蓋挖地鐵站大直徑超長(zhǎng)鋼管混凝土柱施工技術(shù)

于世飛

中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000

1 工程概況

太原火車(chē)站東廣場(chǎng)地鐵站站臺(tái)中心里程為YDK13+220.00，車(chē)站起止里程為YDK13+129.500～YDK13+309.500，車(chē)站長(zhǎng)180m。本站采用地下三層雙柱三跨箱形框架的結(jié)構(gòu)形式，地下一層為市政隧道，地下二至四層為地鐵車(chē)站，車(chē)站與市政隧道共構(gòu)合建，高6.37m，總寬39.3m，地下三、四層標(biāo)準(zhǔn)段寬23.5m，高15.47m，車(chē)站總高21.84m。主體結(jié)構(gòu)第12 軸～18 軸采用蓋挖逆筑法施工。

蓋挖頂板下部設(shè)計(jì)14 根Φ800mm 鋼管混凝土柱作為基坑開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)回筑階段的主要受力構(gòu)件，采用“一樁一柱”設(shè)計(jì)，鋼管柱壁厚20mm，直徑為800mm，長(zhǎng)度為23.47m。鋼管柱底部為Φ2000mm 樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為66m，鋼管柱錨入樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度為3500mm。設(shè)計(jì)采用泥漿護(hù)壁成孔灌注樁進(jìn)行施工，樁基礎(chǔ)混凝土為C40 P12 混凝土，鋼管柱內(nèi)為C50 微膨脹混凝土。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探，場(chǎng)地地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q42ml）、第四系上更新統(tǒng)坡洪積層（Q3dl+pl）、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層（Q2al+pl）。巖性包括雜填土、素填土、濕陷性粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉土、粉砂、細(xì)中砂等。

3 工程重難點(diǎn)分析

3.1 樁基礎(chǔ)為大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁，施工質(zhì)量控制難度大

本工程鋼管混凝土柱底部為Φ2000mm 樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為66m，為鉆孔灌注樁，成孔深度達(dá)86m，樁孔垂直度極難控制，且鋼管柱及其樁基礎(chǔ)主要穿透濕陷性粉質(zhì)黏土、粉砂等地層，塌孔風(fēng)險(xiǎn)極高。因此大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制是本工程的重難點(diǎn)。

3.2 樁基混凝土為超緩凝混凝土，其配合比設(shè)計(jì)和實(shí)施復(fù)雜

根據(jù)本工程樁長(zhǎng)、商品混凝土攪拌站距離，考慮鋼管柱安裝時(shí)間，混凝土緩凝時(shí)間不小于24h，且在樁基水下混凝土灌注完成后，鋼管柱需要插入混凝土3.5m，混凝土流動(dòng)性要保持至鋼管柱插入以后，所以該超緩凝混凝土配合比設(shè)計(jì)和實(shí)施是鋼管柱施工的關(guān)鍵。

3.3 鋼管柱構(gòu)件大，安裝質(zhì)量要求高

本工程鋼管柱壁厚20mm，直徑為800mm，長(zhǎng)度為23.47m，鋼管柱構(gòu)件大，安裝質(zhì)量要求高，鋼管柱的精確定位和垂直度控制是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

4 鋼管混凝土柱施工工藝

鋼管混凝土柱采用旋挖鉆機(jī)成孔，成孔后下放柱下樁基鋼筋籠并澆筑超緩凝混凝土，其施工工藝流程：

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→埋設(shè)護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→成孔檢測(cè)→清孔→吊放鋼筋籠→安裝導(dǎo)管→超緩凝混凝土拌制和灌注→工作井成孔，澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土→安放定位平臺(tái)→吊放鋼管柱→定位平臺(tái)拆除→鋼管柱周?chē)靥罴?xì)砂。

5 鋼管混凝土柱施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 鋼管柱底樁基鉆進(jìn)成孔

5.1.1 測(cè)量放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)樁位進(jìn)行放線，嚴(yán)格控制樁位精度，由測(cè)量隊(duì)提前將要施工的樁位在施工平臺(tái)上放出，并打設(shè)四個(gè)十字保護(hù)樁，利用護(hù)樁控制護(hù)筒埋設(shè)，可以隨時(shí)復(fù)核樁位，確保樁位準(zhǔn)確。

