HPE 工法在杭州地鐵武林廣場站施工中的應用

劉新管

1 工程概況

武林廣場站位于杭州市中心廣場武林廣場東北角，與武林廣場東通道成34°斜交。該站是地鐵1號線與3號線的換乘車站，車站為地下3層上下重疊的島式站臺結構，為4柱5跨3層結構(兩端為4層結構)。車站長162.75 m，標準段寬36.6 m，底板埋深約27 m，頂板覆土約4 m，兩端4層覆土約1.5 m。總建筑面積為24 235.63 m2。工程中圍護結構采用1 200 mm地下連續(xù)墻，止水采用十字鋼板接頭。中間樁采用φ1 600 mm的樁基上安裝φ900 mm、壁厚16 mm的鋼管混凝土柱作為中間支撐結構體系。

2 本工程特點、重點、難點分析

本工程為地下3層和4層多跨框架結構，采用蓋挖逆作法施工，地下連續(xù)墻圍護，AM工法擴底鉆孔灌注樁基礎，鋼管柱作為施工階段的豎向支撐結構，擴底鉆孔灌注樁兼作使用階段的抗拔樁，由于本工程采用蓋挖逆作法，具有基坑深度大，柱間跨度大等特點。根據現場實際情況，本工程同時具備以下特點:

1)傳統(tǒng)工藝不能滿足業(yè)主下達的工期要求，武林廣場站是杭州地鐵1號線最后一批開工站點中規(guī)模最大的車站，是制約全線通車的關鍵節(jié)點，工期壓力巨大。

2)施工安全風險極大，武林廣場站開挖深度達27 m，鋼管柱距地表30 m，采用人工安裝工藝施工，作業(yè)人員需下至30 m的鋼護筒底部進行施工，存在極大的安全風險。

3)基坑開挖深度大，地下4層深約27 m，為保證基坑底部樁中心尺寸的準確，必須保證樁的垂直度偏差不大于1/300，要去樁底沉渣厚度不得大于20 mm，鋼管柱垂直度偏差小于L/500(L為鋼管柱的長度)，且不大于25 mm。

3 HPE液壓垂直插入工法的施工

在AM工法擴底鉆孔灌注樁基礎施工完畢后，混凝土灌注完畢初凝前，及時采用HPE工法進行鋼管柱的定位。

3.1 HPE工法施工的基本要求

1)鋼套管對接要求。a.鋼套管對接的焊縫，外表面必須光潔、平整，不得出現凹凸不平的現象，格構柱搭接板焊接在內側。b.對接鋼套管表面平整度要控制在1/600。c.縱面彎曲值:F≤1/600且f≤5 mm。d.鋼套管橢圓度 f/D≤3/600。e.起吊撓度1/600。2)鋼套管底部焊鋸齒狀。3)場地要求。為了保證鋼柱定位的精確度和垂直度，在鉆孔灌注樁澆灌完成后，必須馬上進行場地的平整。場地平整時，土體要擠壓密實，地面的平整度要一致，以確保HPE液壓插入機械就位、定位的準確。4)HPE工法適用范圍見表1。

3.2 HPE工法施工原理

表1 HPE工法適用范圍

1)將HPE液壓插入機械準確就位、定位，根據HPE液壓插入機機身上的垂直調校裝置調整垂直度。

2)HPE液壓插入機定位垂直后，將鋼柱吊起，用HPE液壓插入機的液壓定位器將鋼柱抱緊，根據兩點定位原理，抱緊鋼柱后再復測垂直度。

3)在保證垂直度后將鋼柱在混凝土初凝前用HPE液壓垂直插入裝置將鋼柱插入到混凝土中，直至達到設計標高及標準要求為止。

4)設備裝置:液壓定位器2個、液壓連接器2個、垂直調校裝置2只、垂直儀1臺。

3.3 HPE工法施工步驟

1)HPE液壓插入機定位。在混凝土灌注完畢初凝前，復測樁位中心，并將十字線標記在護筒上。復核樁位后，將HPE液壓插入機械的定位器中心與基礎樁位中心在同一垂直線上，然后將HPE液壓插入機械利用定位器就位、定位。就位、定位后，HPE液壓插入機械手動、自動調整垂直度，并對HPE液壓插入機中心進行復核，確保精確無誤。

