深圳地鐵11號線車公廟樞紐高強度巖層中型鋼立柱施工關鍵技術

陳 瑜，李海龍

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052）

深圳地鐵11號線車公廟樞紐高強度巖層中型鋼立柱施工關鍵技術

陳 瑜，李海龍

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052）

以深圳地鐵11號線BT項目11301標車公廟樞紐工程為實例背景，介紹在高強度巖層（單軸抗壓強度120 MPa）中快速實施型鋼柱安裝定位的兩項關鍵技術。其一，通過引進先進的鉆巖取芯設備及采用特殊的取芯工藝，確保在高強度巖層中大直徑（2.0 m）的鉆孔灌注樁快速成孔（一次進尺1.5～2.0 m）；其二，在傳統的十字型鋼柱安裝定位方法（即“先插法”）的基礎上，提出全新的優化方案（即“后插法”），提高了工藝時效性，從而達到快速實施的目標。

地鐵樞紐；高強度巖層；快速成孔；十字型鋼柱；先插法；后插法；精確定位

0 引言

為了進一步完善和提升城市交通的網絡布局，滿足城市發展和新區連接的交通要求，配合城市空間結構的調整，國內各大城市地鐵建設正在蓬勃發展。目前在老城區中開發地下空間，大多會選擇對周邊環境影響較小的蓋挖逆作法施工，而施工階段為臨時支撐立柱施工，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的中立柱施工，即為蓋挖逆作工法的核心。目前關于型鋼柱的研究已有很多，如：文獻［1］針對北京凱恒中心北區1期綜合工程十字型鋼的制作工藝流程、焊接變形的預防和校正以及現場控制等幾個方面，對十字型柱的制作安裝工藝進行了分析和總結；文獻［2］闡述十字柱安裝過程中各道工序的工藝要點，并通過在安裝過程中產生問題的原因分析及其采取的控制措施，使安裝的十字柱各項質量指標偏差均滿足設計及規范要求；文獻［3］主要介紹了型鋼柱的制作與安裝過程的質量控制，通過實例分析總結了一套成熟工藝流程；文獻［4］主要是結合型鋼混凝土柱結構的特性，闡述了其在高層建筑的發展和應用；文獻［5］介紹了型鋼柱加工制作中的組立、焊接工藝，運用先進的焊接技術確保了在制作及安裝過程中的精度控制；文獻［6］詳細闡述了蘇州高新國際商務廣場型鋼柱安裝施工過程，從設計、制作、安裝等幾個步驟說明對重大型鋼柱安裝時的重點和難點；文獻［7］對蘇州地鐵站逆作法H型鋼柱安裝的技術進行了分析，針對性地提出了H型鋼柱的安裝施工方法；文獻［8］通過工程實例敘述型鋼混凝土梁柱的施工工藝流程和制作安裝及質量控制措施。現眾多文獻主要介紹型鋼柱的加工制作及安裝技術，而本文論述的是如何在高強度巖層中快速成孔的施作方法，并結合深圳地鐵11號線車公廟樞紐本身工程特點提出利用型鋼柱定位架在鉆孔灌注樁內對型鋼柱進行快速精確定位的關鍵技術。

1 工程概述

1.1 工程設計概況

深圳地鐵11號線車公廟樞紐位于深圳市深南大道與香蜜湖路交叉口，為7，9，11號線與既有運營1號線換乘綜合樞紐站，是深圳僅次于福田交通綜合樞紐的又一重要“立體式”交通樞紐，也是華南片區最大的地鐵樞紐。

