蓋挖法超深孔中間支撐柱施工新技術

孟樹紅

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518052)

0 引言

近幾年，隨著我國經濟的發展，交通擁堵成為國內各大發達城市規劃及快速發展的絆腳石，城市地鐵以其快速、準時、安全、運載能力大等優點，成為解決交通問題的首選途徑［1］。在繁華的鬧市區修建地鐵車站、地下通道或地下停車場等較大規模的地下工程，開槽明挖和暗挖法施工因工期較長、對建筑物影響較大、造價高，不是最優的施工方法［2］。蓋挖法因其安全、實用及其適中的施工成本成為較常用的施工方法，在北京、上海、廣州、南京的城市地鐵車站工程中，此方法均有所應用。

支撐柱是蓋挖逆作法重要的組成部分，施工階段其為臨時支撐立柱，建成使用階段則為車站永久性的主要豎向承載與傳力結構［3］。上部荷載作用于型鋼立柱，通過插入部分傳遞到樁基礎并由此擴散到周圍土體之中［4］。立柱樁在工程施工中通常有鋼管樁、H型鋼樁、矩形格構柱樁等形式，一般采用打入法、濕作業鉆孔安裝法、干作業鉆孔安裝法等施工。采用十字型鋼柱樁一般多應用在采用明挖法開挖基坑后在坑底人工安裝定位的房屋建筑中，在地下工程中采用鉆孔灌注樁施工的應用實例較少，尤其是在華東軟土地質條件下更是少之又少。傳統方法需設置鋼護筒或開挖作業井，人工入井內定位，雖然定位精度有保證，但成本高、用時長、安全風險大。

蓋挖支撐柱的定位施工曾經在天津地鐵中實施了“逆作法鋼管柱深孔水下一次精確定位安裝”的新技術［5］，使用效果較好，但需要人工入孔內操作，存在一定安全風險。文獻［5］對無錫地鐵以“短臂校正長臂”為主，以“光反射定位”為輔的定位方法做了簡要的說明，但不全面、可操作性不強。本文對該方法從支撐柱結構形式、樁基礎成孔、定位架設計、定位安裝、混凝土灌注等多方面闡述十字型鋼柱定位的關鍵技術，可為類似工程提供可操作性的參考。

1 工程概況

無錫地鐵市民廣場站為無錫軌道交通的綜合換乘站，設計為1號線和4號線立體交叉，并外掛同期開發的地下一層下沉商業廣場。1號線在上，東西向布置，長468.3 m，設折返線及臨時存車線;4號線在下，南北向布置，長143 m。市民廣場站平面布置如圖1所示。

2 型鋼立柱樁設計概況

本車站緊鄰即將投入使用的市政府大樓，為不影響交通，4號線及與1號線交叉口段、下沉廣場區均采用蓋挖法施工，蓋挖區面積達9 900 m2。蓋挖區的支撐柱采用十字型柱，樁基礎為鉆孔灌注樁，型鋼柱按一樁一柱設計。樁位布置如圖2所示。

圖1 市民廣場站平面示意布置圖Fig.1 Plan layout of Citizen Square Station

圖2 型鋼柱樁位分布圖Fig.2 Layout of pile positions of shaped-steel columns

2.1 樁基礎設計概況

下部樁基礎為鉆孔灌注樁，直徑均為2.0 m，有效樁長為50～60 m，樁的承載力特征值為8 840～13 123 kN，主要設計了5種樁型的鉆孔灌注樁(ZJ1～ZJ5)，共110根。其中:ZJ1型分布在4號線南、北段，ZJ2型分布在1號和4號線交叉口處，ZJ3型均分布在1號線蓋挖段，ZJ4型分布在下沉廣場和外掛三角區，ZJ5型沿下沉廣場基坑邊布設。樁基礎采用C35水下混凝土。樁的設計參數如表1所示。

表1 鉆孔樁參數表Table 1 Parameters of bored piles

2.2 型鋼柱設計

蓋挖支撐柱上部為型鋼柱，與結構板鋼筋采用直螺紋接駁器連接，除ZJ2型樁立柱伸至負一層中部外，其余型式均伸至頂板。立柱與結構板連接方式如圖3所示。型鋼柱錨入樁基礎2.0 m，端部設600 mm×650 mm×50 mm端板(柱翼緣與底板間采用完全熔透的坡口對接焊縫連接，柱腹板及加勁板與底板間采用雙面角焊縫連接)，并設4個M20的錨栓以加強端部的錨固力，柱四周設8 cm長的栓釘。型鋼柱柱腳大樣如圖4所示。