2)鋼柱的插入。HPE液壓插入機定位對中后，將鋼管柱垂直吊起，插入孔中。如鋼柱的底部為封閉式，當插入一定的深度后，由于浮力的作用，鋼柱無法繼續(xù)下沉，此時一方面采用HPE液壓插入機液壓插入裝置將鋼柱插入，當鋼柱尖自由下放無法插入混凝土面時，用HPE液壓插入機的一套液壓插入器系統(tǒng)抱緊，加大豎向液壓壓力將鋼柱插入到混凝土內，再次復核垂直度，直至符合設計和規(guī)范要求。另一方面采用內配重的方法，即在鋼柱內加入實心柱等構件加大鋼柱重量。當鋼柱插入混凝土內且垂直度符合設計和規(guī)范要求之后，取出配重構件。

3)HPE液壓連接器。因鋼柱頂設計標高多在地面以下，當鋼柱插入與HPE液壓插入機相平后，采用HPE液壓連接器，將鋼柱標準節(jié)連接，標準節(jié)的長度就為HPE液壓插入機的高度與插入地面的深度之和。這樣，標準節(jié)就起到了移機后鋼柱定位的作用，等到混凝土終凝、四周土體回填后將HPE液壓連接器拆除。

4)重力平衡。如鋼柱的底部為封閉錐形，將鋼柱插入孔后，必然會產生一定的浮力。為了保證在鋼柱插入過程中的重力平衡和垂直度，采用在鋼柱內設置平衡配重鋼錠，按照鋼管重加配重大于泥漿浮力1.1倍進行核定。采用液壓壓力將鋼柱插入到設計標高，等混凝土凝固后，將液壓壓力放開、在上口固定鋼柱。

5)鋼柱上口的定位。鋼柱受重力平衡，不產生上浮力時，為使HPE液壓插入機能夠移位在放開液壓裝置前，必須將鋼柱上口進行定位。定位時采用HPE液壓插入機定位器上的調節(jié)螺栓，調節(jié)夾緊鋼柱后，將HPE液壓插入機定位裝置放松，HPE液壓插入機移位。液壓插入機見圖1。

6)HPE液壓插入機的移位。固定好上口后，HPE液壓插入機通過自身的行走系統(tǒng)移開，移動時注意不要與已經固定好的鋼柱發(fā)生碰撞。

7)回填。HPE液壓插入機械移位后，等待水下混凝土終凝后，用碎石、砂等填入鋼管柱四周孔中。同時將孔內的穩(wěn)定液排除，防止穩(wěn)定液進入鋼管柱內，填到設計管柱頂標高后，放開定位器，將HPE液壓連接器放松，拆除上部鋼柱，并在鋼管柱內采用導管法澆筑混凝土即可。

3.4 HPE工法施工圖

HPE工法施工圖見圖2。

圖1 液壓插入機

圖2 鋼管柱安裝圖

3.5 鋼管柱頂的保護

1)鋼管柱混凝土澆筑完成后進行先期養(yǎng)護;2)待混凝土強度達到70%后拔除鋼護筒后對鋼管柱四周進行回填處理，具體方法如下:a.其他位置用石屑或干砂回填至原始地面－20 cm處;b.澆筑一層20 cm厚的C20混凝土，見圖3。

圖3 鋼管柱頂保護詳圖

4 施工效益分析

4.1 在施工過程中根據實際情況對各方面采取的新對策

1)滿足新工藝對鋼管柱底部結構的需要。

實施一:AM樁混凝土設計強度為C30，鋼管柱內混凝土設計強度為C50，為保證在插入過程中AM樁混凝土不會進入鋼管柱內，將鋼管柱的底部改為封閉結構。實施二:為保證鋼管柱插入AM樁混凝土部分的連接緊密，在鋼管柱底部2 m范圍內梅花形布置錨固螺栓。

