HPE工法插入鋼管柱技術(shù)在地鐵工程中的應用

馮建平

摘? 要：結(jié)合烏魯木齊地鐵鋼管柱施工實踐，論述了HPE 液壓垂直插入機在地鐵蓋挖法中鋼管柱施工的施工工藝和施工要點，較好地解決了傳統(tǒng)人工下孔作業(yè)效率低、安全性低、施工工序復雜、成本高、誤差大等諸多問題。本文旨在總結(jié)HPE法蓋挖鋼管柱施工經(jīng)驗，為業(yè)內(nèi)類似工程的施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：蓋挖法;HPE液壓垂直插入機;鋼管柱;緩凝混凝土;施工要點

Abstract：Combined with the construction practice of steel pipe column in Urumqi Metro， this paper discusses the construction technology and key points of HPE hydraulic vertical insertion machine in the construction of steel pipe column in the cover-excavation method of Metro， and better solves the problems of low efficiency， low safety， complex construction process， high cost and large error of traditional manual hole-drilling operation， aiming at summarizing the HPE method. At the same time， it provides reference for similar projects in the industry.

Key word： HPE Hydraulic Vertical Insertor; Steel Pipe Column; Retarded Concrete; Key Construction Points

1 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵建設(shè)中蓋挖法施工已經(jīng)形成良好的發(fā)展趨勢，其中鋼管柱作為蓋挖法中永久性結(jié)構(gòu)支撐體系是目前最好的選擇。但地鐵施工環(huán)境條件要求苛刻，施工工期壓力大，質(zhì)量要求高，鋼管柱施工常規(guī)做法很難滿足實際情況的需要[1]。相比傳統(tǒng)人工定位鋼管柱的諸多缺點，HPE液壓垂直插入鋼管柱施工技術(shù)大大增加了工程質(zhì)量的控制措施，保證了鋼管柱中心定位精度、垂直度精度，解決了施工安全性低等問題。本文以烏魯木齊地鐵3號線鋼管柱施工的實例為依托，介紹了HPE液壓垂直插入鋼管柱施工的工藝流程，重點對施工要點進行探討，希望在以后同類工程中得以推廣應用。

2 工程簡介

烏魯木齊市軌道交通3號線一期工程主要連接沙依巴克區(qū)和新市區(qū)。3號線一期工程自倉房溝站至四工站，主要沿倉房溝路、長江路、揚子江路、友好路、長春路、三工路敷設(shè)。一期工程全長21.2km，共設(shè)車站18座，平均站間距1246.6m，其中珠江路站、鯉魚山公園站、長春南路站及四工站蓋挖部分均采用了HPE工法插入永久鋼管柱施工技術(shù)，本文主要從四工站講述蓋挖法中HPE液壓垂直插入機插入鋼管柱的應用。

2.1 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件（概況）

根據(jù)勘察報告得知，四工站建設(shè)場地位于工程地質(zhì)Ⅲ區(qū)，為沖洪積平原地貌，場地地層巖性復雜多樣，表層主要為第四系松散沉積物，下伏侏羅系（J）的砂巖、泥巖和礫巖。地層自上而下為：①-2卵石素填土、④-10卵石、⑤-10卵石（典型的工程地質(zhì)剖面圖如圖1），從野外鉆探、現(xiàn)場調(diào)查來看，卵石層一般粒徑20-80mm，含漂石，最大粒徑不小于200mm，樁基最大埋深27.6m，樁底持力層為⑤-10卵石層。勘察期間勘探深度50m內(nèi)未見地下水，可不考慮地下水對工程的影響。

2.2 工程概況

車站范圍內(nèi)設(shè)置兩塊蓋挖頂板，分別為22.2×23.6m、20.9×23.6m。每塊蓋挖頂板支撐柱采用6根Φ700mm（t=20mm）鋼管柱結(jié)構(gòu)，柱內(nèi)灌注C50膨脹混凝土，柱下設(shè)Φ1800mm混凝土灌注樁基礎(chǔ)，采用旋挖鉆成孔。鋼管柱與頂板、中板和底板相接位置設(shè)置環(huán)形鋼牛腿;鋼管柱樁基礎(chǔ)混凝土強度等級車站底板3.45m以下C30混凝土臨時樁基，底板以下3.45m內(nèi)C45 P10高性能混凝土，鋼管柱錨入樁基1.95m。本工程處于市區(qū)主要交通干道下方，具有工期緊、任務重的特點，采用蓋挖順做法施工。

2.3 HPE液壓垂直插入機工作原理

HPE液壓垂直插入機根據(jù)二點定位的原理，通過HPE液壓垂直插入機機身上的兩個液壓垂直插入裝置，在樁基混凝土澆筑后、混凝土初凝前將底端封閉的永久性鋼管柱垂直插入支承樁混凝土中，直到插入至設(shè)計標高。

