm、柱笼垂直精度控制＜1/350)后进行正式固定。

(四)“永久性钢砼以桩兼柱水下砼强度等级改变浇筑工艺”(请参考图13)：

本发明与传统常规“逆作法”中“后插钢管法”在管内浇筑钢管砼柱有所不同的是：由于它在带模柱笼7内已设置了“双向井字形外挑型钢暗牛腿”49、井字形复式箍筋网片20与柱根部双向井字形抗剪插筋5，其中在5、20、49的中央部位已预留设好了供下放导管26的竖向通道，另上述部件其中央部位周边的空腔部位也留设好水下砼的上溢通道，故下放导管必须穿过以上部件的中央后伸入至灌注桩16桩孔根部区域，利用浇灌水下砼充盈后的向上溢出效应与导管的逐渐提升，使混凝土从桩底不断上升直至到达柱顶后溢出(含水下砼浇筑时的砼设计强度等级的改变)，实现了永久性钢砼中间支承柱的“以桩兼柱、桩柱合一“形成连体构件的根本目的，具体步骤如下：

1.移走校正架、安装固定移动平台、下导管后，先浇筑水下桩基低强度砼16(如水下C30～C35级)，当完成桩砼截止方量复测无误后即可作为不同强度混凝土交接面63，其导管下口伸入砼灌注面65内距离约3m(请参考图13工况1，图中为GK1)；

2.后浇柱高强度砼62(如水下C50～C80级)，在上部低强度砼16经充盈上升后泛浆高度64至桩顶柱底交接面向上约2.5m处，使该部分低强度砼16全部位于桩顶标高66之上，不同设计强度等级砼的局部置换完成 (请参考图13工况二，图中为GK2)；

3.浇筑前与浇筑中应沿桩孔柱模间四周均匀回填废弃砂、石或土方颗粒料67，以阻止柱模外混凝土上升(见图13工况三，图中为GK3)；4. 继续灌注柱钢筋笼内的高强砼62，当砼充盈上升经过柱梁暗牛腿节点时，砼溢出上升速度会自然减慢，导管提升过了节点后浇筑速度即会恢复正常，直至浮在上部的低强度砼16从柱顶部泄浆孔全部排出，且看到新鲜高强混凝土62排出为止时即为全部置换完成(见图13工况四，图中为GK4)。

本发明不限于上述具体实施方式，凡在本发明的精神和范围内所作的各种变化，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于逆作法建造地下室工程(适用于地下二～四层内、开挖深度H≤20m)，在基坑内竖向支承结构体系采用新技术、新工艺的建造方法，其主要关键技术特征在于，包括：钢砼桩柱合一的工程桩基选用钻孔大直径灌注桩，桩笼顶部含有与框架支承柱相连接的构造插筋(1)；永久性一桩一柱钢筋笼总长度及柱分层长度尺寸的精度控制(2)；柱笼成型时在笼内楼层柱梁节点部位处设置井字形外挑型钢(暗)牛腿、柱笼根部处则预埋呈井字形连排抗剪插筋及设置止水环片埋件(3)；在柱梁节点支座处的井字形外挑型钢(暗)牛腿上下部位预埋带有直螺纹套筒的正、负弯矩钢筋(4)；钢砼桩柱合一的柱内钢筋笼横向配筋构造上设井字形组合复式箍筋网片(5)；桩、(带模)柱钢筋笼分别成型后应对两者钢筋的连接进行预拼装与试连接且在成功基础上拆卸与解除连接，以便在沉桩吊装下笼中进行再连接(6)；柱钢筋笼四周外侧模板的固定采用薄围檩系统，其外包尺寸应略小于桩孔直径(7)；桩笼沉桩后桩顶与带模柱笼的连接、柱根部局部经封模、继续沉桩至到位后的调试(平面定位、标高调整、调垂)与最终固定(8)；永久性钢砼以桩兼柱混凝土浇筑时不同设计强度等级的变化调整与成型(9)。

