地铁车站盖挖逆作钢管混凝土柱施工技术研究

李 磊，陈 刚，游 广，周佳庆，邹冠尧

地铁车站盖挖逆作钢管混凝土柱施工技术研究

李 磊1，陈 刚1，游 广1，周佳庆2，邹冠尧3

(1.中交一公局桥隧工程有限公司，湖南 长沙 410006；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.广州轨道交通建设监理有限公司，广东 广州 510010)

在盖挖逆作施工中，钢管柱作为永久结构柱，安装定位精度要求相当严格，施工操作难度大。以长沙地铁6号线朝阳村站实际施工为例，探究了钢管柱成孔施工、分节吊装、对接以及桩基砼浇筑等工艺流程。在施工过程中研发设计了保证钢管柱精准就位的安装平台，结合螺旋千斤顶二次调节等针对性措施，解决了钢管柱施工过程中存在的诸多问题，并有效地加快安装进度，节约了项目成本，可为今后相关工程提供参考。

地铁施工;钢管混凝土柱;盖挖逆作

0 引 言

在城市地铁车站施工时，采用盖挖逆作法可以有效地解决高楼密集区基坑作业安全问题，加快施工进度，降低临时支护成本。地铁车站钢管柱作为永久结构柱，承担施工阶段和使用阶段的竖向荷载，其施工过程对安装精度包括柱体高程、平面位置以及垂直度要求十分严格。传统的钢管柱定位施工采用钢套筒护壁，抽排泥浆后在底部安装定位器，不仅工艺复杂，施工工期长，而且存在一定的局限性[1]。另一种方法是利用HPE液压垂直插入机，在其抱紧钢管柱时，复测钢管柱垂直度，利用上下两个液压垂直插入装置同时驱动向下插入，直到插入设计深度，该工艺施工流程简单，速度快，但成本投入大[2]。目前，最新的钢管定位施工技术取消了钢套筒护壁[3]，利用钢管柱提供的作业空间人工入孔进行调节，简化了施工工艺，但钢管柱中心，水准高程精准定位仍未有既简单又高效的方法。本文结合朝阳村地铁车站实际情况，对盖挖逆作钢管柱的施工进行技术探究与技术优化。

1 工程概况

1.1 车站概况

朝阳村地铁车站位于长沙市雨花区，与地铁3号线通道换乘。车站周边建筑主要有融圣国际、朝阳村小学、友阿百货以及邻近人民路立交桥隧道，朝阳村站全长305.6 m，标准段宽为21.4 m，西端明挖段长147.8 m，东端盖挖逆作段长157.8 m。顶板和底板采用防水卷材防水，侧墙采用混凝土结构自防水。朝阳村车站平面布置如图1所示。

图1 朝阳村站平面示意

盖挖段顶板覆土约3 m，基坑深度约25 m，围护结构采用1000 mm厚的地下连续墙，Φ800永久性钢管混凝土柱共10根，柱底采用Φ2200钻孔灌注桩作为立柱嵌固桩基础，钢管柱平面布置如图2所示。

图2 钢管混凝土柱平面布置

1.2 工程地质

长沙市轨道交通6号线工程朝阳村站属湘江Ⅱ级阶地，地面标高39.53～43.18 m，地形开阔、平坦；地形地貌经人为改造变化极大，现状多为道路、商厦、施工工地及民居，场地整体地势较平坦。车站场地地层自上而下依次为混凝土、素填土、杂填土、粉质粘土、粉细砂层、中、粗砂层、砾砂层、圆砾层、卵石层、残积粉质粘土层、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。

2 钢管柱施工关键控制技术

2.1 钢管柱的精准定位

盖挖法地铁车站施工中，钢管柱的平面位置、垂直度和高程精准定位对车站结构的施工至关重要。在朝阳村地铁车站盖挖逆作段实际施工中，自主研发了一种钢管柱精准定位的操作平台，其包括200×200H型钢焊接而成的支架架体，2 cm厚的钢板操作平台，液压千斤顶和简易螺栓调节器。定位平台平面图和剖面图如图3、图4所示。

图3 定位平台平面（单位：mm）

平台的螺栓调节器，即简单的配套螺栓，均匀焊接在定位平台入孔周围，钢管柱吊装入孔时，以全站仪量测作为辅助，通过手动调节螺栓与钢管柱的接触，使钢管柱中心精准定位；液压千斤顶的应用方便调节定位平台水准，并可以通过调节千斤顶高度使钢管柱的水准高程达到要求。

