蓋挖逆作法地鐵車站鋼管柱人工定位施工技術(shù)

李鵬飛

（貴陽市公共交通投資運(yùn)營集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

國內(nèi)大部分城市面臨交通擁堵難題，為降低因工程施工對城市交通的影響，蓋挖逆作法作為一種行之有效的施工方法，被廣泛應(yīng)用于城市地鐵建設(shè)中[1-2]。為確保蓋挖法地鐵車站整體穩(wěn)定性與安全性，作為豎向支撐體系的鋼管柱施工質(zhì)量控制成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

目前鋼管柱主要采用機(jī)械或人工插管方式進(jìn)行施作。張存才[4]介紹了鋼管柱的幾種施工方法和控制要點(diǎn)；劉昌波[5]介紹了HPE液壓垂直插管機(jī)的一些操作要點(diǎn)和質(zhì)量控制要求；文獻(xiàn)[6～9]通過自制簡易定位架人工定位方法，介紹了鋼管柱的施工工藝，取得了一定的應(yīng)用效果；高強(qiáng)等[10]分析了鋼管柱施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，提出了一些應(yīng)對措施。

在工程建設(shè)中，如何在確保鋼管柱施工安全和質(zhì)量的同時(shí)降低工程造價(jià)，已成為工程界有待解決的難題。鑒于此，本文以貴陽地鐵某號線一期工程中曹司站蓋挖逆作法鋼管柱施工為背景，對鋼管柱人工定位法施工工藝進(jìn)行闡述，同時(shí)對其施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析研究并提出相關(guān)建議，以期為今后類似工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽地鐵某號線一期工程中曹司站位于花溪大道與中曹司大橋交叉口，沿花溪大道南北向設(shè)置，與在建S1線換乘。車站全長478.8 m，標(biāo)準(zhǔn)凈寬21.3 m，總建筑面積25 210 m2，地下二層島式站臺(tái)。車站主體基坑深度為12.4～24.6 m，頂板覆土厚度為1.9～2.9 m，采用蓋挖逆作法施作。車站共設(shè)永久鋼管柱145根，其外徑分為50 cm、60 cm、70 cm、80 cm 4種規(guī)格，鋼管柱外包厚度為20 cm的C60混凝土，柱內(nèi)設(shè)計(jì)C60微膨脹混凝土。

中曹司站主體結(jié)構(gòu)典型斷面見圖1。

圖1 中曹司站主體結(jié)構(gòu)典型斷面圖（單位：m）

1.2 工程、水文地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，車站范圍內(nèi)地層主要為雜填土、紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖；潛在填充型溶洞、溶槽，見洞率為9.4%，發(fā)育高度在l～5 m之間，填充物為軟塑-可塑狀黏土。沿線以巖溶水為主，位于地表以下8～16 m。

2 鋼管柱定位精度影響因素

蓋挖逆作法地鐵車站鋼管柱必須滿足支承逆作結(jié)構(gòu)和頂部荷載，對其安裝定位精度要求非常嚴(yán)格。影響鋼管柱的定位精度有以下幾種因素：

（1）鋼管柱入土深度。

（2）基礎(chǔ)類型和地層條件。

（3）鋼管柱的類型和直徑。

（4）鋼管柱加工與安裝方法。

（5）施工技術(shù)管理水平。

總之，鋼管柱入土越深、樁徑越小，安裝精度越低；人工挖孔樁安裝精度高，機(jī)械鉆孔安裝精度低；施工技術(shù)管理水平越高，安裝精度就越高，反之亦然。

3 鋼管柱定位方法比選

目前鋼管柱定位方法有機(jī)械定位和人工定位2種。該工程擬定鋼套管內(nèi)人工定位和機(jī)械定位2種方法進(jìn)行鋼管柱定位方法比選。其中，機(jī)械定位方法即采用特定設(shè)備，利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔原理將鋼管柱直接插入已施作完成的基礎(chǔ)樁孔內(nèi)定位；鋼套管內(nèi)人工定位方法是在鋼套管保護(hù)下利用已施作完成的基礎(chǔ)樁樁頂和孔口2處中心點(diǎn)進(jìn)行人工定位。

3.1 技術(shù)可行性分析

鋼套管內(nèi)人工定位法由于采用鋼管柱兩端點(diǎn)進(jìn)行人工定位，施工精度較高。機(jī)械定位法通過利用自身3 m的力臂來控制較長鋼管柱進(jìn)行定位，鋼管柱底部定位偏差較大。本工程鋼管柱長達(dá)24 m，若孔口偏差1 mm，底部偏差將達(dá)到8 mm，施工過程中需采取可靠的控制措施才能滿足要求。

