蓋挖逆作法地鐵車站鋼管柱人工定位施工技術

李鵬飛

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

國內大部分城市面臨交通擁堵難題，為降低因工程施工對城市交通的影響，蓋挖逆作法作為一種行之有效的施工方法，被廣泛應用于城市地鐵建設中[1-2]。為確保蓋挖法地鐵車站整體穩定性與安全性，作為豎向支撐體系的鋼管柱施工質量控制成為關鍵環節[3]。

目前鋼管柱主要采用機械或人工插管方式進行施作。張存才[4]介紹了鋼管柱的幾種施工方法和控制要點；劉昌波[5]介紹了HPE液壓垂直插管機的一些操作要點和質量控制要求；文獻[6～9]通過自制簡易定位架人工定位方法，介紹了鋼管柱的施工工藝，取得了一定的應用效果；高強等[10]分析了鋼管柱施工質量控制要點，提出了一些應對措施。

在工程建設中，如何在確保鋼管柱施工安全和質量的同時降低工程造價，已成為工程界有待解決的難題。鑒于此，本文以貴陽地鐵某號線一期工程中曹司站蓋挖逆作法鋼管柱施工為背景，對鋼管柱人工定位法施工工藝進行闡述，同時對其施工關鍵環節進行分析研究并提出相關建議，以期為今后類似工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽地鐵某號線一期工程中曹司站位于花溪大道與中曹司大橋交叉口，沿花溪大道南北向設置，與在建S1線換乘。車站全長478.8 m，標準凈寬21.3 m，總建筑面積25 210 m2，地下二層島式站臺。車站主體基坑深度為12.4～24.6 m，頂板覆土厚度為1.9～2.9 m，采用蓋挖逆作法施作。車站共設永久鋼管柱145根，其外徑分為50 cm、60 cm、70 cm、80 cm 4種規格，鋼管柱外包厚度為20 cm的C60混凝土，柱內設計C60微膨脹混凝土。

中曹司站主體結構典型斷面見圖1。

圖1 中曹司站主體結構典型斷面圖（單位：m）

1.2 工程、水文地質情況

根據地質勘察報告，車站范圍內地層主要為雜填土、紅黏土、強風化白云巖和中風化白云巖；潛在填充型溶洞、溶槽，見洞率為9.4%，發育高度在l～5 m之間，填充物為軟塑-可塑狀黏土。沿線以巖溶水為主，位于地表以下8～16 m。

2 鋼管柱定位精度影響因素

蓋挖逆作法地鐵車站鋼管柱必須滿足支承逆作結構和頂部荷載，對其安裝定位精度要求非常嚴格。影響鋼管柱的定位精度有以下幾種因素：

（1）鋼管柱入土深度。

（2）基礎類型和地層條件。

（3）鋼管柱的類型和直徑。

（4）鋼管柱加工與安裝方法。

（5）施工技術管理水平。

總之，鋼管柱入土越深、樁徑越小，安裝精度越低；人工挖孔樁安裝精度高，機械鉆孔安裝精度低；施工技術管理水平越高，安裝精度就越高，反之亦然。

3 鋼管柱定位方法比選

目前鋼管柱定位方法有機械定位和人工定位2種。該工程擬定鋼套管內人工定位和機械定位2種方法進行鋼管柱定位方法比選。其中，機械定位方法即采用特定設備，利用全回轉鉆機成孔原理將鋼管柱直接插入已施作完成的基礎樁孔內定位；鋼套管內人工定位方法是在鋼套管保護下利用已施作完成的基礎樁樁頂和孔口2處中心點進行人工定位。

3.1 技術可行性分析

鋼套管內人工定位法由于采用鋼管柱兩端點進行人工定位，施工精度較高。機械定位法通過利用自身3 m的力臂來控制較長鋼管柱進行定位，鋼管柱底部定位偏差較大。本工程鋼管柱長達24 m，若孔口偏差1 mm，底部偏差將達到8 mm，施工過程中需采取可靠的控制措施才能滿足要求。

3.2 安全性分析

機械定位法是利用插管機液壓裝置將鋼管柱直接插入已施作完成的樁孔內，施工人員無需進入樁孔內操作，安全性能高；而鋼套管內人工定位需要施工人員進入已施作完成的基礎樁孔中進行人工定位，相對于前者而言，后者施工安全風險更大一些。

3.3 施工工期分析

根據項目工期總體籌劃，本工程鋼管柱施工是控制性工期的關鍵工序，按照機械定位法1根/d的施工進度，145根鋼管柱使用2臺插管機作業共需施工72.5 d，遠遠不能滿足目標工期需要，需要增加機械設備才能滿足實際工期要求。而采用人工定位法的話，在增加極少投入情況下就可以多個作業面同時施工，同時可省去基礎樁混凝土等強時間，在工期方面比機械定位法更有優勢。

