地鐵車站HPE法鋼管柱施工技術(shù)

丁冠軍

（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300131）

地鐵車站HPE法鋼管柱施工技術(shù)

丁冠軍

（中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300131）

HPE工法垂直插入鋼管柱是目前國內(nèi)一項(xiàng)使用較為廣泛的施工技術(shù)，與傳統(tǒng)的人工安裝鋼管柱相比，具有施工難度低、垂直精度高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。文章以北京在建某地鐵站蓋挖逆作法換乘廳立柱的施工經(jīng)驗(yàn)為例，從樁基和鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑施工、鋼管柱制作與插入施工工藝、鋼管柱與結(jié)構(gòu)板的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等方面，對(duì)HPE鋼管柱施工工法的質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行分析，以其為今后類似工程的施工提供借鑒和參考。

HPE 鋼管柱 混凝土 質(zhì)量控制

1 工程概況

北京某在建地鐵車站換乘廳位于車站主體東南角，為地下三層（局部四層）結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)埋深26.12m（局部34.72m），車站主體結(jié)構(gòu)采用PBA法施工，外掛換乘廳采用蓋挖逆做法施工。

圖1 工程平面布置圖

換乘廳共有中柱29根，采用HPE（Hydraulic Pressure Perpendicular）工法進(jìn)行施工。結(jié)構(gòu)采用一樁一柱，中柱基礎(chǔ)樁為鉆孔灌注樁Φ2000mm，有效樁長有兩種，分別是24m及25m，鉆孔深度分別為28根51.22m與1根59.52m，永久立柱采用直徑900mm壁厚20mm鋼管柱，按柱頂至地面高度約為5m，永久立柱的有效長度分別為：28根24.23m與1根31.53m，鋼管柱插入灌注樁連接長度2m，鋼管內(nèi)灌注強(qiáng)度等級(jí)C50的微膨脹混凝土，鋼管柱布置如圖1所示。

2 HPE鋼管柱施工工法

換乘廳按照施工方案，采用蓋挖逆作法施工，即：在基坑土方開挖之前，先施做中間支撐體系，中間支撐體系分兩部進(jìn)行，先施做鉆孔灌注樁，待鉆孔灌注樁澆筑至基坑底板標(biāo)高后，再在灌注樁上插入一根承受結(jié)構(gòu)上部載荷的永久性鋼管柱，鋼管柱采用HPE法進(jìn)行施工，鋼管柱工程施工結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖2 工程剖面示意圖

2.1 鉆孔灌注樁施工

車站中柱采用鉆孔灌注樁形式，鋼管柱柱下基礎(chǔ)采用混凝土澆筑，鋼管柱周邊采用細(xì)砂回填密實(shí)。鉆孔灌注樁采用SWDM-36大直徑高精度旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工，該機(jī)的成孔施工為進(jìn)行原始土挖掘鉆機(jī)成孔，能有效的保證成孔質(zhì)量，利用人工造漿護(hù)壁工藝，鋼筋籠均為現(xiàn)場制作。具體施工流程如下：地基加固→鉆機(jī)定位→鉆埋設(shè)護(hù)筒孔位→埋設(shè)護(hù)筒→注入泥漿成孔→終孔吊放鋼筋籠→安裝導(dǎo)管二次清孔→灌注混凝土→拔出導(dǎo)管、護(hù)筒成樁。

為了提高樁基的承載力和控制樁基沉降與整體沉降協(xié)調(diào)，中柱基礎(chǔ)樁采用灌注樁后壓漿工藝進(jìn)行施工，灌注樁施工采用泥漿護(hù)壁成孔，注漿嚴(yán)格遵循《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ-94-2008）中的相關(guān)要求。

外掛換乘廳結(jié)構(gòu)中柱基礎(chǔ)樁的承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過現(xiàn)場靜載試驗(yàn)確定，在同一條件下的試樁數(shù)量分別為總樁數(shù)的1%且不少于3根，現(xiàn)場試驗(yàn)加載荷載值應(yīng)為特征值的2倍。

灌注樁壓漿一般于成樁3～7天后進(jìn)行，當(dāng)注漿管與超聲波檢測管合用，需待超聲波檢測后進(jìn)行樁側(cè)樁底注漿。壓漿樁與在樁施工作業(yè)點(diǎn)距離不宜小于 10m。壓漿時(shí)宜分二次進(jìn)行，首次壓入注漿量的70%，間隔2小時(shí)后注入剩余的30%。

