蓋挖逆作車站鋼管混凝土柱置換技術研究

牛 斌

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司， 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構頂板及其豎向支撐結構后，在其支護體系的保護下，自上而下逐層開挖土體并逐層修筑地下結構的方法[1]。《地鐵設計規(guī)范》[2]規(guī)定： 作為永久結構使用的中間豎向支撐結構允許定位偏差不大于20 mm，同時垂直度偏差不宜大于1/500。《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]及《鋼管混凝土結構技術規(guī)程》[4]規(guī)定： 鋼管混凝土柱垂直度容許偏差不大于15 mm，同時垂直度偏差不大于1/1 000。

導致鋼管混凝土柱施工產生偏差的原因較多，如： 插入立柱樁內長度太小、錨固長度不足；樁成孔過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程中垂直度校正不到位；立柱施工完成后空隙未及時填充或填充不密實；施工過程中機械碰撞鋼管柱；未對鋼管柱兩側土體進行對稱開挖等。

國內針對結構柱的傾斜處理進行了相關的設計和研究。余興華等[5]對某框筒結構混凝土柱置換施工方案進行了分析研究。王靜民[6]對某高層建筑不滿足混凝土強度要求的部分混凝土結構柱、墻、梁等進行整體置換，通過設置臨時鋼支撐，分批置換混凝土豎向構件和水平構件。卜良桃等[7]為確保置換混凝土柱時上部結構和施工操作的安全，通過測量支撐結構及被置換結構在卸載過程中發(fā)生的應變及卸荷點的變形，準確地反映被置換混凝土部位結構的內力、變形和殘余變形以及支撐結構的內力，為卸載提供可靠依據。潘立[8]針對結構工程中常見框架柱混凝土強度不足的缺陷，提出了用高強材料置換柱外周截面的加固方法，并對實施工藝與補強效果進行了試驗研究。袁茂生等[9]對某高層地下室鋼管混凝土柱置換加固的方案進行了介紹。陳君等[10]通過在鋼管混凝土柱周圍及主梁相應部位設置臨時支撐和千斤頂的方式，卸除柱上部荷載，并利用置換法對鋼管混凝土柱的偏位部分進行置換。石開榮等[11]對某工程高大鋼管混凝土柱采用搭設托梁反頂修復平臺并安裝頂升設備，依據計算所得反頂預應力，對鋼管混凝土柱進行托梁頂升卸載，再將其偏位段拆除并安裝新鋼管，采用高性能自密實注漿料灌注修復的方式進行置換。

以上主要是針對地上建筑的結構柱置換及傾斜處理的研究，由于此類結構柱傾斜及混凝土質量問題在施工未竣工前發(fā)現，所以置換時荷載較小； 針對地下車站蓋挖逆作法鋼管混凝土柱的傾斜處理未見相關研究。本文通過對地下3層蓋挖逆作車站鋼管混凝土柱傾斜處理方案的比較，提出一種施工方便、經濟適用的鋼管混凝土柱置換方案。

1 工程概況

某地下3層蓋挖逆作法車站，頂板覆土3.9 m，采用3層3跨矩形框架結構，斷面高度為21.93 m，寬度為23.7 m；框架結構采用鋼管混凝土柱、混凝土框架梁。車站結構斷面如圖1所示，結構構件尺寸見表1。施工至地下3層底板時發(fā)現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1層至負3層柱底向車站橫向(斷面方向)偏移量分別為114、254、375 mm，向車站縱向(長度方向)偏移量分別為44、68、93 mm。地下2層及地下3層的現場照片如圖2所示。垂直度偏差超出了《地鐵設計規(guī)范》及《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》的要求，需要對鋼管混凝土柱進行處理以滿足受力及使用功能要求。

圖1 車站結構斷面圖(單位： mm)