3.2 安全性分析

機(jī)械定位法是利用插管機(jī)液壓裝置將鋼管柱直接插入已施作完成的樁孔內(nèi)，施工人員無需進(jìn)入樁孔內(nèi)操作，安全性能高；而鋼套管內(nèi)人工定位需要施工人員進(jìn)入已施作完成的基礎(chǔ)樁孔中進(jìn)行人工定位，相對于前者而言，后者施工安全風(fēng)險(xiǎn)更大一些。

3.3 施工工期分析

根據(jù)項(xiàng)目工期總體籌劃，本工程鋼管柱施工是控制性工期的關(guān)鍵工序，按照機(jī)械定位法1根/d的施工進(jìn)度，145根鋼管柱使用2臺(tái)插管機(jī)作業(yè)共需施工72.5 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目標(biāo)工期需要，需要增加機(jī)械設(shè)備才能滿足實(shí)際工期要求。而采用人工定位法的話，在增加極少投入情況下就可以多個(gè)作業(yè)面同時(shí)施工，同時(shí)可省去基礎(chǔ)樁混凝土等強(qiáng)時(shí)間，在工期方面比機(jī)械定位法更有優(yōu)勢。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)市場調(diào)查結(jié)果，目前通常采用旋挖鉆+HPE垂直插管機(jī)或全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)機(jī)械插入法進(jìn)行鋼管樁定位。機(jī)械占用時(shí)間長、費(fèi)用比較高，鋼管柱施工費(fèi)用為5～7萬元/根。相比較而言，采用人工定位法時(shí)，機(jī)械設(shè)備占用時(shí)間短，周轉(zhuǎn)次數(shù)快，根據(jù)測算每根鋼管柱施工費(fèi)用為2～4萬元，預(yù)計(jì)可節(jié)約3萬元/根。

綜合考慮上述分析結(jié)果，結(jié)合貴陽地區(qū)巖層地質(zhì)特性和工程實(shí)際情況，本工程采用鋼套管內(nèi)人工定位方法。

4 鋼套管內(nèi)人工定位法技術(shù)要點(diǎn)

4.1 施工流程

鋼管柱人工定位施工工藝流程為：前期準(zhǔn)備（鋼管柱加工、鋼管柱組裝）→樁位測量放線→鉆機(jī)就位及成孔→鋼套筒下放、固定→基礎(chǔ)樁施作等強(qiáng)→基礎(chǔ)樁樁頭部分混凝土鑿除→定位平臺(tái)安裝→鋼管柱安裝定位→連接部位混凝土澆筑→鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑→定位平臺(tái)移除→工具管移除→鋼管柱外空隙回填→下一道工序。

4.2 基礎(chǔ)樁成樁技術(shù)要點(diǎn)

（1）根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選取成孔方式。

（2）基礎(chǔ)樁鋼筋籠需在鋼套筒內(nèi)下放固定完成后采用分段吊裝完成，安裝就位標(biāo)高和平面位置偏差在規(guī)定值范圍內(nèi)。

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求確定基礎(chǔ)樁水下灌注混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 鋼管柱加工、運(yùn)輸及拼裝技術(shù)要點(diǎn)

（1）為了保證鋼管柱制作的精度和質(zhì)量，鋼管柱制作要求采用工廠化制作方式。

（2）鋼管柱外圍按設(shè)計(jì)要求焊接抗剪栓釘。

（3）出廠前沿管長方向做好鋼管柱定位控制基準(zhǔn)線。

（4）鋼管柱在運(yùn)輸過程中嚴(yán)防碰撞，保證鋼管柱不發(fā)生變形。

（5）為方便施工，各層鋼管柱梁柱節(jié)點(diǎn)鋼板及加勁肋后期施焊。

（6）鋼管柱分段加工運(yùn)至施工現(xiàn)場后，每段鋼管柱必須保持同軸線，方可進(jìn)行拼裝作業(yè)。該工程特加工了一套連接臺(tái)架，以保證鋼管柱的連接質(zhì)量。本工程鋼管柱拼裝見圖2。

圖2 鋼管柱拼裝

4.4 定位平臺(tái)安裝與拆除[11]

