蓋挖逆作地鐵車(chē)站鋼管柱施工技術(shù)*

馬紅錄

(中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著城市的蓬勃發(fā)展，諸多城市交通越來(lái)越擁堵，居民出行困難已成為一大難題[1]。發(fā)展城市軌道交通是在交通系統(tǒng)層面上改善交通出行結(jié)構(gòu)、集約利用交通資源的有效途徑[2-3]。近年來(lái)，在場(chǎng)地狹小或建設(shè)環(huán)境復(fù)雜地段修建的地鐵車(chē)站越來(lái)越多，蓋挖逆作法因施工時(shí)基坑暴露時(shí)間短，逐漸成為中心城區(qū)地鐵車(chē)站施工的主要工法。其中，鋼管柱作為蓋挖逆作法施工主體結(jié)構(gòu)的主要承載與傳力結(jié)構(gòu)，施工質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性能影響顯著。郝廣成[4]以長(zhǎng)春地鐵1號(hào)線繁榮路站為例，介紹了蓋挖逆作法車(chē)站中間鋼管柱安裝定位關(guān)鍵技術(shù)。炊鵬飛等[5]介紹了蓋挖逆作法地鐵車(chē)站中間柱及基樁施工關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化了施工工藝，總結(jié)了施工質(zhì)量控制要點(diǎn)。宋延濤[6]結(jié)合北京地鐵16號(hào)線達(dá)官營(yíng)站，研究HPE法插入鋼管樁的施工關(guān)鍵技術(shù)，形成一套蓋挖逆作法深基坑施工技術(shù)。

車(chē)陂站是廣州市軌道交通13號(hào)線與4號(hào)線的重要換乘車(chē)站，鋼管柱施工面臨眾多難題，本文以該車(chē)站為例，研究得到適用于該工程的鋼管柱施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 工程概況

1.1 車(chē)站介紹

廣州市軌道交通13號(hào)線作為東西向軸線，線路全長(zhǎng)33.5km，是解決廣州中心組團(tuán)與東部發(fā)展城市交通擁擠的有效方式。13號(hào)線全線均為地下線敷設(shè)，共設(shè)置23座車(chē)站，其中包括9座換乘車(chē)站。車(chē)陂站位于天河區(qū)車(chē)陂路和中山大道交會(huì)處，是廣州市軌道交通13號(hào)線與既有4號(hào)線的換乘車(chē)站。

1.2 地質(zhì)概況

車(chē)陂站場(chǎng)地區(qū)域?qū)儆谥榻侵逈_積平原，地勢(shì)較平坦，地面標(biāo)高為9.100～10.330m。車(chē)陂站地層巖土分層為人工填土層、海陸交互相沉積層、沖積-洪積砂層、沖積-洪積-坡積土層、殘積層、巖石全風(fēng)化帶、巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、巖石中風(fēng)化帶和巖石微風(fēng)化帶。本工程中間樁柱主要位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，厚度變化大，形態(tài)不規(guī)則，巖面起伏較大。施工過(guò)程中需注意孤石及地下障礙物的存在。

場(chǎng)地地表水主要包括車(chē)陂站東南側(cè)約300m處的車(chē)陂涌及西側(cè)94m處的一處暗涌，地下水主要為第四孔隙水和基巖裂隙水。場(chǎng)地范圍內(nèi)鉆孔砂層水及基巖水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部鋼筋具有微腐蝕性。考慮本工程地下水位較高，在鋼管柱下放過(guò)程中，需采取一定的抗浮防水措施。

1.3 鋼管柱設(shè)計(jì)概況

車(chē)陂站主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，左、右線均為地下4層結(jié)構(gòu)，先施工左線蓋板系統(tǒng)，將原中山大道車(chē)輛交通疏解至左線蓋板后，進(jìn)行右線圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)施工。待車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再恢復(fù)原中山大道交通道路。車(chē)陂站全長(zhǎng)168.65m，標(biāo)準(zhǔn)段寬12.3m，基坑開(kāi)挖深度約為33.4m。車(chē)站北側(cè)和南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用1m厚套銑接頭地下連續(xù)墻和1m厚工字鋼接頭地下連續(xù)墻，中間圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800鉆孔咬合樁。車(chē)陂站主體結(jié)構(gòu)橫剖面如圖1所示。