2.2 鋼管柱施工

鋼管柱采用HPE工法施工。施工中在基礎(chǔ)樁（鉆孔灌注樁）澆筑至基坑底標(biāo)高后、在混凝土初凝前進(jìn)行鋼管柱施工，根據(jù)HPE液壓插入機(jī)機(jī)身上的垂直調(diào)校裝置調(diào)整垂直度，待HPE液壓插入機(jī)定位垂直后，將鋼柱吊起，用HPE液壓插入機(jī)的液壓定位器將鋼柱抱緊，根據(jù)二點(diǎn)定位原理，抱緊鋼柱后再復(fù)測垂直度。在保證垂直度后將鋼柱在砼初凝前將鋼管柱插入到支撐樁混凝土中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的柱頂標(biāo)為止。

3 施工質(zhì)量保證措施

3.1 混凝土施工

3.1.1 樁基混凝土

插入永久性鋼管的需要，灌注樁的混凝土要有一定緩凝時(shí)間，緩凝時(shí)間不小于36小時(shí)，同時(shí)要求混凝土運(yùn)輸至插入永久性鋼管柱時(shí)間段內(nèi)混凝土的坍落度不少于12cm。

樁基混凝土等級(jí)為水下C40、P12，樁主筋凈保護(hù)層厚70mm，每樁預(yù)埋樁端和樁側(cè)壓漿管各三根，漿液配比、是否添加外加劑及摻量應(yīng)根據(jù)地層情況確定，樁混凝土澆筑完成2d～7d內(nèi)完成壓漿。后注漿管應(yīng)采用鋼管，與鋼筋籠加勁筋綁扎固定或焊接，后注漿閥應(yīng)具備逆止功能，注漿管上口臨時(shí)封閉，在注漿前不得拆開，以免雜物、泥塊堵塞注漿管。樁基應(yīng)對(duì)每根樁的樁身完整性進(jìn)行檢測，同時(shí)應(yīng)做單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，應(yīng)由有資質(zhì)的單位，依照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ-94-2008）和《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2003）實(shí)施，承載力試驗(yàn)應(yīng)在注漿完成20d后進(jìn)行。

3.1.2 灌注混凝土

永久性鋼管柱在樁基混凝土初凝后，可進(jìn)行永久性鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土，先下放永久性鋼管柱內(nèi)的鋼筋籠，采用吊筋將鋼筋籠固定在永久性鋼管柱上口，控制鋼筋籠頂標(biāo)高，再下放導(dǎo)管進(jìn)行永久性鋼管柱內(nèi)的混凝土灌注。永久性鋼管柱內(nèi)混凝土為干作業(yè)灌注，采用C50微膨脹混凝土，為了減少鋼管內(nèi)的混凝土的收縮量，可在其中摻入適量的混凝土微膨脹劑，要求混凝土限制體積膨脹率28天控制在（3～5）×10-4。

為保證鋼管內(nèi)混凝土與鋼管內(nèi)壁緊密粘接，鋼管內(nèi)不得有油污等污物。鋼管內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量，可用敲擊鋼管柱的方法進(jìn)行初步檢查，如有異常，應(yīng)用超聲波監(jiān)測，對(duì)不密實(shí)的部位，應(yīng)采用鉆孔壓漿法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，然后將鉆孔補(bǔ)焊封閉。在后續(xù)的鋼筋綁扎、模版支架過程中需要對(duì)鋼管柱進(jìn)行保護(hù)，不得撞擊、磕碰鋼管柱，確保鋼管柱不承受側(cè)向荷載。

3.2 鋼管柱制作

鋼管柱的尺寸共有2種，共29根，其中：Z1總長24.23 m，鋼板規(guī)格Q235.B.Z，外徑：900 mm，壁厚20 mm，共28根。Z2總長31.53 m，鋼板規(guī)格Q345B.Z，外徑：900 mm，壁厚20 mm，共1根。