待基礎(chǔ)樁頭部分混凝土鑿除完成后拆除鋼套筒臨時(shí)定位裝置，隨之安裝鋼管柱定位平臺(tái)。定位平臺(tái)采用型鋼現(xiàn)場加工制作。定位平臺(tái)平面示意圖見圖3。

圖3 定位平臺(tái)平面示意圖（單位：m）

定位平臺(tái)的安裝質(zhì)量直接影響到鋼管柱的定位精度。根據(jù)水平儀精平原理調(diào)整定位平臺(tái)平整度，通過腳螺桿調(diào)節(jié)平整度，保證偏差小于2 mm。

待鋼管柱安裝完畢且柱內(nèi)混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，人工配合機(jī)械拆除定位平臺(tái)，移至下一工作面。

4.5 基礎(chǔ)樁頂安裝定位器

基礎(chǔ)樁混凝土終凝后通過人工鑿除樁頂松散混凝土，采用鉛垂控制法和激光垂測儀法，在基礎(chǔ)樁頂安裝鋼管柱矩形定位器，同時(shí)做好安全防護(hù)措施。

矩形定位器示意圖見圖4。

圖4 矩形定位器示意圖（單位：mm）

4.6 鋼管柱安裝及定位技術(shù)要點(diǎn)

（1）鋼管柱采用2點(diǎn)同時(shí)起吊方式，從定位平臺(tái)樁位限位孔中慢慢入孔，放入基礎(chǔ)樁頂定位器槽內(nèi)，下放過程中不得與定位平臺(tái)發(fā)生碰撞。

（2）利用定位平臺(tái)內(nèi)部螺旋千斤頂進(jìn)行鋼管柱頂端定位。

（3）鋼管柱垂直度通過定位平臺(tái)定位卡和基礎(chǔ)樁定位槽進(jìn)行2點(diǎn)定位。在澆筑連接部位混凝土?xí)r有可能擾動(dòng)鋼管柱，導(dǎo)致偏位情況。在施工過程中需采用激光垂準(zhǔn)儀進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)出現(xiàn)偏移時(shí)，通過調(diào)節(jié)定位平臺(tái)千斤頂進(jìn)行微調(diào)。

（4）為方便定位施工，鋼管柱頂至地面設(shè)置工具管，工具管與鋼管柱之間利用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接，工具管長度以拼裝固定好后高出定位平臺(tái)1 m為宜。待鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑完成后人工拆除螺栓并拔除工具管。

4.7 鋼管柱外空隙回填

（1）待鋼管柱樁連接部分混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后拆除定位平臺(tái)、工具管及外層鋼套管。

（2）為更好地保護(hù)鋼管柱，首先將鋼管柱上口用鋼板封閉，然后沿鋼管柱周邊環(huán)向均勻回填中粗砂，回填至鋼管柱頂結(jié)束。待回填完成后對鋼管柱孔口進(jìn)行覆蓋保護(hù)，同時(shí)設(shè)安全標(biāo)志。

5 鋼管柱施工重難點(diǎn)控制措施

5.1 基礎(chǔ)樁的定位誤差控制

本工程基坑開挖深度大，基礎(chǔ)樁上部空樁部分最大深度達(dá)24 m，在基礎(chǔ)樁施工過程中要嚴(yán)格控制基礎(chǔ)樁成孔質(zhì)量，保證基礎(chǔ)樁的垂直度，防止鋼管柱偏壓受力。

5.2 基礎(chǔ)樁混凝土灌注標(biāo)高控制

由于基礎(chǔ)樁標(biāo)高較低，混凝土灌注標(biāo)高難以控制，若灌注標(biāo)高控制不準(zhǔn)確，會(huì)給樁頭清理鑿除和后續(xù)鋼管樁定位帶來很大困難。當(dāng)樁基混凝土灌注至標(biāo)高時(shí)及時(shí)下放大功率泥漿泵，將鋼套管內(nèi)部泥漿和松散混凝土抽出，同時(shí)派專人檢查混凝土灌注標(biāo)高，待混凝土終凝后及時(shí)清理樁頭松散混凝土。

5.3 鋼套管變形控制

本工程鋼套管的作用主要是防止基礎(chǔ)樁空樁部分孔壁坍塌和保護(hù)孔內(nèi)作業(yè)人員安全。因周邊圍巖差和地下水位高，造成鋼套管內(nèi)外壓力差較大，鋼套管存在變形風(fēng)險(xiǎn)。在加工鋼套管時(shí)必須進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，必要時(shí)增加內(nèi)襯管以防鋼套管變形。

