蓋挖逆作地鐵車站鋼管柱施工技術(shù)*

馬紅錄

(中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著城市的蓬勃發(fā)展，諸多城市交通越來越擁堵，居民出行困難已成為一大難題[1]。發(fā)展城市軌道交通是在交通系統(tǒng)層面上改善交通出行結(jié)構(gòu)、集約利用交通資源的有效途徑[2-3]。近年來，在場地狹小或建設(shè)環(huán)境復雜地段修建的地鐵車站越來越多，蓋挖逆作法因施工時基坑暴露時間短，逐漸成為中心城區(qū)地鐵車站施工的主要工法。其中，鋼管柱作為蓋挖逆作法施工主體結(jié)構(gòu)的主要承載與傳力結(jié)構(gòu)，施工質(zhì)量對結(jié)構(gòu)整體安全性能影響顯著。郝廣成[4]以長春地鐵1號線繁榮路站為例，介紹了蓋挖逆作法車站中間鋼管柱安裝定位關(guān)鍵技術(shù)。炊鵬飛等[5]介紹了蓋挖逆作法地鐵車站中間柱及基樁施工關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化了施工工藝，總結(jié)了施工質(zhì)量控制要點。宋延濤[6]結(jié)合北京地鐵16號線達官營站，研究HPE法插入鋼管樁的施工關(guān)鍵技術(shù)，形成一套蓋挖逆作法深基坑施工技術(shù)。

車陂站是廣州市軌道交通13號線與4號線的重要換乘車站，鋼管柱施工面臨眾多難題，本文以該車站為例，研究得到適用于該工程的鋼管柱施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似工程提供經(jīng)驗和借鑒。

1 工程概況

1.1 車站介紹

廣州市軌道交通13號線作為東西向軸線，線路全長33.5km，是解決廣州中心組團與東部發(fā)展城市交通擁擠的有效方式。13號線全線均為地下線敷設(shè)，共設(shè)置23座車站，其中包括9座換乘車站。車陂站位于天河區(qū)車陂路和中山大道交會處，是廣州市軌道交通13號線與既有4號線的換乘車站。

1.2 地質(zhì)概況

車陂站場地區(qū)域?qū)儆谥榻侵逈_積平原，地勢較平坦，地面標高為9.100～10.330m。車陂站地層巖土分層為人工填土層、海陸交互相沉積層、沖積-洪積砂層、沖積-洪積-坡積土層、殘積層、巖石全風化帶、巖石強風化帶、巖石中風化帶和巖石微風化帶。本工程中間樁柱主要位于強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖及弱風化泥質(zhì)粉砂巖，厚度變化大，形態(tài)不規(guī)則，巖面起伏較大。施工過程中需注意孤石及地下障礙物的存在。

場地地表水主要包括車陂站東南側(cè)約300m處的車陂涌及西側(cè)94m處的一處暗涌，地下水主要為第四孔隙水和基巖裂隙水。場地范圍內(nèi)鉆孔砂層水及基巖水對混凝土結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部鋼筋具有微腐蝕性。考慮本工程地下水位較高，在鋼管柱下放過程中，需采取一定的抗浮防水措施。

1.3 鋼管柱設(shè)計概況

車陂站主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，左、右線均為地下4層結(jié)構(gòu)，先施工左線蓋板系統(tǒng)，將原中山大道車輛交通疏解至左線蓋板后，進行右線圍護結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)施工。待車站主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再恢復原中山大道交通道路。車陂站全長168.65m，標準段寬12.3m，基坑開挖深度約為33.4m。車站北側(cè)和南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)分別采用1m厚套銑接頭地下連續(xù)墻和1m厚工字鋼接頭地下連續(xù)墻，中間圍護結(jié)構(gòu)采用φ800鉆孔咬合樁。車陂站主體結(jié)構(gòu)橫剖面如圖1所示。

圖1 車陂站主體結(jié)構(gòu)橫剖面(標準段)

車陂站設(shè)計有15根中心間距為10.5～12m的φ1 200鋼管柱(見圖2)，每根鋼管柱下各配置1根φ2 000永久性立柱樁，作為鋼管柱樁基礎(chǔ)，鋼管柱嵌入立柱樁樁身5.5m。永久性立柱樁樁徑為2m，有效樁長為6m，鋼筋籠長7.3m，籠頂錨入底縱梁1.4m。立柱樁達到設(shè)計樁頂標高時要超灌1.4m，待施工底縱梁時破除超灌部分。立柱樁樁身強度合格后，鋼管柱柱體外部至孔壁間采用中粗砂或級配碎石回填密實。

