HPE 工法插入鋼管柱施工的技術難點及處理方法

孫曉東

(中煤邯鄲中原建設監理咨詢有限責任公司，河北邯鄲 056031)

1 工程概況

天津濱海國際機場擴建配套交通中心工程位于濱海國際機場T1航站樓北側進出港廣場及其東側的空地下。機場交通中心工程占地面積約60 000 m2，建筑面積約112 398 m2，投資估算約29億元，基坑最深約24 m。包括地鐵2號線機場站(含站廳、站臺層)及區間預留(蓋挖區間)工程，京津城際鐵路機場站(含站廳、站臺層)，地下停車場工程，換乘通道工程，t 2航站樓連接通道工程，集散大廳工程。根據圖紙設計要求，將機場交通中心工程整體劃分為四個土建施工合同段。除1標段7區車庫出口、3標段5區集散大廳和4標段6區連接通道采用明挖順作法施工外，其余所有結構主體工程全部采用蓋挖逆作法施工。中間豎向支撐結構全部采用永久性鋼管柱，鋼管柱下部基礎為混凝土鉆孔灌注樁。根據結構跨度不同，結構永久性鋼管柱分別采用φ900 mm，φ1 100 mm和φ1 200 mm三種類型，鋼管柱長度主要是13.55 m和23.96 m兩種，最長的可達到25.97 m;灌注樁有φ2 200 mm直樁和φ2 200 mm～φ3 200 mm擴孔樁兩種類型，直樁的有效樁長主要是37 m，擴孔樁的有效樁長主要是40 m，其中擴孔樁最長的可達到58 m。總共使用中間樁柱463根(不含293根臨時格構柱)。全部采用HPE液壓垂直插入的工藝進行施工。

2 HPE插入鋼管柱工藝

1)HPE液壓垂直插入機就位。灌注樁混凝土澆筑至設計標高后，重新放出樁位中心，并將十字線標記在護筒上。復核樁位后，使HPE液壓插入機的定位器中心與樁位中心在同一垂直線上。

2)調整HPE液壓垂直插入機垂直度。就位對中后，HPE液壓插入機可手動、自動調整水平度，滿足要求后即可吊裝鋼管柱入孔，并重新復核中心位置。

3)吊裝鋼管柱。根據鋼管柱的長度，為保證吊裝時不產生變形、彎曲，采用兩臺吊車三點抬吊，將鋼管柱垂直緩慢放入HPE垂直插入機上。

4)校正鋼管柱的垂直度。鋼管柱吊放至HPE垂直插入機內，利用給觀眾的自重下放到孔內一定深度后，安裝定位抱緊裝置，由HPE垂直插入機抱緊鋼管柱，采用兩臺經緯儀雙向復測鋼管柱垂直度。滿足設計要求后，為絕對保證鋼管柱的垂直度不大于1/500，在鋼管柱上再安裝一個垂直傳感器，雙重監測鋼管柱垂直插入精度。

5)HPE垂直插入機插入鋼管柱。垂直度校正完成后，開始由HPE垂直插入機進行插入鋼管柱。由HPE垂直插入機將鋼管抱緊，由液壓插入裝置的液壓下壓力將鋼管柱下壓插入混凝土內，當插至混凝土頂面后，再次復測鋼管垂直度。此時可根據HPE垂直插入機自身的垂直儀、經緯儀及鋼管柱上安裝的垂直儀傳感器反映到電腦上的信號來確定鋼管柱的垂直度，滿足垂直度要求后將鋼管柱進行抱緊固定。

6)鋼管柱四周回填碎石并排除泥漿。鋼管柱插入完成后，用碎石填充鋼管柱四周至柱頂，填充時需四周均勻填入，防止單側填入過多造成鋼管柱偏位、彎曲，邊回填邊將孔內泥漿排除。碎石回填高度在永久性鋼管頂標高以下800mm，上部等工具柱拆除后回填。

7)鋼管柱內澆筑混凝土。鋼管柱四周回填碎石、排漿完成待灌注樁混凝土達到終凝時工具柱割除后即可進行鋼管柱內下放鋼筋籠澆筑混凝土，鋼管柱內的混凝土不易灌注過高，至鋼管柱頂標高以下200 mm～300 mm即停止灌注;鋼管柱內的混凝土采用導管混凝土灌注。

8)回填孔口拔除鋼護筒。HPE液壓垂直插入機移位后，用碎石將上部孔口回填至地面以下300 mm，并將鋼護筒拔除，在孔口澆筑混凝土保護下部鋼管柱。

3 施工難點分析及對應措施

3.1 灌注樁的垂直度偏低，鋼管柱垂直度要求較高

1)基坑開挖深度大，鉆孔樁上部空鉆最大深度可達22 m左右。灌注樁的垂直度偏差為不大于1%(詳見JCJ 94-2008建筑樁基技術規范第6.2.4的規定)，而鋼管柱垂直度偏差為不大于2‰。由于灌注樁的垂直度偏低，對鋼管柱插入的垂直度造成困難。

