蓋挖逆作車(chē)站鋼管混凝土柱置換技術(shù)研究

牛 斌

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

蓋挖逆作法是在地面或頂板以上淺基坑中修筑完地下結(jié)構(gòu)頂板及其豎向支撐結(jié)構(gòu)后，在其支護(hù)體系的保護(hù)下，自上而下逐層開(kāi)挖土體并逐層修筑地下結(jié)構(gòu)的方法[1]?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定： 作為永久結(jié)構(gòu)使用的中間豎向支撐結(jié)構(gòu)允許定位偏差不大于20 mm，同時(shí)垂直度偏差不宜大于1/500?！朵摴芑炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]規(guī)定： 鋼管混凝土柱垂直度容許偏差不大于15 mm，同時(shí)垂直度偏差不大于1/1 000。

導(dǎo)致鋼管混凝土柱施工產(chǎn)生偏差的原因較多，如： 插入立柱樁內(nèi)長(zhǎng)度太小、錨固長(zhǎng)度不足；樁成孔過(guò)程中遇到較大的孤石或漂石使鉆頭受力不均勻；鋼立柱吊放或混凝土澆搗過(guò)程中垂直度校正不到位；立柱施工完成后空隙未及時(shí)填充或填充不密實(shí)；施工過(guò)程中機(jī)械碰撞鋼管柱；未對(duì)鋼管柱兩側(cè)土體進(jìn)行對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖等。

國(guó)內(nèi)針對(duì)結(jié)構(gòu)柱的傾斜處理進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究。余興華等[5]對(duì)某框筒結(jié)構(gòu)混凝土柱置換施工方案進(jìn)行了分析研究。王靜民[6]對(duì)某高層建筑不滿足混凝土強(qiáng)度要求的部分混凝土結(jié)構(gòu)柱、墻、梁等進(jìn)行整體置換，通過(guò)設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，分批置換混凝土豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件。卜良桃等[7]為確保置換混凝土柱時(shí)上部結(jié)構(gòu)和施工操作的安全，通過(guò)測(cè)量支撐結(jié)構(gòu)及被置換結(jié)構(gòu)在卸載過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)變及卸荷點(diǎn)的變形，準(zhǔn)確地反映被置換混凝土部位結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和殘余變形以及支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，為卸載提供可靠依據(jù)。潘立[8]針對(duì)結(jié)構(gòu)工程中常見(jiàn)框架柱混凝土強(qiáng)度不足的缺陷，提出了用高強(qiáng)材料置換柱外周截面的加固方法，并對(duì)實(shí)施工藝與補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。袁茂生等[9]對(duì)某高層地下室鋼管混凝土柱置換加固的方案進(jìn)行了介紹。陳君等[10]通過(guò)在鋼管混凝土柱周?chē)爸髁合鄳?yīng)部位設(shè)置臨時(shí)支撐和千斤頂?shù)姆绞?，卸除柱上部荷載，并利用置換法對(duì)鋼管混凝土柱的偏位部分進(jìn)行置換。石開(kāi)榮等[11]對(duì)某工程高大鋼管混凝土柱采用搭設(shè)托梁反頂修復(fù)平臺(tái)并安裝頂升設(shè)備，依據(jù)計(jì)算所得反頂預(yù)應(yīng)力，對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行托梁頂升卸載，再將其偏位段拆除并安裝新鋼管，采用高性能自密實(shí)注漿料灌注修復(fù)的方式進(jìn)行置換。

以上主要是針對(duì)地上建筑的結(jié)構(gòu)柱置換及傾斜處理的研究，由于此類(lèi)結(jié)構(gòu)柱傾斜及混凝土質(zhì)量問(wèn)題在施工未竣工前發(fā)現(xiàn)，所以置換時(shí)荷載較??； 針對(duì)地下車(chē)站蓋挖逆作法鋼管混凝土柱的傾斜處理未見(jiàn)相關(guān)研究。本文通過(guò)對(duì)地下3層蓋挖逆作車(chē)站鋼管混凝土柱傾斜處理方案的比較，提出一種施工方便、經(jīng)濟(jì)適用的鋼管混凝土柱置換方案。

1 工程概況

某地下3層蓋挖逆作法車(chē)站，頂板覆土3.9 m，采用3層3跨矩形框架結(jié)構(gòu)，斷面高度為21.93 m，寬度為23.7 m；框架結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱、混凝土框架梁。車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸見(jiàn)表1。施工至地下3層底板時(shí)發(fā)現(xiàn)1根鋼管混凝土柱發(fā)生偏移(鋼管混凝土柱范圍的底板尚未澆筑)，負(fù)1層至負(fù)3層柱底向車(chē)站橫向(斷面方向)偏移量分別為114、254、375 mm，向車(chē)站縱向(長(zhǎng)度方向)偏移量分別為44、68、93 mm。地下2層及地下3層的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。垂直度偏差超出了《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的要求，需要對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行處理以滿足受力及使用功能要求。

