蓋挖地鐵站大直徑超長鋼管混凝土柱施工技術

于世飛

中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東 泰安 271000

1 工程概況

太原火車站東廣場地鐵站站臺中心里程為YDK13+220.00，車站起止里程為YDK13+129.500～YDK13+309.500，車站長180m。本站采用地下三層雙柱三跨箱形框架的結構形式，地下一層為市政隧道，地下二至四層為地鐵車站，車站與市政隧道共構合建，高6.37m，總寬39.3m，地下三、四層標準段寬23.5m，高15.47m，車站總高21.84m。主體結構第12 軸～18 軸采用蓋挖逆筑法施工。

蓋挖頂板下部設計14 根Φ800mm 鋼管混凝土柱作為基坑開挖及結構回筑階段的主要受力構件，采用“一樁一柱”設計，鋼管柱壁厚20mm，直徑為800mm，長度為23.47m。鋼管柱底部為Φ2000mm 樁基礎，樁長為66m，鋼管柱錨入樁基礎長度為3500mm。設計采用泥漿護壁成孔灌注樁進行施工，樁基礎混凝土為C40 P12 混凝土，鋼管柱內為C50 微膨脹混凝土。

2 工程地質

根據地質調查及鉆探，場地地層主要為第四系全新統人工堆積層（Q42ml）、第四系上更新統坡洪積層（Q3dl+pl）、第四系中更新統沖洪積層（Q2al+pl）。巖性包括雜填土、素填土、濕陷性粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、粉土、粉砂、細中砂等。

3 工程重難點分析

3.1 樁基礎為大直徑超長鉆孔灌注樁，施工質量控制難度大

本工程鋼管混凝土柱底部為Φ2000mm 樁基礎，樁長為66m，為鉆孔灌注樁，成孔深度達86m，樁孔垂直度極難控制，且鋼管柱及其樁基礎主要穿透濕陷性粉質黏土、粉砂等地層，塌孔風險極高。因此大直徑超長鉆孔灌注樁施工質量控制是本工程的重難點。

3.2 樁基混凝土為超緩凝混凝土，其配合比設計和實施復雜

根據本工程樁長、商品混凝土攪拌站距離，考慮鋼管柱安裝時間，混凝土緩凝時間不小于24h，且在樁基水下混凝土灌注完成后，鋼管柱需要插入混凝土3.5m，混凝土流動性要保持至鋼管柱插入以后，所以該超緩凝混凝土配合比設計和實施是鋼管柱施工的關鍵。

3.3 鋼管柱構件大，安裝質量要求高

本工程鋼管柱壁厚20mm，直徑為800mm，長度為23.47m，鋼管柱構件大，安裝質量要求高，鋼管柱的精確定位和垂直度控制是本工程的重點和難點。

4 鋼管混凝土柱施工工藝

鋼管混凝土柱采用旋挖鉆機成孔，成孔后下放柱下樁基鋼筋籠并澆筑超緩凝混凝土，其施工工藝流程：

施工準備→測量放樣→埋設護筒→鉆機就位→鉆進成孔→成孔檢測→清孔→吊放鋼筋籠→安裝導管→超緩凝混凝土拌制和灌注→工作井成孔，澆筑鋼管柱內混凝土→安放定位平臺→吊放鋼管柱→定位平臺拆除→鋼管柱周圍回填細砂。

5 鋼管混凝土柱施工關鍵技術

5.1 鋼管柱底樁基鉆進成孔

5.1.1 測量放樣

根據設計圖紙對樁位進行放線，嚴格控制樁位精度，由測量隊提前將要施工的樁位在施工平臺上放出，并打設四個十字保護樁，利用護樁控制護筒埋設，可以隨時復核樁位，確保樁位準確。

5.1.2 埋設護筒

護筒采用Φ2200mm×5000mm 定制鋼護筒，用人工配合機械開挖埋設，要放置在硬土面上并臨時聯結到平臺，護筒周圍回填粘土并夯實。其頂端要高出地面不少于0.3m，懸掛垂球測量其傾斜度，以保證不大于1%，護筒中心與樁位中心偏差不得大于50mm。

