地鐵蓋挖逆作車站低凈空鋼管柱施工技術(shù)研究

張 炳 生

(長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市交通壓力不斷增大，建設(shè)在交通繁忙的城市地區(qū)以及沿交通地面主要干道建設(shè)的地鐵線路越來越多。受到施工場(chǎng)地、交通條件等多方面因素的限值，采用傳統(tǒng)的明法在交通繁忙的中心地區(qū)和交通干道下方修建地鐵車站顯然已不太適用。而淺埋暗挖法大多對(duì)地質(zhì)條件和初期支護(hù)剛度有相應(yīng)的要求，需要進(jìn)行地質(zhì)改良。與常規(guī)的基坑施工方法相比，蓋挖逆作法的明顯優(yōu)勢(shì)在于施工安全、工期緊湊、質(zhì)量可控、對(duì)環(huán)境與交通影響小，帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益也相對(duì)認(rèn)可度高[1,2]。在地鐵車站蓋挖逆作施工過程中，由于開挖工序及工藝的特殊性，車站的地下連續(xù)墻、支撐柱、樁和承載板構(gòu)成了一個(gè)相互作用的整體，參與結(jié)構(gòu)受力。因此，蓋挖逆作法對(duì)車站施工質(zhì)量要求較高，其施工力學(xué)成為了一個(gè)備受關(guān)注的課題。

在地鐵車站結(jié)構(gòu)施工中，常采用鋼管柱作為結(jié)構(gòu)承載材料。由于鋼管柱具有快速拼裝、承載性較好，對(duì)于結(jié)構(gòu)受力較大部位可有效降低混凝土柱的使用量和體積占比率，得以廣泛的應(yīng)用。但隨著工程量的驟增，地鐵車站常建設(shè)在施工區(qū)域狹窄、機(jī)械設(shè)備限高的復(fù)雜地區(qū)，鋼管柱受到其體積尺寸較大的影響，其現(xiàn)場(chǎng)施工難度增加，這種現(xiàn)象在周邊環(huán)境復(fù)雜、場(chǎng)地狹窄、空間有限的蓋挖逆作車站施工項(xiàng)目中尤為突出[3]。如何在蓋挖逆作車站建設(shè)中，確保鋼管柱施工的安全與質(zhì)量也成為工程技術(shù)人員有待解決的難題。

鑒于此，結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線的蓋挖逆作條件下的萬家麗站鋼管柱施工工況，提出了適用于典型蓋挖逆作條件下低凈空鋼管柱的施工方法，詳細(xì)闡述了其施工工藝流程和步驟，總結(jié)了在蓋挖逆作條件下低凈空鋼管柱施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為今后類似的工程提供寶貴而可靠的施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線萬家麗廣場(chǎng)站處在萬家麗商圈中心，主干道交叉敷設(shè)，車站南北走向，位于萬家麗高架橋正下方，初步設(shè)計(jì)為長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)、5號(hào)線的換乘站。車站工程范圍自里程YCK 30+954.387～里程YCK 31+016.120。萬家麗廣場(chǎng)站基坑范圍從上至下依次為：混凝土路面(0 m～1 m)，雜填土(1 m～4 m)，粉質(zhì)粘土(4 m～5 m)，粉細(xì)砂(5 m～7 m)，圓礫(7 m～10 m)，粉質(zhì)粘土(10 m～11 m)，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(11 m～16 m)，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(16 m～27.7 m)。本車站采用蓋挖逆作法施工，萬家麗高架橋恰好位于車站主體結(jié)構(gòu)正上方，與地面凈高僅9.7 m，車站主體結(jié)構(gòu)中有5根承重柱與橋墩共建，成為永久立柱，如圖1所示。由于車站地處繁華商業(yè)區(qū)(萬家麗商圈)，又位于高架橋正下方，凈空狹窄，給車站鋼管柱及結(jié)構(gòu)部分施工帶來較大困難。

車站通過冠梁兼壓頂梁、鋼立柱基礎(chǔ)兼抗拔樁抗浮。車站施工抗拔樁共計(jì)24根直徑2 600(4根)，2 200(20根)。施工鋼管柱16根直徑為φ2 600，鋼管柱基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，鋼管柱采用Q345無縫鋼管，壁厚t=30 mm，內(nèi)灌C50級(jí)混凝土。受力鋼筋保護(hù)層厚度為70 mm，鋼管柱為端承樁。其施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：立柱中心線和下部基礎(chǔ)中心線重合允許偏差為±5 mm；樁基頂面和設(shè)計(jì)標(biāo)誤差允許范圍為0 mm～-20 mm；垂直允許偏差為長(zhǎng)度的1/1 000且最大不大于15 mm[4]。

2 低凈空鋼管柱施工重難點(diǎn)