5.1.2 埋設(shè)護(hù)筒

護(hù)筒采用Φ2200mm×5000mm 定制鋼護(hù)筒，用人工配合機(jī)械開(kāi)挖埋設(shè)，要放置在硬土面上并臨時(shí)聯(lián)結(jié)到平臺(tái)，護(hù)筒周?chē)靥钫惩敛⒑粚?shí)。其頂端要高出地面不少于0.3m，懸掛垂球測(cè)量其傾斜度，以保證不大于1%，護(hù)筒中心與樁位中心偏差不得大于50mm。

5.1.3 鉆孔

采用旋挖鉆鉆孔，護(hù)筒埋設(shè)后，鉆機(jī)就位對(duì)中，將鉆機(jī)縱橫調(diào)平，保證其垂直度，并再次校核樁中心位置，鉆孔時(shí)采用泥漿護(hù)壁，在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)及時(shí)添加新鮮泥漿，使其高于孔外水位，配制泥漿選取水化性能較好、造漿率高、成漿快的膨潤(rùn)土；在圓礫、砂石等地層漿液滲漏較快時(shí)，適當(dāng)加大泥漿密度，再摻入纖維素和純堿等外加劑，使用鉆機(jī)鉆頭在孔內(nèi)攪漿，防止泥漿護(hù)壁護(hù)不上。鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行第一次清孔。鉆孔過(guò)程中挖掘機(jī)配合運(yùn)輸車(chē)，及時(shí)將鉆渣清運(yùn)，保持現(xiàn)場(chǎng)整潔。

5.1.4 清孔

為了保證清孔質(zhì)量，采用二次清孔，第一次清孔利用成孔結(jié)束后不提鉆慢轉(zhuǎn)清孔，調(diào)制性能好的泥漿替換孔內(nèi)稠泥漿與鉆渣，以泥漿性能參數(shù)控制。第二次清孔是在下好鋼筋籠和導(dǎo)管后進(jìn)行，利用導(dǎo)管進(jìn)行清孔，清孔時(shí)經(jīng)常上下竄動(dòng)導(dǎo)管，以便能將孔底周?chē)撏燎宄蓛?。在第二次清孔?h 內(nèi)及時(shí)注入第一斗混凝土。否則重新測(cè)量沉渣或清孔。清孔后沉渣厚度要符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 鋼筋籠、鋼管柱制作

鋼筋籠制作統(tǒng)一在鋼筋加工場(chǎng)進(jìn)行，用卡板成型法控制鋼筋籠直徑和主筋間距，根據(jù)鋼筋骨架設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的不同，鋼筋籠分節(jié)制作與安裝，每一節(jié)籠長(zhǎng)一般不大于12m，以免運(yùn)輸、吊裝時(shí)變形。鋼筋籠接頭采用直螺紋套筒，接頭在構(gòu)件同一平面內(nèi)不得大于50%。

鋼管柱采取外委加工方式，加工過(guò)程中，安排管理人員駐廠監(jiān)造。鋼管柱加工完畢出場(chǎng)前，按規(guī)范要求檢查驗(yàn)收鋼管柱質(zhì)量。鋼管柱的裝卸及運(yùn)輸過(guò)程中，采取支頂、加固、捆綁等有效措施，防止鋼管柱滾動(dòng)、變形。

5.3 鋼筋籠吊裝

鋼筋籠吊裝入口后，調(diào)整好垂直度后緩慢下放，下放過(guò)程中嚴(yán)禁碰觸孔壁。骨架下降到最后一道加強(qiáng)箍筋時(shí)，用2 根型鋼穿過(guò)加強(qiáng)箍筋的下方，使骨架豎直，進(jìn)行套筒連接，主筋對(duì)位后使用扭力扳手?jǐn)Q緊套筒，確保鋼筋連接符合要求。鋼筋籠最后一節(jié)按設(shè)計(jì)標(biāo)高就位后焊接吊筋，下部焊接與主筋上，上部與鋼護(hù)筒頂部焊接固定，防止混凝土澆筑過(guò)程中鋼筋骨架上浮。