5.1.3 鉆孔

采用旋挖鉆鉆孔，護筒埋設后，鉆機就位對中，將鉆機縱橫調平，保證其垂直度，并再次校核樁中心位置，鉆孔時采用泥漿護壁，在鉆進過程中應及時添加新鮮泥漿，使其高于孔外水位，配制泥漿選取水化性能較好、造漿率高、成漿快的膨潤土；在圓礫、砂石等地層漿液滲漏較快時，適當加大泥漿密度，再摻入纖維素和純堿等外加劑，使用鉆機鉆頭在孔內攪漿，防止泥漿護壁護不上。鉆進至設計標高后，進行第一次清孔。鉆孔過程中挖掘機配合運輸車，及時將鉆渣清運，保持現場整潔。

5.1.4 清孔

為了保證清孔質量，采用二次清孔，第一次清孔利用成孔結束后不提鉆慢轉清孔，調制性能好的泥漿替換孔內稠泥漿與鉆渣，以泥漿性能參數控制。第二次清孔是在下好鋼筋籠和導管后進行，利用導管進行清孔，清孔時經常上下竄動導管，以便能將孔底周圍虛土清除干凈。在第二次清孔后1h 內及時注入第一斗混凝土。否則重新測量沉渣或清孔。清孔后沉渣厚度要符合設計要求。

5.2 鋼筋籠、鋼管柱制作

鋼筋籠制作統一在鋼筋加工場進行，用卡板成型法控制鋼筋籠直徑和主筋間距，根據鋼筋骨架設計長度的不同，鋼筋籠分節制作與安裝，每一節籠長一般不大于12m，以免運輸、吊裝時變形。鋼筋籠接頭采用直螺紋套筒，接頭在構件同一平面內不得大于50%。

鋼管柱采取外委加工方式，加工過程中，安排管理人員駐廠監造。鋼管柱加工完畢出場前，按規范要求檢查驗收鋼管柱質量。鋼管柱的裝卸及運輸過程中，采取支頂、加固、捆綁等有效措施，防止鋼管柱滾動、變形。

5.3 鋼筋籠吊裝

鋼筋籠吊裝入口后，調整好垂直度后緩慢下放，下放過程中嚴禁碰觸孔壁。骨架下降到最后一道加強箍筋時，用2 根型鋼穿過加強箍筋的下方，使骨架豎直，進行套筒連接，主筋對位后使用扭力扳手擰緊套筒，確保鋼筋連接符合要求。鋼筋籠最后一節按設計標高就位后焊接吊筋，下部焊接與主筋上，上部與鋼護筒頂部焊接固定，防止混凝土澆筑過程中鋼筋骨架上浮。

5.4 超緩凝混凝土拌制、灌注

為保證鋼管柱有充足時間精確定位、插入混凝土內，本工程樁基混凝土采用超緩凝混凝土。

5.4.1 混凝土超緩凝時間的確定混凝土緩凝時間是根據樁基混凝土澆注完成到鋼管柱插入完成所需時間，根據本工程樁長、商品混凝土攪拌站距離，設定澆筑時間t=12h，鋼管柱插入所需時間為5h，考慮到其他突發因素影響，混凝土緩凝時間按照不小于24h。

5.4.2 混凝土工作性的確定

（1）流動性：水下灌注混凝土施工不具備振搗條件，靠混凝土自身重量產生流動在樁基底部攤平和搗實，尤其是大直徑長鉆孔樁的澆筑時間較長，若流動性較差，就會造成灌注困難、堵管，無法正常灌注，甚至會出現斷樁，引發質量事故及較大的經濟損失。樁基混凝土澆筑完成后，鋼管柱需要插入混凝土3.5m，混凝土流動性（塌落度）要保持流動性到鋼管柱插入之后。

（2）黏聚性和保水性：水下灌注混凝土要有較好的黏聚性和保水性，以防止因混凝土的離析、泌水在灌注過程中出現碎石在導管中局部集結，造成"卡管"，引發質量事故。

5.4.3 混凝土的坍落度損失的確定

根據商品混凝土公司距離工地的距離，測定出混凝土從拌和開始到運到工地施工現場時間為80 分鐘，保險起見考慮混凝土1h 坍落度損失率控制在在11%以內。

5.4.4 超緩凝混凝土配合比的配制

根據鋼管柱施工工藝所需要的緩凝及流動性的時間，根據原材料的實際情況、經過多次的試配，確定緩凝外加劑及混凝土的的配比。

5.4.5 混凝土灌注

在灌筑混凝土前，要對導管進行水密、承壓和接頭抗拉試驗，合格后，分段拼接，用吊車吊入孔內拼成整體。鋼筋籠就位經檢查合格后，立即下導管、安裝漏斗、儲料斗及隔水栓。導管底部離孔底0.3～0.4m，儲料斗的容積要滿足首批灌筑下的混凝土埋置導管深度的要求（不小于1m）。