圖1 車(chē)陂站主體結(jié)構(gòu)橫剖面(標(biāo)準(zhǔn)段)

車(chē)陂站設(shè)計(jì)有15根中心間距為10.5～12m的φ1 200鋼管柱(見(jiàn)圖2)，每根鋼管柱下各配置1根φ2 000永久性立柱樁，作為鋼管柱樁基礎(chǔ)，鋼管柱嵌入立柱樁樁身5.5m。永久性立柱樁樁徑為2m，有效樁長(zhǎng)為6m，鋼筋籠長(zhǎng)7.3m，籠頂錨入底縱梁1.4m。立柱樁達(dá)到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí)要超灌1.4m，待施工底縱梁時(shí)破除超灌部分。立柱樁樁身強(qiáng)度合格后，鋼管柱柱體外部至孔壁間采用中粗砂或級(jí)配碎石回填密實(shí)。

圖2 車(chē)站鋼管柱平面

2 立柱樁施工方法

2.1 施工流程

鋼管柱的立柱樁為鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，采用旋挖鉆+全回轉(zhuǎn)鉆施工?？傮w施工流程為：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→埋設(shè)護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆孔、除渣成孔→成孔檢測(cè)→清孔→沉渣厚度檢測(cè)→移機(jī)→安放全回轉(zhuǎn)平臺(tái)→安放全回轉(zhuǎn)設(shè)備→吊裝鋼筋籠和鋼管柱，并焊接為一體→全回轉(zhuǎn)抱緊鋼管工具柱定位→下放導(dǎo)管→混凝土澆筑→拆除導(dǎo)管，24h后孔外回填碎石→拆除工具柱，吊離全回轉(zhuǎn)、拆除平臺(tái)→拔除護(hù)筒→回填→移機(jī)下一根柱。

2.2 樁位放樣

根據(jù)技術(shù)部門(mén)提供的測(cè)量放樣成果資料及現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)、高程點(diǎn)，進(jìn)行樁位放樣。根據(jù)地面路基情況，在樁中心四周鋪設(shè)鋼板，旋挖鉆機(jī)就位，移動(dòng)至樁中心位置。采用護(hù)樁十字交叉法對(duì)準(zhǔn)樁芯，用米尺測(cè)量水平和垂直2個(gè)方向鉆頭至護(hù)樁的距離。

2.3 埋設(shè)護(hù)筒

采用挖掘機(jī)清除淺層障礙物，開(kāi)挖埋設(shè)護(hù)筒前，將放樣樁位成十字交叉引測(cè)出來(lái)，形成4個(gè)定位樁，以便校正樁位。將護(hù)筒埋設(shè)在鉆孔中心位置，且二者中心重合，護(hù)筒中心和樁位中心偏差應(yīng)≤20mm，垂直度偏差應(yīng)≤1/300。就位旋挖鉆進(jìn)行鉆孔，與護(hù)筒中心、樁位中心偏差應(yīng)≤20mm。起重機(jī)垂直吊起護(hù)筒緩慢放于孔內(nèi)開(kāi)始下放，待護(hù)筒下放就位后，復(fù)核中心點(diǎn)。護(hù)筒與孔壁間用素土擠密夯實(shí)，以增大護(hù)筒側(cè)壁摩阻力，確保護(hù)筒的穩(wěn)固，從而有利于成孔過(guò)程中孔口的穩(wěn)定[7-9]。

2.4 設(shè)置泥漿系統(tǒng)

泥漿循環(huán)池由泥漿箱和沉淀箱組成，單個(gè)體積應(yīng)為樁身體積的1.5倍，當(dāng)沉渣超過(guò)1/2時(shí)，應(yīng)及時(shí)清理，以保證泥漿充分沉淀。由于泥漿池僅起過(guò)渡作用，故其尺寸可設(shè)置較小，沉淀箱主要用來(lái)進(jìn)行泥漿的循環(huán)存儲(chǔ)。

