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深基坑内大力矩先置式塔吊基础施工工法
浙江中成建工集团有限公司
1、前 言
在深基坑中普通塔吊使用先置式基础已比较普遍，所谓先置式，即在基坑内塔吊先于土方开挖安装完成。且钻孔灌注桩+钢格构柱+混凝土承台的设计与施工已非常成熟，公司合编的《基坑内塔吊基础逆作法施工工法》获得2005~2006年度国家级工法，编号为YJGF286-2006。但当基坑平面尺寸大、吊大（钢构件）、吊运距离远时，需要使用大力矩塔吊时，传统的4桩基础不能满足其承载力要求。我公司针对具体的工程情况，对原工法进行了优化和创新，探索出一种新型的适应于大力矩塔吊的5桩基础形式，并在设计计算模型上予以优化，使得大力矩塔吊只需在4桩承台的基础增设1桩及适当扩大混凝土承台平面尺寸就能使用，且利于操作。经上海市科学技术情报研究所查新，深大基坑中大力矩塔吊的基础形式具有国内新颖性，故在工程实践的基础上形成了新的升级版工法。
本工法先后于应用于上海近铁城市广场南块工程，镇江高铁站北广场一号地块项目，江苏连云港帝豪大厦。本工法的核心技术已申报国家专利并得到批准，专利号为ZL 2012 2 0332835.3，专利名称：深基坑中大力矩先置式塔吊基础。
2、工法特点：
2.1、先置式5桩基础满足了大力矩塔吊的承载力要求。在原工法4桩基础的形式上采用在其平面形心位置增设1根钻孔灌注桩+钢格构柱来分担荷重，使各构件截面及尺寸趋于合理；
2.2、先置式塔吊4桩基础的暗梁为单跨梁，大力矩塔吊通过在跨度中心增加1桩后使该梁成为两跨连续梁，从而减小了梁的计算跨度及最大弯矩，提高了整体刚度，使得大力矩塔吊只需在4桩承台的基础增设1桩及适当扩大混凝土承台平面尺寸就能使用，且利于操作。
2.3、布置灵活、机动，不受平面、空间的限制，能够适应各种大力矩塔吊。
3、适用范围：
该工法适用于工业与民用建筑的深、大基坑内需要布置大力矩塔吊的情况。
4、工艺原理：
4.1、塔吊基础在土方尚未开挖前就先行施工——先施工钻孔灌注桩同步完成钢格构柱，达到强度后施工钢筋混凝土承台，并在基坑开挖前安装好塔吊，以满足工程使用上的要求。
4.2、塔吊承台的厚度由塔吊使用说明书确定，平面尺寸由构造确定，暗梁配筋通过两跨连续梁计算确定。塔吊自重及弯矩由承台内暗梁承受，为主要受力构件。承台上下面和立面钢筋按构造配筋。
4.3、塔吊及钢筋混凝土承台所受的力通过暗梁传递给5根钢结构柱，最后传递到5根钻孔灌注桩，最终由基坑以下的土层承担。
4.4、在土方开挖过程中，及时通过对钢格构柱的加固来解决整体稳定性问题，使钢格构柱群满足强度、刚度、整体稳定性和局部稳定要求。

图4-2大力矩先置式塔吊平面图

图4-1大力矩先置式塔吊基础剖面图

图4-3钢格构柱详图
5、工艺流程及操作要点
塔吊基础设计计算
钢结构柱及钻孔灌注桩钢筋笼制作
塔吊在基坑内的平面位置确定
5.1、工艺流程：

钻孔灌注桩成孔，钢筋笼安装

钢格构柱与钢筋笼焊接并安放就位

钻孔灌注桩砼浇筑

钢格构柱顶抗剪角铁焊接，承托角铁焊接

混凝土承台下底面钢筋绑扎
暗梁钢筋绑扎，两端向下弯曲与格构柱焊牢
混凝土承台顶面钢筋绑扎

混凝土承台浇筑

塔吊安装就位，并投入使用

基坑第一层土方开挖

各层土间如此循环至最后层土的高度区间

塔吊在基坑土方工程和地下室结构施工过程中正常运行
基坑第一层土层高度范围内钢格构柱间钢斜杆、水平杆焊接，每隔8m焊水平剪刀撑

基坑底混凝土配筋加强垫层施工

塔吊使用至工程结束

5.2设计及施工操作要点
5.2.1塔吊基础设计
1、 设计依据：工程地质报告、《建筑结构荷载规范》GB50009-2012、《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》JGJ/T187-2009、《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010、《钢结构设计规范》GB50017-2003。
2、结合塔吊说明书与工程图纸及其总平面布置图，合理确定塔吊平面位置，同时使塔吊基础桩避开地下室梁、柱位置和基础承台位置。有内支撑的基坑，还需避开支撑和立柱。
3、塔吊设计要点
1）承台计算
塔吊在未附墙前、且处于非工作状态时，所受的力最大。受力参数分别取水平力，竖向荷载，倾覆力矩，扭矩。
承台的主要受力构件为暗梁，将格构柱视为不动铰支座，则此暗梁为两跨等距连续梁，倾覆力矩M按其中任一梁纵向作用，竖向荷载F由全部基桩承受。暗梁计算简图如下:

图5.2.1-1暗梁计算简图

注：图中L为对角线方向的格构柱和轴线间距，集中荷载（，）作用点的尺寸，（，）按塔机立柱的实际间距确定。
①塔吊立柱荷载计算
塔机塔身截面对角线上立柱的荷载计算

②格构柱顶支座反力计算
将两跨等距连续梁作为简单的一次超静定结构，其受力可用力法和位移法求解，下面为最简单的变形比较法求解过程。
解除B点支座约束反力代以多余反力，得基本静定简支梁。

B点因Fmin、Fmax的作用而产生的挠度为：

B点因支座反力RB的作用而产生的挠度为：

根据变形协调条件，即在B点没有垂直位移，得补充方程为：
，即

得
然后由静力平衡条件求得支座反力，再进一步求得剪力和弯矩。
③暗梁弯矩配筋计算
根据现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第6.2.10条规定，计算出梁的配筋。对称配置承受正、负弯矩的主筋，暗梁计算截面的宽度大于，为钢格构柱宽度。
④暗梁抗剪承载力计算
根据现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第6.3.4条规定，计算出所需的抗剪钢筋。
一般情况，大截面的承台暗梁只需按构造配筋就行，通常配Φ10@150。
⑤承台配筋
按现行《塔式起重机混凝土基础工程技术规范》JGJ/T187-2009第6.2.4条，对板式承台基础上、下面进行构造配筋，通常配Φ14@200二级钢。
2）钢格构柱稳定性计算按《塔式起重机混凝土基础工程技术规范》JGJ/T187-2009第7.3条规定计算。
a、荷载效应组合下的钢格构柱单柱最大轴心受压力设计值：

h-塔机承台面到基坑垫层底的高度。
b、格构柱受压整体稳定性验算

c、格构柱的换算长细比计算

—轴心受压构件允许长细比，取150。
d、格构柱分肢长细比
当缀件为缀板时，
当缀件为缀条时，

e、格构柱轴心受压构件换算长细比的计算
当缀件为缀板时，
f、缀板与分肢焊缝连接强度计算
缀板所受剪力：
缀板与分肢连接处的内力：

缀板与分肢连接采用角焊缝三面围焊，计算时偏安全地考虑竖直焊缝
焊缝计算公式：
3） 钢格构柱群外围的缀条与钢格构柱的焊缝连接强度计算
a、缀条所受的剪力计算
扭矩对格构柱产生的的剪力
B—两格构柱间的中心距离
水平产生的剪力
按钢结构设计规范中的剪力
缀条所受剪力V取的最大值
b、缀条所受的轴向压力：
c、缀条稳定性

由查得
由于缀条常用单角等肢角钢，考虑材料强度折减系数

—缀条截面积
d，缀条与钢格构柱的焊缝强度验算

4） 桩基承载力计算
单桩桩顶竖向承载力标准值：

其余计算内容均按照《塔式起重机混凝土基础工程技术规范》JGJ/T187-2009第6.3条执行。
4、构造要求
1）塔吊基础采用5根d=900~1100钻孔灌注桩，桩间距3d。周边4根基桩均匀对称布置，第5根布置在基桩平面中心。
2）钢格构柱截面尺寸一般取550550mm，主肢L18018，缀板厚度14mm。
3）钢格构柱埋入钻孔灌注桩内的深度为3.0m，并与桩钢筋笼的8根主筋间断焊接，即每隔200mm焊一段（双面焊长度为l=100mm）。
4）在承台底沿格构柱分肢贴脚焊L180mm×18mm的承托角铁，L=600mm；承台内格构柱顶沿分肢贴脚焊L180mm×18mm，L=1000mm；焊高均为Hf =8mm。暗梁上翼缘钢筋端部向下弯曲后与格构柱焊接牢固。
5）正方形混凝土承台对角线位置设十字正交的暗梁，暗梁由主筋和箍筋构成，钢筋设置在承台上下面构造钢筋之间。
6）在钻孔灌注桩顶即基础底板下浇筑450厚配筋（Φ16@200双层双向）混凝土垫层，以增加钻孔灌注桩顶的水平向约束，在建筑物基础底板浇筑完成前抵抗大力矩塔吊在运行过程中产生的扭矩。
7）随着基坑土方的分层开挖，在钢格构柱外侧四周及时设置竖向及水平向支撑（均采用L180×18角钢），将各钢格构柱连接为整体，各支撑均需与缀板相连。当此节点位置处没有缀板时可增设一块缀板，以保证钢格构柱群的整体稳定性。如图5.2.1-2所示。

