用于地下空间结构的钢管柱及施工方法与流程

本发明涉及地下建筑物施工领域，特别是一种用于地下空间结构的钢管柱及施工方法。

背景技术：

地下空间逆作法施工，即先沿建筑物地下室边线或基坑四周施工基坑支护墙，同时施工基坑内部的钢管柱，然后施工地下室各层楼板作为横向支撑，随后逐层向下开挖土方和浇筑各层地下结构，直至底板封底。逆作法施工具有围护结构变形小，对临近建筑物的影响小，占用施工空间小，缩短施工时间，安全文明施工等优点。但是在逆作法施工中，当钢管柱的长度超过50m，而垂直度精度要求达到千分之一以内，桩孔内地下水丰富，如果再碰到其它不良地质情况，施工难度极高。

中国专利文献cn104878775a记载了一种可周转的逆作法钢管柱调垂导向装置及其施工方法，采用多段钢管制作钢管柱，存在的问题是施工成本过高，且随着深度的增加，钢管柱的自重较大，吊装难度大幅增加。cn110016914a记载了一种逆作法钢管柱垂直度校正装置及钢管柱施工方法，通过在孔口设置导向筒和径向调节装置的方案调节垂直度。cn209368826u记载了一种地下空间开发逆作法钢管柱垂直度调整器，通过在靠近钢管柱顶部地面以下10米以上的位置设置沿圆周布置的气缸或液压缸调节垂直度。为解决钢管柱重量的问题，现有技术采用了底部钢筋笼，顶部钢筋柱的方案，以降低自重，并在钢管柱与钢筋笼的环形结构之间连接有1根钢丝绳，且钢丝绳在环形加劲肋板和钢筋笼加强环板上的各连接点之间的圆心角相同。但是该方案需要手动对钢丝绳的长度进行调节，施工较为麻烦。由于钢管柱与钢筋笼复合结构难以一次浇筑完成，先浇段和后浇段之间的混凝土存在结合强度的不足的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于地下空间结构的钢管柱及施工方法，便于调节钢管柱的垂直度，确保钢管柱的先浇段和后浇段之间的结合强度，保证钢管柱施工质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于地下空间结构的钢管柱，钢管柱由多根钢管通过法兰连接而成，在钢管柱的中部位置设有钢管柱承台，用于安装沿圆周水平布置的多个垂直度调节装置；

钢管柱的底部与钢筋笼套接，钢筋笼位于钢管柱的外围；

钢管柱的底部与钢筋笼通过可调连接结构连接；

钢管柱靠近底部设有多个沿圆周阵列布置的抗剪栓钉。

优选的方案中，钢管柱的顶部与连接柱通过法兰连接，连接柱的顶部设有十字梁，在孔口周围设有支墩，支墩位于十字梁的四个端头下方，在支墩与十字梁之间设有支承千斤顶。

优选的方案中，所述的钢管柱承台为水平布置的环形板，环形板与钢管柱的外壁焊接连接；

在钢管柱承台上设有多个钢管柱限位块，用于限位垂直度调节装置，所述的垂直度调节装置为气缸、液压缸或螺旋伸缩机构。

优选的方案中，所述的螺旋伸缩机构的结构为：伸缩电机设置在各个限位块之间，伸缩电机的输出轴与转轴固定连接，转轴的端头固设有外螺纹块，外套筒与转轴套接，外套筒的内壁设有内螺纹，外套筒与外螺纹块螺纹连接，在外套筒的内壁还设有滑槽，限位滑块滑动安装于滑槽内，限位滑块与伸缩电机的壳体固定连接。

伸缩电机的尾部还与回收钢丝绳连接，伸缩电机外围设置受拉克自动弹开卡扣，用于回收整个垂直度调节装置。

优选的方案中，在钢管柱上还设有垂直度检测装置，所述的垂直度检测装置包括倾角传感器、激光照准仪和重垂中的一种或多种的组合。

优选的方案中，钢管柱的底部通过可调连接结构与钢筋笼连接，可调连接结构的结构为：在钢管柱的外壁设有钢管柱连接环板，钢管柱连接环板通过多个肋板与钢管柱的外壁固定连接，在钢筋笼上设有钢筋连接环；