表1 結構構件尺寸

車站范圍內從上至下的地層有雜填土層、黃土狀粉質黏土層、粉細砂層、粉質黏土層、中粗砂層、粉土層、細中砂層以及中粗砂含卵石層。現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，施工時不需要降水。施工階段需在底板下設置工程樁，作為中間鋼管柱豎向支撐承載的樁基礎，承擔施工階段豎向荷載。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，鋼管為無縫鋼管，內部灌注C50微膨脹混凝土。計入連接件的鋼管柱總長度為23.53 m，共分為2段。鋼管采用法蘭連接，高強螺栓性能等級為10.9級。鋼管混凝土柱結構如圖3所示。

圖3 鋼管混凝土柱結構圖(單位： m)

2 鋼管混凝土柱傾斜處理思路

2.1 處理原則

1)處理過程中應確保結構安全，同時不影響地面車輛的正常通行；

2)處理后的結構應滿足相關規(guī)范要求，達到竣工驗收條件；

3)滿足車站使用功能要求，不影響車站裝修及整體效果；

4)施工方便、經濟適用。

2.2 擴截面加固方案

在需要傾斜處理的鋼管混凝土柱兩側增加臨時鋼管，鋼管上方設置鋼橫梁，并在橫梁上方設置4個同步頂升的液壓千斤頂，采用擴截面法進行傾斜處理。對原鋼管混凝土柱進行切削處理，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留100 mm的間隙進行混凝土填充，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題如下： 1)由于各層以及斷面方向、長度方向的偏差不同，有的部位鋼管需要部分切削，有的部位鋼管需要全部切削，甚至對混凝土進行切削，處理難度大； 2)在新增鋼管與既有柱之間填充混凝土，雖設置了L型拉結筋，但由于混凝土澆筑時間不同，且內部存在鋼管，難以保證結構整體協同受力； 3)新增鋼管柱直徑1 m，處理后此鋼管混凝土柱直徑較大，影響車站裝修效果。

2.3 置換加固方案

本工程對傾斜的鋼管混凝土柱進行整體置換加固，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的縱梁處，用鋼筋混凝土柱(900 mm×900 mm)通過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根臨時鋼管柱進行支撐。

2)從樁基礎頂至負1層柱頂上加強環(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1層、負2層臨時混凝土支撐之間的中縱梁拆除，縱梁拆除時保留梁、板縱向鋼筋。

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

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

5)根據監(jiān)測結果，分段、對稱拆除臨時支撐。

(a) 施加臨時支撐 (b) 拆除結構柱 (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 關鍵施工控制措施及技術工序要點

3.1 臨時支撐結構

鋼管混凝土柱在置換過程中，需要將柱子受力轉移至臨時支撐結構上，因此需要設置可靠的支撐進行豎向力傳遞。在被置換的鋼管混凝土柱每側縱梁位置處各設置1個鋼筋混凝土框架柱(900 mm×900 mm)支撐，并在外側設置臨時鋼管撐，除頂板為縱橫梁體系外，中板及底板均為縱梁體系。頂、中、底板支撐結構平面如圖6所示，支撐結構縱剖面及斷面如圖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，植筋深度不應小于20d(d為鋼筋直徑)。

2)設置支撐時，每層的鋼筋混凝土柱軸心上下對齊，垂直度應滿足規(guī)范[2-3]要求。

3)臨時混凝土支撐采用微膨脹混凝土確保澆筑密實。

4)臨時鋼管撐頂緊既有結構，頂升力控制值為結構受力計算值的80%，避免結構由于頂升力過大出現裂縫。

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支撐作用下，柱子受力較小或不受力。對負1—3層原鋼管混凝土柱采用靜力拆除法拆除，采用切割機沿豎向將鋼管均勻切割成4份，切割前各片用導鏈拴住，然后從上至下進行環(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—安裝導向輪—固定機械—安裝金剛石繩索—連接操作系統(tǒng)—設置安全防護—靜力切割。

靜力拆除法將外部鋼管切割后，再將內部混凝土柱拆除。鋼管切割時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，將負1層柱頂下加強環(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1層、負2層臨時混凝土支撐之間的中縱梁混凝土拆除，露出梁、板鋼筋。

