新型樁-梁-拱（PBA）工法中隧道鋼管柱安裝機的應用

崔淑英 邵玉濤 陳根龍

（中國地質科學院勘探技術研究所，065000，廊坊∥第一作者，工程師）

隨著我國一些大中型城市交通密度的不斷增大，地鐵作為城市主要交通工具的作用日益凸顯。與大中型城市對地鐵日益增長的需求相對比，地鐵建設技術的發展卻步履緩慢，尤其體現在地鐵施工的機械化程度上。

1 PBA 工法簡介

PBA 工法（Pile-Beam-Arch，樁-梁-拱），即淺埋暗挖洞樁法。該工法是我國工程師在分析總結傳統淺埋暗挖法優缺點后，將地下框架結構逆作法和暗挖法通過導洞、鋼管柱、人工挖孔樁、鉆孔灌注樁、扣拱等成熟技術有機結合后所提出的一種地鐵車站施工方法［1］。PBA工法先施工小導洞，在小導洞內施工圍護邊樁、鋼管柱、底縱梁和頂縱梁，然后施工拱頂結構，形成“樁、柱、梁”穩定的受力體系，最后通過逆筑施工工法完成地鐵車站的主體結構二襯［2］。

PBA工法中的樁包含邊樁和中樁，傳統八導洞和六導洞中的鋼管柱作為中樁，上方與頂縱梁連接，下方與底縱梁連接。但是中樁下底縱梁較窄，在軟弱地層中地基承載力不足，且八導洞及六導洞成形后，邊樁及中樁均通過人工挖孔成樁，降水周期較長，工人作業安全風險高。新型PBA洞樁法采用單層四導洞結構，取消了下層4個導洞及條形基礎，通過增加邊樁和中樁的長度來提高樁的承載力。中樁是車站主體三聯拱的主要承重結構，中樁鋼管柱質量的好壞直接影響到車站施工的安全與穩定。

雙層八導洞車站、雙層六導洞車站和單層四導洞車站的橫斷面結構圖見圖1、圖2、圖3。

2 傳統四導洞鋼管柱定位吊裝工藝

新型PBA工法采用的四導洞結構，鋼管柱的定位主要通過工人進入深度10多m的鋼護筒內，通過人工鑿除超灌的混凝土，而后安裝定位器來進行定位。此方法定位精度差，人工工作量大，工作環境惡劣，安全風險高。由于需要工人進入鉆孔內部工作，需要下入鋼護筒護壁，然后將孔內積水抽出。鋼護筒作為臨時支護護筒，車站開挖時還需將其拆除。因此傳統四導洞成樁工藝會造成鋼護筒的大量浪費，安裝定位器需要進行的前期處理工作也大大延長了施工周期。

圖1 雙層八導洞車站橫斷面結構圖

圖2 雙層六導洞車站橫斷面結構圖

圖3 單層四導洞車站橫斷面結構圖

鋼管柱的安裝精度要求較高，導洞內空間狹小，吊裝及垂直度控制是施工難題。目前，大部分地鐵車站鋼管柱的吊裝采用簡易門式架分節吊裝，門架橫梁上設置2個手動葫蘆，分節起吊安裝鋼管柱。吊裝時，手動葫蘆起吊第一節鋼管柱沿孔下放，下放至法蘭面時采用專用夾具將其在孔口固定，然后起吊第二節鋼管柱，兩節鋼管柱通過平面法蘭上的螺栓孔連接［3］。依此類推，逐節連接下放鋼管柱。此工藝鋼管柱安裝完成后的垂直度無法直觀體現。

3 隧道鋼管柱安裝機的應用

3.1 隧道鋼管柱安裝機應用工地概況

多功能隧道鋼管柱安裝機首臺樣機應用于北京地鐵16號線萬泉河橋站。萬泉河橋站位于萬泉河路與北四環西路交叉口處萬泉河立交橋范圍內，沿北四環西路北側輔路下敷設，下穿萬泉河主橋及萬泉河，平行于北四環西路東西向設置。萬泉河橋站全長336 m，車站西端21.2 m范圍為三層雙跨框架結構，采用明挖法施工；其余主體結構段均為地下二層雙跨連拱直墻結構，采用暗挖“PBA”法（樁基）施工。中樁共計54根，采用Φ 900鋼管柱，鋼管柱下采用Φ 1800灌注樁進行承載。