車公廟樞紐工程除7/9號線車站刀把段采用明挖順筑外，其余均采用蓋挖逆作法施工。蓋挖支撐體系主要是：圍護結構采用厚度為1 000 mm的地下連續墻（使用階段兼做抗浮構件），中間十字型鋼立柱及樁基礎（樁基礎同時使用階段兼做抗拔樁）。車站蓋挖結構采用一樁一柱，基底以下支承樁采用φ2 000鉆孔灌注樁。11號線車公廟站共設計中立柱107根，型鋼柱截面為500 mm×700 mm，單根型鋼柱長約18 m，插入抗拔樁混凝土長度為2.2 m。鉆孔樁孔深達50 m，進入微風化層2 m。7/9號線車公廟站共設計中立柱83根，斷面尺寸公共區600 mm×900 mm，設備區600 mm ×600 mm，鋼板厚50 mm和60 mm 2種規格，插入抗拔樁混凝土深度公共區為2.8 m，設備區為2.2 m。鉆孔樁孔深達36 m，進入微風化層3～6 m。車公廟樞紐型鋼柱主要分布及典型橫斷面見圖1所示。

圖1 型鋼柱平面布置圖及典型橫斷面圖Fig.1 Plan layout and cross-section of shaped steel columns

1.2 工程地質

基坑范圍主要為黏性土層，部分為砂層和淤泥質土層，11號線車站底板位于礫質黏性土和全風化花崗巖層，中立柱基礎位于全－強風化花崗巖層中。7，9號線車站底板主要位于全、強風化地層，局部位于中－微風化地層，中立柱基礎底大部分位于中、微風化花崗巖層。該區域微風化巖層單軸抗壓強度達120 MPa以上。

1.3 工程特點

車公廟樞紐站型鋼柱工程具有工作量大、工序復雜、工期緊等特點。車公廟樞紐共計190根型鋼柱，該型鋼柱為車公廟樞紐站蓋挖逆筑結構板主要豎向承重結構，同時也作為地下結構抗拔樁，單樁設計抗拔力特征值最大為8 920 kN。另外部分型鋼柱還作為后續香蜜湖立交改造后橋墩樁基礎，最大豎向承載力設計值為10 350 kN。該型鋼柱基礎為直徑2.0 m鉆孔灌注樁，鉆孔樁深度為33～50 m，入巖深度達3～6 m。該單項工程要求在3.5個月內完成。

型鋼柱全部委外加工廠制作完成，十字柱組立流程圖見圖2所示。

圖2 十字型鋼柱組立流程圖Fig.2 Procedure of assembly of cross-shaped steel columns

1.4 關鍵技術

本文論述的主要關鍵技術有2點：一是采用進口旋挖鉆機（德國寶峨－40）快速鉆巖取芯成孔（見圖3），解決了在高強度巖層中快速成孔，確保該項工程優質高效順利完成；二是利用型鋼柱定位架＋加長工具節運用短邊矯正長邊的原理對型鋼立柱實施快速準確定位，既滿足了型鋼柱安裝定位精度高的要求（垂直度1‰），又快速順利地完成了該項工程。

圖3 寶峨－40鉆巖取芯順序Fig.3 Core taking procedure of Baure BG40 rotary drilling rig

2 方案優化

2.1 原先插法施工工藝

型鋼立柱安裝總體原理是采用短邊矯正長邊來確保型鋼柱垂直度。原方案是先插法，即在鉆孔樁成孔之后迅速安裝型鋼柱定位架，再利用定位架對型鋼柱進行矯正定位，最后利用特制的導管在“十”字型鋼柱斜角對稱澆筑混凝土。詳細流程見圖4。

2.2 優化為后插法施工工藝

由于先插法定位架安裝及型鋼柱矯正定位等工序時間長，另外安裝特制導管復雜，同時增加了二次清孔的時間。這些工序讓本身地質條件較差（存在部分粗砂、礫砂）的地層環境增加了塌孔的風險，另外在定位架內利用特制導管澆筑混凝土、提管等工序復雜，既影響混凝土澆筑質量又延長了該項工程施工時間。經現場反復理論研究，決定將型鋼柱原先插法優化為后插法。通過混凝土廠家多次試驗調整配合比，保證混凝土初凝時間≥6 h，進而確保了型鋼柱后插法的順利實施。后插法施工工藝流程見圖5。