(a) 頂板支撐結構平面圖 (b) 中板支撐結構平面圖 (c) 底板支撐結構平面圖

(a) 支撐結構縱剖面圖 (b) 支撐結構斷面圖

3.3 新澆筑鋼管混凝土柱及柱頂與加強環(huán)梁的連接

柱頂置換范圍節(jié)點立面法如圖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)點通過設置法蘭實現原中縱梁縱筋焊接連接或錨固。

圖8 柱頂置換范圍節(jié)點立面法(單位： mm)

1)結合處的舊混凝土表面應按要求進行鑿毛并植拉結筋，拉結筋采用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，保證連接面的質量和可靠性。

2)新增鋼管頂加強環(huán)與負1層柱頂原加強環(huán)頂緊并采用螺栓連接和周圈焊接連接，中板梁柱節(jié)點通過設置法蘭實現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)點上部構造

(b) 樓板梁柱節(jié)點下部構造

(c) 樓板梁柱節(jié)點縱剖面圖

(d) 樓板梁柱節(jié)點橫斷面圖

3)澆筑前設置3～4個后注漿孔，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)，澆筑過程中應保證氣體能自由逸出，待漿液從所有排氣孔流出時方可結束注漿，澆筑完成后應采取適當的養(yǎng)護措施。

3.4 結構加固用膠粘劑

部分鋼筋鑿除后無法連接，需要進行植筋連接，植筋應采用專用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑或改性乙烯基酯類膠粘劑，膠體性能和粘結能力應滿足A級膠要求，其填料必須在工廠制膠時添加，嚴禁在施工現場摻入，膠粘劑必須進行粘結抗剪強度檢驗。檢驗時，其粘結抗剪強度標準值應根據置信水平為0.9、保證率為95%的要求確定，嚴禁使用不飽和聚酯樹脂和醇酸樹脂作為膠粘劑。承重結構加固用的膠粘劑性能均應符合國家標準《工程結構加固材料安全性鑒定技術規(guī)范》[12]的規(guī)定，且應通過耐濕熱老化能力和耐長期應力作用能力的檢驗。

3.5 監(jiān)控量測方案

對置換影響范圍內的8根永久鋼管混凝土柱、6根臨時鋼管支撐及2根臨時混凝土支撐進行立柱位移及傾斜監(jiān)測，位移控制值為2 mm，傾斜控制值為跨度的1‰。對置換鋼管混凝土柱周邊的各層梁及板進行變形監(jiān)測，控制值為1 mm。結構的變形監(jiān)測采用自動化監(jiān)測，精度為0.01 mm。

在支撐結構及被置換結構表面粘貼應變片，采用應變測試儀測量在卸載過程中結構發(fā)生的應變，準確反映被置換部位的結構內力。結構拆除時應分段對稱卸載，監(jiān)測結果未發(fā)現較大的應變，相關部位的結構也未有較大的變形及裂縫產生，置換的鋼管混凝土柱與原結構協同受力良好。

4 結論與建議

1)對于蓋挖逆作法施工的鋼管混凝土柱，若施工偏差超過規(guī)范的允許值，應對結構內力進行核算，必要時采取加固或置換處理。

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

3)新施作的鋼管混凝土柱如何與既有的梁柱結構協同受力是設計的一個難點，本文采用靜力拆除與人工剔除的方式，預留原結構鋼筋與鋼管混凝土柱連接，避免了植筋的不確定性。

4)新增鋼管頂加強環(huán)與負1層柱頂原加強環(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)施工全過程采用自動化變形監(jiān)測與應變監(jiān)測相結合，確保結構安全，運營后應對鋼管混凝土柱置換位置進行定期檢測和結構變形監(jiān)測。

對于蓋挖逆作法施工的結構，建議: 1)設計應采用方便立柱校正和固定的方案，同時減少土方開挖對立柱偏位的影響； 2)根據地層與施工工藝選擇合理的施工機械、定位設備和定位方法； 3)鋼管混凝土柱施工完成后應從上向下逐層校核其垂直度，以便采用經濟合理的方式進行處理。