逆作法地鐵車站鋼立柱定位與安裝關鍵技術

宋躍均

(杭州市地鐵集團有限責任公司， 杭州 310017)

逆作法地鐵車站鋼立柱定位與安裝關鍵技術

宋躍均

(杭州市地鐵集團有限責任公司， 杭州 310017)

杭州地鐵2號線中河北路站受交通條件限制采用蓋挖逆作法施工，蓋挖范圍內設置了68根“一柱一樁”式永臨結合的十字型鋼立柱。詳細闡述采用萬能平臺和全回轉鉆機后插鋼立柱施工技術，即完成鉆孔樁成孔及水下緩凝混凝土澆筑后，萬能平臺和全回轉鉆機精確吊裝就位、調平，再將工廠精確加工的鋼立柱吊放就位并用全回轉鉆機下插，下插時采用傳感器進行鋼立柱精確定位與調整。采用該技術，達到了施工高效、精準的目的，對于類似工程具有一定的借鑒和參考價值。

城市軌道交通； 逆作法； 鋼立柱； 定位； 安裝

1 工程概況

杭州地鐵2號線中河北路站位于中河北路與鳳起路交叉口東側，呈東西走向，布置于鳳起路上，站位周邊高樓林立，南側為環北小商品市場，北側為絲綢城及杭州高級中學，人員密集，交通流量大，且現狀鳳起路寬度較小，交通疏解困難。為了將施工期對交通和周邊房屋的影響降到最低，設計采用蓋挖逆作法施工[1]。

車站主體結構為地下2層雙柱三跨鋼筋砼閉合框架12 m島式車站，車站長274 m，標準段凈寬19.3 m，深17 m。采用蓋挖逆作法施工，頂板、中板、底板隨基坑開挖逐一往下施工，豎向臨時和永久支撐采用68根“一柱一樁”形式的十字型鋼立柱，截面尺寸為650 mm×450 mm，型鋼材質采用Q345B，鋼板厚50 mm。鋼立柱以鉆孔灌注樁為基礎，樁徑為φ1 300、φ1 600 mm兩種，為長約31 m的摩擦端承樁，樁身混凝土強度等級為C30，鋼立柱插入鉆孔灌注樁長度為3.0 m。立柱樁樁尖持力層為3中風化泥質砂巖、3中風化蝕變安山玢巖、3中風化安山玢巖。車站典型橫斷面見圖1。

圖1 車站典型橫斷面Fig.1 Typical cross section of station

根據交通通行要求，車站需分南、北半幅2次倒邊施工，先施工南半幅地連墻、立柱樁和頂板，在施工北半幅時，中間鋼立柱臨時用作頂板上覆土和施工機械設備支撐柱，覆土厚度達3.1 m，因此要求：1)鉆孔樁和鋼立柱承載力大，其中φ1 600 mm鉆孔樁單樁極限承載力為10 466 kN，φ1 300 mm鉆孔樁單樁極限承載力為9 010 kN；650 mm×450 mm十字鋼立柱單根設計承載力為5 000～8 000 kN；2)施工精度高，鉆孔樁樁位容許偏差≤10 mm，樁身垂直度偏差≤1/400；鋼立柱柱頂標高誤差≤5 mm，容許水平偏位誤差≤5 mm，鋼立柱垂直度≤1/1000，如此高的精度要求，鋼立柱的定位與安裝技術選擇至關重要[2]。鋼立柱截面形式見圖2。