悬挂钢丝绳依次交错绕过钢管柱连接环板和钢筋连接环，将钢管柱和钢筋笼柔性连接在一起。

优选的方案中，在抗剪栓钉的外壁包覆有海绵包覆层，在海绵包覆层的外壁包覆有防水包覆层。

一种采用上述的用于地下空间结构的钢管柱的施工方法，包括以下步骤：

s1、成孔；

s2、孔口定位架制作；

s3、钢筋笼起吊、下放；

s4、将钢筋笼以扁担梁临时固定在孔口定位架上；

s5、将钢管柱起吊；

s6、将钢管柱吊入到钢筋笼内套接，以可调连接结构通过悬挂钢丝绳将钢管柱和钢筋笼连接在一起；

s7、取出扁担梁，将钢管柱和钢筋笼整体下放，在下放过程中将垂直度调节装置安装在钢管柱的钢管柱承台上，然后继续下放；

s8、通过抱管装置将钢管柱固定在孔口定位架上，安装垂直度检测装置，通过垂直度检测装置的检测数据，利用垂直度调节装置调节钢管柱的垂直度；

s9、通过连接柱和十字梁将钢管柱固定在孔口定位架上，在十字梁的端头下方设有支墩和支承千斤顶；

s10、将钢管柱和钢筋笼整体下放到位；

s11、安装浇筑平台和导管；

s12、从底部开始浇筑，浇筑过程中不断提升导管底部，确保导管底部位于混凝土内；

s13、混凝土超灌到钢管柱外壁设有抗剪栓钉段的上部，钢管柱的内腔继续浇筑，钢管柱的外部填充碎石压浆；

s14、浇筑完成后，向下开挖，将钢管柱外壁抗剪栓钉一段的超灌混凝土凿除，重新浇筑结构混凝土；

通过以上步骤，实现用于地下空间结构的钢管柱施工。

优选的方案中，对于地质条件不佳地形，采用两段成孔法；

上段采用全回转钻机和钢护筒护壁，下段采用旋挖钻机和泥浆护壁。

优选的方案中，在施工前由内到外以海绵包覆层和防水包覆层包覆抗剪栓钉；

在凿除超灌混凝土时，将海绵包覆层和防水包覆层均去除。

本发明提供的一种用于地下空间结构的钢管柱及施工方法，通过采用钢管柱与钢筋笼相结合的方案，减轻了钢管柱的整体起吊重量，降低了施工成本。通过将钢管柱与钢筋笼以可调连接结构进行连接，使钢管柱与钢筋笼之间能够自动的调节对中，也便于调节钢管柱的垂直度，提高了施工效率。在钢管柱的底部设有抗剪栓钉，能够加固与后浇混凝土之间的结合力。设置的垂直度调节装置能够在吊装过程中方便地调节钢管柱的垂直度。在施工方法中，上段采用全回转钻机和钢护筒护壁，下段采用旋挖钻机和泥浆护壁，在确保施工质量的同时，提高了施工效率，确保施工安全，保证施工质量。在抗剪栓钉的表面覆盖海绵包覆层和防水包覆层，能够便于凿除超灌混凝土，有效确保在二次浇筑前能够被凿除，确保一次和二次浇筑的质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的可调连接结构的俯视图。

图3为本发明的垂直度调节装置的局部放大示意图。

图4为发明的抗剪栓钉的结构示意图。

图5为本发明施工方法的流程图。

图中：钢管柱1，钢管柱连接环板101，连接筋102，钢管柱承台103，钢管柱限位块104，抗剪栓钉105，海绵包覆层106，防水包覆层107，钢筋笼2，钢筋连接环21，可调连接结构3，悬挂钢丝绳31，连接柱4，十字梁5，支承千斤顶6，垂直度调节装置7，回收钢丝绳71，伸缩电机72，转轴73，滑槽74，限位滑块75，外螺纹块76，外套筒77，钢护筒8，支墩9，孔口定位架10。

具体实施方式

实施例1：

如图1中，一种用于地下空间结构的钢管柱，钢管柱1由多根钢管通过法兰连接而成，在钢管柱1的中部位置设有钢管柱承台103，用于安装沿圆周水平布置的多个垂直度调节装置7；优选的，垂直度调节装置7沿着圆周布置4个。

钢管柱1的底部与钢筋笼2套接，钢筋笼2位于钢管柱1的外围；由此结构，能够减轻整体吊装重量，本发明中，孔的深度达到87米。孔径2.5米，如果采用全钢管柱1的结构，施工成本高，自重较重，施工难度大幅提升。本发明中将地下空间结构底面以下的部分采用钢筋笼2的结构，而底面以上的部分采用钢管柱1的结构。由此结构，提高施工效率，降低施工成本。