5.4 超緩凝混凝土拌制、灌注

為保證鋼管柱有充足時(shí)間精確定位、插入混凝土內(nèi)，本工程樁基混凝土采用超緩凝混凝土。

5.4.1 混凝土超緩凝時(shí)間的確定混凝土緩凝時(shí)間是根據(jù)樁基混凝土澆注完成到鋼管柱插入完成所需時(shí)間，根據(jù)本工程樁長(zhǎng)、商品混凝土攪拌站距離，設(shè)定澆筑時(shí)間t=12h，鋼管柱插入所需時(shí)間為5h，考慮到其他突發(fā)因素影響，混凝土緩凝時(shí)間按照不小于24h。

5.4.2 混凝土工作性的確定

（1）流動(dòng)性：水下灌注混凝土施工不具備振搗條件，靠混凝土自身重量產(chǎn)生流動(dòng)在樁基底部攤平和搗實(shí)，尤其是大直徑長(zhǎng)鉆孔樁的澆筑時(shí)間較長(zhǎng)，若流動(dòng)性較差，就會(huì)造成灌注困難、堵管，無(wú)法正常灌注，甚至?xí)霈F(xiàn)斷樁，引發(fā)質(zhì)量事故及較大的經(jīng)濟(jì)損失。樁基混凝土澆筑完成后，鋼管柱需要插入混凝土3.5m，混凝土流動(dòng)性（塌落度）要保持流動(dòng)性到鋼管柱插入之后。

（2）黏聚性和保水性：水下灌注混凝土要有較好的黏聚性和保水性，以防止因混凝土的離析、泌水在灌注過(guò)程中出現(xiàn)碎石在導(dǎo)管中局部集結(jié)，造成"卡管"，引發(fā)質(zhì)量事故。

5.4.3 混凝土的坍落度損失的確定

根據(jù)商品混凝土公司距離工地的距離，測(cè)定出混凝土從拌和開(kāi)始到運(yùn)到工地施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間為80 分鐘，保險(xiǎn)起見(jiàn)考慮混凝土1h 坍落度損失率控制在在11%以內(nèi)。

5.4.4 超緩凝混凝土配合比的配制

根據(jù)鋼管柱施工工藝所需要的緩凝及流動(dòng)性的時(shí)間，根據(jù)原材料的實(shí)際情況、經(jīng)過(guò)多次的試配，確定緩凝外加劑及混凝土的的配比。

5.4.5 混凝土灌注

在灌筑混凝土前，要對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行水密、承壓和接頭抗拉試驗(yàn)，合格后，分段拼接，用吊車(chē)吊入孔內(nèi)拼成整體。鋼筋籠就位經(jīng)檢查合格后，立即下導(dǎo)管、安裝漏斗、儲(chǔ)料斗及隔水栓。導(dǎo)管底部離孔底0.3～0.4m，儲(chǔ)料斗的容積要滿足首批灌筑下的混凝土埋置導(dǎo)管深度的要求（不小于1m）。

灌注混凝土?xí)r，隨時(shí)用測(cè)繩檢查混凝土面高度和導(dǎo)管埋置深度，嚴(yán)格控制導(dǎo)管埋深，防止導(dǎo)管提漏或埋管過(guò)深拔不出而出現(xiàn)斷樁。導(dǎo)管埋深要考慮混凝土表面的浮渣厚度，導(dǎo)管埋入混凝土的深度一般控制在2～6m。灌注混凝土過(guò)程中要做好詳細(xì)記錄。

5.5 鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑

為確保鋼管柱插入混凝土?xí)r，不因浮力過(guò)大無(wú)法精準(zhǔn)定位，本工程采用先澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土，后吊放鋼管柱的施工方法。

在樁孔鉆進(jìn)施工的同時(shí)，在場(chǎng)地空地處打設(shè)2 個(gè)直徑1000mm，深度22m 的樁孔，作為工作井使用。用吊車(chē)將加工制作好的鋼管柱放入工作井中，按照鉆孔灌注樁施工工藝依次安放鋼管柱內(nèi)鋼筋籠和導(dǎo)管。為防止混凝土澆筑過(guò)程中發(fā)生離析現(xiàn)象，柱內(nèi)混凝土選用C50 微膨脹混凝土，采用導(dǎo)管法灌注鋼管柱內(nèi)混凝土，柱頂范圍內(nèi)混凝土采用插入式振搗棒進(jìn)行振搗，待混凝土達(dá)到初凝后方可吊裝鋼管柱。