2.如权利要求1所述钢砼桩柱合一的工程桩基采用“钻孔大直径灌注钢砼桩，桩笼顶部含有与框架支承柱相连接的外伸插筋”(请参考图1)，其特征在于：工程桩直径＞1m(又称巨型桩)，在桩钢筋笼顶部的相应部位处(桩柱同一圆心或同一形心相重合的平面位置)，预先留设了有一定长度且与支承柱相连接的外伸插筋；桩顶外伸插筋的另一端伸入桩顶内的长度约为2.5m；该插筋的配筋与底层柱笼截面、配筋相同且端部含有一定长度的直螺纹丝扣，插筋与柱笼的钢筋的连接件采用加长型直螺纹套筒进行连接；又桩顶伸出的柱插筋外侧则套入一定数量的箍筋，以用作连接后为柱根部的加密箍筋之用。

3.如权利要求1所述“永久性一桩一柱钢筋笼总长及柱分层尺寸的精度控制”，其特征在于：进场前在图纸上对地下室内工程桩的每一根(永久性)的一桩一柱进行编号；进场后在通长、硬化、平整的场地基础上分别对不同类型的桩、柱钢筋笼的总长度、各自长度、柱内分层长度、各楼层柱梁节点部位处的井字形暗钢牛腿、柱根部井字形连排抗剪插筋等具体位置进行现场实线放样与标出定位，经复核无误后即可作为按此基准重复制作“桩柱合一”一体化钢筋笼成型的尺寸工具样板；桩笼、柱笼总长的控制点应在柱顶钢笼上做好油漆标识，便于桩柱沉桩就位后调整至统一标高后固定。

4.如权利要求1所述“柱钢笼成型时在笼内楼层柱梁节点部位处设置双向井字形外挑型钢(暗)牛腿、柱笼根部设置预埋双向井字形抗剪插筋与止水环片埋件”(请参考图11、图12、图5、图1)，其特征在于：即根据权利3所述桩笼、柱笼尺寸精度要求基础上：①柱笼成型时按场地实样放线的工具样板基准，分别在各楼层相应的柱梁节点部位处设置长度尺寸略小于桩孔径且为双向外挑的井字形型钢(暗)牛腿(见图11、图12)，以满足施工中下沉柱笼、使中央空腔部位在施工时便于沿竖向下放导管及浇筑混凝土及日后梁端支座处抗剪强度的需要；②在柱笼根部与基础底板相交部位的根部处设双向井字形抗剪连排插筋(见图1、图5)，其抗剪连排插筋的中央空腔部位的内包平面尺寸应能满足施工时便于沿竖向下放导管与浇筑混凝土，以及基础底板与桩柱接缝处抗剪需要；③柱底预埋固定的环形薄型钢板日后则为焊接止水环片用的埋件，以满足桩柱与基础底板接缝处止水的需要(见图1、图5)。

5.如权利要求1所述“在柱梁节点支座处的井字形外挑型钢(暗)牛腿上下部位预埋带有直螺纹套筒的正、负弯矩钢筋等”(请参考图12)，其特征在于：即根据权利4所述要求基础上，在柱笼成型时的柱梁节点处牛腿的上、下部位，分别双向预埋含带有接驳器套筒的主梁、次梁正、负弯矩钢筋埋件等，以待基坑向下分层开挖后进行分别连接。

6.如权利要求1所述“钢砼桩柱合一的柱内钢筋笼横向配筋构造上设井字形组合复式箍筋网片”(请参考图2、图3、图4)，其特征在于：在“柱钢筋笼内(外形截面上为方形、圆形、矩形)的横向配筋构造上采用井字形组合复式箍筋网片”，以使钢砼柱构件增强延性，即通过在设计上控制“柱轴压比”与“增大配箍率”两者相结合的措施，使柱在构造与配筋上能形成“延性构件”；又钢笼内设置的各类井字形复合箍筋网片的中央空腔部位内包尺寸应能满足下放导管及浇筑混凝土的需要；上述两项措施使之既能满足当前施工浇筑水下混凝土需要，又能满足日后钢砼柱构件工程抗震设防的需要。