首先將鋼管柱垂直吊起到液壓插入機上，由液壓插入機將鋼管柱抱緊，同時復測鋼管柱的垂直度。然后由上下兩個液壓垂直插入裝置同時驅(qū)動，通過其向下壓力將鋼管柱垂直向下插入，液壓定位器將鋼管柱抱緊后，按照從下到上的順序依次松開液壓定位器，再由兩個液壓垂直插入裝置同時將鋼管柱向下插入，重復上述步驟[2]，直至插入到設(shè)計深度要求。

3 施工工藝

3.1 工藝流程

樁基成孔（安裝鋼護筒長度至鋼管柱頂）→基礎(chǔ)樁基緩凝混凝土澆筑→HPE液壓垂直插入機就位對中→調(diào)整HPE垂直插入機水平度→吊裝鋼管柱（含工具柱）→鋼管柱對中→HPE液壓插入機垂直插入鋼管柱→重力平衡→鋼管柱孔口固定→鋼管柱四周回填砂碎石→拆除工具柱→HPE液壓垂直插入機移位→下放鋼管柱內(nèi)鋼筋籠并澆筑混凝土→回填孔口拔除鋼護筒。

3.2 HPE機就位對中

基礎(chǔ)樁基緩凝混凝土灌注完成后，重新放樣出樁位中心，在護筒上用十字線進行標記。復核樁位后，將HPE液壓插入機械的定位器中心與基礎(chǔ)樁樁位中心放在同一垂直線上，然后吊裝HPE垂直插入機就位，HPE液壓插入機根據(jù)定位器就位對中，就位對中后，可手動或自動調(diào)整HPE液壓插入機的水平度，保證垂直度及水平度，并重新復核中心位置，固定HPE插入機，滿足要求后即可吊裝永久性鋼管柱入孔。

3.3 HPE機插入永久性鋼管柱

永久性鋼管柱柱頂標高一般在覆土以下，而HPE液壓垂直插入機在原地面上工作，故需利用一個同直徑、同軸線的工具柱連接至永久鋼管柱上，利用工具柱將永久性鋼管柱插入至樁基混凝土之中，直至達到設(shè)計標高。

完成機械定位后，永久鋼管柱吊放至HPE垂直插入機內(nèi)，下入孔內(nèi)至第二道法蘭后，由HPE垂直插入機抱緊鋼管柱，并復測鋼管柱垂直度，滿足要求后在第二道法蘭上方安裝一個垂直傳感器，并設(shè)置吊環(huán)便于回收使用;剛開始下放鋼管柱時，由于鋼管柱的自重，鋼管柱能自由下入孔內(nèi)一定深度，當浮力大于鋼管柱重量后，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孔內(nèi)，當插至混凝土頂面后，重新復測鋼管垂直度，此時可根據(jù)鋼管柱下部安裝的傳感器反映到垂直儀上的信號來確定鋼管柱的垂直度，滿足垂直度要求后繼續(xù)下壓插入至混凝土中;如不滿足要求可調(diào)整HPE垂直插入機的水平度直至鋼管柱垂直度滿足要求。

3.4 鋼管柱四周回填碎石

HPE液壓垂直機完成插入鋼管柱后，即可在鋼管柱四周開始回填砂礫土，為保證回填的密實度，砂礫土的粒徑不得大于25mm，回填時注意四周對撐回填，以免干擾鋼管柱，注意回填至接近鋼管柱頂部時，要預留人工拆除工具柱的操作空間，回填鋼管柱頂標高下60cm為宜，上部等工具柱拆除后回填。

3.5 鋼管柱內(nèi)灌注混凝土

當鋼管柱四周完成砂礫土密實回填、樁基達到強度后，鋼管柱在四周砂礫土作用下，即可拆除上部工具柱，割除鋼管柱與工具柱連接部位，拆除送柱工具柱后由吊車將HPE液壓垂直插入機移位，移位前應進行重力平衡，以免鋼管樁上浮。并回填密實柱頂60cm砂礫土。之后，可進行鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土，根據(jù)鋼管形式及長度，采用高拋澆筑法進行澆筑。高拋自密實法是通過一定的拋落高度，充分利用混凝土墜落時的動能及混凝土自身優(yōu)異性能，達到密實效果[3]。混凝土采用C60高強度自密實微膨脹混凝土，高拋免振搗混凝土的膠凝材料用量不宜低于380kg /m?，并不宜超過 600kg/m?[4]。鋼管內(nèi)混凝土必須在混凝土初凝前澆筑完畢，包括混凝土運輸、澆筑、間歇的全部時間[5]。鋼管柱內(nèi)的混凝土達到初凝后，回填碎石或易密實的砂土至孔口，拔除鋼護筒，壓實鋼護筒拔出后松散土壤。

4 施工要點

4.1 樁基緩凝混凝土

考慮HPE液壓垂直插入機插入鋼管時需要一定工作時間，為創(chuàng)造鋼管能準確順利錨入樁基設(shè)計標高，樁基的混凝土要有一定緩凝時間，如緩凝時間過短，則會對后續(xù)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(wěn)定[6]。混凝土凝結(jié)時間主要影響因素有水泥的凝結(jié)時間、緩凝外加劑摻量和外界的溫度等，拌和混凝土前需通過配合比設(shè)計和試驗，配置出滿足施工要求的緩凝混凝土。根據(jù)本工程施工實踐，總結(jié)最小最大混凝土緩凝時間公式如下：