鋼管柱柱腳由以下零件組成：鋼牛腿，焊接于鋼管外壁上，埋于下反梁底中部；內(nèi)襯管，與鋼管柱內(nèi)壁塞焊連接；栓釘，除底梁受力鋼筋處外，在鋼管柱側(cè)壁上通長布設(shè)；柱腳板、加強(qiáng)環(huán)板等。鋼管柱柱頂由以下零件組成：柱頂環(huán)形蓋板、鋼牛腿、環(huán)狀加強(qiáng)環(huán)板、內(nèi)襯管、18根M18定位錨筋。

鋼管柱柱頂由以下零件組成：柱頂環(huán)形蓋板；鋼牛腿，與鋼管柱外壁和蓋板、環(huán)狀加強(qiáng)焊板焊接；環(huán)狀加強(qiáng)環(huán)板，與鋼牛腿和鋼管柱外壁焊接；內(nèi)襯管，與鋼管柱內(nèi)壁塞焊連接。柱頂設(shè)置18M28定位錨筋。

鋼管柱與樓板縱梁連接節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)位于樓板縱梁之下，由以下零件組成：抗拉鋼板支撐板、抗剪鋼牛腿、抗剪鋼板、抗拉鋼板，焊接在鋼管柱外壁上；柱內(nèi)壁相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置內(nèi)襯管，與鋼管柱內(nèi)壁塞焊連接。各節(jié)點(diǎn)牛腿與鋼管柱間采用熔透的對(duì)接焊縫，所有的焊縫質(zhì)量均為一級(jí)。

鋼管柱各連接構(gòu)件應(yīng)在地面加工完成，批量加工前，須進(jìn)行現(xiàn)場鋼管柱抗壓和節(jié)點(diǎn)剪切、抗彎能力試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)承載力要求后方可批量加工。

鋼管柱對(duì)車站結(jié)構(gòu)施工和使用安全至關(guān)重要，故施工中應(yīng)嚴(yán)格控制其施工質(zhì)量和精度，鋼管柱加工允許偏差如表1所示。

表1 鋼管柱加工允許偏差

3.3 鋼管柱插入

在施工準(zhǔn)備階段，應(yīng)對(duì)導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，平面樁位測量放樣定位出樁位中心線并埋設(shè)護(hù)筒，復(fù)核后報(bào)監(jiān)理工程師。高程采用加密水準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)測放高程。

3.3.1 鋼管柱試拼裝

鋼管柱精確安裝到位至關(guān)重要，安裝前應(yīng)試拼裝，確保每根鋼管柱的柱頂標(biāo)高及柱長符合設(shè)計(jì)圖紙要求。見表2。

表2 鋼管加工及組裝最大偏差

3.3.2 垂直插入機(jī)就位對(duì)中

混凝土灌注完成后，重新放出樁位中心，并將十字線標(biāo)記在護(hù)筒上。采用兩臺(tái)經(jīng)緯儀控制鋼管柱垂直度，復(fù)核樁位后，將HPE液壓插入機(jī)械的定位器中心與基礎(chǔ)樁樁位中心在同一垂直線上，然后吊裝HPE垂直插入機(jī)就位，HPE液壓插入機(jī)根據(jù)定位器就位對(duì)中，通過安裝在鋼管柱上的電子傳感器控制鋼管柱的垂直度，同時(shí)在地面使用經(jīng)緯儀進(jìn)行二次復(fù)核。就位對(duì)中后，HPE液壓插入機(jī)械可手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)整水平度，并重新復(fù)核中心位置，滿足要求后即可吊裝永久性鋼管柱入孔。

作為永久結(jié)構(gòu)使用的中間立柱的設(shè)計(jì)，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼管柱的定位精度，允許定位偏差不應(yīng)大于20mm，垂直度偏差不應(yīng)大于1/1000，在立柱的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)施工允許偏差計(jì)入偏心對(duì)承載能力的影響。3.3.3 鋼管柱吊裝與插入

鋼管柱吊裝時(shí)應(yīng)減少吊裝荷載作用下的變形，吊點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)鋼管柱本身的承載力和穩(wěn)定性驗(yàn)算后確定。吊裝定位時(shí)，應(yīng)注意在吊裝鋼管柱時(shí)在地面上對(duì)鋼管柱調(diào)平定位支架的合理設(shè)置，確保鋼管柱滿足設(shè)計(jì)圖紙的精度要求，鋼管柱吊裝就位后，應(yīng)立即進(jìn)行檢測、矯正，保證鋼管柱垂直度。