型鋼柱設計為工字鋼十字型焊接型式，端面2種截面尺寸為600 mm×300 mm×50 mm×60 mm和500 mm×200 mm×35 mm×35 mm，采用Q235B鋼板焊接。型鋼柱型式和焊接情況如圖5所示。

圖5 型鋼柱截面型式與焊接圖(單位:mm)Fig.5 Cross-section and welding of shaped-steel column(mm)

型鋼柱每隔1 m設35 mm厚的柱加勁板來提高其剛度，如圖6所示。腹板與翼緣、水平加勁肋與翼緣的焊接采用坡口熔透焊縫，水平加勁肋與腹板連接采用角焊縫，各焊縫需滿足一級焊縫。

圖6 型鋼柱加勁板型式與焊接圖(單位:mm)Fig.6 Reinforcing plate and welding of shaped-steel column(mm)

圖7 型鋼柱柱腳大樣圖1(單位:mm)Fig.7 Detail of pile foot of shaped-steel column:No.1(mm)

圖8 型鋼柱柱腳大樣圖2(單位:mm)Fig.8 Detail of pile foot of shaped-steel column:No.2(mm)

3 十字型鋼立柱樁的重難點分析及技術措施

3.1 重難點分析

1)灌注樁孔徑大(2 000 mm)、深度大(76 m)、成孔時間長，加上鋼筋籠的焊接和型鋼柱的精確定位糾偏，每根樁的成樁周期需要5 d，這對保證鉆孔樁孔壁的穩定性是難點。

2)鋼筋籠直徑大、長度大，現場加工對于鋼筋籠的制作、吊裝、對接技術要求高。

3)型鋼柱垂直度1/500，需要精確定位和固定。由于結構設計的限制，灌注樁混凝土灌注只有在柱的牛腿之間，確保型鋼立柱的穩定性和垂直度是重點。

4)鋼筋籠、型鋼柱、后注漿管、混凝土灌注導管以及型鋼固定夾都是固定在同一個專用工作平臺上，如何保證工作臺設計的簡便性及其穩定性是難點。

3.2 技術措施

1)采用GPS-20鉆機，其機械穩定性好，扭矩大，能保證成孔的施工質量，同時在鉆孔時根據地層資料配備好泥漿的性能，能充分保證鉆孔的穩定性。

2)鋼筋焊接臺加長，配合履帶吊，能保證鋼筋籠的對接和垂直度，同時對鋼筋籠吊裝設計專用吊鉤和吊索。鋼筋籠的對接采用鋼筋連接器，這樣對鋼筋的加工有一定的精度要求，且能保證鋼筋籠對接后的垂直度。

3)設計專用“光電型”型鋼測斜糾偏裝置，保證型鋼在安裝時垂直度滿足控制要求，同時在混凝土灌注時可以隨時監測到型鋼的變形情況，可以隨時對型鋼進行調節。

4)設計專用工具節和固定夾來保證型鋼的定位、糾偏及固定作用。

5)設計專用混凝土灌注料斗，采用雙導管灌注混凝土。

4 施工方案選擇

蓋挖結構中間樁柱由型鋼立柱及樁基礎組成，型鋼柱綜合質量的影響因素主要包括樁基施工質量、型鋼柱加工質量、型鋼柱安裝定位質量及樁基礎混凝土施工質量等［6］。此類型鋼立柱樁常規施工方法有2種，即先插法和后插法［7］。先插法是在樁基礎成孔后先插入型鋼柱并定位固定好，然后灌注樁基礎混凝土;后插法是在樁基礎成孔后先灌注樁基礎混凝土，然后插入型鋼柱并定位固定好。先插法灌注混凝土困難，但成樁質量有保證。后插法一旦某個施工環節耗費時間長，會出現型鋼柱未定位好或未插到位混凝土已凝固，造成支撐柱承載力不足的質量問題;同時，存在將孔內泥漿混入樁基混凝土的可能，影響成樁質量。本工程立柱樁采用一樁一柱的永久柱方式，對成樁質量和立柱樁的垂直度要求很高，型鋼柱出現問題將很難彌補。尤其是本站為地下三層站，立柱長約30 m，一旦立柱樁垂直度偏差較大，將影響結構永久柱的質量，甚至影響結構安全。立柱樁的軸線偏差控制在+5 mm以內，垂直度偏差要求不大于1/500(高于常規1/300的精度要求)。為確保工程質量，經過反復分析和多方論證，最終選定采用先插法施工。