圖2 型鋼立柱截面Fig.2 Sectional drawing of section steel pillar

2 工藝流程

鋼立柱的施工主要包括鉆孔樁成孔、型鋼立柱插入、插入后固定及回填處理3個工序，其工藝流程[3-4]見圖3。

圖3 鋼立柱施工工藝流程Fig.3 Flow chart of cross steel pillar construction

3 定位與安裝關鍵技術

3.1 定位方法

3.1.1 鋼立柱工廠加工

圖4 工具管示意Fig.4 Sketch of tool pipe

為保證鋼立柱加工的精度和質量，鋼立柱全部在工廠焊接、制作，制作完成后，逐一根據《鋼結構工程施工及驗收規范》(GB 50205—2001)進行驗收[5]，合格后運至現場預先設置的胎膜上。由于型鋼柱是十字形，而插管機的抱緊裝置是圓形的，因此需加工工具柱，工具柱直徑為1.5 m，壁厚為25 mm，長為7 m(主要依據柱頂標高和地面標高最大差值)，一端加工內置法蘭盤，尺寸與十字型鋼柱尺寸一樣。同樣的工具柱加工2根備用，工具柱制作與十字型鋼柱均在同一專業廠家制作，以確保工具柱與十字型鋼柱的連接精度及同軸度。同時，為確保工具柱與十字型鋼柱的同心同軸，在加工法蘭盤時采用數控加工，直徑與工具柱直徑一致。在法蘭盤與十字型鋼柱頂部焊接前，先制作專用胎模平臺，將十字型鋼柱平放于胎模上，利用同心同軸度測量儀進行校核，在確保同心同軸后，將法蘭盤垂直與十字型鋼柱進行點焊，然后進行焊接，完成后，用銑面機將法蘭盤端面進行銑面，并再次用同心同軸度測量儀進行檢測以確保工具柱與法蘭盤的同心同軸。工具柱與十字型鋼管柱現場用螺栓連接[6]。工具管示意見圖4。

3.1.2 精確測量定位

為確保施工精度，保證鋼立柱定位準確，首先在硬化地坪上用全站儀、坐標法進行柱位的測定；放出結構軸線和柱位中心，并進行核對，避免錯漏；在柱位中心處做出垂直交叉軸線，使柱位交叉軸線與鋼立柱的十字交叉線相重疊；將柱位十字交叉軸線外延到3 m的位置，并做好記號、保護好，以便于定位與復測使用；同時彈出柱位中心軸線及型鋼柱固定裝置——萬能平臺定位線；對于標定的基準點及柱位要做好明顯的標志和編號，并做好保護工作。

3.1.3 萬能平臺與全回轉鉆機定位安裝

根據全站儀精確測量放線結果，將萬能平臺吊放至已經放好的定位線上，通過萬能平臺的自動調平裝置進行細微調整，同時將JTR2005H全回轉鉆機安放孔口通過定點式水平位移計傳輸到電腦上進行精確調平，并精確對中，確保萬能平臺中心、全回轉鉆機中心及鋼立柱中心線在同一豎直線上。萬能平臺及全回轉鉆機見圖5。

圖5 萬能平臺與全回轉鉆機Fig.5 Versatile platform and 360° rotator machine

為確保萬能平臺施工精度，在平臺下方墊設3.5 m×3 m的鋼板，厚度為20 mm。路面承載力計算：萬能平臺與全回轉鉆機重(60+26)t，工具樁重約7 t,十字型鋼柱重17 t。地面壓強Q=總重/面積 =(60+26+7+17)×1.15×10/(3.5×3×2)=0.06 MPa。現狀鳳起路為城市主干道，現狀路面結構層為:18 cm瀝青+40 cm水泥穩定碎石基層，路面設計以雙輪組單軸載(100 kN)為標準軸載，輪胎接地壓強p=0.70>0.06 MPa,因此現狀瀝青路面滿足要求[7]。若不滿足，需提前對場地進行硬化處理。

3.2 鋼立柱安裝關鍵技術

3.2.1 鋼立柱安裝施工方法

鋼立柱采用先進的萬能平臺(自動調平、抱箍)與JTR2005H全回轉鉆機(插管機)進行安裝。在萬能平臺精確調平后，將全回轉鉆機精確安裝在調平后的萬能平臺上。JTR2005H全回轉鉆機(拆除夾緊裝置后最大通過直徑為1 500 mm)有上、下兩層夾緊裝置，上端主夾、下端副夾，可交替抱緊鋼立柱工具節，實現下插鋼立柱作業。JTR2005H全回轉鉆機構造見圖6。