3.4 經濟性分析

根據市場調查結果，目前通常采用旋挖鉆+HPE垂直插管機或全回轉鉆機機械插入法進行鋼管樁定位。機械占用時間長、費用比較高，鋼管柱施工費用為5～7萬元/根。相比較而言，采用人工定位法時，機械設備占用時間短，周轉次數快，根據測算每根鋼管柱施工費用為2～4萬元，預計可節約3萬元/根。

綜合考慮上述分析結果，結合貴陽地區巖層地質特性和工程實際情況，本工程采用鋼套管內人工定位方法。

4 鋼套管內人工定位法技術要點

4.1 施工流程

鋼管柱人工定位施工工藝流程為：前期準備（鋼管柱加工、鋼管柱組裝）→樁位測量放線→鉆機就位及成孔→鋼套筒下放、固定→基礎樁施作等強→基礎樁樁頭部分混凝土鑿除→定位平臺安裝→鋼管柱安裝定位→連接部位混凝土澆筑→鋼管柱內混凝土澆筑→定位平臺移除→工具管移除→鋼管柱外空隙回填→下一道工序。

4.2 基礎樁成樁技術要點

（1）根據地質勘察報告選取成孔方式。

（2）基礎樁鋼筋籠需在鋼套筒內下放固定完成后采用分段吊裝完成，安裝就位標高和平面位置偏差在規定值范圍內。

（3）根據設計及規范要求確定基礎樁水下灌注混凝土技術標準。

4.3 鋼管柱加工、運輸及拼裝技術要點

（1）為了保證鋼管柱制作的精度和質量，鋼管柱制作要求采用工廠化制作方式。

（2）鋼管柱外圍按設計要求焊接抗剪栓釘。

（3）出廠前沿管長方向做好鋼管柱定位控制基準線。

（4）鋼管柱在運輸過程中嚴防碰撞，保證鋼管柱不發生變形。

（5）為方便施工，各層鋼管柱梁柱節點鋼板及加勁肋后期施焊。

（6）鋼管柱分段加工運至施工現場后，每段鋼管柱必須保持同軸線，方可進行拼裝作業。該工程特加工了一套連接臺架，以保證鋼管柱的連接質量。本工程鋼管柱拼裝見圖2。

圖2 鋼管柱拼裝

4.4 定位平臺安裝與拆除[11]

待基礎樁頭部分混凝土鑿除完成后拆除鋼套筒臨時定位裝置，隨之安裝鋼管柱定位平臺。定位平臺采用型鋼現場加工制作。定位平臺平面示意圖見圖3。

圖3 定位平臺平面示意圖（單位：m）

定位平臺的安裝質量直接影響到鋼管柱的定位精度。根據水平儀精平原理調整定位平臺平整度，通過腳螺桿調節平整度，保證偏差小于2 mm。

待鋼管柱安裝完畢且柱內混凝土達到一定強度后，人工配合機械拆除定位平臺，移至下一工作面。

4.5 基礎樁頂安裝定位器

基礎樁混凝土終凝后通過人工鑿除樁頂松散混凝土，采用鉛垂控制法和激光垂測儀法，在基礎樁頂安裝鋼管柱矩形定位器，同時做好安全防護措施。

矩形定位器示意圖見圖4。

圖4 矩形定位器示意圖（單位：mm）

4.6 鋼管柱安裝及定位技術要點

（1）鋼管柱采用2點同時起吊方式，從定位平臺樁位限位孔中慢慢入孔，放入基礎樁頂定位器槽內，下放過程中不得與定位平臺發生碰撞。

（2）利用定位平臺內部螺旋千斤頂進行鋼管柱頂端定位。

（3）鋼管柱垂直度通過定位平臺定位卡和基礎樁定位槽進行2點定位。在澆筑連接部位混凝土時有可能擾動鋼管柱，導致偏位情況。在施工過程中需采用激光垂準儀進行復核，當出現偏移時，通過調節定位平臺千斤頂進行微調。

（4）為方便定位施工，鋼管柱頂至地面設置工具管，工具管與鋼管柱之間利用高強度螺栓進行連接，工具管長度以拼裝固定好后高出定位平臺1 m為宜。待鋼管柱內混凝土澆筑完成后人工拆除螺栓并拔除工具管。

4.7 鋼管柱外空隙回填

（1）待鋼管柱樁連接部分混凝土達到一定強度后拆除定位平臺、工具管及外層鋼套管。

（2）為更好地保護鋼管柱，首先將鋼管柱上口用鋼板封閉，然后沿鋼管柱周邊環向均勻回填中粗砂，回填至鋼管柱頂結束。待回填完成后對鋼管柱孔口進行覆蓋保護，同時設安全標志。