圖2 車站鋼管柱平面

2 立柱樁施工方法

2.1 施工流程

鋼管柱的立柱樁為鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，采用旋挖鉆+全回轉(zhuǎn)鉆施工。總體施工流程為：施工準備→測量放樣→埋設(shè)護筒→鉆機就位→鉆孔、除渣成孔→成孔檢測→清孔→沉渣厚度檢測→移機→安放全回轉(zhuǎn)平臺→安放全回轉(zhuǎn)設(shè)備→吊裝鋼筋籠和鋼管柱，并焊接為一體→全回轉(zhuǎn)抱緊鋼管工具柱定位→下放導管→混凝土澆筑→拆除導管，24h后孔外回填碎石→拆除工具柱，吊離全回轉(zhuǎn)、拆除平臺→拔除護筒→回填→移機下一根柱。

2.2 樁位放樣

根據(jù)技術(shù)部門提供的測量放樣成果資料及現(xiàn)場控制點、高程點，進行樁位放樣。根據(jù)地面路基情況，在樁中心四周鋪設(shè)鋼板，旋挖鉆機就位，移動至樁中心位置。采用護樁十字交叉法對準樁芯，用米尺測量水平和垂直2個方向鉆頭至護樁的距離。

2.3 埋設(shè)護筒

采用挖掘機清除淺層障礙物，開挖埋設(shè)護筒前，將放樣樁位成十字交叉引測出來，形成4個定位樁，以便校正樁位。將護筒埋設(shè)在鉆孔中心位置，且二者中心重合，護筒中心和樁位中心偏差應≤20mm，垂直度偏差應≤1/300。就位旋挖鉆進行鉆孔，與護筒中心、樁位中心偏差應≤20mm。起重機垂直吊起護筒緩慢放于孔內(nèi)開始下放，待護筒下放就位后，復核中心點。護筒與孔壁間用素土擠密夯實，以增大護筒側(cè)壁摩阻力，確保護筒的穩(wěn)固，從而有利于成孔過程中孔口的穩(wěn)定[7-9]。

2.4 設(shè)置泥漿系統(tǒng)

泥漿循環(huán)池由泥漿箱和沉淀箱組成，單個體積應為樁身體積的1.5倍，當沉渣超過1/2時，應及時清理，以保證泥漿充分沉淀。由于泥漿池僅起過渡作用，故其尺寸可設(shè)置較小，沉淀箱主要用來進行泥漿的循環(huán)存儲。

鉆進時，細粒鉆渣沉淀在沉淀池內(nèi)，沉淀后用泥漿泵抽吸運走。經(jīng)沉淀池沉淀后的優(yōu)質(zhì)泥漿流入泥漿池內(nèi)后抽回鉆孔內(nèi)。

2.5 成孔

鋼管柱底部立柱樁設(shè)計樁徑為2m，為確保混凝土澆筑質(zhì)量，鉆孔樁鉆孔孔徑適當增大至2.2m，以確保正常返漿。為保證成孔垂直度要求，采用φ1 000，φ1 600，φ2 200雙底截齒撈砂斗進行成孔作業(yè)。即埋設(shè)長6m，內(nèi)徑為2.4m的鋼護筒，先采用φ1 000雙底截齒撈砂斗進行成孔作業(yè)，待成孔至設(shè)計深度，再換成φ1 600雙底截齒撈砂斗擴孔至設(shè)計深度，再換成φ2 200雙底截齒撈砂斗擴孔至設(shè)計深度。若成孔過程中孔位出現(xiàn)偏斜則改用相應直徑的截齒筒鉆從發(fā)生偏斜的位置上方2m處進行修孔，待孔位修正后，再換成雙底截齒撈砂斗繼續(xù)成孔。此外，鉆頭入巖時也應使用截齒筒鉆進行過渡，確保成孔的垂直度。

鉆孔灌注樁樁位偏差應≤50mm，樁身垂直度精度要求為1/300。采用注漿管進行樁底注漿，以保證圍護結(jié)構(gòu)與立柱樁的差異沉降≤15mm。若立柱上方走車，需保證圍護結(jié)構(gòu)與立柱樁的差異沉降≤10mm。