图4 A-A剖面

该操作平台现场取料，制作简单，成本低廉，但实用操作效果良好，取消了底部定位器的安装[5]。

2.2 钢管柱的预处理

对于较长的钢管柱不适合一次安装时，采用分节吊装，分段焊接。为取消钢护筒，防止泥浆进入钢管柱内，给予施工人员在进行钢管柱二次调节时一个可操作空间，需要在钢管柱吊装对接前，对钢管柱进行预处理。在抗浮力计算后，确定在深孔水下的安装前先对第一节钢管柱（约7 m长）预先灌注5.5 m混凝土即可利用混凝土和钢管的自重平衡钢管柱在泥浆中的浮力，之后再进行安装。

2.3 钢管柱内螺旋千斤顶安装

在第二节钢管柱底部距混凝土顶面1.5 m左右标高，沿钢管柱四周均匀安装4个螺旋千斤顶，其平面布置及实物图见图5。螺旋千斤顶外套管与钢管柱良好焊接，满足受力和密封要求。为保证丝杆调节和对水的密封，螺旋千斤顶丝杆与外套管间注满黄油。同时，为保证支撑部位孔壁土体稳定，一方面将千斤顶支腿设计为与桩孔弧度一致的扩大弧形板，以增大受力面积，另一方面，根据现场施工情况和地质勘查报告，将螺旋千斤顶安装在土质较好的地层。

图5 螺旋千斤顶

螺旋千斤顶可对钢管柱垂直精度进行二次调节，取消了传统的抽排泥浆，人工凿除底部混凝土，安装锥形定位器，并联合研发设计的钢管柱定位平台使钢管柱精准定位，其示意图见图6。

图6 钢管柱二次调节示意

2.4 钢护筒埋设

钢管柱施工中取消了钢套筒护壁，但为防止施工过程发生孔塌，地表以下3 m仍埋设钢护筒。钢护筒在施工过程中要保持垂直，顶部高出地面30～50 cm，护筒的垂直度≤3/1000。在运输和安装过程中要保证护筒不发生变形，保证其初始正圆度。安装时保证护筒顶边沿水准高程满足要求，及时测量及调整。为保证钢管柱的精准定位，钢护筒中心和桩中心应保证重合，偏差在50 mm以内。护筒与坑壁之间采用粘性土填充压实，为确保护筒位置准确以及稳定性，再次校正护筒中心偏差，并用水平尺校核护筒的垂直度，确保护筒达到水平牢固。钢护筒埋设如图7所示。

图7 钢护筒埋设示意

2.5 工具柱连接

钢管柱施工完成一段时间后，需与顶板浇筑为一个整体，其柱顶高程与顶板大致相同，至地面深度约2 m。为固定钢管柱中心位置以及联合定位平台和螺旋千斤顶共同调节垂直精度，钢管柱柱顶至地面需要设置工具柱，工具柱与钢管柱之间利用8个A30高强螺栓进行连接，工具柱高出定位平台0.5～1 m，其连接见图8。工具柱在混凝土浇筑后可拔出，循环使用。

图8 钢管柱与工具柱连接

3 钢管柱施工工艺流程

钢管柱施工工艺流程为：孔位定位→安装钢护筒→旋挖钻成孔→桩基钢筋笼制作→地表定位平台加工与安装→吊装首节钢管柱→定位、加固首节钢管柱→连接次节钢管柱→钢管柱垂直复测→浇筑钢管内混凝土→拆除定位平台和工具柱→细砂回填。

3.1 孔位定位

在进行定位之前首先要进行场地的平整，清除场地内的阻碍物与杂物，对局部土质松软和淤泥处进行换填并夯实处理，保证旋挖机在施工过程中处于平整、坚实的位置，避免在钻进过程中旋挖机产生不均匀沉陷，影响钻孔精度。

场地平整完毕后进行钢管柱桩位放样，测放时采用全站仪，根据确定坐标进行放样，桩位经过测放确定后，钉好十字护桩，并做好测量复核工作，保证平面位置准确。

3.2 成孔施工

（1）钻机就位：钢护筒测量安装完毕后，钻机在钻孔处就位。钻孔前要保证机身平稳，钻杆中心与桩位中心保持重合，不应有较大误差。用测锤及全站仪进行钻杆垂直度检验，保证钻杆垂直度达到要求，在平面位置及垂直度都满足要求后方可进行钻进施工。

（2）泥浆制备：旋挖钻成孔时，利用静态泥浆保持孔壁稳定性，使孔壁不发生塌陷。其主要工作原理是在孔壁处形成一薄层泥膜，使水无法从内向外或从外向内渗透，并施加给孔壁一定的侧向压力。在施工过程，根据现场的实际情况和工程地质，及时进行泥浆配比的调整，控制泥浆的比重、粘度、含砂率等性能指标，并保证泥膜的厚度与强度。