2.3 2種施工工藝對比

經現場實踐，對“先插法”和“后插法”進行了研究分析，其優缺點對比如表1所示。

3 施工工藝要點

3.1 大型鋼結構支架定位

型鋼柱定位首要任務就是將型鋼柱定位架定位安裝在孔樁的上方，使定位架的十字軸線與型鋼柱的軸線重合。若要將型鋼柱定位架中心及軸線與孔樁（即型鋼柱）的中心及軸線重合是非常困難的。為方便履帶吊將型鋼柱定位架一次吊裝定位，現場技術組發明了一種引導型鋼柱定位架定位裝置。型鋼柱定位如圖6所示。

該裝置可精確定位型鋼柱定位架的4個支腳，支腳由4個液壓千斤頂構成。首先測量出型鋼柱定位架的中心及軸線，結合該軸線測量出4個支腳的相對坐標位置關系。然后將該裝置在地面坐標確定并放樣，由于該裝置開口的大小與支腳（液壓千斤頂）大小相同，所以在履帶吊將型鋼柱定位架起吊后，很容易將定位架的4個支腳“卡上”該定位裝置。最后利用千斤頂反復調整型鋼柱定位架使其水平。該定位裝置既快速、又準確，并且輕便、容易制作，這也保證了型鋼柱定位的高效性。

圖4 原型鋼柱安裝工藝流程（先插法）Fig.4 Procedure of installing shaped steel columns before concrete casting（originally-designed method）

圖5 優化后型鋼柱安裝工藝流程（后插法）Fig.5 Procedure of installing shaped steel columns after concrete casting（optimized method）

3.2 型鋼立柱吊裝精確定位

型鋼柱定位采用定位架進行安裝定位。采用定位架就位型鋼柱的施工原理是通過定位架上下4個千斤頂2臺油泵，調整型鋼柱中心與定位架的中心重合。對型鋼柱進行“兩點成直線”的原理進行定位，從而達到整個型鋼柱上下在一條垂直線上，并用全站儀復核控制其垂直度。采用短邊矯正長邊原理調整定位架上方工具節水平位置及垂直度，從而調整整個型鋼柱的中心及垂直度。

表1 2種施工工藝對比分析表Table 1 Comparison and contrast between method of installing shaped steel columns before concrete casting and that after concrete casting

圖6 型鋼柱定位圖Fig.6 Positioning of shaped steel columns

3.3 型鋼立柱安裝垂直度檢測

型鋼柱的垂直度檢測方法通常有經緯儀法、普通測斜管法、激光測斜管法和角度傳感器法。這些方法在工程中均有應用。經緯儀法、普通測斜管法是目前常規使用的方法，但精度較低，實施效果一般；激光測斜管法實施效果較好，但造價較高，目前應用較少；角度傳感器法通常與智能調垂直系統同時使用，實施效果好，目前應用較為廣泛。

在型鋼柱上安裝3個傾角傳感器模塊，作為柱體定位和后期監測的數據采集設備和無線傳輸模塊。安裝如圖7所示。

圖7 傾角傳感器安裝示意圖Fig.7 Installation of inclination sensors

具體操作情況：

1）將傾角傳感器模塊和無線傳輸模塊按安裝圖7布線安裝固定后，接上電源進線終端上位機調試，檢測通信。

2）通過吊車將型鋼立柱吊起，讓其依托重力自然鉛垂，通過系統終端上位機將型鋼柱內安裝的3個傾角傳感器模塊進行置零操作。利用全站儀復核型鋼柱鉛垂情況。

3）在“置零”后，開展型鋼柱定位操作。在定位操作過程中需要監測型鋼柱是否歪斜，需停止下放的動作并查看終端上位機顯示的數據是否有偏移（標準0.05°），有則調整下放方向。

