蓋挖地鐵車站鋼管柱垂直度控制關鍵技術

王蒙　張澤鑫　王斌陽

【摘? ? 要】： 超深基坑豎向立柱的垂直度問題是逆作法施工的難點，以天津地鐵7號線5標段天塔站超深基坑蓋挖逆作車站結構為工程為例，分析鋼管柱與工具柱連接控制、工具柱橢圓度控制、優化鋼管柱調整下插的綜合變形等關鍵技術。

【關鍵詞】： 鋼管柱；垂直度；蓋挖逆作法；地鐵車站；超深基坑

【中圖分類號】：U231.3【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）05-40-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.05.010

Key Technology for Verticality Control of Steel Pipe Column in Covered

Excavation Metro Station

WANG Meng， ZHANG Zexin， WANG Binyang

（China Construction Sixth Engineering Bureau Corp.Ltd.， Tianjin 300012， China）

【Abstract】：The verticality of the vertical column of the ultra deep foundation pit is a key difficulty in the construction of the reverse construction method. Taking the cover excavation of the ultra deep foundation pit of Tianta station in the fifth bid section of Tianjin Metro Line 7 as an engineering case， through discussion， analysis and summary， the key technology to control the verticality of the steel tube column is to strengthen the control of the connection between the steel tube column and the tool column， control the ovality of the tool column， and optimize the adjustment and insertion of the steel tube column.

【Key words】：steel pipe column；? verticality control； cover excavation reverse method; metro station; super deep fundation pit

地鐵車站蓋挖逆作法施工過程中一般采用鋼立柱作為豎向支撐結構，鋼立柱與車站樁基礎使用1柱1樁嵌固式連接工藝，施工階段將車站所受豎向荷載傳遞至基坑下部樁基礎，使用階段與車站框架結構共同承擔浮力作用。作為永久結構使用的中間豎向支撐系統支撐柱的允許定位偏差≯20 mm，同時其垂直度偏差也不宜＞1/500[1]。

國內針對結構柱垂直度控制進行了相關研究。王靜民[2]對高層建筑不滿足混凝土強度要求的部分混凝土柱、梁、墻等進行整體置換處理，通過設置臨時鋼支撐，分批置換混凝土豎向構件和水平構件。卜良桃等[3]確保置換處理混凝土柱時上部結構和施工操作的安全，通過測量支撐結構及被置換結構在卸載過程中發生的應變準備，反映被置換混凝土部位結構的內力、變形等，為置換處理提供依據。袁茂生等[4]對某高層地下室鋼管柱的置換加固方案進行說明。石開榮等[5]采用搭設托梁反頂修復平臺，對偏位鋼管柱頂升卸載后進行拆除后重新安裝鋼管柱。牛斌[6]對某一地鐵車站鋼管柱置換處理方案進行說明。

以上主要是針對地上建筑結構柱垂直度超限或其他原因需置換處理的研究，均是在施工柱體完成后發現并處理；針對地下地鐵車站蓋挖逆作法鋼管柱垂直度控制，尤其是事前及過程控制未見相關研究。本文以實際工程為例，提出一種施工方便、經濟實用、精確度高的垂直度控制關鍵技術。

1 工程概況

天津地鐵7號線天塔站主體結構采用蓋挖逆作法施工，后插法鋼管混凝土柱作為永久中立柱。施工范圍內一共涉及59根鋼管柱，直徑1 000 mm、長28.05～30.01 m，采用C50自密實混凝土，鋼材為Q355B，鋼管柱吊裝就位后立即進行校正，要求標高偏差≤10 mm，圓心偏差≤5 mm，垂直度偏差≯1/500。

2 鋼管柱垂直度變形分析

鋼管柱設計長細比偏大，在樁基混凝土凝結前剛度不足，如果垂直度偏差過大，后續主體結構梁柱節點承載力不足；若在樁基混凝土凝結前仍未調整完成將出現廢樁，造成工期延誤和材料機械費用損失。

鋼管柱需一次下插至樁基緩凝混凝土內作永久立柱使用，施工精度要求極高，施工窗口期極短。施工過程中影響鋼管柱垂直精度的因素：鋼管柱制作加工、鋼管柱與工具柱連接、工具柱橢圓度變形控制、旋挖鉆孔施工、樁基鋼筋籠吊裝下放、混凝土澆筑、鋼管柱吊裝下放、鋼管柱調整下插。

3 控制關鍵技術

3.1 鋼管柱制作加工

柱體為2.2 m×7.5 m的鋼板，采用對接熔透焊接工藝，預留制作時的焊接收縮量和切割余量，彎曲卷制調圓過程中保證結構橢圓度不超過3D/1 000（D為鋼管直徑）。對接前，根據加工圖中各構件、法蘭尺寸、位置關系，調節機床各滾軸高度位置，使各構件、法蘭圓心擬合計算為一條平行于機床軸線的直線。為保證鋼管柱整體垂直度，將各構件預拼裝完成后，復核測量各構件、法蘭垂直度。