5.2.1-2 支撑与格构柱间的连接节点 5.2.1-3水平剪刀撑与格构柱的连接节点
8）当土方开挖到离塔吊砼基础底面约8m深时，在5根格构柱间增设一道水平剪刀撑（L180×18角钢），以下每开挖8m深后增设一道水平剪刀撑，以增加构格柱群极惯性矩，确保钢格构柱群的抗扭性能。如图5.2.1-3所示。
9） 格构柱主肢连接接头位置最好错开500mm，单肢单向坡口对接满焊，焊高Hf=10mm；内衬同型号角钢与立柱角钢三面围焊，Hf=12mm；外贴500X380X18缀板，Hf=12mm。

5.2.2施工操作要点
1、钻孔灌注桩钢筋节间的主筋、主筋与钢格构柱须按规定认真焊接，确保钻孔灌注桩和钢格构柱抗拔性能。
2、钢格构柱随钢筋笼就位后须对格构柱加固定位，确保格构柱平面位置规整、正确。
3、塔吊承台垫层完成后，弹出承台边线和暗梁位置。绑扎好承台底面构造钢筋后开始绑扎暗梁钢筋。
4、十字交叉暗梁钢筋同时配合进行绑扎，完成后在进行承台面层筋绑扎。
5、正确定位后，将塔吊的基础埋件放在暗梁钢筋内，并用短钢筋与主筋点焊固定，期间用水准仪找平标高，控制好埋件的垂直度。
6、基坑土方开挖时，每层土方（2.5m）挖净后，钢格构柱间的L180×18钢斜杆、钢水平杆及时安装并焊接牢固，所有钢结构焊缝满足设计要求，焊缝不得有气孔、夹渣、缺肉等现象，确保由5个钢格构柱组成架体的整体稳定性。每隔8m焊接L180×18的水平剪刀撑。
7、当土方开挖到底板下500mm时，浇筑450厚配筋混凝土加强层，增加桩顶的水平方向约束。混凝土强度等级。
8、塔吊投入使用过程中，加强对塔吊倾斜检测，加强对钢格构柱架体各焊缝的检查。
9、钢格构柱穿过地下室底板时，在钢格构柱的肢件角钢上设置止水板，作为地下室底板在该结构的止水处理。
6、材料与设备
由于基坑中先置式塔吊基础由钻孔灌注桩组、钢格构柱群、钢水平杆斜杆和钢筋混凝土承台组成，然后安装所选用的塔吊。所投入的均为常用的材料和设备。
6.1 材料
6.1.1 塔吊：按工程需要选用合适、合格的塔吊，要有使用说明书。
6.1.2 钢材：角铁、钢板、钢筋等采用Q235钢，其质量符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700-2006的规定。
6.1.3 混凝土：混凝土强度满足设计要求，其质量符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定。
6.2机具设备和劳动力
6.2.1 施工机械设备
机具设备
单
位
按不同部位或时间的使用数量
备 注
钻 孔 桩
成桩过程
承台施工过程
土方开
挖过程
灌注桩桩机
台
1

