李 磊，陳 剛，游 廣，周佳慶，鄒冠堯

地鐵車站蓋挖逆作鋼管混凝土柱施工技術(shù)研究

李 磊1，陳 剛1，游 廣1，周佳慶2，鄒冠堯3

(1.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410006；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510010)

在蓋挖逆作施工中，鋼管柱作為永久結(jié)構(gòu)柱，安裝定位精度要求相當(dāng)嚴(yán)格，施工操作難度大。以長沙地鐵6號線朝陽村站實(shí)際施工為例，探究了鋼管柱成孔施工、分節(jié)吊裝、對接以及樁基砼澆筑等工藝流程。在施工過程中研發(fā)設(shè)計(jì)了保證鋼管柱精準(zhǔn)就位的安裝平臺(tái)，結(jié)合螺旋千斤頂二次調(diào)節(jié)等針對性措施，解決了鋼管柱施工過程中存在的諸多問題，并有效地加快安裝進(jìn)度，節(jié)約了項(xiàng)目成本，可為今后相關(guān)工程提供參考。

地鐵施工;鋼管混凝土柱;蓋挖逆作

0 引 言

在城市地鐵車站施工時(shí)，采用蓋挖逆作法可以有效地解決高樓密集區(qū)基坑作業(yè)安全問題，加快施工進(jìn)度，降低臨時(shí)支護(hù)成本。地鐵車站鋼管柱作為永久結(jié)構(gòu)柱，承擔(dān)施工階段和使用階段的豎向荷載，其施工過程對安裝精度包括柱體高程、平面位置以及垂直度要求十分嚴(yán)格。傳統(tǒng)的鋼管柱定位施工采用鋼套筒護(hù)壁，抽排泥漿后在底部安裝定位器，不僅工藝復(fù)雜，施工工期長，而且存在一定的局限性[1]。另一種方法是利用HPE液壓垂直插入機(jī)，在其抱緊鋼管柱時(shí)，復(fù)測鋼管柱垂直度，利用上下兩個(gè)液壓垂直插入裝置同時(shí)驅(qū)動(dòng)向下插入，直到插入設(shè)計(jì)深度，該工藝施工流程簡單，速度快，但成本投入大[2]。目前，最新的鋼管定位施工技術(shù)取消了鋼套筒護(hù)壁[3]，利用鋼管柱提供的作業(yè)空間人工入孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡化了施工工藝，但鋼管柱中心，水準(zhǔn)高程精準(zhǔn)定位仍未有既簡單又高效的方法。本文結(jié)合朝陽村地鐵車站實(shí)際情況，對蓋挖逆作鋼管柱的施工進(jìn)行技術(shù)探究與技術(shù)優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 車站概況

朝陽村地鐵車站位于長沙市雨花區(qū)，與地鐵3號線通道換乘。車站周邊建筑主要有融圣國際、朝陽村小學(xué)、友阿百貨以及鄰近人民路立交橋隧道，朝陽村站全長305.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.4 m，西端明挖段長147.8 m，東端蓋挖逆作段長157.8 m。頂板和底板采用防水卷材防水，側(cè)墻采用混凝土結(jié)構(gòu)自防水。朝陽村車站平面布置如圖1所示。

圖1 朝陽村站平面示意

蓋挖段頂板覆土約3 m，基坑深度約25 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000 mm厚的地下連續(xù)墻，Φ800永久性鋼管混凝土柱共10根，柱底采用Φ2200鉆孔灌注樁作為立柱嵌固樁基礎(chǔ)，鋼管柱平面布置如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土柱平面布置

1.2 工程地質(zhì)

長沙市軌道交通6號線工程朝陽村站屬湘江Ⅱ級階地，地面標(biāo)高39.53～43.18 m，地形開闊、平坦；地形地貌經(jīng)人為改造變化極大，現(xiàn)狀多為道路、商廈、施工工地及民居，場地整體地勢較平坦。車站場地地層自上而下依次為混凝土、素填土、雜填土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂層、中、粗砂層、礫砂層、圓礫層、卵石層、殘積粉質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2 鋼管柱施工關(guān)鍵控制技術(shù)