5.4 鋼管柱平面位置和垂直度控制

當(dāng)定位平臺(tái)固定后測量定位平臺(tái)頂標(biāo)高，根據(jù)測量結(jié)果在鋼管柱對稱軸線上焊接2塊鋼板定位卡。鋼管柱吊放入孔后，通過定位卡懸掛在定位平臺(tái)兩側(cè)橫梁上，既保證鋼管柱高程定位準(zhǔn)確，又保證鋼管柱處于垂直狀態(tài)。同時(shí)為了防止樁基混凝土澆筑過程中鋼管柱上浮，鋼管柱定位后將鋼管柱與定位平臺(tái)焊接在一起，在此過程中利用焊接在工具管上的測斜探頭反饋到測斜儀上的數(shù)據(jù)，不斷通過水平方向的油頂來調(diào)整鋼管立柱的垂直度，直至滿足要求為止。本工程鋼管柱安裝過程中垂直度測斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測見圖5。

圖5 鋼管柱安裝過程中垂直度測斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測

5.5 鋼套管拔除

待鋼管柱樁連接部分混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后開始拆除鋼套管。由于周圍土體擠壓，在鋼套管拔除過程中因阻力大而導(dǎo)致拔管困難，必要時(shí)采用振動(dòng)錘進(jìn)行拔除。

5.6 鋼管柱成品保護(hù)

在車站基坑開挖過程中，由于施工機(jī)械碰撞和碾壓會(huì)造成鋼管柱移位變形，鋼管柱周圍必須用中粗砂或級配豆粒石回填密實(shí)并在鋼管柱外圍設(shè)置安全警示標(biāo)志，以防碰撞鋼管柱變形。

6 實(shí)施成效

該車站共計(jì)145根鋼管柱，全部采用鋼套管內(nèi)人工定位法進(jìn)行施作。根據(jù)鋼管柱實(shí)際定位效果和經(jīng)濟(jì)成本分析，成果顯著。

6.1 定位效果

采用上述方法施工后，鋼管柱安裝定位誤差均在可控范圍內(nèi)，滿足施工質(zhì)量與安全要求。本工程鋼管柱定位偏差情況統(tǒng)計(jì)分析見表1。

表1 鋼管柱定位偏差情況統(tǒng)計(jì)分析表

基坑開挖后經(jīng)測量復(fù)查，其平面位置、垂直度及樁頂高程等控制指標(biāo)合格率都在90%以上，個(gè)別點(diǎn)位偏差超標(biāo)，但均不影響結(jié)構(gòu)受力，經(jīng)鋼管柱外包混凝土微調(diào)后效果較好。鋼管柱定位效果見圖6。

圖6 鋼管柱定位效果

6.2 施工工期分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際統(tǒng)計(jì)，鋼套管內(nèi)人工定位法實(shí)際施工進(jìn)度平均為1.7根/d，本工程鋼管柱實(shí)際工期為57.5 d，比機(jī)械定位法節(jié)約工期15 d。

6.3 經(jīng)濟(jì)性分析

從最為關(guān)注的成本控制來看，鋼套管內(nèi)人工定位法的實(shí)際施工費(fèi)用為4.3萬元/根，比采用機(jī)械定位法節(jié)約費(fèi)用約232萬元，成本控制效果顯著。

7 結(jié)語

（1）鋼套管內(nèi)人工定位法相比其他工法施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，選用該方法時(shí)需根據(jù)車站范圍內(nèi)地質(zhì)情況和周邊環(huán)境而定。

（2）鋼管柱盡量不要拼接接長，若必須拼接時(shí)，須在接縫處設(shè)置附加襯管并確保拼接鋼管幾何尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

（3）鋼管柱吊裝時(shí)應(yīng)減少吊裝荷載作用下的變形，吊點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)鋼管柱本身的承載力和穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)算后確定，必要時(shí)采取臨時(shí)加固措施。

（4）鋼管柱吊裝就位后應(yīng)立即進(jìn)行矯正并采取臨時(shí)固定措施，以保證構(gòu)件的穩(wěn)定性。

（5）鋼管柱內(nèi)混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)向鋼管柱周邊空隙處回填中粗砂或級配豆粒石且回填密實(shí)。

（6）施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，通過監(jiān)控量測及時(shí)掌握鋼管柱偏位和受力情況，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)采取補(bǔ)救措施。