圖6 JTR2005H全回轉鉆機Fig.6 JTR2005H-the 360° rotator machine

準備工作就緒后，使用150 t履帶吊對鋼立柱進行起吊，鋼立柱起吊后穿過JTR2005H全回轉鉆機中心下放工具柱位置時，用全回轉鉆機主輔夾同時夾緊工具柱，并用無線傳輸定點式測斜儀(測量精度<0.1%)對鋼立柱進行垂直度校準，使用JTR2005H全回轉鉆機進行精確微調以保證鋼立柱的垂直度，然后用全回轉鉆機自帶的上夾緊裝置抱緊鋼立柱，下夾持裝置松開開始安裝。一個行程后使用下夾持裝置對鋼立柱進行夾持固定，松開全回轉的上夾持，全回轉鉆機回升復位，然后交替抱緊進行下插安裝。鋼立柱下插入鉆孔灌注樁中，必須滿足《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ 138—2001)相關規定[8]。十字型鋼柱安裝至設計位置，利用萬能平臺的夾緊設備將十字型鋼柱固定，移除全回轉鉆機，待立柱樁砼強度達到要求時，根據設計及規范要求對鋼立柱周邊進行砂石料回填。回填時要注意密實度，同時防止回填過程對鋼立柱的沖擊造成偏移，回填過程需實時監控并調整回填速度和位置[9]，回填完畢后移除萬能平臺。施工步序見圖7。

圖7 鋼立柱安裝步序Fig.7 Installation steps of steel pillar

3.2.2 安裝精度保證措施

本工程鋼立柱安裝精度要求特別高，尤其是要達到不大于1/1 000的垂直度，難度較大。本工程在鋼立柱施工過程中，采用獨立的垂直度控制系統進行實時監測、控制，遇有偏差可及時通過全回轉鉆機液壓調平裝置進行調整，經最終檢測，達到了既定目標。

該垂直度控制系統采用無線(有線)傳輸定點式水平位移計(定點式測斜儀)，其測量精度<0.1%。其主要原理為：在萬能平臺、全回轉鉆機、鋼立柱工具節上安裝傳感器，當被測物發生傾斜時，傳感器受重力影響產生直流(DC)信號，傳輸至計算機，通過軟件可計算出傳感器與被測面或者重力方向的夾角，從而進行實時調整。具體操作方法如下：

1) 在內置特制鋼平臺對稱軸上安裝2個定點式水平位移計，用全站儀使鋼平臺精確對中就位，并將信號傳輸電纜引出，連接至數據采集器，將數據輸送到PC電腦中，通過軟件分析，對鋼平臺進行精確調平，誤差可控制在0.1%以內。

2) 在全回轉鉆機頂部對稱軸上安裝2個定點式水平位移計，全回轉鉆機就位時，使用全站儀和鋼平臺上的自動對位裝置使全回轉鉆機精確對中就位，并將信號傳輸電纜引出，連接至數據采集器，將數據輸送到PC電腦中，通過軟件分析，對全回轉鉆機進行精確調平，誤差可達到0.1%。

3) 鋼立柱水平放置在現場加工平臺上時，將定點式測斜儀固定于鋼立柱底部1個，頂部沿工具節圓周在同一平面與圓心夾角90°位置固定2個定點式測斜儀。傳感器安裝示意見圖8。

圖8 傳感器安裝示意Fig.8 Sketch of the sensor installation

鋼立柱起吊后處于懸掛狀態時，插入全回轉鉆機中心并穿過特制鋼萬能平臺，靠自重下放至孔中，在水下砼浮力和鋼立柱自重大約相等時，使用JTR2005H全回轉鉆機抱緊裝置同時抱緊鋼立柱，通過 4個定點式水平位移計和3個定點式測斜儀共同對鋼立柱的狀態進行數據采集，數據采集系統采集到7個傳感器傳輸的數據，輸送到PC電腦中，經過專用軟件進行統計和分析，數據采集頻率為5次/min，如發現鋼立柱出現的偏差，使用全回轉鉆機對鋼立柱進行精確微調[10]。實時監測軟件系統見圖9。

