城市軌道地下工程PBA工法施工鋼管柱的質(zhì)量控制措施

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(中鐵十五局集團(tuán) 第二工程有限公司，上海 201713)

引言

隨著城市的發(fā)展，現(xiàn)代城市對(duì)軌道交通的需求越來(lái)越迫切，尤其是地鐵已成為大中型城市解決交通擁堵問(wèn)題的首選。而在地鐵車(chē)站的修建過(guò)程中，由于受道路保通壓力大、地質(zhì)條件差、周?chē)ㄖ锖偷叵骂A(yù)埋管線眾多等條件限制，無(wú)法進(jìn)行明挖施工，更不能進(jìn)行特大斷面開(kāi)挖，在這種情況下需要優(yōu)先考慮采用PBA工法進(jìn)行施工。該方法在淺埋暗挖分步法的基礎(chǔ)上融入了蓋挖法的特點(diǎn)，施工時(shí)能夠最大限度地規(guī)避由于開(kāi)挖斷面大、周邊土體不易支護(hù)而造成的暗挖作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

所謂PBA工法是將分步暗挖法與蓋挖法科學(xué)結(jié)合，發(fā)揮這兩種工法各自的優(yōu)勢(shì)，從而形成一種更科學(xué)有效的施工方法。該工法是由P樁(pile)包括邊樁、中樁(柱)，與B梁(beam)包括頂梁、底梁以及A拱(arc)共同構(gòu)成施工過(guò)程中承受荷載的初期受力體系，在該支撐體系的保護(hù)下從上向下逐層開(kāi)挖土體，同時(shí)及時(shí)施工二次襯砌，最終形成由初期支護(hù)加二次襯砌組合而成的永久承載體系。

在該工法施工中，鋼管樁(柱)是整個(gè)地下空間的重要豎向承載和傳力構(gòu)件，其要求工序組織科學(xué)合理、安裝精度高，是控制施工質(zhì)量和工程進(jìn)度的關(guān)鍵工序。但由于鋼管柱本身自重較大，同時(shí)受小導(dǎo)洞凈空低、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、一般起重設(shè)備無(wú)法下井吊裝等因素的制約，施工難度大，因此鋼管柱的施工應(yīng)作為PBA工法施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)來(lái)控制?，F(xiàn)以北京地鐵達(dá)官營(yíng)車(chē)站為例，介紹采用PBA工法施工鋼管樁(柱)的質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

北京地鐵達(dá)官營(yíng)站位于三里河南延路與廣安門(mén)大街交叉路口以北，與在建7號(hào)線達(dá)官營(yíng)站呈L型換乘。車(chē)站全長(zhǎng)206.7 m，結(jié)構(gòu)總寬23.3 m，總高為16.2 m，有效站臺(tái)寬為14 m，覆土厚度15.3～16.0 m，車(chē)站共設(shè)三個(gè)施工豎井，分別是L1至L3豎井。

車(chē)站主體采用三個(gè)豎井分上下層各暗挖4條導(dǎo)洞，待上層和下層的8條小導(dǎo)洞全部施工完成后，先施工下層導(dǎo)洞的條基和底縱梁，條基和底縱梁完成后，在邊導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞同步進(jìn)行邊跨人工挖孔邊護(hù)樁和中跨鋼管柱支承柱施工，待側(cè)墻灌注樁和中樁鋼管柱支承體系完成后，再進(jìn)行扣拱和大斷面開(kāi)挖施工，并采用大管棚、超前小導(dǎo)管等超前支護(hù)方式做好初期支護(hù)，隨開(kāi)挖施做二襯結(jié)構(gòu)，直至整體結(jié)構(gòu)施工完成。其中鋼管柱安裝是整個(gè)施工過(guò)程中的關(guān)鍵工序。

2 鋼管柱施工方法

2.1 鋼管柱的設(shè)計(jì)類(lèi)型

地鐵達(dá)官營(yíng)站共設(shè)計(jì)鋼管柱92根，單根柱長(zhǎng)12.48 m，內(nèi)徑為Φ900 mm，壁厚為20 mm，柱內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。