2)確保混凝土的緩凝時間及質量。

實施一:按照新工藝的需求，從AM樁混凝土澆筑完成到鋼管柱插入完成需14 h，考慮到其他突發(fā)因素影響，確定選用初凝時間不小于36 h的緩凝混凝土。由項目部購進多種品牌緩凝劑，并在試驗室用各種品牌緩凝劑配制多種配合比試件，定時記錄初凝情況，找出滿足施工要求的配合比。實施二:在AM樁施工前做配合比試驗，將選定的緩凝混凝土制作28 d抗壓試塊，保證混凝土的強度能夠滿足要求。

3)鋼管柱中心位置定位分4個步驟。

表2 液壓全回轉套管機垂直插入法的工期表

表3 D階段內每根鋼管柱安裝時間

表4 部分樁位偏差表 mm

a.用全站儀放出樁芯位置以及4個護樁位置，由護樁位置拉出十字線，定出套管機;b.鋼管柱吊裝至套管機固定后，用全站儀對鋼管柱頂部進行中心位置復核，用護樁的十字線進行鋼管柱底部的中心位置復核，及時調整偏差，定位準確后開始插入;c.插入過程中，每插入5 m用全站儀對鋼管柱頂部中心位置進行復核，及時調整偏差;d.插入完成后，在AM樁頂混凝土初凝前對中心位置進行最終的復核及調整。

4)垂直度保證。

a.在施工過程中，在鋼管柱上安裝垂直度傳感器，實時控制鋼管樁的垂直度，及時調整。b.采用內配重的方法。此時，整個鋼柱的重量應使管重加配重大于浮力，浮力等于管長乘以管的斷面積再乘以泥漿比重。當鋼柱插入混凝土內且垂直度符合設計和規(guī)范要求之后，取出配重構件。

4.2 在這些新對策的實施下對工程各方面的效益分析

1)工期方面。

工期目標:每根鋼管柱安裝時間從5 d降低到36 h。工期表見表2。

本工藝將大量的人工操作工序轉變?yōu)闄C械操作，大大節(jié)約了施工工期，D階段內施工完成的6根鋼管柱每根安裝時間如表3所示。

隨著工藝熟練度的不斷增加，每根鋼管柱的安裝時間均可控制在36 h左右，僅為人工安裝法的1/10，大大節(jié)約了工期，實現了業(yè)主提出的工期目標。

2)質量方面。

增設的兩組垂直液壓裝置有水平調校功能，在鋼管柱上安裝垂直傳感器，整個裝置通過電腦操作系統(tǒng)進行數據監(jiān)控及水平位置調節(jié)，最小調節(jié)單位以mm計，可以滿足設計精度要求(設計標準:中心位置偏差小于20 mm，垂直度偏差不得大于25 mm)。

通過實際檢驗6根樁中心位置偏差最大12 m，垂直度偏差最大15 mm均小于設計標準(見表4)，符合設計要求。

3)安全方面。

安全目標:消除5個人工地下作業(yè)工序，降低安全風險。

運用本工藝進行鋼管柱定位安裝，取消了操作人員下至30 m深的護筒底部的危險作業(yè)工序，避免了人工地下作業(yè)的安全風險，大大降低了現場安全管理的壓力，實現了安全目標。

4)成本方面。

液壓全回轉套管機垂直插入法使用設備有套管機、履帶機及8 m的鋼護筒，是建立在改裝現有機械的基礎上，提高了機械的使用率;鋼護筒的長度從30 m降低至8 m，同時降低了鋼護筒的損耗，傳統(tǒng)的人工安裝法單根成本為18.75萬元，套管機插入法單根成本為16.48萬元，單根節(jié)約成本為2.27萬元，共節(jié)約成本為2.27×70=158.9萬元，將施工成本降到了最低限度。

5 結語

本工程成功地解決了蓋挖逆作法地鐵車站鋼管柱安裝工藝落后的問題，HPE液壓垂直插入法為施工安全提供了保障，節(jié)約了施工成本，縮短了施工周期，保證了施工質量。該工法工藝合理、技術先進，達到國內領先水平，經濟效益和社會效益顯著，在大中型城市地鐵項目逆作工程中很有推廣價值。

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