钢管柱1的底部与钢筋笼2通过可调连接结构3连接；由此结构，便于在下放过程中调节钢管柱1的底部与钢筋笼2的对中。

钢管柱1靠近底部设有多个沿圆周阵列布置的抗剪栓钉105。由此结构，便于提高与混凝土的结合力。因为在后继的施工中，还需要在钢管柱1的外壁套接钢筋笼，浇筑立柱，因此设置的抗剪栓钉105能够确保后浇的混凝土与钢管柱1的紧密结合。

优选的方案如图1中，钢管柱1的顶部与连接柱4通过法兰连接，连接柱4的顶部设有十字梁5，在孔口周围设有支墩9，支墩9位于十字梁5的四个端头下方，在支墩9与十字梁5之间设有支承千斤顶6。在十字梁5的中部设有便于浇注导管插入的孔。优选的，支承千斤顶6采用螺旋千斤顶。在后继的调节垂直度的施工过程中，通过调节支承千斤顶6的伸缩高度，补偿钢管柱1的变形。

优选的方案如图1、3中，所述的钢管柱承台103为水平布置的环形板，环形板与钢管柱1的外壁焊接连接，环形板的底部通过多个加强筋与钢管柱1的外壁焊接连接；

在钢管柱承台103上设有多个钢管柱限位块104，所述的钢管柱限位块104用于限制伸缩电机72前后左右的移动，但是不限制伸缩电机72顶部的空间，以便于在垂直度调节操作结束后取出，所述的垂直度调节装置7为气缸、液压缸或螺旋伸缩机构。

优选的方案如图3中，所述的螺旋伸缩机构的结构为：伸缩电机72设置在各个限位块104之间，伸缩电机72的输出轴与转轴73固定连接，转轴73的端头固设有外螺纹块76，外套筒77与转轴73套接，外套筒77的内壁设有内螺纹，外套筒77与外螺纹块76螺纹连接，在外套筒77的内壁还设有滑槽74，限位滑块75滑动安装于滑槽74内，限位滑块75与伸缩电机72的壳体固定连接。与现有技术中采用气缸或液压缸不同，本申请中采用伸缩电机72作为驱动源，由此结构，能够精确控制外套筒77的伸出距离，从而利于精确调节钢管柱1的垂直度。进一步优选的，外套筒77与转轴73的结构，进一步减少了垂直度调节装置7的空间结构占用，便于将垂直度调节装置7布置在钢护筒8与钢管柱1之间的狭窄空间内。而且简化的结构更为紧凑。

伸缩电机72的尾部还与回收钢丝绳71连接，用于回收整个垂直度调节装置7。由此结构，便于通过拉动回收钢丝绳71，取出整个垂直度调节装置7。

优选的方案中，在钢管柱1上还设有垂直度检测装置，所述的垂直度检测装置包括倾角传感器、激光照准仪和重垂中的一种或多种的组合。本例中，采用三种方式的组合，其中倾角传感器用于粗调，而激光照准仪和重垂用于精确验证钢管柱1的垂直度。优选的，重垂设置在十字梁5上，用于调节钢管柱1的垂直度；激光照准仪的激光头设置在十字梁5中间的位置，标靶设置在靠近钢管柱1中部或底部无积水的位置。通过激光照准仪检测钢管柱1的挠性变形。然后以支承千斤顶6的伸缩高度进行补偿。

优选的方案如图1、2中，钢管柱1的底部通过可调连接结构3与钢筋笼2连接，可调连接结构3的结构为：在钢管柱1的外壁设有钢管柱连接环板101，钢管柱连接环板101通过多个连接筋102与钢管柱1的外壁固定连接，在钢筋笼2上设有钢筋连接环21；

悬挂钢丝绳31依次交错绕过钢管柱连接环板101和钢筋连接环21，将钢管柱1和钢筋笼2柔性连接在一起。由此结构，悬挂钢丝绳31与钢管柱连接环板101和钢筋连接环21之间均为滑动悬挂连接，从而能够方便的调节钢管柱1与钢筋笼2之间的对中位置。优选的，在钢管柱连接环板101和钢筋连接环21与悬挂钢丝绳31接触的位置焊接有圆管，并涂有润滑油，悬挂钢丝绳31从圆管绕过，以减少悬挂钢丝绳31的变形，避免断裂。

优选的方案中，在抗剪栓钉105的外壁包覆有海绵包覆层106，在海绵包覆层106的外壁包覆有防水包覆层107。由此结构，便于在后期凿除混凝土施工时，将混凝土与抗剪栓钉105分离。