達(dá)官營(yíng)站鋼管柱沿車(chē)站縱向按兩排設(shè)置，位于車(chē)站的兩條軸上。鋼管柱主要由鋼管、底環(huán)形法蘭盤(pán)、頂環(huán)形法蘭盤(pán)、鋼管柱連接法蘭盤(pán)、加勁肋鋼板焊接而成，現(xiàn)場(chǎng)采用螺栓連接。柱內(nèi)采用加強(qiáng)鋼筋籠和C55混凝土灌注。鋼管樁采用人工挖孔成樁，成樁后采用中粗砂回填。

2.2 鋼管柱加工制作及運(yùn)輸

現(xiàn)場(chǎng)所有鋼管柱的制作全部在專(zhuān)業(yè)工廠按照J(rèn)GJ 81—2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》進(jìn)行加工生產(chǎn)，以保證鋼管柱的制作質(zhì)量。

所有的對(duì)接焊縫采用全熔透對(duì)接焊縫，焊接方法、工藝參數(shù)嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。所有焊縫均須經(jīng)過(guò)超聲波檢查及X射線探傷，焊縫質(zhì)量符合CECS 28：2012《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》及GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。檢測(cè)結(jié)果均為GB 50017—2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的二級(jí)焊縫。

所有構(gòu)件加工結(jié)束并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，均需進(jìn)行表面高壓清洗除銹，處理到鋼材表面露出金屬光澤，無(wú)焊渣、焊疤、灰塵和油污等雜質(zhì)，然后對(duì)所有的鋼構(gòu)件進(jìn)行鍍鋅防腐(≮600 g/m2)，并噴涂油漆兩道。

所有構(gòu)件在出廠時(shí)應(yīng)做好標(biāo)記，在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中采取臨時(shí)遮蓋和防護(hù)措施，以防止運(yùn)輸和安裝過(guò)程中碰撞、變形以及捆綁時(shí)鋼絲繩勒傷。鋼管柱在洞口用專(zhuān)用支架固定在小平板車(chē)上，人工經(jīng)導(dǎo)洞運(yùn)輸至孔位。

2.3 鋼管柱的定位

定位是鋼管柱施工精度控制的關(guān)鍵工序。在PBA工法中，主要是底板腳法蘭盤(pán)的定位至關(guān)重要。施工中采用上下兩端同時(shí)定位法來(lái)保證定位精度，上端采用花籃螺栓調(diào)節(jié)定位，鋼管柱下端法蘭主要依賴(lài)自動(dòng)卡具定位器定位。

2.3.1 鋼管柱腳板法蘭盤(pán)定位

為了提高定位精度，在該工程施工中預(yù)先加工了一種自動(dòng)卡具定位器，由鋼板組焊而成，呈外方內(nèi)十字形。其主要構(gòu)件包括環(huán)形錨固底板、定位十字板等。在安裝過(guò)程中依靠環(huán)形錨固板控制腳板的位置和標(biāo)高，依靠定位十字板固定鋼管柱的中心，并限定腳板法蘭盤(pán)的水平位置。該卡具定位器整體由車(chē)床加工而成，加工誤差在2 mm以?xún)?nèi)。

腳板法蘭定位前，進(jìn)行上、下層貫通測(cè)量。按施工圖加工鋼管柱柱腳板法蘭，在柱腳板上設(shè)18個(gè)螺栓孔，螺栓孔上設(shè)置用于底板固定的錨固筋定位桿。施工前，將地面坐標(biāo)點(diǎn)和水準(zhǔn)基點(diǎn)從豎井引入主洞，采用經(jīng)緯儀將鋼管柱中心坐標(biāo)準(zhǔn)確放樣在底縱梁的頂面，并用精密水準(zhǔn)儀精確控制柱腳板的標(biāo)高。見(jiàn)圖1和圖2。

在底縱梁鋼筋綁扎完成后，定位鋼管柱腳板法蘭盤(pán)。先用全站儀定出鋼管柱中心，使用水準(zhǔn)儀確定出底法蘭盤(pán)的標(biāo)高，將柱腳板法蘭放下就位，利用自動(dòng)定位卡具將底板精確調(diào)至設(shè)計(jì)中心和標(biāo)高，用水平靠尺嚴(yán)格檢查柱腳板的平整度。確定無(wú)誤后，將底板的錨固筋定位桿下部與縱梁主筋焊接固定。