焊接過程中，鋼管會由于受熱不均勻出現變形，即使冷卻后仍有殘余變形。為保證成型柱體垂直度，對接焊接過程中多次測量空間擬合圓度，實時檢測每次拼接完成的結構垂直度，根據測量結果適時調整焊接參數，焊接后做整體垂直度檢測。

3.2 鋼管柱與工具柱連接

管柱外徑為1 000 mm，工具柱外徑為1 680 mm，假定中心處于同一軸線，兩者任意邊線相差340 mm。

工具柱和鋼管柱對接前，先對拼接平臺位置進行測量放樣復核。通過調整鋼管柱各支座高度，保持鋼管柱支座水平后吊入鋼管柱，再調節工具柱支座使工具柱水平，通過全站儀測量鋼管柱兩端同一水平位置的邊線坐標（x₁，y₁）、（x₁，y₂）。用兩坐標擬合一條默認水平直線函數，調節工具柱位置，使工具柱兩端坐標與鋼管柱函數差值處于（340±5）mm，完成后進行對接固定以及防水膠封堵處理。見圖1。

3.3 工具柱橢圓度變形控制

在鋼管柱吊裝立直后，由工具柱上部吊點承受鋼管柱全部重量；工具柱下部使用高強螺栓（130 mm×33 mm）與鋼管柱連接。工具柱上下口由于應力集中，會發生張拉變形。在鋼管柱下插至設計標高以上6 m時，是完全通過測量工具柱來判斷柱體垂直度、中心位置情況，因此工具柱能否和鋼管柱擬合模擬為空間同心圓對鋼管柱下插質量很關鍵。

每次鋼管柱施工前，對工具柱進行上下口擬合空間圓度測量，施工完成拔除工具柱再次測量，要求工具柱局部變形≤5 mm，偏差過大會影響空間圓擬合結果，需更換符合要求的工具柱。

3.4 旋挖鉆孔施工

3.4.1 鉆孔垂直度控制

采用SR 360E旋挖鉆機。根據已完成地下連續墻施工經驗，現場需要應對粉砂、黏土層交替出現的情況。為防止鉆進過程受力不均，出現偏斜、鉆孔坍塌、垂直度超限的問題，采用摩阻鉆桿，每節17.7 m，下鉆控制動力頭扭矩。在鉆進過程中每25、35、45、55、65 m進行一次超聲波成孔檢測，根據檢測結果及時調整旋挖鉆頭鉆壓、轉速和動力頭壓力，防止由于地質土層不平衡導致下鉆偏斜。

3.4.2 鉆孔泥漿性能控制

根據已施工地下連續墻泥漿控制經驗及地勘報告，鉆孔過程穿越?4粉砂層至?1粉砂層過程中泥漿含砂率會明顯升高，為穩定槽壁、保證垂直度，需要將泥漿密度適當調高，控制在1.15～1.25 kg/m³；吊裝下放鋼筋籠后，為保證樁基礎混凝土澆筑質量，需要降低泥漿密度及含砂率，通過導管正循環法注入密度為1..05～1.10 kg/m³、含砂率≤3%的新漿。

混凝土灌注過程中泥漿和混凝土表面接觸，混凝土中鈣離子會與泥漿中離子發生化學反應，導致泥漿絮凝，不利于懸浮和攜帶泥砂顆粒上升，影響樁基混凝土澆筑質量。因此在制備鉆孔泥漿、循環泥漿時，增加一定量的分散劑，控制其黏度≥25 s，起到防止槽孔坍塌的作用。

3.5 鋼筋籠吊裝下放及混凝土澆筑

原方案中樁頂位于結構底板底，樁頂以上至地面范圍內的空樁部分設有副鋼筋籠，副籠主筋為8根與主籠主筋同直徑的鋼筋，內設?25 mm@2 000 mm的加強箍，外設?12 mm@500 mm的箍筋。鋼管柱下插入工程樁過程中，需穿過副籠部分。見圖2。

該方案的難點在于：

1）副籠內加強箍內徑為1 922 mm，鋼管柱柱身附著的法蘭直徑最大處為1 600 mm，鋼管柱與副籠間理論凈距為161 mm；同時，用于工程樁樁身完整性檢測的聲測管和樁側注漿的注漿管在空樁部分也依附固定在副籠內側并延伸至現狀地面，實際鋼管柱與副籠間凈距僅為111 mm；鋼管柱下插穿過副籠時垂直度及樁心位置精度要求高，施工難度較大；

2）車站中間樁柱空樁范圍內的副籠直徑為2 060 mm，長度為28～30 m，主筋數量僅8根，鋼筋籠整體穩定性較差，在雙機抬吊過程中易發生扭曲、變形，不易下放到位，下放的副籠若存在變形，鋼管柱下插穿過副籠時可能卡死在副籠變形位置；