圖9 實時監測軟件系統Fig.9 System of real-time monitoring

4 結語

中河北路站采用蓋挖逆作法施工，詳細闡述了采用萬能平臺和全回轉鉆機安裝蓋挖法永臨結合十字型鋼立柱的施工工藝流程，并對定位和安裝精度控制等關鍵技術進行了詳細說明。從實施效果看，鋼立柱實測各項指標符合設計要求，質量驗收合格，該施工工藝和方法是合理的、成熟的，既確保了工期又保證了質量，取得了良好的社會和經濟效益。

[1] 杭州市地鐵集團有限責任公司.杭州地鐵2號線一期工程SG2-15A標招標文件[A].杭州，2013.

[2] 中鐵二院工程集團有限責任公司.杭州地鐵2號線中河北路站主體圍護結構設計[A].杭州，2014.

[3] 騰達建設集團股份有限公司.杭州地鐵2號線中河北路站十字鋼立柱施工專項方案[A].杭州，2014.

[4]地下建筑工程逆作法技術規程：JGJ 165—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

Technical specification for top-down construction method of underground buildings: JGJ 165—2010[S].Beijing:China Architecture & Building Press， 2010.

[5] 鋼結構工程施工及驗收規范：GB 50755—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

Steel structure construction and acceptance specification:GB 50755—2012[S].Beijing: China Architecture & Building Press， 2012.

[6] 電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘：GB 110433—2002[S].北京：中國電力出版社，2002.

Cheese head studs for arc stud welding: GB 110433—2002[S].Beijing: China Electric Power Press, 2002.

[7] 建筑地基基礎設計規范：GB 50007—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

Code for design of building foundation: GB 50007—2011[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2011.

[8] 型鋼混凝土組合結構技術規程：JGJ 138—2001[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.

Technical specification for steel reinforced concrete component structures: JGJ 138—2001[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2001.

[9] 唐劍，付詢.大型地鐵車站基坑蓋挖逆作中間立柱施工關鍵技術[J].鐵道建筑，2011(11):56-58.

TANG Jian, FU Xun.Key technology to the intermediate post column in cover excavation top-down method of large metro station base[J].Railway engineering, 2011(11):56-58.

[10] 廖秋林，張玉東，曾志獻.逆作法鋼管混凝土立柱垂直度控制系統設計和應用[J].礦產勘查，2009,12(8):60-64. LIAO Qiulin, ZHANG Yudong, ZENG Zhixian.Design and application of verticality control system in top-down method concrete filled steel tubular column[J].Geotechnical engineering world, 2009, 12(8): 60-64.

(編輯：郝京紅)

Key Technology for the Top - down Method on Steel Pillar’s Positioning and Installation in Metro Station

SONG Yuejun

(Hangzhou Metro Group Co., Ltd., Hangzhou 310017)

The cover and excavation top-down method is adopted in the construction of Zhonghebei station of Hangzhou Metro Line 2 due to the traffic condition of the station. 68 cross-shaped steel columns of permanent and temporary use with the arrangement of “one beam with one pile” were set in the covering range. The back inserting steel column technology with a universal platform and 360° rotator machine is introduced in the paper. After bored piles are formed and depositing of retarded concrete under water is finished, as well as the universal platform and 360° rotator machine hoisting are positioned and leveled, the 360° rotator machine is used to insert the precisely machining steel columns. Sensors are used for horizontal accurate positioning and verticality adjustment when the columns are inserted, with the height mark being strictly controlled. Efficiency and accuracy can be achieved owing to these technologies.Keywords： urban rail transit; top-down method; steel column; positioning; installation

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.024

2017-04-10

2017-05-10

宋躍均，男，本科，工程師，主要從事軌道交通工程建設技術與管理工作，287206521@qq.com

U231.1

A

1672-6073(2017)03-0119-05