王蒙　張澤鑫　王斌陽(yáng)

【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(diǎn)，以天津地鐵7號(hào)線5標(biāo)段天塔站超深基坑蓋挖逆作車站結(jié)構(gòu)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(yōu)化鋼管柱調(diào)整下插的綜合變形等關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)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(hào)】：U231.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：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(jié)構(gòu)，鋼立柱與車站樁基礎(chǔ)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(chǔ)，使用階段與車站框架結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)浮力作用。作為永久結(jié)構(gòu)使用的中間豎向支撐系統(tǒng)支撐柱的允許定位偏差≯20 mm，同時(shí)其垂直度偏差也不宜＞1/500[1]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)結(jié)構(gòu)柱垂直度控制進(jìn)行了相關(guān)研究。王靜民[2]對(duì)高層建筑不滿足混凝土強(qiáng)度要求的部分混凝土柱、梁、墻等進(jìn)行整體置換處理，通過設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，分批置換混凝土豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件。卜良桃等[3]確保置換處理混凝土柱時(shí)上部結(jié)構(gòu)和施工操作的安全，通過測(cè)量支撐結(jié)構(gòu)及被置換結(jié)構(gòu)在卸載過程中發(fā)生的應(yīng)變準(zhǔn)備，反映被置換混凝土部位結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形等，為置換處理提供依據(jù)。袁茂生等[4]對(duì)某高層地下室鋼管柱的置換加固方案進(jìn)行說明。石開榮等[5]采用搭設(shè)托梁反頂修復(fù)平臺(tái)，對(duì)偏位鋼管柱頂升卸載后進(jìn)行拆除后重新安裝鋼管柱。牛斌[6]對(duì)某一地鐵車站鋼管柱置換處理方案進(jìn)行說明。

以上主要是針對(duì)地上建筑結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)并處理；針對(duì)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(guān)研究。本文以實(shí)際工程為例，提出一種施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、精確度高的垂直度控制關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

天津地鐵7號(hào)線天塔站主體結(jié)構(gòu)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(nèi)一共涉及59根鋼管柱，直徑1 000 mm、長(zhǎng)28.05～30.01 m，采用C50自密實(shí)混凝土，鋼材為Q355B，鋼管柱吊裝就位后立即進(jìn)行校正，要求標(biāo)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(shè)計(jì)長(zhǎng)細(xì)比偏大，在樁基混凝土凝結(jié)前剛度不足，如果垂直度偏差過大，后續(xù)主體結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力不足；若在樁基混凝土凝結(jié)前仍未調(diào)整完成將出現(xiàn)廢樁，造成工期延誤和材料機(jī)械費(fèi)用損失。

鋼管柱需一次下插至樁基緩凝混凝土內(nèi)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(diào)整下插。

3 控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼管柱制作加工

柱體為2.2 m×7.5 m的鋼板，采用對(duì)接熔透焊接工藝，預(yù)留制作時(shí)的焊接收縮量和切割余量，彎曲卷制調(diào)圓過程中保證結(jié)構(gòu)橢圓度不超過3D/1 000（D為鋼管直徑）。對(duì)接前，根據(jù)加工圖中各構(gòu)件、法蘭尺寸、位置關(guān)系，調(diào)節(jié)機(jī)床各滾軸高度位置，使各構(gòu)件、法蘭圓心擬合計(jì)算為一條平行于機(jī)床軸線的直線。為保證鋼管柱整體垂直度，將各構(gòu)件預(yù)拼裝完成后，復(fù)核測(cè)量各構(gòu)件、法蘭垂直度。

焊接過程中，鋼管會(huì)由于受熱不均勻出現(xiàn)變形，即使冷卻后仍有殘余變形。為保證成型柱體垂直度，對(duì)接焊接過程中多次測(cè)量空間擬合圓度，實(shí)時(shí)檢測(cè)每次拼接完成的結(jié)構(gòu)垂直度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果適時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，焊接后做整體垂直度檢測(cè)。

