蓋挖逆作法鋼管混凝土柱高精度調垂技術研究*

夏 源

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

0 引言

隨著我國城市化進程的快速發展，對以大型公共建筑及地下交通樞紐為主要載體的城市地下空間的開發提出了更加迫切的需求，蓋挖逆作法作為城市地下空間施工的重要工法之一受到廣泛推崇[1-5]。

蓋挖逆作法比傳統的施工方法技術要求高、施工難度大。其中，豎向支撐鋼管混凝土柱作為承受上部結構自重和施工荷載的支撐，具有占地面積小、節約工期等特點[6-8]，同時，鋼管混凝土柱的調垂問題也成為決定逆作法施工成敗的關鍵因素[9-10]。以北京城市副中心站綜合交通樞紐工程項目為背景，介紹蓋挖逆作法中永久鋼管混凝土立柱的高精度調垂技術。

1 工程概況

北京城市副中心站車場是京唐線、京秦線和城際聯三條線路的綜合換乘車站。本站房共地下3層，其中地下2層、地下3層采用蓋挖逆作法施工，基坑開挖深度31.15m，基坑剖面如圖1所示。

圖1 基坑剖面

2 施工難點分析

2.1 工程體量大、鋼管柱型號多

本工程施工范圍內鋼管柱共計266根。鋼管柱規格分別為直徑1 000～1 400mm、厚度40～60mm、鋼管柱凈長21.4～30.9m。

2.2 施工精度要求高

本工程鋼管柱下插逆作樁，形成“一樁一柱”結構，作為蓋挖逆作法施工中代替工程結構柱的一種結構桿件，對已完成的主體結構、施工荷載起到支撐作用。

鋼管柱定位軸線允許偏差不應大于1.0mm，柱頂標高偏差不應大于2.0mm，鋼管柱安裝垂直精度1/800(非正線區域)、1/1 000(臨近正線區域)，單節柱的垂直度不應大于10.0mm。

2.3 地質條件差

該工程鋼管柱施工區域地質除黏土層外，還含有細砂層、中砂層。該土層位于12.150～-9.150m，厚約21.3m，易產生流砂、坍塌等現象，在旋挖成孔過程中易造成坍孔，成為影響鋼管柱插入和高精度調垂效果的重要因素。

3 施工工藝

3.1 工藝流程

鋼管柱施工工藝流程：逆作樁混凝土澆筑完成→設備就位對中→調整設備水平度→吊裝鋼管柱→插入鋼管柱→鋼管柱四周回填砂石→拆除工具柱→澆筑鋼管柱內混凝土→拔除鋼護筒→回填柱頂至地面。

3.2 垂直度控制要點

3.2.1施工基礎平臺

施工現場進行整體硬化，施工基礎平臺在使用全站儀進行樁心定位后預留鋼護筒埋設孔，鋼護筒埋設孔范圍外澆筑20cm厚的C30混凝土，并布置φ14的單層鋼筋網片。

3.2.2成孔垂直度控制

“一柱一樁”成孔的垂直度是影響鋼管柱調垂的關鍵因素，其垂直度須小于1/600。針對該工程地質條件和鉆孔深度，選用較為平穩且扭矩大的鉆進成孔設備。成孔前進行樁心定位，鉆機就位后利用鉆機自身的垂直儀調整鉆桿的垂直度后，再用全站儀復測鉆桿垂直度，保證鉆機鉆桿的垂直。樁位定位后拉引樁十字線，將鉆桿中心與樁位十字線中心對齊，偏差≤20mm。護壁泥漿相對密度<1.2，黏度<28s，含砂量<6%。成孔后對成孔垂直度進行100%超聲檢測，避免因成孔質量差影響后續樁柱的垂直度。

3.2.3鋼管柱節段連接

鋼管柱在工廠分節加工，然后在施工現場進行整根拼接，為確保上下節段鋼管對接后的垂直度，鋼管柱加工過程中嚴格控制鋼管截面的橢圓度(±D/500mm，D為管外徑)、管端面管軸線垂直度(≤3.0mm)、軸線偏差值(≤1.5mm)、對口錯邊(≤3.0mm)，節段連接采用單面坡口一級焊縫焊接。為將鋼管柱順利送至設計標高，鋼管柱頂端配置工具柱，工具柱和鋼管柱的直徑、壁厚一致，工具柱和鋼管柱采用在其管內焊接內襯鋼管將二者連接。內襯管統一壁厚40mm，長400mm，插入鋼管柱及工具柱150mm，中間外露100mm，內襯管直徑=對應鋼管柱直徑-鋼管柱壁厚×2-20mm，鋼管柱出廠前將內襯鋼管焊接在鋼管柱上。

3.2.4鋼管柱插入

鋼管柱在下插時利用設備的主副夾緊裝置，逐步將鋼管柱送至設計標高，主要原理如下。

1)在調整精平的插管機上吊放鋼管柱，鉆機主副夾同時夾緊鋼管柱。

2)松開副夾，機器上平臺抱住鋼管柱下壓一個行程。

3)用機器下平臺夾緊裝置夾緊鋼管柱，松開主夾，上平臺上升，往復第1個工作流程一直將鋼管柱壓入至設計標高(見圖2)。

圖2 設備插入鋼管柱過程

3.3 鋼管柱垂直度監測

為保證鋼管柱1/1 000的垂直度，施工中采用“勤監測、精調垂、內外同步”的施工方法，以達到精細控制施工誤差的目的。

“內”指的是運用傳感測垂技術，在工具柱頂端外側180°布設2個測斜儀，在下放鋼管柱的過程中監測鋼管柱的偏移情況，測斜儀傳感器將數據傳至計算機進行數據分析后確定鋼管柱的垂直度，經數據分析當垂直度不滿足要求時(偏斜0.07°為預警值，0.09°為報警值)，驅動液壓控制系統進行微調，滿足要求后繼續下插直至設計標高。