2.1 鋼管柱的精準(zhǔn)定位

蓋挖法地鐵車站施工中，鋼管柱的平面位置、垂直度和高程精準(zhǔn)定位對車站結(jié)構(gòu)的施工至關(guān)重要。在朝陽村地鐵車站蓋挖逆作段實(shí)際施工中，自主研發(fā)了一種鋼管柱精準(zhǔn)定位的操作平臺(tái)，其包括200×200H型鋼焊接而成的支架架體，2 cm厚的鋼板操作平臺(tái)，液壓千斤頂和簡易螺栓調(diào)節(jié)器。定位平臺(tái)平面圖和剖面圖如圖3、圖4所示。

圖3 定位平臺(tái)平面（單位：mm）

平臺(tái)的螺栓調(diào)節(jié)器，即簡單的配套螺栓，均勻焊接在定位平臺(tái)入孔周圍，鋼管柱吊裝入孔時(shí)，以全站儀量測作為輔助，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓與鋼管柱的接觸，使鋼管柱中心精準(zhǔn)定位；液壓千斤頂?shù)膽?yīng)用方便調(diào)節(jié)定位平臺(tái)水準(zhǔn)，并可以通過調(diào)節(jié)千斤頂高度使鋼管柱的水準(zhǔn)高程達(dá)到要求。

圖4 A-A剖面

該操作平臺(tái)現(xiàn)場取料，制作簡單，成本低廉，但實(shí)用操作效果良好，取消了底部定位器的安裝[5]。

2.2 鋼管柱的預(yù)處理

對于較長的鋼管柱不適合一次安裝時(shí)，采用分節(jié)吊裝，分段焊接。為取消鋼護(hù)筒，防止泥漿進(jìn)入鋼管柱內(nèi)，給予施工人員在進(jìn)行鋼管柱二次調(diào)節(jié)時(shí)一個(gè)可操作空間，需要在鋼管柱吊裝對接前，對鋼管柱進(jìn)行預(yù)處理。在抗浮力計(jì)算后，確定在深孔水下的安裝前先對第一節(jié)鋼管柱（約7 m長）預(yù)先灌注5.5 m混凝土即可利用混凝土和鋼管的自重平衡鋼管柱在泥漿中的浮力，之后再進(jìn)行安裝。

2.3 鋼管柱內(nèi)螺旋千斤頂安裝

在第二節(jié)鋼管柱底部距混凝土頂面1.5 m左右標(biāo)高，沿鋼管柱四周均勻安裝4個(gè)螺旋千斤頂，其平面布置及實(shí)物圖見圖5。螺旋千斤頂外套管與鋼管柱良好焊接，滿足受力和密封要求。為保證絲桿調(diào)節(jié)和對水的密封，螺旋千斤頂絲桿與外套管間注滿黃油。同時(shí)，為保證支撐部位孔壁土體穩(wěn)定，一方面將千斤頂支腿設(shè)計(jì)為與樁孔弧度一致的擴(kuò)大弧形板，以增大受力面積，另一方面，根據(jù)現(xiàn)場施工情況和地質(zhì)勘查報(bào)告，將螺旋千斤頂安裝在土質(zhì)較好的地層。

圖5 螺旋千斤頂

螺旋千斤頂可對鋼管柱垂直精度進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，取消了傳統(tǒng)的抽排泥漿，人工鑿除底部混凝土，安裝錐形定位器，并聯(lián)合研發(fā)設(shè)計(jì)的鋼管柱定位平臺(tái)使鋼管柱精準(zhǔn)定位，其示意圖見圖6。

圖6 鋼管柱二次調(diào)節(jié)示意

2.4 鋼護(hù)筒埋設(shè)

鋼管柱施工中取消了鋼套筒護(hù)壁，但為防止施工過程發(fā)生孔塌，地表以下3 m仍埋設(shè)鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒在施工過程中要保持垂直，頂部高出地面30～50 cm，護(hù)筒的垂直度≤3/1000。在運(yùn)輸和安裝過程中要保證護(hù)筒不發(fā)生變形，保證其初始正圓度。安裝時(shí)保證護(hù)筒頂邊沿水準(zhǔn)高程滿足要求，及時(shí)測量及調(diào)整。為保證鋼管柱的精準(zhǔn)定位，鋼護(hù)筒中心和樁中心應(yīng)保證重合，偏差在50 mm以內(nèi)。護(hù)筒與坑壁之間采用粘性土填充壓實(shí)，為確保護(hù)筒位置準(zhǔn)確以及穩(wěn)定性，再次校正護(hù)筒中心偏差，并用水平尺校核護(hù)筒的垂直度，確保護(hù)筒達(dá)到水平牢固。鋼護(hù)筒埋設(shè)如圖7所示。