鉆進(jìn)時(shí)，細(xì)粒鉆渣沉淀在沉淀池內(nèi)，沉淀后用泥漿泵抽吸運(yùn)走。經(jīng)沉淀池沉淀后的優(yōu)質(zhì)泥漿流入泥漿池內(nèi)后抽回鉆孔內(nèi)。

2.5 成孔

鋼管柱底部立柱樁設(shè)計(jì)樁徑為2m，為確?；炷翝仓|(zhì)量，鉆孔樁鉆孔孔徑適當(dāng)增大至2.2m，以確保正常返漿。為保證成孔垂直度要求，采用φ1 000，φ1 600，φ2 200雙底截齒撈砂斗進(jìn)行成孔作業(yè)。即埋設(shè)長(zhǎng)6m，內(nèi)徑為2.4m的鋼護(hù)筒，先采用φ1 000雙底截齒撈砂斗進(jìn)行成孔作業(yè)，待成孔至設(shè)計(jì)深度，再換成φ1 600雙底截齒撈砂斗擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)深度，再換成φ2 200雙底截齒撈砂斗擴(kuò)孔至設(shè)計(jì)深度。若成孔過(guò)程中孔位出現(xiàn)偏斜則改用相應(yīng)直徑的截齒筒鉆從發(fā)生偏斜的位置上方2m處進(jìn)行修孔，待孔位修正后，再換成雙底截齒撈砂斗繼續(xù)成孔。此外，鉆頭入巖時(shí)也應(yīng)使用截齒筒鉆進(jìn)行過(guò)渡，確保成孔的垂直度。

鉆孔灌注樁樁位偏差應(yīng)≤50mm，樁身垂直度精度要求為1/300。采用注漿管進(jìn)行樁底注漿，以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)與立柱樁的差異沉降≤15mm。若立柱上方走車(chē)，需保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)與立柱樁的差異沉降≤10mm。

3 鋼管柱插樁施工方法

3.1 鋼管柱插樁原理及步驟

φ1 200鋼管柱采用SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)自行安裝，SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)參數(shù)如表1所示。SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)有上、下2層加緊裝置，可交替進(jìn)行抱緊下插作業(yè)。鋼管柱插樁步驟如下。

表1 SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)參數(shù)

1)通過(guò)定點(diǎn)式水平位移計(jì)將全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)安放孔口位置傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行精確調(diào)平，并精確對(duì)中。對(duì)成孔樁進(jìn)行樁位點(diǎn)復(fù)測(cè)，并將平臺(tái)墊板鋪設(shè)好。

2)吊裝插樁平臺(tái)，保證吊裝平臺(tái)水平。利用十字線垂球法使插樁平臺(tái)與孔位點(diǎn)精確對(duì)中。

3)安放全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，就位后使用定點(diǎn)式水平位移計(jì)對(duì)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行水平調(diào)整和精確對(duì)位，同時(shí)復(fù)測(cè)插樁平臺(tái)水平度，確保插樁平臺(tái)、樁位點(diǎn)、全回旋鉆機(jī)中心點(diǎn)3點(diǎn)共線。此外，放置全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)前，鉆孔護(hù)筒四周用20mm厚鋼板墊底，保證全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的地基基礎(chǔ)滿(mǎn)足承載力要求。

4)準(zhǔn)備工作就緒后，使用200，400t履帶式起重機(jī)將鋼管柱吊裝插入。鋼管柱起吊后穿過(guò)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)中心，待全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)能抱住工具柱時(shí)，用無(wú)線傳輸定點(diǎn)式測(cè)斜儀(測(cè)量精度<0.1%)對(duì)鋼管柱進(jìn)行垂直度校準(zhǔn)。使用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行精確微調(diào)保證鋼管柱垂直度，然后用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)自帶的上夾持裝置抱緊鋼管柱，下夾持裝置松開(kāi)后開(kāi)始安裝。