5 施工工藝流程

根據樁位的分布情況和施工場地條件，總體施工工藝流程為:施工準備(含施工平臺制作、型鋼柱加工、混凝土配制)—樁位測量放線—鉆機就位及校正—GPS-20鉆進成孔鉆進—優質泥漿護壁—固定架安裝施工—100 t與50 t吊車配合吊放鋼筋籠—吊放鋼構柱及初次定位—雙導管安裝—清孔—型鋼柱校直—灌注水下混凝土—型鋼柱再次校核—等強及空孔回填細砂與密實—工具節及固定架拆除。

根據型鋼柱設計特點，本工程施工平臺和型鋼柱采用工廠制作、汽車運輸到工地現場對接組裝;樁基礎采用回旋鉆機成孔、泥漿護壁、導管法灌注水下混凝土成樁;鋼筋籠采用現場加工分節制作、分節吊裝、接駁器連接;型鋼柱采取整體制作、整體吊裝、工作臺校直。其中，型鋼柱加工、組裝、定位、混凝土澆筑、工作平臺設計與加工是本方案的關鍵技術。

6 施工關鍵技術

6.1 型鋼柱加工

車站主體中間的支撐柱均采用呈十字形(500 mm×200 mm～600 mm×300 mm)的型鋼柱，鋼材采用Q345B，施工規范對輕鋼與重鋼分類界限并不清晰，一般把H型鋼柱板厚≥25 mm的鋼構件稱為重型鋼結構。本工程型鋼柱厚度達60 mm，是典型的重型鋼構件，其加工質量要求比一般構件高。型鋼柱是永久結構件，在本工程中柱的質量關系到施工質量和長期使用的可靠度，該型鋼的加工采用工廠加工，同時加工該構件的企業，必須是具有重鋼加工資質的企業，并要通過現場考察確定。型鋼柱的加工精度及控制標準為:截面高度+3 mm;截面寬度+3 mm;腹板中心偏移2.0 mm;翼板垂直度3.0 mm;彎曲矢高L/1 000，且不大于10 mm;腹板平整度3.0 mm。

根據設計圖紙，不同開挖深度要求的型鋼立柱的高度也不同。本工程型鋼共有5種規格，3種設計長度(18，24，31 m)。為了保證型鋼柱制作的精度和質量，型鋼柱的制作全部采用工廠化加工，并盡量采取整根制作。由于型鋼柱的長度＞30 m，在工廠制作、運輸整根有難度，需要分段制作運輸到施工現場進行現場拼接。過長的型鋼柱(ZJ1型長24 m，ZJ2型長31 m)分2節制作(節長宜15～20 m，可根據便于運輸分節原則制作)。每節型鋼柱兩端截面須與型鋼柱長邊垂直，有利于下節型鋼柱連接安裝。加工制作控制措施如下:

1)型鋼柱由工廠加工，在加工過程中，要駐廠檢查加工質量，同時要求工廠提供原材料的質保證明和焊縫等級證明。

2)根據運輸、吊點及現場焊接要求的限制，工廠按鋼柱的翻樣圖紙，特別是分段的數據，同時在征得主體設計的原則上，對分段的尺寸及連接方式進行驗算，在工廠里做好分段連接板的靠模校正，現場直接用高強度螺栓連接。

3)型鋼柱加工好后，要按規范和設計要求對每根型鋼柱的焊接質量和加工尺寸進行驗收，驗收合格后運輸到施工現場拼裝，并攜帶出廠合格證明書和焊接檢驗報告。

4)型鋼柱的運輸需固定牢固，避免摩擦及碰撞，防止型鋼柱產生變形影響垂直度。型鋼柱運輸到現場，按設計施工規范要求對型鋼構件的現場焊縫和幾何尺寸進行隨機抽檢。

6.2 型鋼柱的現場拼裝

6.2.1 拼裝臺模的設計與制作

型鋼柱一般要求整根制作，少量部分由于過長難運輸，加工廠根據要求分為2節制作，運輸到施工現場進行現場拼接，在現場搭設型鋼柱拼接臺模。現場拼接臺模的制作是為了保證型鋼柱連接時的垂直度要求，同時在型鋼柱上要安裝光電測斜裝置，柱的中心標識也需要在現場有拼接臺。

拼接臺模采用型鋼搭設，其高度為40 cm，長度為30 m，寬度為7 m(見圖9)。

圖9 型鋼柱拼接臺模示意圖(單位:mm)Fig.9 Assembly platform of shaped-steel column(mm)