3 鋼管柱插樁施工方法

3.1 鋼管柱插樁原理及步驟

φ1 200鋼管柱采用SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機自行安裝，SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機參數(shù)如表1所示。SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機有上、下2層加緊裝置，可交替進行抱緊下插作業(yè)。鋼管柱插樁步驟如下。

表1 SRD-2000型全回轉(zhuǎn)鉆機參數(shù)

1)通過定點式水平位移計將全回轉(zhuǎn)鉆機安放孔口位置傳輸?shù)接嬎銠C進行精確調(diào)平，并精確對中。對成孔樁進行樁位點復測，并將平臺墊板鋪設(shè)好。

2)吊裝插樁平臺，保證吊裝平臺水平。利用十字線垂球法使插樁平臺與孔位點精確對中。

3)安放全回轉(zhuǎn)鉆機，就位后使用定點式水平位移計對全回轉(zhuǎn)鉆機進行水平調(diào)整和精確對位，同時復測插樁平臺水平度，確保插樁平臺、樁位點、全回旋鉆機中心點3點共線。此外，放置全回轉(zhuǎn)鉆機前，鉆孔護筒四周用20mm厚鋼板墊底，保證全回轉(zhuǎn)鉆機的地基基礎(chǔ)滿足承載力要求。

4)準備工作就緒后，使用200，400t履帶式起重機將鋼管柱吊裝插入。鋼管柱起吊后穿過全回轉(zhuǎn)鉆機中心，待全回轉(zhuǎn)鉆機能抱住工具柱時，用無線傳輸定點式測斜儀(測量精度<0.1%)對鋼管柱進行垂直度校準。使用全回轉(zhuǎn)鉆機進行精確微調(diào)保證鋼管柱垂直度，然后用全回轉(zhuǎn)鉆機自帶的上夾持裝置抱緊鋼管柱，下夾持裝置松開后開始安裝。

5)一個行程后使用下夾持裝置對鋼管柱進行夾持固定，松開上夾持器，全回轉(zhuǎn)鉆機回升復位，然后交替進行抱緊下插安裝[10]。安裝就位后，全回轉(zhuǎn)鉆機上、下夾持裝置同時抱緊鋼管柱。

3.2 鋼管柱制作

鋼管柱在現(xiàn)場進行對接，鋼管采用高強螺栓連接。連接完成后對外觀及鋼管軸線進行復檢。鋼管柱焊接工藝流程為：除銹→鋼管柱坡口加工→鋼管組對→定位焊接→預熱→水平轉(zhuǎn)動焊接→外觀軸線檢驗→焊縫無傷探測→焊縫處加勁環(huán)焊接→牛腿、墊板焊接→加強鋼板焊接→檢驗→上下封口→噴漆。

鋼管柱每條焊縫按GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工與驗收規(guī)范》進行抽樣拍片，進行無傷檢測。檢查數(shù)量為抽查焊縫長度的2%。每根鋼管抽樣拍片數(shù)量≥15張，并至少保留1張底片。如超出允許疵點應加倍透照，如不合格，應100%透照，抽樣拍片部位應由監(jiān)理工程師指定，并按Ⅱ級標準進行評片。一級探傷比例為100%，二級探傷比例為20%。需注意，雨天不得進行鋼管柱焊接作業(yè)，若須進行焊接，可設(shè)雨棚。

檢測完成后的焊縫處施作加勁環(huán)，提高焊縫質(zhì)量等級和鋼管柱抗剪能力。最后根據(jù)預埋件標高焊接加強環(huán)板、墊板、牛腿等配件。法蘭焊接完成并檢驗合格后，在加工平臺上保持垂直度，法蘭連接時采用高強螺栓對稱緊固，一次緊固完成達到設(shè)計力即可。緊固完成后，檢查兩法蘭間間隙，間隙要保持一致，以保證其垂直度。

3.3 鋼管柱吊裝方法

3.3.1起吊和入孔

鋼管柱吊裝前將其插入樁基鋼筋籠并焊接固定，鋼管柱與鋼筋籠拼接好后，進行吊裝。鋼管柱吊起后，主吊緩慢起鉤提升，副吊配合，最終使鋼管柱垂直于地面。指揮起重機吊裝鋼管柱入孔、定位，履帶式起重機行走、旋轉(zhuǎn)應平穩(wěn)。當鋼管柱下放到副吊點時，暫停下放，拆下該副吊點的鋼絲繩、卸扣。鋼管柱利用全回轉(zhuǎn)鉆機下放入孔，入孔過程中，應持續(xù)觀測垂直度變化，及時糾偏。