“外”指的是在鋼管柱以外架設全站儀進行監測，監測內容主要為樁中心和垂直度，共計5次。第1次在插管機就位前，對孔位中心復核定位，確定插管機平臺底座中心。第2次在平臺底座就位后，采用全站儀對平臺中心進行定位，同時用高精度水平儀進行精度檢查，發現偏差及時調整，為保證平臺的垂直，除觀測平臺上的水準泡外，還應配備激光找平儀，確保平臺的水平，進而保證鋼管柱的垂直下放。第3次在鋼管柱吊放至插管機后，采用2臺全站儀呈90°雙向測量，調整至絕對垂直狀態，該數據作為初始垂直度，此時工具柱頂的測斜儀傳感器數據開始歸零。第4次在鋼管柱下插的每個行程均進行垂直度監測，并進行實時調整。第5次為鋼管柱下插至設計標高后，灌填碎石之前最后一次復核調整垂直度。

以垂直度最大偏差的鋼管柱作為監測數據的分析對象，可以推導出最不利情況下的擬合方程用來預測單根鋼管柱安裝完成后的最劣偏差值。偏差值最大的鋼管柱每個下插行程完成后的偏差曲線如圖3所示。

圖3 最大偏差鋼管柱的偏差曲線

對圖6中的數據進行方程擬合得到一元四次回歸方程，回歸方程的R2=0.891 3。

y=0.000 6x4-0.034 7x3+

0.690 1x2-6.144 3x+30.901

(1)

后續鋼管柱施工中，相應的保證各施工條件不變，可使對應深度的鋼管柱偏差值均小于上述方程的計算結果。

3.4 鋼管柱下插速度分析

鋼管柱下插行程分為入樁前長度和入樁長度兩個階段，鋼管柱入樁前長度范圍內經過⑤，⑥1，⑥ 3個地層，涵蓋細砂層、中砂層、粉質黏土層、重粉質黏土層。入樁長度在水下C35、坍落度(200±20)mm的混凝土內進行下插，如圖4所示。

圖4 下插鋼管柱地層分布

鋼管柱下插需滿足如下條件：

G重=(G柱+G外)>F浮+F阻=(ρvg+0.5ρv2ACd)

(2)

式中：G柱為鋼管柱自重；G外為施加的壓力；ρ為介質密度；v為逆作樁體積；g為重力加速度；v為鋼管柱下插速度；A為鋼管柱垂直投影面積；Cd為介質阻力系數[11]。

G重需大于鋼管柱所處介質產生的浮力和阻力才可將鋼管柱逐步插入設計標高。當G重=F浮+F阻時，作為臨界狀態時鋼管柱的下插速度為：

v=((G柱+G外-ρvg)/(0.5ρACd))1/2

(3)

由上式可以看出在其他條件不變的情況下，影響鋼管柱下插速度的主要因素包括鋼管柱所處的介質密度、鋼管柱垂直投影面積、鋼管柱所處介質阻力系數以及鋼管所被施加的壓力。

通過大量的施工前數據調試，確定鋼管柱的下插速度：采用不同配合比泥漿進行護壁成孔的粉質黏土層、重粉質黏土層的下插速度為83mm/s，細砂層和中砂層的下插速度為68mm/s，水下C35混凝土內的下插速度為50mm/s。

4 已完成鋼管柱精度統計

鋼管柱已完成施工50根，臨近鐵路正線區域完成15根、非正線區域35根。已完工鋼管柱垂直度統計如表1所示。

表1 鋼管柱垂直度統計

由表1可以看出，鐵路正線區域的鋼管柱x,y兩個方向的垂直度偏差均≤1/1 000；鐵路非正線區域的鋼管柱x,y兩個方向的垂直度偏差均≤1/800。

對已完工鋼管柱垂直度偏差值進行回歸方程的擬合可以為后續同條件下施工時，鋼管柱x,y方向的偏差值進行預測，如圖5所示，x,y方向偏差值的回歸方程為：

yx向=0.001 7x6-0.039 4x5+0.340 8x4-

1.433 1x3+3.117 6x2-3.044 1x+4

(4)

yy向=0.009 2x6-0.248 1x5+2.605 3x4-

13.456x3+35.336x2-43.408x+23

(5)

圖5 不同柱長的偏差值擬合方程

回歸方程的判定系數均>0.5，分別為x向偏差R2=0.661 5，y向偏差R2=0.885 4，說明曲線擬合良好，回歸方程可靠，能為后續不同長度鋼管柱施工的垂直度預測提供依據。

5 結語

結合北京城市副中心站綜合交通樞紐項目，對鋼管混凝土柱施工過程中高精度垂直度的控制要點總結如下。

1)根據地質條件、鉆孔深度進行施工設備的確定，選用較為平穩且扭矩大的鉆進成孔設備。

2)進行施工平臺水平度、成孔垂直度的控制，可以為后續鋼管柱施工時的垂直度控制提供保障。

3)根據鋼管柱所處介質的不同調整下插速度，粉質黏土層、重粉質黏土層的下插速度為83mm/s，細砂層和中砂層的下插速度為68mm/s，水下C35混凝土內的下插速度為50mm/s。

4)采用“勤監測、精調垂、內外同步”的施工方案，可滿足鋼管柱安裝垂直度偏差≤1/1 000的要求。