6.2.2 型鋼柱的拼裝

1)型鋼柱(含工具節)運輸到場經檢驗合格后，在現場制作的臺模上進行拼接，臺模的平整度控制為2 mm。型鋼柱和型鋼柱拼接先采用法蘭盤連接校正好后對端頭板進行焊接加固，型鋼柱和工具節拼接直接采用法蘭盤連接。對連接好的型鋼柱經過驗收合格之后，安裝測斜校正裝置。

2)型鋼柱拼裝前，在每節型鋼柱側面彈出對接線，采用測量儀器進行校直，檢查符合要求方可進行拼接。

3)型鋼柱拼裝好后，沿X軸和Y軸安裝測斜裝置。安裝好測斜裝置后通過現場驗收，并測試其可靠性。本工程測斜裝置采用光電投影原理、水準儀校對的方法控制型鋼柱拼接的垂直度。

4)本工程ZJ1和 ZJ2型鋼柱采用3點吊，ZJ3、ZJ4和ZJ5采用2點吊，采用2臺履帶吊同時起吊的方式起吊。

6.3 型鋼柱的安裝定位

6.3.1 定位臺架設計

型鋼柱設計為一樁一柱型式，定位精度要求高，定位安裝的工作臺需要根據現場實際專門設計，設計的定位臺架既要能固定型鋼柱，又要能進行型鋼柱精確校正，還要方便混凝土的灌注。

灌注樁截面均為2 000 mm，型鋼柱的截面有2種:600 mm×300 mm和500 mm×200 mm。其樁截面放樣定位詳圖見圖10和圖11。

由于結構設計的限制，灌注樁混凝土灌注只在柱的牛腿之間，且需要雙導管灌注混凝土。混凝土澆筑采用直徑為250 mm的導管。從設計端面分析，導管在兩鋼筋籠之間，其間距只有85 mm，故要求定位工作臺的加工精度，在安放導管時需要分段連接并校正其垂直度。

6.3.2 定位工作臺架的制作

定位工作臺架由3部分組成:定位型鋼和灌注水下混凝土的底平臺，校正和控制型鋼標高的頂平臺，校正垂直度的校正臂。臺架在加工廠加工制作，臺架尺寸及實物詳見圖12。

6.3.3 型鋼柱的安裝定位

在逆作法施工結束后，支撐柱外包混凝土一般作為正式地下結構柱的一部分，永久承受上部荷載，故支撐柱的定位和垂直度必須滿足要求［8］。型鋼柱的安裝通過安裝平臺對水平位移和樁頂標高進行控制。因型鋼柱頂標高在地面以下，型鋼柱上部須接長一段工具節才能使用工作臺架進行校正與固定。工具節在混凝土灌注完成12 h后，可拆除重復利用。

圖12 型鋼柱定位工作臺架圖Fig.12 Positioning frame of shaped-steel column

6.3.3.1 工作臺架的安裝定位

1)工作臺底平面定位。在工作臺底平面上標有X/Y軸線，在工作臺安置時，建筑軸線和工作臺的軸線閉合，并在工作臺上定出樁位中心點，要求其中心點和樁位中心點閉合。

2)工作臺頂平面定位。在定出樁位中心點和工作臺中心點重合后，校正工作臺頂平面中心點，用鉛垂線定出工作臺頂平面的中心點和底平面的中心點，使其達到一致。上下平面對準后，對工作臺進行固定。

6.3.3.2 精確定位

1)為了保證位置正確，采取在地面放出樁中心線及工作臺架的定位線，定位線平行于樁中心線，并預埋螺栓對定位臺架進行固定，防止臺架偏移。

2)定位架安裝固定好后，對其穩定性進行檢查，對樁位軸線進行復核，滿足要求后，在臺架頂座和底座測放出型鋼柱定位線。

3)在型鋼柱每個側面刻線標出中心線，定位時用2臺全站儀呈90°進行測量，利用刻劃好的定位線進行復核。當型鋼柱刻線與定位線重合時，立即調節定位螺栓進行固定。

4)型鋼柱的標高根據入孔深度推算，并在型鋼柱的工具節上標出。同時，采用水準儀預先在定位臺架上測定，當工具節上的標線與臺架標線重合時，標高滿足要求方可固定。

6.3.3.3 型鋼柱糾偏

1)型鋼柱吊放前在型鋼柱上安裝了對垂直度進行跟蹤測量的測斜系統，型鋼柱就位后，當混凝土灌注過程中發生變形、位移現象時，通過該系統可以反映出垂直度情況和需調整的方向和調整值。光電測斜系統如圖13所示。