实施例2：

如图5中，一种采用权利要求上述的用于地下空间结构的钢管柱的施工方法，包括以下步骤：

s1、成孔；

优选的方案中，对于地质条件不佳地形，采用两段成孔法；

孔的上段采用全回转钻机和钢护筒8护壁，下段采用旋挖钻机和泥浆护壁。该方案能够最大程度提高成孔成功率，避免出现坍孔事故。进一步优选的方案中，下段与钢筋笼2的长度相对应，其余部分则位于上段。

s2、孔口定位架10制作；孔口定位架10施工时，先从孔口向下开挖，然后浇筑混凝土基础，混凝土基础采用孔口直径加2m的直径，厚度为0.3~0.4m，混凝土标号为c30，内配直径14mm双层双向钢筋，并在其上施工孔口定位架10。

s3、钢筋笼2验收合格后，以双机抬吊的方式将钢筋笼2起吊，沿着钢护筒8下放到孔内；

s4、将钢筋笼2以扁担梁临时固定在孔口定位架10上；

s5、将钢管柱1起吊；

s6、将钢管柱1吊入到钢筋笼2内套接，以可调连接结构3通过悬挂钢丝绳31将钢管柱1和钢筋笼2连接在一起；悬挂钢丝绳31依次交错绕过钢管柱连接环板101和钢筋连接环21，将钢管柱1和钢筋笼2柔性连接在一起，并能够方便地调节相对的前后左右位置。优选的方案中，可调连接结构3从上到下设置为多组。优选为两组。

s7、取出扁担梁，将钢管柱1和钢筋笼2整体下放，在下放过程中将垂直度调节装置7安装在钢管柱1的钢管柱承台103上，然后继续下放；

s8、通过抱管装置将钢管柱1固定在孔口定位架10上，安装垂直度检测装置，通过垂直度检测装置的检测数据，利用垂直度调节装置7调节钢管柱1的垂直度；根据倾角传感器的检测，调节相应方向的伸缩电机72的转角，使外套筒77伸缩预设的距离，从而大致调节钢管柱1的垂直度。

s9、通过连接柱4和十字梁5将钢管柱1固定在孔口定位架10上，在十字梁5的端头下方设有支墩9和支承千斤顶6；在十字梁5上安装重垂，再根据重垂的倾角，进一步精确调节钢管柱1的垂直度。调节结束后，观察激光照准仪，检测钢管柱1的变形量，计算后调节支承千斤顶6，补偿钢管柱1的变形量。

s10、将钢管柱1和钢筋笼2整体下放到位；

s11、安装浇筑平台和导管；

s12、从孔的底部开始浇筑，浇筑过程中不断提升导管底部，确保导管底部位于混凝土内；

s13、混凝土超灌到钢管柱1外壁抗剪栓钉105一段的上方，在钢管柱1的内腔继续浇筑，钢管柱1的外部填充碎石压浆；

s14、浇筑完成后，向下开挖，施工地下建筑物的各层结构，各层的底板作为各个钢管柱1之间的横向连接结构，为确保新旧混凝土的结合强度，在继续浇筑钢管柱1外围的钢筋笼和混凝土柱体时，将钢管柱1外壁抗剪栓钉105一段的外围混凝土凿除；

在钢管柱试桩混凝土浇筑碎石回填过程中，因底板处2.2m外径环板与孔壁距离仅150mm，碎石不能全部透过环板反压混凝土，导致环板底部与混凝土灌注桩面之间形成高度约为2.38m空腔，因此将桩面混凝土灌注高度提升至2.2m外径环板底部位置。后期施工开挖后，需对超灌的桩面混凝土进行凿除。在凿除混凝土过程中，为了防止与混凝土相连的钢管柱外侧的栓钉被提前固结，采取以下措施对超灌高度处的抗剪栓钉105进行处理：首先使用发泡海绵板对钢管柱外侧抗剪栓钉完整包裹，上、下部与钢管柱连接部分孔隙采用聚氨酯发泡剂填充，然后在海绵板外侧使用塑料打塑料包膜对海绵板紧密缠绕，用铁丝绑扎将其密封。在浇筑混凝土过程中，混凝土灌注将不会对包覆密封完整的抗剪栓钉产生影响。同时可保证在后期凿除超灌混凝土过程中，对钢管柱外侧抗剪栓钉起到较好的保护作用。

优选的方案中，在施工前由内到外以海绵包覆层106和防水包覆层107包覆抗剪栓钉105；

在凿除超灌混凝土时，将海绵包覆层106和防水包覆层107均去除。

通过以上步骤，实现用于地下空间结构的钢管柱施工。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。