長沙地鐵6號線木馬塅站蓋挖鋼管柱施工工藝的優化

晉劉杰

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

地鐵是緩解城市交通擁堵的有力措施，隨著我國經濟的發展和交通需要，目前40余座一二線城市都在進行軌道交通建設。鋼管柱是地鐵車站的主要受力部件[1-4]，在明挖、蓋挖、暗挖等施工中經常用到，其施工質量、防水性能、受力條件等都對地鐵車站的穩定性和適用性產生影響。目前，針對鋼管柱施工工藝工法研究總結很多，具有很大的參考價值。曾偉[5]總結了地鐵車站蓋挖逆筑法鋼管柱安裝采用旋挖鉆機+HPE插管機配合工法施工工藝。王文東[2]采用混凝土固定上下樁口、柱身周邊空隙填充砂礫的技術措施，防止鋼管柱在澆筑混凝土過程中出現位移，有效保證了鋼管柱的垂直度。李峰[6]介紹了HPE液壓垂直插入機精確定位后下放鋼管柱及鋼管柱內鋼筋籠，一次性灌注樁基混凝土及鋼管柱內混凝土的施工方法。戚騰舞[7]介紹了能大大提高鋼管柱安裝定位的鋼管柱安裝、定位技術及控制措施。張正等[8]認為混凝土鋼管柱出現偏位后的糾偏是難以實施的，因此做好事前防范極為重要。周志健等[9]采用鋼管柱環梁梁柱節點四邊形加腋做法提高了施工質量。郭凱等[10]采取了分節定位安裝的方法很好地解決了蓋挖逆作工藝下后起鋼管柱的安裝施工技術難題。上述研究內容主要集中在鋼管柱傳統施工工藝方面，但隨著對施工作業人員職業健康衛生的關注，傳統鋼管柱施工人員孔內作業時間長、安全風險大、職業病風險高的問題日益顯現，為此，長沙地鐵6號線鋼管柱施工過程中對傳統施工工藝進行改進，減少了人員孔內作業的時間，優化了孔內作業環境。

1 工程概況

木馬塅站為長沙地鐵6號線工程的中間站。該站位于長沙市長沙縣大元路與臨空南路交叉路口，沿臨空南路南北向敷設。該站共有兩根永久鋼管柱位于蓋挖段施工范圍(如圖1所示)，為蓋板段結構主要中間支撐，設計鋼管柱柱長18.25 m、直徑0.8 m，錨固段深度14 m，其中鋼管柱在錨固段中埋深4 m。鋼管柱采用壁厚20 mm的Q345B鋼，內部填充C50微膨脹混凝土。

圖1 鋼管柱位置示意圖(單位：mm)

2 原鋼管柱施工工藝

2.1 施工流程

原設計方案鋼管柱施工工藝流程見圖2，在此主要對原設計工藝流程中施工比較復雜、對工期和施工作業環境影響較大的定位器安裝、鋼管柱安裝和精確定位及長護筒回收利用進行詳細介紹。

圖2 鋼管柱原設計施工工藝流程(單位：mm)

2.1.1 定位器安裝

鋼管柱定位器的安裝首先需要確定定位器的空間位置，然后人工按照確定的位置鑿除已澆筑完成的基礎混凝土，在處理好基面后安裝定位器的定位錐。定位錐安裝完成后，施工人員攜帶定位器、膨脹螺栓及其他配件進入鋼護筒底，并做好通風、電氣焊的準備工作。滿足自動定位器安裝要求后用膨脹螺栓將自動定位器固定于安裝基面，并將自動定位器的十字板與鋼護筒相焊接。自動定位器安裝完畢后，卸走上下兩節鋼護筒之間主聯結螺栓，將施工人員吊運出鋼護筒。

2.1.2 鋼管柱安裝和精確定位

定位器安裝固定后安裝鋼管柱。為確保鋼管柱準確定位，鋼管柱上端臨時使用法蘭連接一段輔助節。鋼管柱采用工廠內加工、施工現場拼裝的方式施工，出廠前，在輔助節頂對稱焊接設置一對吊耳，同時在吊耳側加焊肋板，以確保鋼管柱處于最不利位置時，吊耳不發生側翻破壞現象。

輔助節與鋼管柱法蘭連接處設置防水墊片，確保施工期間連接點不漏水。鋼管柱位置確定及各輔助部件安裝完成后，用專用導管灌注鋼管柱基礎混凝土，待施作主體結構底板時，將超灌部分混凝土鑿除。

2.1.3 長護筒回收利用

當鋼管柱樁基礎的混凝土強度達到15 MPa時，施工人員由孔口下到合適位置拆除鋼管柱上端頭與鋼護筒之間的定位槽鋼，然后從地面向鋼護筒內注滿清水，以防拔出鋼護筒后槽壁坍塌。在鋼護筒上端采用4臺千斤頂進行頂升，頂起10 cm后，用吊車拔出。在起拔鋼護筒過程中，嚴禁碰撞H型立柱，防止其發生偏斜。在長護筒拆除完成后，為增強鋼管柱的側向穩定性，保證鋼管柱位置不發生偏移，需要沿鋼管柱四周環狀均勻灌注干砂。

2.2 施工中存在的問題

(1)施工過程中鋼管柱護筒要下到已成樁孔的底部，在混凝土澆筑之后受混凝土初凝、孔側壁土體摩擦等的影響，最后一節鋼護筒拔出困難，甚至出現無法拔出的情況。多節鋼護筒下放、澆筑、拔出施工作業時間長，工效低。