4）定位成功，后期監控通過終端上位機查看傾角傳感器模塊上傳的數據。

根據設計要求，型鋼柱的垂直度要求控制在1/1 000，即型鋼柱的偏角應小于0.06°。根據測試，在實際安裝過程中，型鋼柱的偏角約為0.05°，滿足設計要求。

4 結論與建議

在巖層中施作型鋼立柱技術在國內已屬成熟工藝，本文論述的重點是在高強度巖層中快速成孔，以及對型鋼柱安裝工序、定位進行的改進。主要結論如下：

1）采用先進的巖層取芯設備，運用分層擴孔多次取芯法，速效快，能降低噪音。

2）原型鋼柱先插工藝優化為后插法，大大提高了工序的時效性。

3）巧妙地利用型鋼柱定位架支腿定位，取消了原始的定位架整體移動校正，使型鋼柱達到了快速安裝的目標。

4）運用先進的角度傳感器法實時校正型鋼柱垂直度，確保型鋼柱實現了準確定位。

由于在型鋼柱的后插過程中始終伴隨著泥漿或混凝土表面部分浮渣，該泥漿和浮渣將會影響型鋼柱端部承載力，故現場采取了預留后期注漿管。后續類似工程可建議調整型鋼柱端部設計，如設計為錐形或其他形式來解決此類問題。

（References）：

［1］ 徐佳杰，黎華元，劉洪.淺談十字型鋼柱的制作工藝及現場安裝［J］.安裝，2011（5）：59－61.

［2］ 齊鎮，紀華亭，宋軍，等.建筑鋼結構十字柱高空安裝施工技術［J］.施工技術，2012（S）：273－275.（QI Zhen，JI Huating，SONG Jun，et al.High-altitude installation technology of cross-type profile steel column［J］.Construction Technology，2012（S）：273－275.（in Chinese））

［3］ 董衛國，林厚超.淺談型鋼混凝土中型鋼柱的施工技術［J］.浙江建筑，2006，23（3）：43－44.

［4］ 崔啟剛.淺談型鋼混凝土柱的發展及特性［C］//河南省土木建筑學會2010年學術大會論文集.洛陽：洛陽規劃建筑設計有限公司，2010：303－305.

［5］ 龐忠.大截面超長十字型鋼柱制作安裝技術［J］.甘肅科技，2013（11）：132－135.

［6］ 劉新會.重大型鋼柱安裝施工技術［J］.建筑施工，2010 （6）：52－55.

［7］ 張學軍.地鐵逆做法H型鋼柱安裝施工技術［J］.科技情報開發與經濟，2008（31）：211－213.（ZHANG Xuejun.Talking about the installation construction technology of H-section steel mast with subway reverse construction technique［J］.Sci-Tech Information Development＆Economy，2008（31）：211－213.（in Chinese）

［8］ 翁華為，華錦耀.型鋼混凝土梁柱的施工技術［J］.工程設計與建設，2004（3）：28－32.（WENG Huawei，HUA Jinyao.Construction technology of ferroconcrete beams and columns［J］.Engineering Design and Construction，2004 （3）：28－32.（in Chinese））

Case Study on Installation of Shaped Steel Columns in High-strength Rocks in Construction of Chegongmiao Station of Line 11 of Shenzhen Metro

CHEN Yu，LI Hailong
（The Third Engineering Co.，Ltd.of China Railway Tunnel Group，Shenzhen 518052，Guangdong，China）

In the construction of Chegongmiao Station of 11301 bid section of Line 11 of Shenzhen Metro，shaped steel columns need to be installed rapidly and accurately into high-strength rocks（with 120 MPa uni-axial compressive strength）.The following two key technologies are adopted to fulfill the difficult job：1）Advanced core-taking drilling rig is used and special core taking process is adopted so that large diameter（with 2.0 m diameter）boreholes can be drilled rapidly in the high-strength rocks（with 1.5～2.0 m cyclic drilling rate）；2）The method of installing the cross-shaped steel columns after concrete casting is used so that the shaped steel columns can be installed rapidly and accurately.In the end，the job has been fulfilled successfully.

Metro station；high-strength rock；rapid borehole drilling；cross-shaped steel column；method of installing steel columns before concrete casting；method of installing steel columns after concrete casting；accurate positioning

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.012

U 45

A

1672－741X（2014）04－0362－06

2013－11－27；

2014－03－11

陳瑜（1974—），男，四川西充人，2008年畢業于石家莊鐵道學院，交通土建專業，本科，工程師，從事市政及地鐵施工管理工作。