5.6 鋼管柱定位安裝

5.6.1 工具柱連接

本工程鋼管柱在地面以下有一定的高度，為確保定位架能將鋼管柱送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在安裝鋼管柱時(shí)需加接一根工具柱，長(zhǎng)度6m，直徑和材質(zhì)與鋼管柱相同。在鋼管柱吊放前，用140t履帶吊將工具柱吊至鋼管柱頂端，用螺栓將工具柱連接在鋼管柱上；連接時(shí)各螺絲必須擰緊，螺母擰緊后涂上潤(rùn)滑脂，將套筒桿套在螺母上；然后將鋼管柱端的螺母焊接在鋼管柱上。

5.6.2 定位平臺(tái)安裝

混凝土灌注結(jié)束及導(dǎo)管拆除后，迅速用履帶吊將鋼管柱定位安裝平臺(tái)安裝在護(hù)筒邊上。平臺(tái)安放時(shí)要將平臺(tái)的中心線與樁軸線重合，若因護(hù)筒偏差，平臺(tái)中心與樁位的偏差不得大于50mm。平臺(tái)就位后，用千斤頂將平臺(tái)調(diào)平，用電動(dòng)沖擊鉆打Φ25mm×200mm 的孔，插入Φ25×350mm 的螺紋鋼并與平臺(tái)焊接在一起，確保平臺(tái)不偏移。將平臺(tái)上的四根調(diào)整導(dǎo)輪的橫桿調(diào)至大于1.2m 位置，以便鋼管柱下放不碰撞平臺(tái)。測(cè)量組在平臺(tái)頂端和下端各設(shè)置四個(gè)控制點(diǎn)，以便鋼管柱下放時(shí)控制中心度。

5.6.3 鋼管柱安裝

用履帶吊將鋼管柱從工作井吊至安裝平臺(tái)頂部，從上部緩緩插入樁孔內(nèi)。鋼管柱底插至離樁頂混凝土上1 米時(shí)停止下放，然后通過(guò)控制點(diǎn)測(cè)出鋼管柱工具柱與樁的中心偏差。將調(diào)整抬杠移至相應(yīng)位置，并用螺栓固定。固定完成后，調(diào)整平臺(tái)上部頂輪的調(diào)整螺絲，利用頂輪將工具柱頂至鋼管柱中心位置并鎖定調(diào)整螺母；然后調(diào)整平臺(tái)下部導(dǎo)輪。調(diào)整完成后鋼管柱中心偏差不得大于5mm。鋼管柱對(duì)中后，吊車(chē)緩緩下放鋼管柱至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

5.6.4 鋼管柱固定

鋼管柱安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高后將固定抬桿放置至護(hù)筒邊兩根工字鋼上，并用兩塊300×300×25 三角板焊接在工具節(jié)和抬桿上。待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，方可拆除安裝平臺(tái)。

5.6.5 鋼管柱周?chē)靥?/p>

安裝平臺(tái)拆除后，在護(hù)筒周邊設(shè)置圍擋，保證鋼管柱及工字鋼不被碰撞。待鋼管柱底部樁基超緩凝混凝土和柱內(nèi)微膨脹混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后，用細(xì)砂對(duì)鋼管柱周?chē)諛恫糠诌M(jìn)行均勻回填。

6 結(jié)語(yǔ)

太原火車(chē)站東廣場(chǎng)地鐵站采用蓋挖逆筑法施工，承重結(jié)構(gòu)為大直徑超長(zhǎng)鋼管混凝土柱，其結(jié)合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自的技術(shù)特點(diǎn)，具有承載力高、延性好，耐火耐腐蝕性強(qiáng)，抗震性能優(yōu)越，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，消除了地鐵站結(jié)構(gòu)蓋挖施工過(guò)程中的安全隱患，為地鐵站結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量提供了保證，增強(qiáng)了地鐵站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。大直徑超長(zhǎng)鋼管混凝土柱施工技術(shù)在類似蓋挖地鐵站工程施工中有一定的推廣意義。