圖1 車(chē)站結(jié)構(gòu)斷面圖(單位： mm)

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

車(chē)站范圍內(nèi)從上至下的地層有雜填土層、黃土狀粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、中粗砂層、粉土層、細(xì)中砂層以及中粗砂含卵石層?，F(xiàn)狀地下水位位于地面以下約52 m，含水層為中粗砂含卵石層，施工時(shí)不需要降水。施工階段需在底板下設(shè)置工程樁，作為中間鋼管柱豎向支撐承載的樁基礎(chǔ)，承擔(dān)施工階段豎向荷載。工程樁采用“一柱一樁”形式，為直徑1.8 m的鉆孔灌注樁，并采用樁端注漿。

鋼管混凝土柱采用Q235鋼，鋼管為無(wú)縫鋼管，內(nèi)部灌注C50微膨脹混凝土。計(jì)入連接件的鋼管柱總長(zhǎng)度為23.53 m，共分為2段。鋼管采用法蘭連接，高強(qiáng)螺栓性能等級(jí)為10.9級(jí)。鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)圖(單位： m)

2 鋼管混凝土柱傾斜處理思路

2.1 處理原則

1)處理過(guò)程中應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)不影響地面車(chē)輛的正常通行；

2)處理后的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求，達(dá)到竣工驗(yàn)收條件；

3)滿足車(chē)站使用功能要求，不影響車(chē)站裝修及整體效果；

4)施工方便、經(jīng)濟(jì)適用。

2.2 擴(kuò)截面加固方案

在需要傾斜處理的鋼管混凝土柱兩側(cè)增加臨時(shí)鋼管，鋼管上方設(shè)置鋼橫梁，并在橫梁上方設(shè)置4個(gè)同步頂升的液壓千斤頂，采用擴(kuò)截面法進(jìn)行傾斜處理。對(duì)原鋼管混凝土柱進(jìn)行切削處理，新增鋼管柱直徑1 000 mm，壁厚20 mm，在新增鋼管柱與切削處理的鋼管混凝土柱之間預(yù)留100 mm的間隙進(jìn)行混凝土填充，并采用L型錨筋將原鋼管與新澆注混凝土進(jìn)行加固處理。鋼管混凝土柱加固方案如圖4所示。

圖4 鋼管混凝土柱加固方案(單位： mm)

上述加固方案存在問(wèn)題如下： 1)由于各層以及斷面方向、長(zhǎng)度方向的偏差不同，有的部位鋼管需要部分切削，有的部位鋼管需要全部切削，甚至對(duì)混凝土進(jìn)行切削，處理難度大； 2)在新增鋼管與既有柱之間填充混凝土，雖設(shè)置了L型拉結(jié)筋，但由于混凝土澆筑時(shí)間不同，且內(nèi)部存在鋼管，難以保證結(jié)構(gòu)整體協(xié)同受力； 3)新增鋼管柱直徑1 m，處理后此鋼管混凝土柱直徑較大，影響車(chē)站裝修效果。

2.3 置換加固方案

本工程對(duì)傾斜的鋼管混凝土柱進(jìn)行整體置換加固，鋼管混凝土柱置換施工步序如圖5所示。

1)在需要置換的鋼管混凝土柱兩側(cè)的縱梁處，用鋼筋混凝土柱(900 mm×900 mm)通過(guò)植筋方式從底縱梁頂支撐至頂縱梁底，并在每層板之間用6根臨時(shí)鋼管柱進(jìn)行支撐。

2)從樁基礎(chǔ)頂至負(fù)1層柱頂上加強(qiáng)環(huán)底面以下1.2 m原鋼管混凝土柱全部靜力切割，其余部分人工拆除，并將負(fù)1層、負(fù)2層臨時(shí)混凝土支撐之間的中縱梁拆除，縱梁拆除時(shí)保留梁、板縱向鋼筋。

3)將負(fù)1層柱頂下加強(qiáng)環(huán)底面以下鋼管內(nèi)的混凝土剔除，并保留芯柱鋼筋。

4)按照原設(shè)計(jì)施作底縱梁，從底縱梁頂至負(fù)1層頂安裝鋼管(φ=800 mm，t=20 mm)，新增鋼管柱頂設(shè)加強(qiáng)環(huán)，并與負(fù)1層頂原加強(qiáng)環(huán)螺栓、焊接連接，恢復(fù)中縱梁鋼筋并澆筑混凝土。