圖7 鋼護(hù)筒埋設(shè)示意

2.5 工具柱連接

鋼管柱施工完成一段時(shí)間后，需與頂板澆筑為一個(gè)整體，其柱頂高程與頂板大致相同，至地面深度約2 m。為固定鋼管柱中心位置以及聯(lián)合定位平臺(tái)和螺旋千斤頂共同調(diào)節(jié)垂直精度，鋼管柱柱頂至地面需要設(shè)置工具柱，工具柱與鋼管柱之間利用8個(gè)A30高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，工具柱高出定位平臺(tái)0.5～1 m，其連接見圖8。工具柱在混凝土澆筑后可拔出，循環(huán)使用。

圖8 鋼管柱與工具柱連接

3 鋼管柱施工工藝流程

鋼管柱施工工藝流程為：孔位定位→安裝鋼護(hù)筒→旋挖鉆成孔→樁基鋼筋籠制作→地表定位平臺(tái)加工與安裝→吊裝首節(jié)鋼管柱→定位、加固首節(jié)鋼管柱→連接次節(jié)鋼管柱→鋼管柱垂直復(fù)測→澆筑鋼管內(nèi)混凝土→拆除定位平臺(tái)和工具柱→細(xì)砂回填。

3.1 孔位定位

在進(jìn)行定位之前首先要進(jìn)行場地的平整，清除場地內(nèi)的阻礙物與雜物，對局部土質(zhì)松軟和淤泥處進(jìn)行換填并夯實(shí)處理，保證旋挖機(jī)在施工過程中處于平整、堅(jiān)實(shí)的位置，避免在鉆進(jìn)過程中旋挖機(jī)產(chǎn)生不均勻沉陷，影響鉆孔精度。

場地平整完畢后進(jìn)行鋼管柱樁位放樣，測放時(shí)采用全站儀，根據(jù)確定坐標(biāo)進(jìn)行放樣，樁位經(jīng)過測放確定后，釘好十字護(hù)樁，并做好測量復(fù)核工作，保證平面位置準(zhǔn)確。

3.2 成孔施工

（1）鉆機(jī)就位：鋼護(hù)筒測量安裝完畢后，鉆機(jī)在鉆孔處就位。鉆孔前要保證機(jī)身平穩(wěn)，鉆桿中心與樁位中心保持重合，不應(yīng)有較大誤差。用測錘及全站儀進(jìn)行鉆桿垂直度檢驗(yàn)，保證鉆桿垂直度達(dá)到要求，在平面位置及垂直度都滿足要求后方可進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

（2）泥漿制備：旋挖鉆成孔時(shí)，利用靜態(tài)泥漿保持孔壁穩(wěn)定性，使孔壁不發(fā)生塌陷。其主要工作原理是在孔壁處形成一薄層泥膜，使水無法從內(nèi)向外或從外向內(nèi)滲透，并施加給孔壁一定的側(cè)向壓力。在施工過程，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況和工程地質(zhì)，及時(shí)進(jìn)行泥漿配比的調(diào)整，控制泥漿的比重、粘度、含砂率等性能指標(biāo)，并保證泥膜的厚度與強(qiáng)度。

（3）鉆進(jìn)成孔：在鉆進(jìn)成孔過程中，要根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，把好三關(guān)：進(jìn)尺關(guān)、泥漿比重關(guān)、垂直度關(guān)。

（4）清孔：用清水稀釋泥漿，將置換的泥漿排入泥漿池中，并連續(xù)測試泥漿的比重，當(dāng)泥漿比重小于1.15，粘度值范圍處于18～26 S，含砂率不大于2%，清孔完畢方可吊裝鋼筋籠。

（5）鋼筋籠制作及安裝。

3.3 安裝定位平臺(tái)

（1）首先在硬化地坪上精準(zhǔn)測放出定位平臺(tái)的4個(gè)角點(diǎn)，利用吊車吊裝定位平臺(tái)來進(jìn)行安裝，平臺(tái)的安裝偏差必須在20 mm以內(nèi)。利用千斤頂撐腳來調(diào)節(jié)定位平臺(tái)平整度，平整度偏差不得超過2 mm。采用鋼筋或角鋼將定位平臺(tái)與事先預(yù)埋在硬化地坪內(nèi)的預(yù)埋件進(jìn)行焊接，從而增加定位平臺(tái)的穩(wěn)定性。