3）副籠與主籠焊接及主副籠內聲測管注漿管連接施工耗時較長，副籠長時間懸吊存在安全隱患。

通過核算主籠鋼筋籠重量及計算鋼筋抗拉承載力，取消空樁范圍內的副鋼筋籠，采用2根與主筋同直徑的吊筋連接主籠進行鋼筋籠下放安裝，也能夠滿足施工要求，省去原來主副籠連接的時間。

根據工期，鋼管柱施工處于夏季，由于混凝土凝結時間受溫度影響大，施工前進行試驗，優化樁基混凝土配合比，最終控制初凝時間40 h，終凝時間達48 h以上。在后續施工中控制混凝土質量，確保鋼管柱在下插到位前樁基超緩凝混凝土均未初凝。為保證樁頂混凝土質量達到要求且考慮到鋼管柱下插至混凝土液面后所用調整時間，最終控制其超灌高度為1 m，鋼管柱插入混凝土總深為4.47～5.5 m。

3.6 鋼管柱吊裝下放

1）對成孔樁進行樁位點復測，將平臺墊板鋪設好。

2）使用全站儀進行軸線引測，保證承臺定位準確，再由承臺中心引出4個十字方向控制點。測量測定樁位后，做好標識并注意保護。吊裝HPE液壓插入機平臺，保證平臺水平，平臺中心與鉆孔中心點精確對中。

3）安放HPE液壓插入機，就位后使用機器上安放的定點式水平位移計對HPE液壓插入機進行水平調整和精確對位，同時復測平臺的水平度，確保平臺，樁位點，HPE液壓插入機中心點3點共線。

4）準備工作就緒后使用履帶吊對鋼管柱進行抬吊，工具柱總長度為39.01 m，根據現場鋼管樁尺寸及施工經驗，共布置6個吊點，在工具柱頂端對稱布置2個主吊點，副吊點在鋼管柱下方兩個法蘭盤上同一水平面布置2個吊點。

3.7 鋼管柱調整下插

1）在鋼管柱吊裝下放至HPE液壓插入機時，用全站儀在鋼管柱的x、y方向設站。

2）鋼管柱吊裝下放至HPE液壓插入機平臺抱箍可以固定工具柱下端時，抱住工具柱。

3）使用全站儀分別在工具柱上下端口測得同一高程的坐標數據進行空間圓擬合，根據擬合所得的工具柱圓心位置調整工具柱的平面位置及垂直度，直至工具柱平面位置、垂直度復核設計要求限值（平面位置≤±5 mm，垂直度≤1/500）。

4）把安裝在工具柱上口內壁的測斜儀數據調整至默認垂直位置（默認x、y軸斜率為0）。

5）下插鋼管柱，在插入過程中根據測斜儀及全站儀放樣數據實時調整鋼管柱的垂直度和平面位置。

6）在鋼管柱插入混凝土液面時，因阻力增加發生鋼管柱、平臺微小偏移，為保證鋼管柱施工質量，應將鋼管柱糾偏完成再下插。

7）插入完成后使用全站儀復核工具柱平面位置、垂直度及高程，再使用水準儀二次復核工具柱頂標高，根據測得數據進行鋼管柱微調，調整完成后進行三次復核，復測擬合數據收斂于設計規范限值內，鋼管柱施工插入完畢。

4 結語

工具柱與鋼管柱是在地面對接，對接后將其起吊、就位，起吊后無法復核鋼管柱工具柱對接垂直度控制情況；因此必須在地面對接時在規范允許范圍內盡量減小偏差值，以防起吊后偏差增大。

加強鋼管柱與工具柱連接控制、工具柱橢圓度控制、優化鋼管柱調整下插的綜合變形控制是控制鋼管柱垂直度的關鍵技術。通過施工現場實踐，驗證了該方案的有效性。

參考文獻：

[1]GB 50157—2013，地鐵設計規范[S].

[2]王靜民.杭州某高層建筑墻柱整體置換設計[J].建筑結構，2015，45（17）：37-39.

[3]卜良桃，李易越，劉雄.分期置換混凝土框架柱工程實例[J]. 工業建筑，2011，41（10）：119-122.

[4]袁茂生，林力勛，袁成，等. 某超高層建筑鋼管高強混凝土柱置換加固技術[J]. 施工技術，2014，43（10）：46-49.

[5]石開榮，謝慶華，姜正榮，等. 高大鋼管混凝土柱托梁反頂修復技術研究[J]. 鋼結構，2017，32（7）：77-81.

[6]牛斌. 蓋挖逆作車站鋼管混凝土柱置換技術研究[J]. 隧道建筑（中英文），2021，41（6）：1032-1038.