圖1 鋼管柱立面布置圖

圖2 柱腳板定位桿布置圖

在焊接過(guò)程中應(yīng)注意溫度控制，焊接完成后再次檢查腳板的位置和標(biāo)高，然后澆筑混凝土。在澆筑過(guò)程中，嚴(yán)格控制柱腳板法蘭頂面的水平，底縱梁混凝土頂面標(biāo)高為腳板底標(biāo)高。

2.3.2 鋼管柱的測(cè)量定位

測(cè)量精度是保證鋼管柱安裝精度的關(guān)鍵。在施工中，鋼管柱的底腳板中心與柱頂中心的測(cè)量放線統(tǒng)一采用上層導(dǎo)洞的導(dǎo)線網(wǎng)，采用全站儀利用雙導(dǎo)線測(cè)量來(lái)測(cè)設(shè)鋼管柱的平面位置。在挖孔樁完成后，利用垂直測(cè)距儀測(cè)設(shè)鋼管柱底標(biāo)高，并采用水準(zhǔn)儀配合30 m鋼尺(有尺長(zhǎng)改正)進(jìn)行校核。在底縱梁預(yù)埋的柱腳板上確定鋼管柱中心后，從柱腳板上的中心畫(huà)出鋼管柱的外輪廓線，依據(jù)鋼管柱外輪廓線安裝鋼管柱的抗剪牛腿限位擋板，如圖3所示。

2.3.3 鋼管柱吊裝

由于導(dǎo)洞內(nèi)空間有限，無(wú)法使用大型吊裝機(jī)械，鋼管柱的吊裝采用簡(jiǎn)易門(mén)式架進(jìn)行。門(mén)架橫梁采用兩根Ⅰ20工字鋼焊接而成，在工字鋼上套圓鋼與其焊接牢靠，在橫梁上安裝手動(dòng)葫蘆，門(mén)架設(shè)4根支撐柱，地面焊接1 cm厚鋼板，頂面與橫梁采用螺栓連接。門(mén)式架上設(shè)置2個(gè)手動(dòng)葫蘆，葫蘆起重質(zhì)量大于鋼管柱的質(zhì)量，鋼管柱分節(jié)起吊安裝。門(mén)架要經(jīng)專(zhuān)業(yè)單位驗(yàn)算承載力和穩(wěn)定性，合格后方能使用。簡(jiǎn)易門(mén)式架設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 鋼管柱限位擋板設(shè)置圖

圖4 簡(jiǎn)易門(mén)式提升架圖

吊裝前，在每節(jié)鋼管柱起吊位置對(duì)稱(chēng)焊接一對(duì)吊耳，同時(shí)在吊耳側(cè)加焊肋板，以確保鋼管柱起吊時(shí)的安全。

用手動(dòng)葫蘆起吊第一節(jié)鋼管柱，沿挖孔樁緩慢下放，下放到孔口位置時(shí)，用專(zhuān)用夾具固定好。然后起吊第二節(jié)鋼管柱，與第一節(jié)鋼管柱對(duì)接并用法蘭連接牢固，保證其垂直度。然后吊起鋼管柱，松開(kāi)夾具下放鋼管柱。重復(fù)上面的步驟，直至所有的鋼管柱吊裝、栓接完畢。

吊裝時(shí)，應(yīng)預(yù)先把鋼管套入加強(qiáng)法蘭及中板法蘭里，起吊時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行。吊裝一節(jié)鋼管后，及時(shí)串入一節(jié)鋼筋籠，先進(jìn)行鋼筋籠的連接，后進(jìn)行鋼管柱法蘭的連接。

2.3.4 鋼管柱的固定

鋼管柱管節(jié)與法蘭之間采用焊接連接。焊接時(shí)，每一根鋼管柱由兩名焊工同時(shí)沿圓周同向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)施焊。所有的焊接嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和操作規(guī)程進(jìn)行，并要求所有焊縫達(dá)到一級(jí)焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，焊接完成后及時(shí)做探傷檢測(cè)。