5)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分段、對(duì)稱(chēng)拆除臨時(shí)支撐。

(a) 施加臨時(shí)支撐 (b) 拆除結(jié)構(gòu)柱 (c) 施作底層鋼管柱 (d) 依次向上施工鋼管柱 (e) 鋼管柱與梁連接 (f) 拆除支撐

3 關(guān)鍵施工控制措施及技術(shù)工序要點(diǎn)

3.1 臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土柱在置換過(guò)程中，需要將柱子受力轉(zhuǎn)移至臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)上，因此需要設(shè)置可靠的支撐進(jìn)行豎向力傳遞。在被置換的鋼管混凝土柱每側(cè)縱梁位置處各設(shè)置1個(gè)鋼筋混凝土框架柱(900 mm×900 mm)支撐，并在外側(cè)設(shè)置臨時(shí)鋼管撐，除頂板為縱橫梁體系外，中板及底板均為縱梁體系。頂、中、底板支撐結(jié)構(gòu)平面如圖6所示，支撐結(jié)構(gòu)縱剖面及斷面如圖7所示。

1)將支撐柱鋼筋植入原混凝土底縱梁、各層縱梁及頂縱梁，植筋深度不應(yīng)小于20d(d為鋼筋直徑)。

2)設(shè)置支撐時(shí)，每層的鋼筋混凝土柱軸心上下對(duì)齊，垂直度應(yīng)滿足規(guī)范[2-3]要求。

3)臨時(shí)混凝土支撐采用微膨脹混凝土確保澆筑密實(shí)。

4)臨時(shí)鋼管撐頂緊既有結(jié)構(gòu)，頂升力控制值為結(jié)構(gòu)受力計(jì)算值的80%，避免結(jié)構(gòu)由于頂升力過(guò)大出現(xiàn)裂縫。

3.2 既有鋼管混凝土柱鑿除

被置換的鋼管混凝土柱在臨時(shí)支撐作用下，柱子受力較小或不受力。對(duì)負(fù)1—3層原鋼管混凝土柱采用靜力拆除法拆除，采用切割機(jī)沿豎向?qū)摴芫鶆蚯懈畛?份，切割前各片用導(dǎo)鏈拴住，然后從上至下進(jìn)行環(huán)向切割。切割采用繩鋸切割方式，施工工藝為： 確定切割斷面位置—安裝導(dǎo)向輪—固定機(jī)械—安裝金剛石繩索—連接操作系統(tǒng)—設(shè)置安全防護(hù)—靜力切割。

靜力拆除法將外部鋼管切割后，再將內(nèi)部混凝土柱拆除。鋼管切割時(shí)在每塊待切割的鋼管外部焊接U型鋼筋與鐵鏈連接，防止掉落； 同時(shí)，將負(fù)1層柱頂下加強(qiáng)環(huán)底面以下(頂縱梁下方1.2 m)的鋼管及混凝土人工剔除，保留芯柱縱向鋼筋，將箍筋廢棄，并將負(fù)1層、負(fù)2層臨時(shí)混凝土支撐之間的中縱梁混凝土拆除，露出梁、板鋼筋。

(a) 頂板支撐結(jié)構(gòu)平面圖 (b) 中板支撐結(jié)構(gòu)平面圖 (c) 底板支撐結(jié)構(gòu)平面圖

(a) 支撐結(jié)構(gòu)縱剖面圖 (b) 支撐結(jié)構(gòu)斷面圖

3.3 新澆筑鋼管混凝土柱及柱頂與加強(qiáng)環(huán)梁的連接

柱頂置換范圍節(jié)點(diǎn)立面法如圖8所示。置換柱仍采用鋼管混凝土柱(φ=800 mm，t=20 mm)，將新增鋼管混凝土柱與原加強(qiáng)環(huán)采用螺栓與焊接連接，即此處采用“雙法蘭連接”方式。中板梁柱節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置法蘭實(shí)現(xiàn)原中縱梁縱筋焊接連接或錨固。

圖8 柱頂置換范圍節(jié)點(diǎn)立面法(單位： mm)

1)結(jié)合處的舊混凝土表面應(yīng)按要求進(jìn)行鑿毛并植拉結(jié)筋，拉結(jié)筋采用φ8@300梅花形布置，清除混凝土表面的油污、浮漿，并將灰塵清理干凈，充分灑水濕潤(rùn)，保證連接面的質(zhì)量和可靠性。

2)新增鋼管頂加強(qiáng)環(huán)與負(fù)1層柱頂原加強(qiáng)環(huán)頂緊并采用螺栓連接和周圈焊接連接，中板梁柱節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置法蘭實(shí)現(xiàn)原中縱梁縱筋焊接連接或錨固，如圖9—10所示。