2)提高灌注樁的垂直度。首先采用先進的施工設備和技術經驗豐富的操作人員，在設備上采用大功率旋挖鉆機成孔，采用旋挖鉆機的最大扭矩在250 kN·m以上。并且將工程樁的垂直度提高到不大于3‰，盡量為鋼管柱的插入提供方便。

3.2 對工程樁混凝土的緩凝時間要求較長

1)考慮到插入鋼管的時間較長，一般的混凝土凝結時間根本無法滿足要求，要求混凝土必須有足夠的緩凝時間，才能保證鋼管柱能夠順利插入。因此必須保證混凝土的凝結時間在插入鋼管柱完成之后，否則將會造成鋼管柱無法正常插入。

2)對此混凝土的緩凝時間最為重要。緩凝時間過短，則會對后續的鋼管柱正常插入帶來困難。緩凝時間過長，則會影響鋼管柱插入后的穩定。所以控制好混凝土的緩凝時間是全部鋼管柱正常插入的重點工作。經過全面分析各種因素并經過認真的計算后，最終確定采用緩凝時間不小于36 h的超緩凝混凝土。

3.3 鋼筋籠內徑內空間小，鋼管柱中心校正困難

1)在灌注樁內安裝鋼管柱，鋼管柱的法蘭盤最大直徑達1.7 m，而灌注樁內鋼筋籠內徑僅為1 836 mm，兩側間隙僅為68 mm，由于鋼筋籠內部的空間過于狹小，對鋼管柱最終的校正帶來了極大的困難。2)將鋼筋籠上口加大。首先將鋼管柱底標高以上成孔直徑適當增大，將直徑增大至2 300 mm。再將鋼筋籠加工時對插入鋼管柱部位的鋼筋籠直徑放大100 mm，做成喇叭口形式，即鋼筋籠上口內徑為1 936 mm。使鋼筋籠與鋼管柱法蘭之間的間隙增大至118 mm，在成孔垂直度偏差位不大于3‰時22 m孔深偏差73 mm，還有43 mm間隙允許鋼筋籠安裝偏差，從而保證鋼管柱在鋼筋籠內部校正的活動空間。

3.4 地下水位高，浮力大，下插困難

1)由于地下水位高的原因，造成鋼管柱的自重相對較輕，鋼管柱底部封閉插入樁基混凝土中，并且鋼管柱法蘭直徑較大(1 100 mm鋼管混凝土柱法蘭直徑達1 700 mm)，更加增大了向上的浮力。造成鋼管柱無法靠自重支撐插入到設計標高，必須有可靠的技術措施。2)增加柱內配重。在直徑為600 mm鋼管內澆筑混凝土，在混凝土終凝后形成配重。配重的重量根據鋼管柱的長度計算浮力在6 t～12 t之間。當鋼管柱下至一定深度后泥漿的浮力大于鋼管柱自重時無法繼續下沉，必須在鋼管柱內加放配重。確保重力下放使鋼管柱法蘭下至HPE垂直插入機底部，保證鋼管柱順利插入到設計標高。

3.5 鋼管柱插入垂直度控制難度大

1)鋼管柱在插入過程中是不斷活動變化的，其垂直度難以掌握，給其垂直度的控制造成困難。

2)同時采用兩臺經緯儀和兩臺傾角垂直度監測傳感器。首先在兩個不同的方向，同時使用兩臺經緯儀觀測并校正鋼管柱垂直度，以保證其在X，Y兩個方向上的垂直。并在鋼管柱的第二道法蘭盤上相互呈90°角的兩個位置上安裝兩個垂直度檢測傳感器，同時將傳感器與電腦連接。傳感器將監測數據傳到電腦上，通過對電腦上數據進行分析，來判斷鋼管柱的垂直度。使鋼管柱的垂直度得到有效保障。

4 結語

在施工過程中通過上述措施的處理，使鋼管柱得到了順利的的完成。并通過對該工程土方開挖后的鋼管柱進行實體檢查，證明鋼管柱的施工質量確實得到了保證。再次驗證了上述處理方法是科學合理的。

［1］ JCJ 94-2008，建筑樁基技術規范［S］.

［2］ CECS 28∶90，鋼管混凝土結構設計與施工規程［S］.

［3］ 浙江鼎業基礎工程有限公司.HPE液壓垂直插入鋼管柱工法［Z］.