所有管節(jié)連接完畢，緩慢吊放鋼管柱，使鋼管柱底部落在柱腳板法蘭盤(pán)上，嵌入柱腳板上的限位器，與之密貼。柱腳就位后，對(duì)鋼管柱上端精確定位，在主體上導(dǎo)洞側(cè)壁預(yù)埋件與鋼管柱之間設(shè)4根帶花籃螺栓的扣件，對(duì)鋼管柱位置進(jìn)行微調(diào)，這4根扣件位于柱頂部平面上經(jīng)過(guò)鋼管柱中心的兩個(gè)垂直方向上。精確校正鋼管柱頂標(biāo)高、縱軸線位置、垂直度，用工字鋼將鋼管柱管頂與預(yù)埋件焊接固定。在鋼管柱上端空間位置校測(cè)固定后，在柱腳板法蘭上焊接加肋板，最后焊接加肋板頂?shù)募訌?qiáng)法蘭。

2.3.5 鋼管柱周邊固定

鋼管柱安裝在孔樁內(nèi)后必須進(jìn)行周邊固定，固定按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。主要目的是將鋼管柱與上、下層導(dǎo)洞內(nèi)人工挖孔的孔壁空隙塞嚴(yán)，防止在澆筑混凝土?xí)r鋼管柱產(chǎn)生位移。一般是在孔樁下部50 cm范圍內(nèi)孔樁護(hù)壁與鋼管柱間澆筑強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土，中間部分填充細(xì)砂，然后在孔樁頂部50 cm范圍采用混凝土封閉。鋼管樁固定如圖5所示。

圖5 鋼管柱填砂固定處理

2.3.6 混凝土澆筑

根據(jù)GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》和GB 50628—2010《鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，結(jié)合PBA工法中鋼管柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，混凝土采用微膨脹混凝土，混凝土滿足設(shè)計(jì)等級(jí)。澆筑時(shí)要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試混凝土的坍落度，一般控制在160～180 mm?；炷劣傻孛婊炷帘帽盟椭凉ぷ髅妫Z筒導(dǎo)入鋼管柱內(nèi)，采用插入式振搗棒搗固密實(shí)。在混凝土澆筑前，應(yīng)對(duì)鋼管柱的垂直度進(jìn)行復(fù)核，澆筑后再次進(jìn)行復(fù)核。

鑒于鋼管柱內(nèi)混凝土強(qiáng)度較高，為避免出現(xiàn)施工冷縫，混凝土澆筑必須連續(xù)進(jìn)行。施工中，在地面布置60型混凝土地泵(60 m3/h)，在導(dǎo)洞內(nèi)壁表面部位預(yù)先設(shè)置地泵導(dǎo)管托鉤(間距2 m，托鉤寬30 cm)，將地泵導(dǎo)管固定于托鉤上，地泵導(dǎo)管最前端設(shè)置軟管，軟管直接入孔口料斗。管內(nèi)混凝土質(zhì)量采取敲擊或超聲波檢測(cè)，符合CECS 28：2012《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》。

2.3.7 鋼管柱質(zhì)量要求

鋼管柱安裝完成后，要組織各方人員及時(shí)對(duì)鋼管柱的安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查，合格后方可進(jìn)入下一道工序，檢查標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼管柱質(zhì)量控制的關(guān)鍵在于鋼管柱的精確定位。在底縱梁施工時(shí)，需預(yù)埋鋼板和柱腳螺栓，施工時(shí)控制好鋼管柱的中心及預(yù)埋鋼板的標(biāo)高和水平。預(yù)埋鋼板和柱腳螺栓的定位主要依靠提前加工的工裝卡具來(lái)完成，以排除人為操作誤差，確保定位精度。施工時(shí)，通過(guò)對(duì)小導(dǎo)洞初支開(kāi)洞處回填砂，可增加對(duì)鋼管柱的約束，確保鋼管柱的穩(wěn)定。吊裝、固定鋼管時(shí)的臨時(shí)井字支架、各構(gòu)件的連接必須牢固，派專(zhuān)人負(fù)責(zé)維護(hù)和檢查。底梁施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土澆筑標(biāo)高，并對(duì)底盤(pán)的中心和標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，及時(shí)調(diào)整。

采用該工法成功定位安裝了達(dá)官營(yíng)站92根鋼管柱，最大限度地保障了鋼管柱的安裝精度，確保了鋼管柱施工質(zhì)量一次驗(yàn)收合格。