泥浆泵
台
1

泥浆车
辆
1

混凝土灌注导管
米
视桩长而定

汽车吊
辆
1
1

50t
电焊机
台
2
2
2

钢筋成型机

1
1

钢筋切断机
台
1
1

砂浆切剖机
火焰切剖机
台

1
1
钢材下料
挖土机
台

1
1
与基坑土方开挖同步
混凝土搅拌机
台
2
1

商品砼运输车
辆

1

插入式振动棒
支

2

6.2.2 检测仪器：水准仪，经纬仪，钢卷尺，坍落度筒，混凝土试模。

6.2.3劳动力组织
施 工 工 序
单

位
按不同部位或
时间的使用数量
备 注
钻孔桩
混凝土承台
土方开挖
钻孔桩成孔
人
5

司机1人，操作接杆2人，泥浆系统2人。
钢筋笼制作及安装
人
4
6

钢筋下料2 人、焊接2人。
钢格构柱制作安装
人
4

放样下料2人，焊接2人。
钻孔桩混凝土浇筑
人
4

接砼泵1人，吊车司机1人，导管2人。
塔吊埋件与钢格构柱焊接
人

3

测量放样1人，焊接2人。
钢格构柱间斜杆和水平杆焊接
人

3
下料1人，焊接2人。
塔吊安装
人

6

7、质量控制
7.1质量控制标准
7.1.1 本工法必须符合《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008、《钢结构设计规范》GB50017-2003、《钢结构结构施工质量验收规范》GB50205-2001、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002、《钢筋焊接及验收规程》JGJ18-2003。
7.2 施工操作中的质量控制
7.2.1 严格控制钢格构柱的钢材质量及加工质量，钢材的品种、规格、性能等应符合现在国家产品标准和设计要求，采用的原材料及成品实行进场验收制度，各工序按施工规范、标准进行质量控制，每道工序完成后，进行检查，相关各专业工种之间，进行交接检验。
7.2.2钢格构柱加工采用电焊成型，焊接材料的品种、规格、性能等应符合现在国家产品标准和设计要求，钢才切割面、剪切面无裂纹、夹层、分层和大于1mm的缺棱，钢格构柱成品构件连接处的截面几何尺寸允许偏差3.0mm。
7.2.3 塔吊基础桩在吊放钢筋笼、钢格构柱时，注意控制钢格构柱的水平度、垂直度及平面位置，确保上部钢格构柱的中心距和边距位置准确，符合设计要求，垂直度偏差控制在L/1000以内，且不大于10mm，刚格构柱顶标高偏差控制在3.0mm以内。
7.2.4 钢筋笼与钢格构柱电焊搭接长度不小于3m，搭接位置须确保8根主筋与钢格构柱连接，增强箍筋不得少于6只。
7.2.5 在混凝土承台施工前，应用黄砂或粘土将格构柱周边的孔隙填实，保证在缀条未连接之前格构柱群的整体稳定。
7.2.6 开挖土方前，在塔吊基础部位，须分层开挖，钢柱之间的外部垂直剪刀撑，每隔3.5m加固一次;内部水平剪刀撑，每隔8m加固一次。
7.2.7 土方挖至基底标高后，立即做好塔吊基础底部配筋混凝土加强垫层，增强五根塔吊基础桩的水平向约束。
7.2.8 对已完成安装的塔吊，在使用过程中，对钢格构柱焊接点，采用角向磨光机打磨平焊缝，用砂皮打磨平光后，用15倍放大镜观察焊缝有无裂缝产生。