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(duì)接前，先對(duì)拼接平臺(tái)位置進(jìn)行測(cè)量放樣復(fù)核。通過調(diào)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(diào)節(jié)工具柱支座使工具柱水平，通過全站儀測(cè)量鋼管柱兩端同一水平位置的邊線坐標(biāo)（x₁，y₁）、（x₁，y₂）。用兩坐標(biāo)擬合一條默認(rèn)水平直線函數(shù)，調(diào)節(jié)工具柱位置，使工具柱兩端坐標(biāo)與鋼管柱函數(shù)差值處于（340±5）mm，完成后進(jìn)行對(duì)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(diǎn)承受鋼管柱全部重量；工具柱下部使用高強(qiáng)螺栓（130 mm×33 mm）與鋼管柱連接。工具柱上下口由于應(yīng)力集中，會(huì)發(fā)生張拉變形。在鋼管柱下插至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上6 m時(shí)，是完全通過測(cè)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(duì)鋼管柱下插質(zhì)量很關(guān)鍵。

每次鋼管柱施工前，對(duì)工具柱進(jìn)行上下口擬合空間圓度測(cè)量，施工完成拔除工具柱再次測(cè)量，要求工具柱局部變形≤5 mm，偏差過大會(huì)影響空間圓擬合結(jié)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(jī)。根據(jù)已完成地下連續(xù)墻施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)需要應(yīng)對(duì)粉砂、黏土層交替出現(xiàn)的情況。為防止鉆進(jìn)過程受力不均，出現(xiàn)偏斜、鉆孔坍塌、垂直度超限的問題，采用摩阻鉆桿，每節(jié)17.7 m，下鉆控制動(dòng)力頭扭矩。在鉆進(jìn)過程中每25、35、45、55、65 m進(jìn)行一次超聲波成孔檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整旋挖鉆頭鉆壓、轉(zhuǎn)速和動(dòng)力頭壓力，防止由于地質(zhì)土層不平衡導(dǎo)致下鉆偏斜。

3.4.2 鉆孔泥漿性能控制

根據(jù)已施工地下連續(xù)墻泥漿控制經(jīng)驗(yàn)及地勘報(bào)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(huì)明顯升高，為穩(wěn)定槽壁、保證垂直度，需要將泥漿密度適當(dāng)調(diào)高，控制在1.15～1.25 kg/m³；吊裝下放鋼筋籠后，為保證樁基礎(chǔ)混凝土澆筑質(zhì)量，需要降低泥漿密度及含砂率，通過導(dǎo)管正循環(huán)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(huì)與泥漿中離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)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(zhì)量。因此在制備鉆孔泥漿、循環(huán)泥漿時(shí)，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(jié)構(gòu)底板底，樁頂以上至地面范圍內(nèi)的空樁部分設(shè)有副鋼筋籠，副籠主筋為8根與主籠主筋同直徑的鋼筋，內(nèi)設(shè)?25 mm@2 000 mm的加強(qiáng)箍，外設(shè)?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(diǎn)在于：

1）副籠內(nèi)加強(qiáng)箍?jī)?nèi)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(shí)，用于工程樁樁身完整性檢測(cè)的聲測(cè)管和樁側(cè)注漿的注漿管在空樁部分也依附固定在副籠內(nèi)側(cè)并延伸至現(xiàn)狀地面，實(shí)際鋼管柱與副籠間凈距僅為111 mm；鋼管柱下插穿過副籠時(shí)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(nèi)的副籠直徑為2 060 mm，長(zhǎng)度為28～30 m，主筋數(shù)量?jī)H8根，鋼筋籠整體穩(wěn)定性較差，在雙機(jī)抬吊過程中易發(fā)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(shí)可能卡死在副籠變形位置；

3）副籠與主籠焊接及主副籠內(nèi)聲測(cè)管注漿管連接施工耗時(shí)較長(zhǎng)，副籠長(zhǎng)時(shí)間懸吊存在安全隱患。

通過核算主籠鋼筋籠重量及計(jì)算鋼筋抗拉承載力，取消空樁范圍內(nèi)的副鋼筋籠，采用2根與主筋同直徑的吊筋連接主籠進(jìn)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(shí)間。