(2)鋼管柱基礎施工完成后，需要人工在孔內下到鋼管柱底部在基礎混凝土部位鑿除杯口位置的混凝土，鋼管柱直徑小、深度大，加之內部空間狹小通風困難，人工作業面不足，造成施工周期長，安全風險極高。鋼管柱底部混凝土人工鑿除，機械動力受限，無法精確控制標高， 容易導致定位器安裝位置不準確。

(3)根據傳統施工經驗，本項目一根鋼管柱從鉆孔開始到安裝完成需要15 d，周期長，無法滿足項目工期要求。

3 優化后施工工藝

3.1 施工流程

鑒于原施工方案施工難度大、風險高、工期長，無法滿足本工程實際施工需要。考慮項目實際情況，結合原鋼管柱施工流程，對鋼管柱施工工藝做如下優化(見圖3)：用地面定位平臺取代孔內定位器，避免工人進入到鋼管柱底部鑿除混凝土安裝定位器；取消了長鋼護筒，只保留鉆孔施工時2 m長護筒；簡化了施工流程，提高施工安全性和施工效率。

圖3 鋼管柱優化后設計方案(單位：mm)

3.1.1 成孔及基礎施工

鋼管柱成孔除考慮自身外，還要考慮其底部基礎。成孔首先采用?1.2 m小直徑鉆頭引孔至設計標高，然后再使用?2.0 m大直徑鉆頭鉆進至設計孔深，最后再采用鉆頭加擴孔器擴孔至指定位置。鉆孔完成后，吊放樁基礎鋼筋籠并為后續鋼管柱定位平臺安裝做準備。

3.1.2 鋼管柱定位平臺安裝

孔口定位平臺使用30H型鋼進行加工，上表面設有2 cm厚鋼板作為調節平臺(如圖4所示)。在調節平臺下方提前澆筑混凝土施作鎖口圈梁。定位平臺中心點采用全站儀極坐標法進行測量定位，4個千斤頂沿鋼管柱四周成90°放置，千斤頂分別平行于定位平臺的橫縱兩邊，待4個千斤頂固定后，再次對中心點位復測，使定位平臺中心點與樁中心點重合，偏差控制在±5 mm。

圖4 定位平臺結構(單位：mm)

3.1.3 鋼管柱吊裝、定位及校正

鋼管柱吊裝采用兩臺設備協同進行三點起吊，輔助節上端設置兩個吊環，吊環采用20 mm厚鋼板制作，吊放鋼管柱前，用吊車配合人工將鋼管柱和輔助節連接好，并進行相應質量檢測，符合設計及規范要求后，可吊放鋼管柱。

在鋼管柱底部向上8 m處沿管壁四周豎向每隔500 mm安裝一組螺旋千斤頂(千斤頂與套管間需注滿黃油，保證密封性)，一共安裝兩組(每組2個成90°布置)，保證工人操作空間。鋼管柱底部向上7 m處焊接內法蘭作為操作平臺，內法蘭采用14 mm厚鋼板、寬100 mm。在地表時對鋼管柱中心位置提前進行確認，并在鋼管柱內壁固定引線點，便于內部校核時確認鋼管柱中心點。

鋼管柱上口固定后人工進入鋼管柱調整螺旋千斤頂對鋼管柱垂直度進行校正。鋼管柱在地表焊接完成后，與工具柱連接，并通過螺旋千斤頂對鋼管柱進行定位(由于鋼管柱柱頂至地面深度約5 m，柱頂至地面設置工具柱，工具柱與鋼管柱之間利用16個M24高強螺栓進行連接，工具柱長度7 m)。

3.1.4 鋼管柱基礎及鋼管柱混凝土澆筑

澆筑基礎樁混凝土至設計標高，因澆筑混凝土過程中可能會對鋼管柱定位造成擾動，為減小施工誤差，混凝土澆筑后，在初凝之前對鋼管柱進行二次校正，校正方法同第一次校正，以確保鋼管柱最終位置準確。隨后鋼管柱外側采用回填細砂密實至輔助節底部，進行蓋板段土方開挖，開挖至設計深度后，對鋼管柱伸出部分千斤頂進行切割，并用與鋼管柱同等強度鋼板對4個千斤頂開口處進行焊接補強、拆除輔助節，安裝柱頂鋼筋籠，澆筑鋼管柱混凝土。

3.2 施工注意事項

鋼管柱標高及方向嚴格控制，現場以鋼管柱頂標高為控制標準。作業人員在鋼管柱內定位過程嚴格按方案安全要求進行。注意鋼管柱焊接過程，對每節垂直度需復核后，才能進入下一道工序。

3.3 施工效果

(1)在孔口安裝定位器使施工人員無須再下入鋼管柱底部定位，只需要下到鋼管柱中間部位定位即可，取消了人工下入鋼管柱底部鑿除混凝土杯口的工序，提高了施工工人的工作環境，降低了施工風險。

(2)施工過程中只保留鉆孔時2 m長護筒，避免了鋼管柱護筒出現無法拔出的情況，減少了施工過程，提高了鋼管柱施工效率。

(3)經過優化后，鋼管柱施工效率大大提高，第1根鋼管柱施工實際由原方案的15 d降低到7 d，第2根鋼管柱僅僅施工了3 d就完成了。

4 結束語

該優化工法在長沙地鐵施工中取得了良好的效果，具有廣闊的推廣應用價值，為以后鋼管柱的施工優化起到了良好的引領作用。