5)一個(gè)行程后使用下夾持裝置對(duì)鋼管柱進(jìn)行夾持固定，松開(kāi)上夾持器，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)回升復(fù)位，然后交替進(jìn)行抱緊下插安裝[10]。安裝就位后，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)上、下夾持裝置同時(shí)抱緊鋼管柱。

3.2 鋼管柱制作

鋼管柱在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接，鋼管采用高強(qiáng)螺栓連接。連接完成后對(duì)外觀及鋼管軸線進(jìn)行復(fù)檢。鋼管柱焊接工藝流程為：除銹→鋼管柱坡口加工→鋼管組對(duì)→定位焊接→預(yù)熱→水平轉(zhuǎn)動(dòng)焊接→外觀軸線檢驗(yàn)→焊縫無(wú)傷探測(cè)→焊縫處加勁環(huán)焊接→牛腿、墊板焊接→加強(qiáng)鋼板焊接→檢驗(yàn)→上下封口→噴漆。

鋼管柱每條焊縫按GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行抽樣拍片，進(jìn)行無(wú)傷檢測(cè)。檢查數(shù)量為抽查焊縫長(zhǎng)度的2%。每根鋼管抽樣拍片數(shù)量≥15張，并至少保留1張底片。如超出允許疵點(diǎn)應(yīng)加倍透照，如不合格，應(yīng)100%透照，抽樣拍片部位應(yīng)由監(jiān)理工程師指定，并按Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)片。一級(jí)探傷比例為100%，二級(jí)探傷比例為20%。需注意，雨天不得進(jìn)行鋼管柱焊接作業(yè)，若須進(jìn)行焊接，可設(shè)雨棚。

檢測(cè)完成后的焊縫處施作加勁環(huán)，提高焊縫質(zhì)量等級(jí)和鋼管柱抗剪能力。最后根據(jù)預(yù)埋件標(biāo)高焊接加強(qiáng)環(huán)板、墊板、牛腿等配件。法蘭焊接完成并檢驗(yàn)合格后，在加工平臺(tái)上保持垂直度，法蘭連接時(shí)采用高強(qiáng)螺栓對(duì)稱(chēng)緊固，一次緊固完成達(dá)到設(shè)計(jì)力即可。緊固完成后，檢查兩法蘭間間隙，間隙要保持一致，以保證其垂直度。

3.3 鋼管柱吊裝方法

3.3.1起吊和入孔

鋼管柱吊裝前將其插入樁基鋼筋籠并焊接固定，鋼管柱與鋼筋籠拼接好后，進(jìn)行吊裝。鋼管柱吊起后，主吊緩慢起鉤提升，副吊配合，最終使鋼管柱垂直于地面。指揮起重機(jī)吊裝鋼管柱入孔、定位，履帶式起重機(jī)行走、旋轉(zhuǎn)應(yīng)平穩(wěn)。當(dāng)鋼管柱下放到副吊點(diǎn)時(shí)，暫停下放，拆下該副吊點(diǎn)的鋼絲繩、卸扣。鋼管柱利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)下放入孔，入孔過(guò)程中，應(yīng)持續(xù)觀測(cè)垂直度變化，及時(shí)糾偏。

吊裝前對(duì)所有施工操作人員進(jìn)行安全交底，確保做到萬(wàn)無(wú)一失。鋼管柱吊裝過(guò)程中，操作人員須佩戴絕緣手套，穿絕緣膠鞋。

3.3.2鋼管柱下插

由全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)夾持裝置抱緊鋼管柱開(kāi)始安裝插入，直至設(shè)計(jì)底標(biāo)高。若下放困難，可采取向鋼管柱內(nèi)注水的方法增加鋼管柱自重。鋼管柱吊裝檢查項(xiàng)目如表2所示。