5 鋼管柱施工重難點控制措施

5.1 基礎樁的定位誤差控制

本工程基坑開挖深度大，基礎樁上部空樁部分最大深度達24 m，在基礎樁施工過程中要嚴格控制基礎樁成孔質量，保證基礎樁的垂直度，防止鋼管柱偏壓受力。

5.2 基礎樁混凝土灌注標高控制

由于基礎樁標高較低，混凝土灌注標高難以控制，若灌注標高控制不準確，會給樁頭清理鑿除和后續鋼管樁定位帶來很大困難。當樁基混凝土灌注至標高時及時下放大功率泥漿泵，將鋼套管內部泥漿和松散混凝土抽出，同時派專人檢查混凝土灌注標高，待混凝土終凝后及時清理樁頭松散混凝土。

5.3 鋼套管變形控制

本工程鋼套管的作用主要是防止基礎樁空樁部分孔壁坍塌和保護孔內作業人員安全。因周邊圍巖差和地下水位高，造成鋼套管內外壓力差較大，鋼套管存在變形風險。在加工鋼套管時必須進行內力計算，必要時增加內襯管以防鋼套管變形。

5.4 鋼管柱平面位置和垂直度控制

當定位平臺固定后測量定位平臺頂標高，根據測量結果在鋼管柱對稱軸線上焊接2塊鋼板定位卡。鋼管柱吊放入孔后，通過定位卡懸掛在定位平臺兩側橫梁上，既保證鋼管柱高程定位準確，又保證鋼管柱處于垂直狀態。同時為了防止樁基混凝土澆筑過程中鋼管柱上浮，鋼管柱定位后將鋼管柱與定位平臺焊接在一起，在此過程中利用焊接在工具管上的測斜探頭反饋到測斜儀上的數據，不斷通過水平方向的油頂來調整鋼管立柱的垂直度，直至滿足要求為止。本工程鋼管柱安裝過程中垂直度測斜儀實時監測見圖5。

圖5 鋼管柱安裝過程中垂直度測斜儀實時監測

5.5 鋼套管拔除

待鋼管柱樁連接部分混凝土達到一定的強度后開始拆除鋼套管。由于周圍土體擠壓，在鋼套管拔除過程中因阻力大而導致拔管困難，必要時采用振動錘進行拔除。

5.6 鋼管柱成品保護

在車站基坑開挖過程中，由于施工機械碰撞和碾壓會造成鋼管柱移位變形，鋼管柱周圍必須用中粗砂或級配豆粒石回填密實并在鋼管柱外圍設置安全警示標志，以防碰撞鋼管柱變形。

6 實施成效

該車站共計145根鋼管柱，全部采用鋼套管內人工定位法進行施作。根據鋼管柱實際定位效果和經濟成本分析，成果顯著。

6.1 定位效果

采用上述方法施工后，鋼管柱安裝定位誤差均在可控范圍內，滿足施工質量與安全要求。本工程鋼管柱定位偏差情況統計分析見表1。

表1 鋼管柱定位偏差情況統計分析表

基坑開挖后經測量復查，其平面位置、垂直度及樁頂高程等控制指標合格率都在90%以上，個別點位偏差超標，但均不影響結構受力，經鋼管柱外包混凝土微調后效果較好。鋼管柱定位效果見圖6。

圖6 鋼管柱定位效果

6.2 施工工期分析

根據現場實際統計，鋼套管內人工定位法實際施工進度平均為1.7根/d，本工程鋼管柱實際工期為57.5 d，比機械定位法節約工期15 d。

6.3 經濟性分析

從最為關注的成本控制來看，鋼套管內人工定位法的實際施工費用為4.3萬元/根，比采用機械定位法節約費用約232萬元，成本控制效果顯著。

7 結語

（1）鋼套管內人工定位法相比其他工法施工安全風險大，選用該方法時需根據車站范圍內地質情況和周邊環境而定。

（2）鋼管柱盡量不要拼接接長，若必須拼接時，須在接縫處設置附加襯管并確保拼接鋼管幾何尺寸符合設計要求。

（3）鋼管柱吊裝時應減少吊裝荷載作用下的變形，吊點的位置應根據鋼管柱本身的承載力和穩定性經驗算后確定，必要時采取臨時加固措施。

（4）鋼管柱吊裝就位后應立即進行矯正并采取臨時固定措施，以保證構件的穩定性。

（5）鋼管柱內混凝土澆筑后應及時向鋼管柱周邊空隙處回填中粗砂或級配豆粒石且回填密實。

（6）施工過程中加強監控量測工作，通過監控量測及時掌握鋼管柱偏位和受力情況，并根據監測結果及時采取補救措施。