吊裝前對所有施工操作人員進行安全交底，確保做到萬無一失。鋼管柱吊裝過程中，操作人員須佩戴絕緣手套，穿絕緣膠鞋。

3.3.2鋼管柱下插

由全回轉(zhuǎn)鉆機夾持裝置抱緊鋼管柱開始安裝插入，直至設(shè)計底標高。若下放困難，可采取向鋼管柱內(nèi)注水的方法增加鋼管柱自重。鋼管柱吊裝檢查項目如表2所示。

表2 鋼管柱吊裝檢查項目 mm

3.4 工具柱拆除

為在無水環(huán)境下拆除工具樁，同時保護鋼管柱柱身各節(jié)點預埋件的防銹效果，待樁基混凝土達到一定強度后，樁頂位置下放1臺抽水泵。用抽水泵將工具柱內(nèi)的泥漿抽干凈，達到無水條件后，再進行拆除。工具柱內(nèi)設(shè)爬梯，便于拆卸工上下行動。

待工人將工具柱的螺栓拆卸完成并運離作業(yè)區(qū)后，司索工指揮400t履帶式起重機將工具柱從孔內(nèi)吊出地面，緩慢落至地面上30cm處，安排吊裝人員將副吊鋼絲繩掛在工具柱下方吊點。主吊緩慢抬升，升至約2m時，停止抬升，副吊開始緩慢抬升，同時主吊配合副吊緩慢下降。工具柱始終保持離地面20～30cm，直到工具柱變?yōu)樗胶螅胖良庸て脚_上，與下一根鋼管柱拼裝。工具柱拆除完畢后，吊移全回轉(zhuǎn)平臺。

3.5 孔內(nèi)回填和護筒拔除

為保證鋼管柱安裝精度，須待混凝土凝固、工具柱拆卸后，將全回轉(zhuǎn)鉆機移除，然后開始回填。回填碎石需在鋼管柱外側(cè)設(shè)置溜槽，控制單次回填量，邊回填邊排除孔內(nèi)泥漿，直至回填至柱頂標高。待回填碎石完畢，司索工將鋼絲繩與吊鉤及護筒連接，起吊拔除護筒至地面。

3.6 樁基清渣措施及混凝土灌注方法

在鋼管柱下放完成、灌注混凝土前，采用導管進行二次清孔，并檢查孔底沉渣厚度和泥漿指標，滿足要求后方可灌注。根據(jù)普通灌注樁直徑及深度，選擇φ350(外徑)導管灌注混凝土,并借助該導管采用反循環(huán)方式進行清孔。首先在導管上段接處理泥漿沉淀物專用的強力潛水泵，然后使用潛水泵將挖掘孔內(nèi)泥漿及孔底沉淀物，通過混凝土導管抽入沉淀槽，同時通過泥漿泵將泥漿池中的新鮮泥漿導入孔內(nèi)，完成孔內(nèi)泥漿的置換。

二次清孔后，測得回淤厚度和泥漿密度符合規(guī)定后，30min內(nèi)須灌注混凝土，否則須重新清孔，鋼管柱采用C60微膨脹自密實混凝土，混凝土澆筑時間應控制在4h內(nèi)。

灌注首批混凝土應根據(jù)計算選擇漏斗方量，使導管埋入混凝土中深度≤1m。首批混凝土正常灌注后，應連續(xù)不斷灌注，灌注過程中應用測繩測探混凝土面高度，推算導管下端埋入混凝土深度，并做好記錄，正確指導導管的提升和拆除。直至導管下端埋入混凝土深度達4m時，提升導管，然后再繼續(xù)灌注。在灌注過程中應將井孔內(nèi)溢出的泥漿引流至適當?shù)攸c處理，防止污染環(huán)境。

4 結(jié)語

本文以廣州市軌道交通13號線車陂站工程為背景，對蓋挖逆作地鐵車站鋼管柱施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，積累了豐富的立柱樁和鋼管柱插樁施工經(jīng)驗，解決了施工難題，并得到了監(jiān)理的好評。說明本工程運用的立柱樁和鋼管柱插樁施工方法的可行性，可為類似工程提供借鑒和參考。