表2 鋼管柱吊裝檢查項(xiàng)目 mm

3.4 工具柱拆除

為在無(wú)水環(huán)境下拆除工具樁，同時(shí)保護(hù)鋼管柱柱身各節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件的防銹效果，待樁基混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，樁頂位置下放1臺(tái)抽水泵。用抽水泵將工具柱內(nèi)的泥漿抽干凈，達(dá)到無(wú)水條件后，再進(jìn)行拆除。工具柱內(nèi)設(shè)爬梯，便于拆卸工上下行動(dòng)。

待工人將工具柱的螺栓拆卸完成并運(yùn)離作業(yè)區(qū)后，司索工指揮400t履帶式起重機(jī)將工具柱從孔內(nèi)吊出地面，緩慢落至地面上30cm處，安排吊裝人員將副吊鋼絲繩掛在工具柱下方吊點(diǎn)。主吊緩慢抬升，升至約2m時(shí)，停止抬升，副吊開(kāi)始緩慢抬升，同時(shí)主吊配合副吊緩慢下降。工具柱始終保持離地面20～30cm，直到工具柱變?yōu)樗胶?，放至加工平臺(tái)上，與下一根鋼管柱拼裝。工具柱拆除完畢后，吊移全回轉(zhuǎn)平臺(tái)。

3.5 孔內(nèi)回填和護(hù)筒拔除

為保證鋼管柱安裝精度，須待混凝土凝固、工具柱拆卸后，將全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)移除，然后開(kāi)始回填?；靥钏槭柙阡摴苤鈧?cè)設(shè)置溜槽，控制單次回填量，邊回填邊排除孔內(nèi)泥漿，直至回填至柱頂標(biāo)高。待回填碎石完畢，司索工將鋼絲繩與吊鉤及護(hù)筒連接，起吊拔除護(hù)筒至地面。

3.6 樁基清渣措施及混凝土灌注方法

在鋼管柱下放完成、灌注混凝土前，采用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔，并檢查孔底沉渣厚度和泥漿指標(biāo)，滿(mǎn)足要求后方可灌注。根據(jù)普通灌注樁直徑及深度，選擇φ350(外徑)導(dǎo)管灌注混凝土,并借助該導(dǎo)管采用反循環(huán)方式進(jìn)行清孔。首先在導(dǎo)管上段接處理泥漿沉淀物專(zhuān)用的強(qiáng)力潛水泵，然后使用潛水泵將挖掘孔內(nèi)泥漿及孔底沉淀物，通過(guò)混凝土導(dǎo)管抽入沉淀槽，同時(shí)通過(guò)泥漿泵將泥漿池中的新鮮泥漿導(dǎo)入孔內(nèi)，完成孔內(nèi)泥漿的置換。

二次清孔后，測(cè)得回淤厚度和泥漿密度符合規(guī)定后，30min內(nèi)須灌注混凝土，否則須重新清孔，鋼管柱采用C60微膨脹自密實(shí)混凝土，混凝土澆筑時(shí)間應(yīng)控制在4h內(nèi)。

灌注首批混凝土應(yīng)根據(jù)計(jì)算選擇漏斗方量，使導(dǎo)管埋入混凝土中深度≤1m。首批混凝土正常灌注后，應(yīng)連續(xù)不斷灌注，灌注過(guò)程中應(yīng)用測(cè)繩測(cè)探混凝土面高度，推算導(dǎo)管下端埋入混凝土深度，并做好記錄，正確指導(dǎo)導(dǎo)管的提升和拆除。直至導(dǎo)管下端埋入混凝土深度達(dá)4m時(shí)，提升導(dǎo)管，然后再繼續(xù)灌注。在灌注過(guò)程中應(yīng)將井孔內(nèi)溢出的泥漿引流至適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)處理，防止污染環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以廣州市軌道交通13號(hào)線車(chē)陂站工程為背景，對(duì)蓋挖逆作地鐵車(chē)站鋼管柱施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，積累了豐富的立柱樁和鋼管柱插樁施工經(jīng)驗(yàn)，解決了施工難題，并得到了監(jiān)理的好評(píng)。說(shuō)明本工程運(yùn)用的立柱樁和鋼管柱插樁施工方法的可行性，可為類(lèi)似工程提供借鑒和參考。