8、安全措施
8.1 在钢格构柱、塔吊基础桩施工和塔吊安装前，必须向各操作人员进行详细安全，技术交底，施工人员分工明确，任务明确，责任明确及工作位置明确。
8.2 作业人员必须经过上岗培训，持证上岗，进入现场必须戴安全帽，穿防滑鞋，高空作业必须系安全带。
8.3基坑土方开挖过程中，严禁挖机碰撞塔吊钢格构柱群，钢格构柱群区域内、外土方应由人工控除。
8.4在有钢筋混凝土水平支撑的基坑中，钢格构柱的周围混凝土水平支撑拆除时，不得使用炸药爆破，应采用人工凿除。
8.5塔吊安拆由专业队伍负责施工，并编制相应的塔吊专项方案报公司审批。
8.6桩钢筋笼各钢格构柱吊装和塔吊安装时，作业区派人警戒，提醒行人注意空中落物伤人。
8.7塔吊安装后必须经主管部门检查验收合格后，挂牌方可使用，塔吊司机须持有效操作证上岗，严格执行“十个不准吊”。
8.8在使用中要经常观察、检查钢格构柱各连接部位的情况，发现问题立即暂停塔吊作业，并进行分析加固。
9.环保措施
9.1 施工前必须组织作业人员认真学习环境保护法，执行当地环保部门的有关规定。
9.2合理调节作息时间，尽量减少在夜间施工的时间，不影响现场周围居民的正常休息。
9.3 土方开挖等工艺上要求连续作业、确需在夜间进行噪声大的作业须持有环境保护部门发放的《夜间作业许可证》。
9.4 严格控制人为噪声，进入施工现场不得高声喊叫，并尽量选用低噪声设备和工艺代替高噪声设备和工艺。
9.5 塔吊基础桩、构造承台混凝土尽量采用商品混凝土，避免现场混凝土搅拌对工地及周围环境的影响。
9.6 泥浆和土方运输车辆的车厢应付确保、密闭化，严禁在装运过程中沿途抛、撒、滴、漏;工地出入口设置通畅的排水设施，并派专人冲洗出厂运输车辆轮胎，保持出入口通道的整洁。
9.7 建立健全工地保洁制度，设置清扫、洒水设备和各种防护设施；土堆要有遮盖或喷洒覆盖剂，防止和减少工地内尘土飞扬。
9.8 对进出场道路，不乱挖乱弃，旱季注重场内道路的晒水养护工作，降低粉尘对环境的污染。
10. 效益分析
10.1 大力矩塔吊使用先置式基础的形式，使得他和原工法的先置式塔吊基础一样，在土方开挖前安装完毕，保证了基坑土方开挖、深基坑水平支撑（钢筋混凝土）结构施工、地下室钢筋混凝土结构施工大宗材料等的垂直运输，极大地提高劳动生产率、减轻了工人劳动强度，加快了施工进度。
10.2 深基坑内大力矩塔吊是在原工法的基础上优化和创新形成的，是在传统的4桩基础上在平面形心位置增加1跟桩及适当扩大混凝土承台平面尺寸，即可投入使用，通过较小的投入，解决了当前在大空间、大面积共用地下室及钢-混凝土混合结构施工过程中，吊重大（钢构件）、吊运距离远时，小力矩塔吊不能满足使用功能的难题，经过了多次工程实践，取得了良好的经济效益和社会效益。
11. 应用实例
11.1近铁城市广场南块项目
11.1.1工程位于上海市普陀区长征镇，长风生态商务区的西北角。由附属设施、办公楼以及商业裙房组成，地下三层，地上六层。基坑一般挖深15.56m，基坑面积9146㎡。
11.1.2工程主体形式结构为框架结构，地下室为劲性柱，地上为全钢结构，其中箱型钢柱最大截面为口1000mm×1000mm×50mm，每米重1.49t，钢管柱最大截面为Φ1050×50mm，每米重1.36吨；钢梁最大截面为800~500mm×350mm×15mm×24mm。钢柱采用二层一节柱进行吊装，局部采用一层一节吊装。钢柱二层一节的最大重量为17.91t，钢柱一层一吊的最大重量为8.7t。
11.1.3为完成远距离、大吨位钢构件的吊装任务，同时考虑到场地限制，在基坑内设置了2台JL7050型大力矩塔吊，其中1台采用先置式基础。桩基用5根Φ900的钻孔灌注桩，桩长23m；刚格构柱截面尺寸为550×550mm，由4根L180×18的肢件与500×380×18的缀板焊接而成。塔吊承台外形尺寸5.0×5.0×1.8m，暗梁尺寸1.1×1.8m。
11.1.4自2012年2月20日吊装第一根钢柱，至2012年9月底完成全部吊装任务。历时7个多月完成了约8000t的钢结构吊装任务。整个过程塔吊基础场未出现任务安全隐，吊装非常顺利。
11.2 镇江高铁站北广场一号地块项目
11.2.1工程位于江苏省镇江市南徐新城，枣林路东侧，站北广场西侧，五洲山路南侧，站北路北侧。地下二层，地上为三个单体：38层的超高层1#商办楼（总建筑高度164.20米）、14层的高层2#商办楼（总建筑高度54.75米）及2层的3#商业楼（总建筑高度11.15米）。本工程基坑面积约16480m2，平面尺寸为134m×123m ，基坑挖深：商业裙房9.7m 、公寓酒店10.30m 、办公楼11.6m。
11.2.2 1#主塔楼为框架核心筒结构，平面尺寸：50×50m。框筒结构，四周共18个劲性柱，至15层转为钢砼柱。型钢柱有“十”和“H” 型两种型号，最大截面尺寸900*900，板厚55mm，型钢大多采用二层一吊，局部一层一吊，二层一吊最大重量为7.8t。考虑到场地限制、挖土阶段材料的运输、塔楼超高及大吨位钢构件的吊装，在基坑内主塔楼旁布置一台大力矩塔吊，塔吊型号为TC7030，臂长L=33m时，吊重为7.8t，臂长L=48m时，吊重为4.9t。在挖土之前安装完毕，在基坑内采用5桩的大力矩先置式塔吊基础，待施工到一定楼层后，及时将附着杆件将塔吊与结构主体连接。
11.2.3自2013年10月底安装大力矩塔吊开始吊装地下室钢柱，预计到2014年10月完成地上15层的型钢柱吊装，现已施工至10层。钢结构总重量约870t。它在保证塔吊自身安全的同时，提高了吊装效率，加快了工程进度。
执笔人：张荣灿、刘有才、陈珍刚、陈鹏
2014年8月