灌注混凝土時，隨時用測繩檢查混凝土面高度和導管埋置深度，嚴格控制導管埋深，防止導管提漏或埋管過深拔不出而出現斷樁。導管埋深要考慮混凝土表面的浮渣厚度，導管埋入混凝土的深度一般控制在2～6m。灌注混凝土過程中要做好詳細記錄。

5.5 鋼管柱內混凝土澆筑

為確保鋼管柱插入混凝土時，不因浮力過大無法精準定位，本工程采用先澆筑鋼管柱內混凝土，后吊放鋼管柱的施工方法。

在樁孔鉆進施工的同時，在場地空地處打設2 個直徑1000mm，深度22m 的樁孔，作為工作井使用。用吊車將加工制作好的鋼管柱放入工作井中，按照鉆孔灌注樁施工工藝依次安放鋼管柱內鋼筋籠和導管。為防止混凝土澆筑過程中發生離析現象，柱內混凝土選用C50 微膨脹混凝土，采用導管法灌注鋼管柱內混凝土，柱頂范圍內混凝土采用插入式振搗棒進行振搗，待混凝土達到初凝后方可吊裝鋼管柱。

5.6 鋼管柱定位安裝

5.6.1 工具柱連接

本工程鋼管柱在地面以下有一定的高度，為確保定位架能將鋼管柱送至設計標高，在安裝鋼管柱時需加接一根工具柱，長度6m，直徑和材質與鋼管柱相同。在鋼管柱吊放前，用140t履帶吊將工具柱吊至鋼管柱頂端，用螺栓將工具柱連接在鋼管柱上；連接時各螺絲必須擰緊，螺母擰緊后涂上潤滑脂，將套筒桿套在螺母上；然后將鋼管柱端的螺母焊接在鋼管柱上。

5.6.2 定位平臺安裝

混凝土灌注結束及導管拆除后，迅速用履帶吊將鋼管柱定位安裝平臺安裝在護筒邊上。平臺安放時要將平臺的中心線與樁軸線重合，若因護筒偏差，平臺中心與樁位的偏差不得大于50mm。平臺就位后，用千斤頂將平臺調平，用電動沖擊鉆打Φ25mm×200mm 的孔，插入Φ25×350mm 的螺紋鋼并與平臺焊接在一起，確保平臺不偏移。將平臺上的四根調整導輪的橫桿調至大于1.2m 位置，以便鋼管柱下放不碰撞平臺。測量組在平臺頂端和下端各設置四個控制點，以便鋼管柱下放時控制中心度。

5.6.3 鋼管柱安裝

用履帶吊將鋼管柱從工作井吊至安裝平臺頂部，從上部緩緩插入樁孔內。鋼管柱底插至離樁頂混凝土上1 米時停止下放，然后通過控制點測出鋼管柱工具柱與樁的中心偏差。將調整抬杠移至相應位置，并用螺栓固定。固定完成后，調整平臺上部頂輪的調整螺絲，利用頂輪將工具柱頂至鋼管柱中心位置并鎖定調整螺母；然后調整平臺下部導輪。調整完成后鋼管柱中心偏差不得大于5mm。鋼管柱對中后，吊車緩緩下放鋼管柱至設計標高。

5.6.4 鋼管柱固定

鋼管柱安裝至設計標高后將固定抬桿放置至護筒邊兩根工字鋼上，并用兩塊300×300×25 三角板焊接在工具節和抬桿上。待混凝土達到一定強度后，方可拆除安裝平臺。

5.6.5 鋼管柱周圍回填

安裝平臺拆除后，在護筒周邊設置圍擋，保證鋼管柱及工字鋼不被碰撞。待鋼管柱底部樁基超緩凝混凝土和柱內微膨脹混凝土強度達到規范要求后，用細砂對鋼管柱周圍空樁部分進行均勻回填。

6 結語

太原火車站東廣場地鐵站采用蓋挖逆筑法施工，承重結構為大直徑超長鋼管混凝土柱，其結合了鋼結構和混凝土結構各自的技術特點，具有承載力高、延性好，耐火耐腐蝕性強，抗震性能優越，施工方便等優點，消除了地鐵站結構蓋挖施工過程中的安全隱患，為地鐵站結構的施工質量提供了保證，增強了地鐵站結構的穩定性。大直徑超長鋼管混凝土柱施工技術在類似蓋挖地鐵站工程施工中有一定的推廣意義。