7.如权利要求1所述“桩、(带模)柱钢筋笼分别成型后应对两者钢筋的连接进行预拼装与试连接且在成功基础上拆卸与解除连接，以便在沉桩与吊装柱笼中进行再连接”(请参考图1)，其特征在于：①在沉桩下笼前，桩笼顶部插筋与柱笼端部外伸柱筋应分别在同一柱筋样板套模下成型；对桩笼插筋与带模柱笼两者钢筋进行对接的预拼装及试连接，成功满意后应在桩柱连接钢筋各自的同一连接面上做好油漆标识，并对日后沿竖向同为一体的桩柱进行分别编号挂牌；②然后再作好近柱根部箍筋临时定位后予以拆卸分离、解除连接，为日后沉桩吊装下笼中桩笼顶插筋与柱笼底钢筋顺利地再连接创造良好的条件。

8.如权利要求1所述“柱笼四周外侧模板的固定采用薄围檩系统，其外包尺寸应略小于桩孔直径”，其特征在于：即根据权利7所述在预拼装与试连接成功基础上进行，一般情况下：圆形柱筒模围檩采用环形扁钢箍牢；方形、矩形柱模围檩的竖向龙骨采用小型方型空心钢管或槽钢，柱模横向固定则采用以延长的井字形箍筋加锚固板兼作定位的对拉钢筋螺栓穿入柱模后外加双根并排Φ48mm横向钢管抱箍约束紧固(请参考图7、图8、图9)；以上柱模薄围檩的平面外包尺寸都应略小于桩孔直径以便于沉桩，否则应事前对桩孔上半段直径进行适度扩颈。

9.如权利要求1所述：“桩笼沉桩后桩顶与带模柱笼的连接、柱根部局部经封模、继续沉桩至到位后的调试(平面定位、标高调整、调垂)与最终固定”，其特征在于(请参考图1)：即根据权利要求7所述桩、柱钢笼在预拼装、试连接成功基础上，①在沉桩阶段先下桩笼，当桩笼顶沉至近场地面标高后作初步临时固定；②而后进行竖向吊装带有模板的柱笼(含柱顶工具式柱模套)至就位后，将根部伸出的柱筋与桩顶插筋一一对应且对齐后，即进行直螺纹加长型套筒连接固定；③再将原事前已套入桩顶的箍筋就位后，即可绑扎柱底加密箍筋，校垂后在桩笼顶柱笼底四周进行侧向加强钢筋焊接、柱根部局部封模后继续再沉柱笼至近柱顶一定标高后进行临时固定；④采用校正架、测量工具等进行定位、标高调整、校垂，直至满足精度为止(含桩、柱轴线定位、柱网轴线偏差≤5mm、柱顶标高≤5mm、垂直精度控制≤1/350)后作最终固定。

10.如权利要求1所述：“永久性钢砼以桩兼柱水下混凝土浇筑时不同设计强度等级的变化调整与成型”(请参考图13)，其特征在于：即在权利要求4、权利要求6所述的柱笼内部构造特点条件下且根据权利要求9所述要求即柱笼已调试、固定好的基础上：在移走校正架、安装固定移动平台且下导管后：①请参考图13中GK1(工况一，以下同)先浇水下桩基低强度砼(如水下C30～C35级)，当完成桩砼截止方量复测无误后即可作为不同强度混凝土交接面(导管下口伸入桩顶内距离约3m)；②(请参考图13中GK2)后浇筑柱高强度砼(如水下C50～C80级)，在上部低强度砼经充盈上升至桩顶柱底交接面向上约2.5m处，使低强度砼全部位于桩顶标高之上，不同设计强度等级砼的局部置换完成；③(请参考图13中GK3)浇筑前与浇筑中应沿桩孔柱模间四周均匀回填废弃砂、石或土方颗粒料，以阻止柱模外混凝土上升；④(请参考图13中GK4)继续灌注柱钢筋笼内的高强砼，当砼充盈上升经过柱梁暗牛腿节点时，砼溢出上升速度会自然减慢，过了节点后浇筑速度即会恢复正常……，直至浮在上部的低强度砼从柱顶部泄浆孔全部排出，且看到新鲜高强混凝土排出为止时即为全部置换完成。

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