根據(jù)工期，鋼管柱施工處于夏季，由于混凝土凝結(jié)時(shí)間受溫度影響大，施工前進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化樁基混凝土配合比，最終控制初凝時(shí)間40 h，終凝時(shí)間達(dá)48 h以上。在后續(xù)施工中控制混凝土質(zhì)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(zhì)量達(dá)到要求且考慮到鋼管柱下插至混凝土液面后所用調(diào)整時(shí)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(duì)成孔樁進(jìn)行樁位點(diǎn)復(fù)測(cè)，將平臺(tái)墊板鋪設(shè)好。

2）使用全站儀進(jìn)行軸線引測(cè)，保證承臺(tái)定位準(zhǔn)確，再由承臺(tái)中心引出4個(gè)十字方向控制點(diǎn)。測(cè)量測(cè)定樁位后，做好標(biāo)識(shí)并注意保護(hù)。吊裝HPE液壓插入機(jī)平臺(tái)，保證平臺(tái)水平，平臺(tái)中心與鉆孔中心點(diǎn)精確對(duì)中。

3）安放HPE液壓插入機(jī)，就位后使用機(jī)器上安放的定點(diǎn)式水平位移計(jì)對(duì)HPE液壓插入機(jī)進(jìn)行水平調(diào)整和精確對(duì)位，同時(shí)復(fù)測(cè)平臺(tái)的水平度，確保平臺(tái)，樁位點(diǎn)，HPE液壓插入機(jī)中心點(diǎn)3點(diǎn)共線。

4）準(zhǔn)備工作就緒后使用履帶吊對(duì)鋼管柱進(jìn)行抬吊，工具柱總長(zhǎng)度為39.01 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁尺寸及施工經(jīng)驗(yàn)，共布置6個(gè)吊點(diǎn)，在工具柱頂端對(duì)稱布置2個(gè)主吊點(diǎn)，副吊點(diǎn)在鋼管柱下方兩個(gè)法蘭盤上同一水平面布置2個(gè)吊點(diǎn)。

3.7 鋼管柱調(diào)整下插

1）在鋼管柱吊裝下放至HPE液壓插入機(jī)時(shí)，用全站儀在鋼管柱的x、y方向設(shè)站。

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

3）使用全站儀分別在工具柱上下端口測(cè)得同一高程的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間圓擬合，根據(jù)擬合所得的工具柱圓心位置調(diào)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(fù)核設(shè)計(jì)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(nèi)壁的測(cè)斜儀數(shù)據(jù)調(diào)整至默認(rèn)垂直位置（默認(rèn)x、y軸斜率為0）。

5）下插鋼管柱，在插入過程中根據(jù)測(cè)斜儀及全站儀放樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)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(shí)，因阻力增加發(fā)生鋼管柱、平臺(tái)微小偏移，為保證鋼管柱施工質(zhì)量，應(yīng)將鋼管柱糾偏完成再下插。

7）插入完成后使用全站儀復(fù)核工具柱平面位置、垂直度及高程，再使用水準(zhǔn)儀二次復(fù)核工具柱頂標(biāo)高，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼管柱微調(diào)，調(diào)整完成后進(jìn)行三次復(fù)核，復(fù)測(cè)擬合數(shù)據(jù)收斂于設(shè)計(jì)規(guī)范限值內(nèi)，鋼管柱施工插入完畢。

4 結(jié)語

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

加強(qiáng)鋼管柱與工具柱連接控制、工具柱橢圓度控制、優(yōu)化鋼管柱調(diào)整下插的綜合變形控制是控制鋼管柱垂直度的關(guān)鍵技術(shù)。通過施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，驗(yàn)證了該方案的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50157—2013，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]王靜民.杭州某高層建筑墻柱整體置換設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，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(shí)例[J]. 工業(yè)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(qiáng)混凝土柱置換加固技術(shù)[J]. 施工技術(shù)，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(fù)技術(shù)研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu)，2017，32（7）：77-81.

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