蓋挖逆作地鐵車站的鋼管柱施工重難點(diǎn)主要集中在以下三方面：1)本車站為3層島式車站，且位于萬家麗高架正下方，由于鋼管柱立柱高度大，施工空間小，難以施工。因此只能進(jìn)行鋼管柱和鋼筋籠的分節(jié)吊裝，如何確保鋼管柱和鋼筋籠分節(jié)定位及垂直度控制是本工程重難點(diǎn)；2)分節(jié)吊裝鋼管柱和鋼筋籠，存在多個(gè)工序，精確定位、插入時(shí)間增加，勢(shì)必增加分項(xiàng)分部工程的施工時(shí)間，影響施工進(jìn)度。因此，在確保施工質(zhì)量的前提下改良施工技術(shù)、節(jié)約施工時(shí)間也是實(shí)際需要考慮的問題；3)鋼管柱頂在地面標(biāo)高以下3.5 m～4.2 m，需通過調(diào)整工具柱控制分節(jié)鋼管柱安裝質(zhì)量，使二者中心線吻合、連接牢固，實(shí)現(xiàn)重復(fù)施工是保證連接質(zhì)量的關(guān)鍵。

3 工藝流程

本文針對(duì)常規(guī)的鋼管柱施工方法，提出了一種適應(yīng)于低凈空鋼管柱施工的分段分節(jié)鋼管柱連接方法。具體工藝流程見圖2。

1)成孔：采用德國(guó)寶峨BG50C沖擊鉆進(jìn)行樁基成孔(期間加強(qiáng)對(duì)周邊橋樁的沉降監(jiān)測(cè))，在樁基混凝土澆筑至基地標(biāo)高后、在混凝土初凝前，將鋼筋籠下放至樁底。隨后，安裝定位平臺(tái)，定位平臺(tái)中心點(diǎn)采用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行測(cè)量定位，且待四周各角千斤頂固定后，再次對(duì)中心點(diǎn)位復(fù)測(cè)，使定位平臺(tái)中心點(diǎn)與樁中心點(diǎn)完全吻合，偏差控制在±5 mm，如圖3所示。

2)定位平臺(tái)安裝：在地面孔口處安裝鋼管柱定位平臺(tái)，吊放第一節(jié)鋼管柱，預(yù)先灌注6.8 m混凝土。當(dāng)混凝土處于初凝階段，需對(duì)鋼管柱內(nèi)的懸浮漿液進(jìn)行清理，對(duì)接觸表面區(qū)域進(jìn)行鑿毛處理，并依托定位平臺(tái)對(duì)上節(jié)鋼管柱沿管壁植筋。清理干凈后，在鑿毛處涂抹兩遍水泥漿。

3)吊裝連接：吊放第二節(jié)鋼管與第一節(jié)進(jìn)行對(duì)接，對(duì)接過程先將耳板對(duì)接牢固。吊裝過程中，在第二節(jié)鋼管柱底部沿管壁四周豎向每隔300 mm安裝螺旋千斤頂(千斤頂與套管間需注滿黃油，保證密封性)。鋼管柱的垂直度可通過經(jīng)緯儀矯正復(fù)核鋼管柱上設(shè)定好的鉛垂線來進(jìn)行控制。上、下節(jié)鋼管柱連接過程如圖4所示。鋼管柱四周設(shè)有四塊對(duì)稱的耳板，吊裝時(shí)確保支撐耳板在同一平面內(nèi)，且該平面恰好與鋼管中心線垂直。在支撐耳板水平后，鋼管柱通過自重達(dá)到基本水平，而后通過在耳板與支撐梁之間增加厚水平墊塊的方式進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)平。在確保上下節(jié)的垂直度偏差不大于5 mm后，進(jìn)行點(diǎn)焊，最后采用CO2氣體進(jìn)行焊接，焊縫要求等級(jí)為一級(jí)。焊縫檢驗(yàn)時(shí)要求其表面不得出現(xiàn)氣孔、焊渣、咬邊、焊縫不飽滿等缺陷。

4)鋼管柱與工具柱連接：在吊放鋼管柱完成之前需要連接工具樁，且工具樁與分節(jié)鋼管柱連接需要固定效果好，同時(shí)又需要便于拆裝。在下放一節(jié)鋼管柱后，在鋼管柱本體的頂端表面焊接兩組加強(qiáng)環(huán)板，加強(qiáng)環(huán)板之間固定設(shè)有抗剪牛腿，加強(qiáng)環(huán)板的頂部?jī)?nèi)側(cè)貼合連接有工具柱本體，擋板與工具柱本體貼合連接，且擋板通過加強(qiáng)螺栓與工具柱固定連接，通過加強(qiáng)環(huán)板、抗剪牛腿的力學(xué)傳遞作用，較好地實(shí)現(xiàn)鋼管柱與工具柱連接的穩(wěn)定性。