本工程中，混凝土運輸時間按1小時計算，混凝土澆筑時間按2小時計算，HPE機安裝調(diào)整時間按4小時計算，鋼管柱安裝調(diào)整時間按6小時計算，合計時間約13小時，考慮其他原因，預留變動時間8小時，Hmin=21小時。鋼管柱安裝就位后，回填鋼管柱外砂礫土7小時，之后間隔12小時開始轉(zhuǎn)移HPE，Hmax=40小時。緩凝混凝土緩凝時間范圍宜控制在21～40小時之間。

4.2 鋼管柱制作安裝

鋼管柱所用鋼材采用Q345B，材質(zhì)應符合國家規(guī)范標準和行業(yè)規(guī)范標準，鋼管下料應根據(jù)設(shè)計圖紙及工藝要求預留制作時的焊接收縮量和切割端銑等交工余量，焊接質(zhì)量應滿足設(shè)計焊縫質(zhì)量等級，焊接強度不應低于管材強度。鋼管構(gòu)件進場抽查尺寸允許偏差：見表1

鋼管柱安裝前應采用超聲波探傷進行焊縫內(nèi)部檢查，且應滿足相應設(shè)計要求的焊縫質(zhì)量等級。在安裝鋼管柱時，應滿足下表允許偏差：見表2

需在原有鋼管柱設(shè)計圖紙上增設(shè)封頭，封頭位于鋼管柱底端，主要作用有：錐臺形封頭更利于克服緩凝混凝土浮力，錨入樁基至設(shè)計標高;封頭可有效防止緩凝混凝土進入鋼管柱內(nèi)。

本工程蓋挖頂板距原地面5～6m，鋼管柱柱頂標高距原地面有一定高度，HPE垂直液壓插入機無法將鋼管柱直接送至設(shè)計標高，故需在原有設(shè)計鋼管柱上加長一節(jié)適宜長度的工具柱，輔助HPE機將鋼管柱送至設(shè)計標高，工具柱長度不小于HPE垂直液壓機的高度+鋼管柱頂至地面高度+2米，同時為保證鋼管柱安裝的垂直精度，工具柱加工材質(zhì)、質(zhì)量和直徑要求同鋼管柱。為準確把工具柱安裝至鋼管柱上，需在每個鋼管柱上增設(shè)一個柱帽，柱帽高度500mm，柱帽外徑尺寸應以恰好鑲嵌于工具柱內(nèi)徑為宜，以便保證工具柱與鋼管柱同軸。

4.3 鋼管柱防腐措施

鋼管混凝土柱防腐設(shè)計使用年限100年。鋼管防銹和防腐采用的涂料、鋼管及其附件表面的除銹等級、防腐蝕對鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，應符合《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》（GB 50046-2008）和《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T8923.1-2011）的規(guī)定。因為本工程中鋼管柱為蓋挖鋼管柱，故在安裝前就應做好鋼管柱防腐工作，防止基坑開挖前基坑土及滲水對鋼管外壁造成腐蝕。鋼管柱及其附件均為特殊重要且維修困難的結(jié)構(gòu)，鋼管的除銹等級不得低于ST3或Sa2 。高強螺栓構(gòu)件連接處的接觸面的除銹等級，不低于Sa2?，并宜涂無機富鋅涂料;連接處的縫隙，應嵌刮耐腐蝕密封膏[7]。螺栓螺母等應采用熱鍍浸鋅防護，安裝后再采用與主體結(jié)構(gòu)相同的防腐蝕措施。防腐蝕涂料可選用環(huán)氧類涂料，涂層厚度不小于200μm。同時，鋼管及其附件尚須滿足防火等級要求。防火等級為一級，涂層厚度，根據(jù)所選材料確定。

5 結(jié)語

HPE 液壓插入鋼管柱是一項相對較新的施工技術(shù)，較傳統(tǒng)人工安裝定位器技術(shù)具有高安全、高效率、高精度、低能耗等特點，在烏市地鐵3號線工程運用中得到了充分的驗證，截止目前，3號線已完成了珠江路站、長春南路站及四工站鋼管樁的施工，鯉魚山公園站也完成了部分樁，經(jīng)檢驗，遠超了預期效果。隨著城市軌道交通工程的不斷發(fā)展，蓋挖法已被普遍采用，HPE工法插入鋼管柱以獨具的優(yōu)越性，在蓋挖法中得到了廣泛的推廣，具有非常廣闊的實用價值和應用前景。

參考文獻：

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[3]趙生廷.高拋自密實鋼管混凝土施工技術(shù)[J]，安徽建筑，2016，（02）：37-39

[4]JGJ/ T 296-2013，高拋免振搗混凝土應用 技術(shù)規(guī)程[S]

[5]GB50628-2010，鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S]

[6]孫曉東.HPE工法插入鋼管柱施工的技術(shù)難點及處理方法[J]，山西建筑，2013，（13）：101-102

[7]GB 50046-2008，工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范[S]