（3）钻进成孔：在钻进成孔过程中，要根据地质特点，把好三关：进尺关、泥浆比重关、垂直度关。

（4）清孔：用清水稀释泥浆，将置换的泥浆排入泥浆池中，并连续测试泥浆的比重，当泥浆比重小于1.15，粘度值范围处于18～26 S，含砂率不大于2%，清孔完毕方可吊装钢筋笼。

（5）钢筋笼制作及安装。

3.3 安装定位平台

（1）首先在硬化地坪上精准测放出定位平台的4个角点，利用吊车吊装定位平台来进行安装，平台的安装偏差必须在20 mm以内。利用千斤顶撑脚来调节定位平台平整度，平整度偏差不得超过2 mm。采用钢筋或角钢将定位平台与事先预埋在硬化地坪内的预埋件进行焊接，从而增加定位平台的稳定性。

（2）定位平台采用全站仪及坐标法进行测量定位，用水平尺调整平整度。待千斤顶撑脚固定后，再次对中心点位复测，使平台中心与桩中心偏差在5 mm以内。

3.4 钢管柱安装

钢管柱采用分节吊装，首节钢管柱内底部预先浇筑混凝土时，加强对混凝土和易性、坍落度的控制，并加强振捣，确保钢管柱砼的密实。砼初凝后，清理钢管柱柱内浮浆，然后凿毛，保证后续砼的良好连接。

钢管柱施工中需进行对接，具体按以下过程进行。

（1）出厂前，在柱顶对称焊接一对吊耳，同时在吊耳侧加焊肋板，以避免在钢管柱安装过程中可能出现的侧翻以及破坏现象。

（2）管柱采用70 t和25 t两台吊车配合吊装，70 t为主吊，25 t为副吊，采用三点同时吊装，防止钢管柱在吊装过程中发生弯曲变形。

（3）钢管柱对接过程先将耳板对接牢固，保证上下节的垂直度偏差在5 mm以内，然后进行电焊，最后采用CO2气体进行焊接，焊缝要求等级为一级。焊缝表面不得有气孔、夹渣，且不得出现咬边、未焊满、根部收缩等缺陷，每焊接完成后进行超声波无损检测。

3.5 钢管柱内混凝土浇筑

（1）在桩基混凝土浇筑完成并达到设计强度70%后浇筑钢管柱内混凝土，并预埋钢管柱顶部钢筋笼，该钢筋笼锚入结构顶板。

（2）钢管柱内混凝土初凝后，采用细砂回填至钢管柱顶不得超过钢管柱和工具柱连接面，以免影响连接螺栓的拔出，细砂回填保护预埋的钢 筋笼。

3.6 拆除定位平台及工具柱并回填细砂

（1）回填钢管柱内细砂后，操作人员进入孔内拔出连接工具柱和钢管柱的8颗高强螺栓，然后拔出工具柱。

（2）工具柱拔除后，先将钢管柱外围回填细砂，再移动定位平台至下一个钢管柱施工点。

4 结 语

以长沙地铁6号线朝阳村站为例，对地铁车站盖挖逆作法施工中钢管柱精准定位难，定位工艺复杂等难题进行了探讨，提出了针对性技术措施，在实际施工中取得了良好的效果。

（1）研发设计了一种钢管柱定位平台，其由支架架体，操作平台，液压千斤顶及螺栓调节器组成。利用该定位平台可实现钢管柱中心、高程精准定位，且现场取材，加工方便，操作简单。

（2）采用地表定位平台主控钢管柱定位安装，管内螺旋千斤顶辅助调整，无需安装底部锥形定位器，利用钢管柱提供人员操作的空间，取消了钢套筒护壁，无需抽排泥浆，该方法简化了钢管柱施工工序，加快了施工进度。

（3）采用该施工方法，单根钢管柱施工成本从10万元下降为4万元左右，并得到了业主、监理的一致认可，具有较高的经济效益与社会效益。

[1] 李 斌.复杂条件下逆作车站钢管柱技术研究[J].铁道建筑技术,2016(6):69-72.

[2] 孙晓东.HPE液压垂直插入钢管柱施工技术[J].建筑技术开发,2015,42(7):59-61.

[3] 梁桥欣,冯永飞,白 冰,等.地铁车站大直径深长钢管混凝土柱施工关键技术研究[J].施工技术,2018,47(13):111-115.

[4] 张 能,景兆骥,康晋明.全站仪和激光投点仪放样钢管柱精度浅析[J].北京测绘,2014(1):63-65.

[5] 张满江红,王大标.逆作法中人工挖孔桩顶钢柱快速定位施工技术[J].施工技术,2017,46(S):283-286.

(2019-03-16)

李 磊(1985—)，男，山东菏泽人，本科，工程师，主要从事高速公路和轨道交通建设工作，Email: 273145898@ qq.com。