圖13 光電測斜系統圖Fig.13 Photoelectrical inclination monitoring system

2)根據測斜系統反映的偏移數值和調整方向，利用布置在工作臺架的4根垂直度調節螺桿，調節型鋼柱的縱橫方向。當測斜系統反映出型鋼柱的垂直度滿足設計要求時，擰緊固定螺栓，將型鋼柱重新固定好，然后進行混凝土灌注。

3)混凝土灌注過程中如發現有偏移，采取上述方法進行糾偏。

十字型鋼柱拼接、吊裝、定位如圖14所示。

圖14 十字型鋼柱拼接、吊裝、定位圖Fig.14 Connecting，hoisting and positioning of cross-type shaped-steel column

6.3.3.4 型鋼柱固定

型鋼柱的固定分為地面和孔底2個部分。地面固定是精確定位后采用槽鋼與型鋼柱焊接固定，混凝土澆筑完成后再割除。為確保穩固可靠，工作臺底、頂平面的型鋼柱均采用焊接。孔底固定是在型鋼柱底部設置張拉鋼絞線，把型鋼柱與柱腳鋼筋籠相互聯系起來，通過地面設置的緊繩器來調節型鋼柱的垂直度。型鋼柱底固定節點圖詳見圖15。

圖15 型鋼柱底固定節點圖Fig.15 Fixing of shaped-steel column

6.4 混凝土灌注技術措施

1)采用雙導管灌注，采取雙儲料斗(每個料斗容量不小于2.0 m3)裝滿混凝土，并采用混凝土攪拌車的快速運轉、出料等措施加以保證，使初灌后埋管超過1.5 m以上。雙導管灌注型鋼立柱樁混凝土見圖16。

圖16 雙導管灌注型鋼立柱樁混凝土Fig.16 Concrete casting for shaped-steel column

2)灌注過程中按混凝土灌注量定量測量混凝土面高度，驗算導管埋深。導管的埋深一般控制在2～6 m，嚴禁導管埋深過大或將導管提離混凝土面。

3)混凝土面接近鋼筋籠底部時，嚴格控制導管埋深，以防鋼筋籠上浮［9］。為保證樁頂標高及樁頂強度，設計樁頂標高以上超灌高度為1.5 m。

4)定位臺架安裝時，在硬地坪上預埋固定臺架的定位螺栓。平臺的4個撐腳與事先預埋在硬地坪內的預埋螺栓采用電焊或螺栓固定，防止臺架移動導致型鋼柱移位［10］。

5)為防止混凝土澆灌過程中型鋼柱發生移位后無法調整，混凝土配置過程中摻加緩凝劑。混凝土灌注前要與商品混凝土站聯系，在灌注過程中應保證連續作業，不得中斷。

7 應用效果

7.1 垂直度

通過設計專用定位臺架和各項定位措施的實施，施工完成基坑開挖到底后，測量組實測結果顯示:本工程蓋挖區的十字型鋼柱平均垂直度達到了1/550，部分型鋼柱精度最高達到1/600，全部滿足設計要求。

7.2 進度及效益

該定位技術的應用，大大地加快了施工速度，由原計劃需要5 d/根樁縮短到2 d/根，使恢復道路交通的節點工期提前了3個月。經最終測算，本工程十字型鋼柱單項施工成本可節約950萬元，取得了良好的經濟效益和社會效益。

8 結論與體會

1)型鋼柱使用的鋼板厚度達35 mm以上，屬于重型鋼材，施工現場條件一般難以保證加工質量。應選擇具有重鋼加工資質的單位，并要求對焊縫進行探傷檢測，以確保型鋼柱加工質量。

2)激光光電測斜系統的激光儀易出現偏差，影響定位精度，應選擇質量可靠的激光儀器。同時，必須在型鋼柱固定好，吊裝時加強檢查，防止因碰撞發生移位，影響光線發射。

3)先插法的型鋼柱，在混凝土澆灌過程中會出現導管碰撞型鋼柱、定位臺架移位等意外事故。為防止混凝土澆灌過程中，型鋼柱發生移位后因混凝土提前凝固導致型鋼柱無法二次定位調整，混凝土配置過程中應摻加緩凝劑，緩凝時間不少于4 h。

4)定位架法在本工程是經濟實用的，此方法適用于剛度較大的重型構件。剛度小的輕型鋼構件，采用此方法會造成構件變形大，不利于垂直度的調整，如果精度要求不高，可不采用此方法。

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