地鐵車站蓋挖逆作鋼管混凝土柱施工技術(shù)研究

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 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.廣州軌道交通建設監(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嚴格，施工操作難度大。以長沙地鐵6號線朝陽村站實際施工為例，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)設計了保證鋼管柱精準就位的安裝平臺，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度，節(jié)約了項目成本，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，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，加快施工進度，降低臨時支護成本。地鐵車站鋼管柱作為永久結(jié)構(gòu)柱，承擔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格。傳統(tǒng)的鋼管柱定位施工采用鋼套筒護壁，抽排泥漿后在底部安裝定位器，不僅工藝復雜，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，在其抱緊鋼管柱時，復測鋼管柱垂直度，利用上下兩個液壓垂直插入裝置同時驅(qū)動向下插入，直到插入設計深度，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)取消了鋼套筒護壁[3]，利用鋼管柱提供的作業(yè)空間人工入孔進行調(diào)節(jié)，簡化了施工工藝，但鋼管柱中心，水準高程精準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際情況，對蓋挖逆作鋼管柱的施工進行技術(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、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，標準段寬為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，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、粉細砂層、中、粗砂層、礫砂層、圓礫層、卵石層、殘積粉質(zhì)粘土層、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(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際施工中，自主研發(fā)了一種鋼管柱精準定位的操作平臺，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，液壓千斤頂和簡易螺栓調(diào)節(jié)器。定位平臺平面圖和剖面圖如圖3、圖4所示。

圖3 定位平臺平面（單位：mm）

平臺的螺栓調(diào)節(jié)器，即簡單的配套螺栓，均勻焊接在定位平臺入孔周圍，鋼管柱吊裝入孔時，以全站儀量測作為輔助，通過手動調(diào)節(jié)螺栓與鋼管柱的接觸，使鋼管柱中心精準定位；液壓千斤頂?shù)膽梅奖阏{(diào)節(jié)定位平臺水準，并可以通過調(diào)節(jié)千斤頂高度使鋼管柱的水準高程達到要求。

圖4 A-A剖面

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

2.2 鋼管柱的預處理

對于較長的鋼管柱不適合一次安裝時，采用分節(jié)吊裝，分段焊接。為取消鋼護筒，防止泥漿進入鋼管柱內(nèi)，給予施工人員在進行鋼管柱二次調(diào)節(jié)時一個可操作空間，需要在鋼管柱吊裝對接前，對鋼管柱進行預處理。在抗浮力計算后，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左右標高，沿鋼管柱四周均勻安裝4個螺旋千斤頂，其平面布置及實物圖見圖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，為保證支撐部位孔壁土體穩(wěn)定，一方面將千斤頂支腿設計為與樁孔弧度一致的擴大弧形板，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)設計的鋼管柱定位平臺使鋼管柱精準定位，其示意圖見圖6。

圖6 鋼管柱二次調(diào)節(jié)示意

2.4 鋼護筒埋設

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

圖7 鋼護筒埋設示意

2.5 工具柱連接

鋼管柱施工完成一段時間后，需與頂板澆筑為一個整體，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置工具柱，工具柱與鋼管柱之間利用8個A30高強螺栓進行連接，工具柱高出定位平臺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→安裝鋼護筒→旋挖鉆成孔→樁基鋼筋籠制作→地表定位平臺加工與安裝→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→鋼管柱垂直復測→澆筑鋼管內(nèi)混凝土→拆除定位平臺和工具柱→細砂回填。

3.1 孔位定位

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

場地平整完畢后進行鋼管柱樁位放樣，測放時采用全站儀，根據(jù)確定坐標進行放樣，樁位經(jīng)過測放確定后，釘好十字護樁，并做好測量復核工作，保證平面位置準確。

3.2 成孔施工

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

（2）泥漿制備：旋挖鉆成孔時，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)場的實際情況和工程地質(zhì)，及時進行泥漿配比的調(diào)整，控制泥漿的比重、粘度、含砂率等性能指標，并保證泥膜的厚度與強度。

（3）鉆進成孔：在鉆進成孔過程中，要根據(jù)地質(zhì)特點，把好三關(guān)：進尺關(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

（1）首先在硬化地坪上精準測放出定位平臺的4個角點，利用吊車吊裝定位平臺來進行安裝，平臺的安裝偏差必須在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與事先預埋在硬化地坪內(nèi)的預埋件進行焊接，從而增加定位平臺的穩(wěn)定性。

（2）定位平臺采用全站儀及坐標法進行測量定位，用水平尺調(diào)整平整度。待千斤頂撐腳固定后，再次對中心點位復測，使平臺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)底部預先澆筑混凝土時，加強對混凝土和易性、坍落度的控制，并加強振搗，確保鋼管柱砼的密實。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。

鋼管柱施工中需進行對接，具體按以下過程進行。

（1）出廠前，在柱頂對稱焊接一對吊耳，同時在吊耳側(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兩臺吊車配合吊裝，70 t為主吊，25 t為副吊，采用三點同時吊裝，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)，然后進行電焊，最后采用CO2氣體進行焊接，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到設計強度70%后澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土，并預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，細砂回填保護預埋的鋼 筋籠。

3.6 拆除定位平臺及工具柱并回填細砂

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

（2）工具柱拔除后，先將鋼管柱外圍回填細砂，再移動定位平臺至下一個鋼管柱施工點。

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定位難，定位工藝復雜等難題進行了探討，提出了針對性技術(shù)措施，在實際施工中取得了良好的效果。

（1）研發(fā)設計了一種鋼管柱定位平臺，其由支架架體，操作平臺，液壓千斤頂及螺栓調(diào)節(jié)器組成。利用該定位平臺可實現(xiàn)鋼管柱中心、高程精準定位，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)理的一致認可，具有較高的經(jīng)濟效益與社會效益。

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[4] 張 能,景兆驥,康晉明.全站儀和激光投點儀放樣鋼管柱精度淺析[J].北京測繪,2014(1):63-65.

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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工作，Email: 273145898@ qq.com。