3.2 隧道鋼管柱安裝機功能介紹

針對四導洞成樁工藝的不足，自主研發了隧道鋼管柱安裝機（見圖4），該設備是集下放鋼筋籠、鋼管柱、澆筑混凝土，調整鋼管柱垂直度等多功能于一體的機械化、自動化、智能化設備。該設備參數見表1。通過在第一節和工具節上各安裝一個高精度傾角傳感器，可以調整和監測鋼管柱的垂直度，鋼管柱垂直度精度能夠控制在0.1°范圍之內。

圖4 隧道鋼管柱安裝機

表1 隧道鋼管柱安裝機參數

隧道鋼管柱安裝機通過高精度傾角傳感器可以顯示鋼管柱下放后的角度變化，按下一鍵調垂按鈕后，程序自動控制4個支腿油缸的伸縮，以此來調整設備的角度。由于鋼管柱下放后通過抱閘的抱緊與隧道鋼管柱安裝機已成為一個剛性整體，因此通過調整安裝機的角度變化，最后可以使鋼管柱的垂直度調整到設定的精度范圍內，精度達標后一鍵調垂程序自動結束，4個支腿油缸停止動作。鋼管柱垂直度調整前后對比見圖5。

圖5 鋼管柱垂直度調整前后對比

3.3 隧道鋼管柱安裝機工作示意圖

隧道鋼管柱安裝機簡圖見圖6。隧道鋼管柱安裝機工作流程見圖7。

3.4 隧道鋼管柱安裝機支腿受力分析

根據隧道鋼管柱安裝機的工作狀態，其受力最

圖6 隧道鋼管柱安裝機

3.5 隧道鋼管柱安裝機的應用

由于隧道鋼管柱安裝機的調垂機理與傳統鋼管柱調垂機理不同，前者是鋼管柱全部下放后統一調垂，后者是預先在孔內安放定位器來控制鋼管柱的垂直度。使用隧道鋼管柱安裝機可避免人下孔作業，由此可取消為安放定位器而進行的一系列準備工作，如：下入鋼護筒、抽取孔內積水和人工孔內鑿除超灌水泥等。僅此一項就為施工方大大縮短了施工周期，工人不必進入10余米深的孔內作業，大大增加了工作的安全性。采用兩種方式安裝的對比見表2。

表2 鋼管柱安裝對比表

圖7 安裝機工作流程

鋼管柱垂直度調整完畢后，開始灌漿。安裝機配有主卷揚和副卷揚，主卷揚提升力較大，負責吊裝鋼管柱，副卷揚提升力較小，負責灌漿導管的提升。副卷揚由電機控制，可以實現自由落體運動，從而可以完成灌漿導管的抖動。大的組件為前支腿油缸，隧道鋼管柱安裝機自重、鋼管柱自重以及混凝土凝固時產生的向下的拉力均作用在抱閘上，進而傳遞到2個前支腿油缸，因此支腿油缸在系統壓力下能夠承受的最大壓力至關重要。

隧道鋼管柱安裝機自重：17.8 t；

鋼管柱自重:10 t（以鋼管柱外徑Φ 1 000 mm，壁厚26 mm，按照鋼管柱長度為16 m計算）；

前支腿油缸受力：17.8+10=27.8 t；

前支腿油缸缸徑Φ 125 mm，系統壓力P=28 MPa，單個支腿油缸在系統壓力作用下能夠承受的壓力F為：

F=PS （1）

式中：

S——單個支腿油缸的截面積。

計算得F=34 t，2個支腿油缸在系統壓力下所能承受的壓力為68 t。因此支腿油缸完全能夠承受安裝機自重及鋼管柱自重。

4 結語

（1）隧道鋼管柱安裝機的成功應用，為新型PBA工法在全國范圍內的推進奠定了良好的基礎，目前除北京地鐵16號線以外，哈爾濱，新疆等地均已計劃采用新型PBA工法進行地鐵站的開挖。

（2）隧道鋼管柱安裝機的初步應用即在施工效率、成本和安全性上取得了突出的成績。隨著大中型城市對地鐵需求的日益增多，只有不斷提高地鐵施工的技術水平，設計更多高效的機械化設備，使地鐵施工逐步從人工化向機械化方向發展，才是提高地鐵建設速度的根本。

［1］ 王文濤.PBA工法地鐵車站導洞施工方案優化研究［D］.北京：北京交通大學，2015.

［2］ 陳麗敏.PBA工法鋼管柱施工技術［J］.國防交通工程與技術,2012（S1）：101.

［3］ 肖昌軍.北京地鐵10號線勁松站PBA工法鋼管柱安裝施工技術［J］.施工技術，2008（12）：238.