（2）定位平臺(tái)采用全站儀及坐標(biāo)法進(jìn)行測量定位，用水平尺調(diào)整平整度。待千斤頂撐腳固定后，再次對中心點(diǎn)位復(fù)測，使平臺(tái)中心與樁中心偏差在5 mm以內(nèi)。

3.4 鋼管柱安裝

鋼管柱采用分節(jié)吊裝，首節(jié)鋼管柱內(nèi)底部預(yù)先澆筑混凝土?xí)r，加強(qiáng)對混凝土和易性、坍落度的控制，并加強(qiáng)振搗，確保鋼管柱砼的密實(shí)。砼初凝后，清理鋼管柱柱內(nèi)浮漿，然后鑿毛，保證后續(xù)砼的良好連接。

鋼管柱施工中需進(jìn)行對接，具體按以下過程進(jìn)行。

（1）出廠前，在柱頂對稱焊接一對吊耳，同時(shí)在吊耳側(cè)加焊肋板，以避免在鋼管柱安裝過程中可能出現(xiàn)的側(cè)翻以及破壞現(xiàn)象。

（2）管柱采用70 t和25 t兩臺(tái)吊車配合吊裝，70 t為主吊，25 t為副吊，采用三點(diǎn)同時(shí)吊裝，防止鋼管柱在吊裝過程中發(fā)生彎曲變形。

（3）鋼管柱對接過程先將耳板對接牢固，保證上下節(jié)的垂直度偏差在5 mm以內(nèi)，然后進(jìn)行電焊，最后采用CO2氣體進(jìn)行焊接，焊縫要求等級為一級。焊縫表面不得有氣孔、夾渣，且不得出現(xiàn)咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷，每焊接完成后進(jìn)行超聲波無損檢測。

3.5 鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑

（1）在樁基混凝土澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土，并預(yù)埋鋼管柱頂部鋼筋籠，該鋼筋籠錨入結(jié)構(gòu)頂板。

（2）鋼管柱內(nèi)混凝土初凝后，采用細(xì)砂回填至鋼管柱頂不得超過鋼管柱和工具柱連接面，以免影響連接螺栓的拔出，細(xì)砂回填保護(hù)預(yù)埋的鋼 筋籠。

3.6 拆除定位平臺(tái)及工具柱并回填細(xì)砂

（1）回填鋼管柱內(nèi)細(xì)砂后，操作人員進(jìn)入孔內(nèi)拔出連接工具柱和鋼管柱的8顆高強(qiáng)螺栓，然后拔出工具柱。

（2）工具柱拔除后，先將鋼管柱外圍回填細(xì)砂，再移動(dòng)定位平臺(tái)至下一個(gè)鋼管柱施工點(diǎn)。

4 結(jié) 語

以長沙地鐵6號線朝陽村站為例，對地鐵車站蓋挖逆作法施工中鋼管柱精準(zhǔn)定位難，定位工藝復(fù)雜等難題進(jìn)行了探討，提出了針對性技術(shù)措施，在實(shí)際施工中取得了良好的效果。

（1）研發(fā)設(shè)計(jì)了一種鋼管柱定位平臺(tái)，其由支架架體，操作平臺(tái)，液壓千斤頂及螺栓調(diào)節(jié)器組成。利用該定位平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)鋼管柱中心、高程精準(zhǔn)定位，且現(xiàn)場取材，加工方便，操作簡單。

（2）采用地表定位平臺(tái)主控鋼管柱定位安裝，管內(nèi)螺旋千斤頂輔助調(diào)整，無需安裝底部錐形定位器，利用鋼管柱提供人員操作的空間，取消了鋼套筒護(hù)壁，無需抽排泥漿，該方法簡化了鋼管柱施工工序，加快了施工進(jìn)度。

（3）采用該施工方法，單根鋼管柱施工成本從10萬元下降為4萬元左右，并得到了業(yè)主、監(jiān)理的一致認(rèn)可，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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(2019-03-16)

李 磊(1985—)，男，山東菏澤人，本科，工程師，主要從事高速公路和軌道交通建設(shè)工作，Email: 273145898@ qq.com。