鋼管柱在吊裝時(shí)應(yīng)將其鋼管柱頂部端頭封閉，防止在吊裝過程中有異物落入鋼管柱內(nèi)。

鋼管柱吊放至HPE垂直插入機(jī)內(nèi)，下入孔內(nèi)至第二道法蘭后，由HPE垂直插入機(jī)抱緊鋼管柱，并復(fù)測永久性鋼管柱垂直度，滿足要求后垂直插入孔內(nèi)，剛開始下放永久性鋼管柱時(shí)，由于永久性鋼管柱的自重，鋼管柱能自由下入孔內(nèi)一定深度，當(dāng)浮力大于永久性鋼管柱重量后，用液壓插入裝置的液壓下壓力將永久性鋼管柱下壓插入孔內(nèi)。

鋼管柱定位并固定后，在二次澆筑基礎(chǔ)部分剩余的混凝土，使得鋼管柱與柱下基礎(chǔ)牢固，然后灌注鋼管內(nèi)混凝土，將鋼管柱與鉆孔之間的空隙用細(xì)砂填充密實(shí)。

4 鋼管柱與各結(jié)構(gòu)板節(jié)點(diǎn)連接

4.1 與頂板的連接

頂縱梁施工前，柱頂與柱帽連接處應(yīng)磨光頂緊，確保水平，再將抗剪切板與鋼管套焊接，靠焊在鋼管柱上的擋塊定位，定位后通過塞焊孔將柱帽與鋼管柱焊在一起，其中共設(shè)18塊抗剪切牛腿，施工時(shí)可選幾塊作為鋼管柱定位使用，定位后實(shí)施周邊焊。

4.2 與中板的連接

中縱梁的上下兩排筋分別與抗拉鋼板焊接，焊接時(shí)，鋼管柱與法蘭盤保持垂直，兩個(gè)法蘭盤的接觸面必須磨平，其中，構(gòu)件的連接處均為雙側(cè)焊縫，雙側(cè)焊縫的最小焊縫應(yīng)≥5d，鋼管柱與加強(qiáng)襯通過塞焊孔連接為整體，塞焊孔應(yīng)焊實(shí)，鋼管柱各節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫必須焊透，其質(zhì)量等級(jí)達(dá)到一級(jí)。

4.3 與底板的連接

鋼管柱與底板連接處，在梁面上部與鋼管柱銜接處，焊接環(huán)形柱腳板、加強(qiáng)板，在鋼管柱與底板相交部位，焊接栓釘連接。

5 結(jié)語

HPE工法的鋼管柱施工質(zhì)量直接關(guān)系到鋼管柱的承載能力，及其與整個(gè)換乘廳的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以應(yīng)從鋼管柱柱頂、柱腳上的各細(xì)部零件的制作、鋼管柱的安裝與插入、樁基與鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑、鋼管柱與蓋挖逆作法車站各連接節(jié)點(diǎn)的連接等各個(gè)方面加以控制，保證施工質(zhì)量。隨著城市軌道交通工程的不斷發(fā)展，蓋挖逆作法已被普遍采用，HPE工法因其產(chǎn)生的粉塵少，噪音小，綜合成本相對(duì)合理，經(jīng)濟(jì)效益明顯，社會(huì)效益好等特點(diǎn)，在蓋挖逆作法車站結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的推廣，具有非常廣闊的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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The HPE Method of the Steel Tube Column Construction at Subway Stations

DING Guan-jun
(No.5 Engineering Corporation Limited of China Railway 15th Bureau Group Co. Ltd Tianjin 300131 China)

The HPE method is widely used in the steel tube column construction in China. Compared with the traditional manual installation method, it is easier and more accurate and deserves wide popularization. Based on a tube column construction in a subway station in Beijing, this article analyzes the quality control points of HPE method from the pile foundation and concrete pouring construction in steel tube column, the steel tube column making and inserting construction technology and the structure of the steel tube column and plate connection node etc., which will provide reference for the similar project construction in the future.

HPE steel tube column concrete quality control

A

1673-1816(2017)01-0039-06

2016-03-19

丁冠軍（1978-），男，河南鄢陵人，工程師，研究方向土木工程。