(a) 原法蘭斷面圖

(b) 新增法蘭斷面圖

(a) 樓板梁柱節(jié)點(diǎn)上部構(gòu)造

(b) 樓板梁柱節(jié)點(diǎn)下部構(gòu)造

(c) 樓板梁柱節(jié)點(diǎn)縱剖面圖

(d) 樓板梁柱節(jié)點(diǎn)橫斷面圖

3)澆筑前設(shè)置3～4個(gè)后注漿孔，注漿孔位于排氣孔水平位置以下，先澆筑混凝土至新老混凝土接縫處，待混凝土初凝之前加壓注漿(漿液中滲入適量微膨脹劑)，澆筑過(guò)程中應(yīng)保證氣體能自由逸出，待漿液從所有排氣孔流出時(shí)方可結(jié)束注漿，澆筑完成后應(yīng)采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施。

3.4 結(jié)構(gòu)加固用膠粘劑

部分鋼筋鑿除后無(wú)法連接，需要進(jìn)行植筋連接，植筋應(yīng)采用專(zhuān)用改性環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑或改性乙烯基酯類(lèi)膠粘劑，膠體性能和粘結(jié)能力應(yīng)滿足A級(jí)膠要求，其填料必須在工廠制膠時(shí)添加，嚴(yán)禁在施工現(xiàn)場(chǎng)摻入，膠粘劑必須進(jìn)行粘結(jié)抗剪強(qiáng)度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)，其粘結(jié)抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)置信水平為0.9、保證率為95%的要求確定，嚴(yán)禁使用不飽和聚酯樹(shù)脂和醇酸樹(shù)脂作為膠粘劑。承重結(jié)構(gòu)加固用的膠粘劑性能均應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》[12]的規(guī)定，且應(yīng)通過(guò)耐濕熱老化能力和耐長(zhǎng)期應(yīng)力作用能力的檢驗(yàn)。

3.5 監(jiān)控量測(cè)方案

對(duì)置換影響范圍內(nèi)的8根永久鋼管混凝土柱、6根臨時(shí)鋼管支撐及2根臨時(shí)混凝土支撐進(jìn)行立柱位移及傾斜監(jiān)測(cè)，位移控制值為2 mm，傾斜控制值為跨度的1‰。對(duì)置換鋼管混凝土柱周邊的各層梁及板進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，控制值為1 mm。結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，精度為0.01 mm。

在支撐結(jié)構(gòu)及被置換結(jié)構(gòu)表面粘貼應(yīng)變片，采用應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)量在卸載過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生的應(yīng)變，準(zhǔn)確反映被置換部位的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。結(jié)構(gòu)拆除時(shí)應(yīng)分段對(duì)稱(chēng)卸載，監(jiān)測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)較大的應(yīng)變，相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)也未有較大的變形及裂縫產(chǎn)生，置換的鋼管混凝土柱與原結(jié)構(gòu)協(xié)同受力良好。

4 結(jié)論與建議

1)對(duì)于蓋挖逆作法施工的鋼管混凝土柱，若施工偏差超過(guò)規(guī)范的允許值，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行核算，必要時(shí)采取加固或置換處理。

2)鋼管混凝土柱置換施工時(shí)，應(yīng)有可靠的臨時(shí)支撐，本工程采用混凝土與鋼管柱聯(lián)合支撐的方式，預(yù)留了較高的安全度，確保臨時(shí)支撐的可靠性。

3)新施作的鋼管混凝土柱如何與既有的梁柱結(jié)構(gòu)協(xié)同受力是設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，本文采用靜力拆除與人工剔除的方式，預(yù)留原結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼管混凝土柱連接，避免了植筋的不確定性。

4)新增鋼管頂加強(qiáng)環(huán)與負(fù)1層柱頂原加強(qiáng)環(huán)頂緊并采用螺栓與焊接連接的方式，保證了連接的可靠性。

5)施工全過(guò)程采用自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)與應(yīng)變監(jiān)測(cè)相結(jié)合，確保結(jié)構(gòu)安全，運(yùn)營(yíng)后應(yīng)對(duì)鋼管混凝土柱置換位置進(jìn)行定期檢測(cè)和結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。

對(duì)于蓋挖逆作法施工的結(jié)構(gòu)，建議: 1)設(shè)計(jì)應(yīng)采用方便立柱校正和固定的方案，同時(shí)減少土方開(kāi)挖對(duì)立柱偏位的影響； 2)根據(jù)地層與施工工藝選擇合理的施工機(jī)械、定位設(shè)備和定位方法； 3)鋼管混凝土柱施工完成后應(yīng)從上向下逐層校核其垂直度，以便采用經(jīng)濟(jì)合理的方式進(jìn)行處理。