5)垂直度檢測(cè)：在垂直度調(diào)整到位后，采用精密超聲波檢測(cè)儀器(美國(guó)Table-UT平板超聲檢測(cè)系統(tǒng))(精度為0.1 mm)對(duì)連接好的鋼管柱進(jìn)行垂直度復(fù)核，當(dāng)垂直度到達(dá)1/1 000，可判斷達(dá)到垂直度規(guī)范要求。檢測(cè)合格后，將超聲檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器端口固定在鋼管柱上端，糾偏的4個(gè)千斤頂固定在定位平臺(tái)四角，進(jìn)行垂直度歸零。與此同時(shí)，通過焊接將本節(jié)鋼管柱與支撐架底梁臨時(shí)固定連接，避免鋼管柱受施工荷載影響，垂直度發(fā)生變化。

6)澆筑鋼筋混凝土：本工程由于在萬家麗橋下施工，凈空低，鋼管柱分節(jié)較多，若采用常規(guī)灌注會(huì)影響鋼管柱之間的連接，對(duì)整體垂直度影響較大。因此，用干作業(yè)導(dǎo)管灌注，先下放灌注鋼筋籠，采用吊筋將鋼筋籠固定在鋼管柱上口，控制好鋼筋籠標(biāo)高，下放導(dǎo)管且防止導(dǎo)管緊貼鋼管柱內(nèi)壁，避免沖擊荷載對(duì)鋼管柱垂直度造成較大影響。

7)澆筑混凝土的實(shí)時(shí)糾偏：在完成鋼管柱焊接后，進(jìn)行支撐柱的混凝土澆筑，由于水下澆筑混凝土返漿會(huì)對(duì)鋼管柱產(chǎn)生側(cè)向扭力，提升導(dǎo)管。回填碎石等步驟也不可避免對(duì)鋼管柱產(chǎn)生沖擊影響，造成鋼管柱垂直度偏差。所以，在水下澆筑混凝土和鋼管柱補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，需要對(duì)鋼管柱的垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)垂直度出現(xiàn)偏差可及時(shí)調(diào)整糾偏。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 定位平臺(tái)

鋼管柱施工的關(guān)鍵在于如何建立精準(zhǔn)的測(cè)量控制網(wǎng)，利用定位器進(jìn)行施工定位。而在蓋挖逆作工況下低凈空的鋼管柱分節(jié)吊裝施工，對(duì)施工精準(zhǔn)度更高，常規(guī)定位器定位方法和結(jié)構(gòu)顯然無法滿足特殊工況的需要。

本工況設(shè)計(jì)的定位平臺(tái)尺寸：3.5 m×2.4 m×2.85 m，定位平臺(tái)基座和承臺(tái)均由H型鋼組焊而成，基座四角用高強(qiáng)螺栓固定，基座與承臺(tái)之間為方鋼連接，方鋼上設(shè)置千斤頂，在基座與承臺(tái)上均設(shè)置有定位器。在實(shí)際施工中，需要保證定位平面上位于管口的定位器不平度小于±5 mm。定位平臺(tái)上安裝有定位器，采用十字錐板實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管柱的引渡定位作用，同時(shí)可以通過調(diào)平限值鋼管柱的水平向位移，如圖5所示。

4.2 連接部焊接過程質(zhì)量控制

上、下節(jié)鋼管柱之間、鋼管柱與工具柱之間連接均對(duì)焊接質(zhì)量有較高的要求。在焊接時(shí)，鋼管柱上的肋板焊縫需要采用貼角焊與全溶透角焊結(jié)合的形式。按照規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，全焊的一級(jí)和二級(jí)焊縫均需要采用超聲波無損探傷檢測(cè)，對(duì)內(nèi)部缺陷無法做出判斷時(shí)，應(yīng)采用射線探傷檢測(cè)，經(jīng)過第三方檢測(cè)單位復(fù)驗(yàn)合格后方可進(jìn)行下一步的施工。

5 結(jié)語

本文針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線萬家麗廣場(chǎng)蓋挖逆作車站特殊工況，提出了低凈空條件下鋼管柱施工技術(shù)，施工過程從鋼管柱拼接、垂直度檢驗(yàn)、工具柱與鋼管柱連接等多方面加以控制，以此保證施工質(zhì)量。具體結(jié)論如下：

1)采用定位平臺(tái)定位，采用超聲波儀進(jìn)行垂直度檢測(cè)，實(shí)時(shí)糾偏無須人工下井作業(yè)，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)上、下節(jié)鋼管柱與工具柱采用加強(qiáng)環(huán)板固定，設(shè)定有抗剪牛角，環(huán)形擋板通過加強(qiáng)螺栓與工具柱固定連接，使上下鋼管柱連接施工方便，提高分節(jié)鋼管柱連接效率。