盖挖法超深孔中间支撑柱施工新技术

孟树红

(中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518052)

0 引言

近几年，随着我国经济的发展，交通拥堵成为国内各大发达城市规划及快速发展的绊脚石，城市地铁以其快速、准时、安全、运载能力大等优点，成为解决交通问题的首选途径［1］。在繁华的闹市区修建地铁车站、地下通道或地下停车场等较大规模的地下工程，开槽明挖和暗挖法施工因工期较长、对建筑物影响较大、造价高，不是最优的施工方法［2］。盖挖法因其安全、实用及其适中的施工成本成为较常用的施工方法，在北京、上海、广州、南京的城市地铁车站工程中，此方法均有所应用。

支撑柱是盖挖逆作法重要的组成部分，施工阶段其为临时支撑立柱，建成使用阶段则为车站永久性的主要竖向承载与传力结构［3］。上部荷载作用于型钢立柱，通过插入部分传递到桩基础并由此扩散到周围土体之中［4］。立柱桩在工程施工中通常有钢管桩、H型钢桩、矩形格构柱桩等形式，一般采用打入法、湿作业钻孔安装法、干作业钻孔安装法等施工。采用十字型钢柱桩一般多应用在采用明挖法开挖基坑后在坑底人工安装定位的房屋建筑中，在地下工程中采用钻孔灌注桩施工的应用实例较少，尤其是在华东软土地质条件下更是少之又少。传统方法需设置钢护筒或开挖作业井，人工入井内定位，虽然定位精度有保证，但成本高、用时长、安全风险大。

盖挖支撑柱的定位施工曾经在天津地铁中实施了“逆作法钢管柱深孔水下一次精确定位安装”的新技术［5］，使用效果较好，但需要人工入孔内操作，存在一定安全风险。文献［5］对无锡地铁以“短臂校正长臂”为主，以“光反射定位”为辅的定位方法做了简要的说明，但不全面、可操作性不强。本文对该方法从支撑柱结构形式、桩基础成孔、定位架设计、定位安装、混凝土灌注等多方面阐述十字型钢柱定位的关键技术，可为类似工程提供可操作性的参考。

1 工程概况

无锡地铁市民广场站为无锡轨道交通的综合换乘站，设计为1号线和4号线立体交叉，并外挂同期开发的地下一层下沉商业广场。1号线在上，东西向布置，长468.3 m，设折返线及临时存车线;4号线在下，南北向布置，长143 m。市民广场站平面布置如图1所示。

2 型钢立柱桩设计概况

本车站紧邻即将投入使用的市政府大楼，为不影响交通，4号线及与1号线交叉口段、下沉广场区均采用盖挖法施工，盖挖区面积达9 900 m2。盖挖区的支撑柱采用十字型柱，桩基础为钻孔灌注桩，型钢柱按一桩一柱设计。桩位布置如图2所示。

图1 市民广场站平面示意布置图Fig.1 Plan layout of Citizen Square Station

图2 型钢柱桩位分布图Fig.2 Layout of pile positions of shaped-steel columns

2.1 桩基础设计概况

下部桩基础为钻孔灌注桩，直径均为2.0 m，有效桩长为50～60 m，桩的承载力特征值为8 840～13 123 kN，主要设计了5种桩型的钻孔灌注桩(ZJ1～ZJ5)，共110根。其中:ZJ1型分布在4号线南、北段，ZJ2型分布在1号和4号线交叉口处，ZJ3型均分布在1号线盖挖段，ZJ4型分布在下沉广场和外挂三角区，ZJ5型沿下沉广场基坑边布设。桩基础采用C35水下混凝土。桩的设计参数如表1所示。

表1 钻孔桩参数表Table 1 Parameters of bored piles

2.2 型钢柱设计

盖挖支撑柱上部为型钢柱，与结构板钢筋采用直螺纹接驳器连接，除ZJ2型桩立柱伸至负一层中部外，其余型式均伸至顶板。立柱与结构板连接方式如图3所示。型钢柱锚入桩基础2.0 m，端部设600 mm×650 mm×50 mm端板(柱翼缘与底板间采用完全熔透的坡口对接焊缝连接，柱腹板及加劲板与底板间采用双面角焊缝连接)，并设4个M20的锚栓以加强端部的锚固力，柱四周设8 cm长的栓钉。型钢柱柱脚大样如图4所示。

型钢柱设计为工字钢十字型焊接型式，端面2种截面尺寸为600 mm×300 mm×50 mm×60 mm和500 mm×200 mm×35 mm×35 mm，采用Q235B钢板焊接。型钢柱型式和焊接情况如图5所示。

图5 型钢柱截面型式与焊接图(单位:mm)Fig.5 Cross-section and welding of shaped-steel column(mm)

型钢柱每隔1 m设35 mm厚的柱加劲板来提高其刚度，如图6所示。腹板与翼缘、水平加劲肋与翼缘的焊接采用坡口熔透焊缝，水平加劲肋与腹板连接采用角焊缝，各焊缝需满足一级焊缝。

图6 型钢柱加劲板型式与焊接图(单位:mm)Fig.6 Reinforcing plate and welding of shaped-steel column(mm)

图7 型钢柱柱脚大样图1(单位:mm)Fig.7 Detail of pile foot of shaped-steel column:No.1(mm)

图8 型钢柱柱脚大样图2(单位:mm)Fig.8 Detail of pile foot of shaped-steel column:No.2(mm)

3 十字型钢立柱桩的重难点分析及技术措施

3.1 重难点分析

1)灌注桩孔径大(2 000 mm)、深度大(76 m)、成孔时间长，加上钢筋笼的焊接和型钢柱的精确定位纠偏，每根桩的成桩周期需要5 d，这对保证钻孔桩孔壁的稳定性是难点。

2)钢筋笼直径大、长度大，现场加工对于钢筋笼的制作、吊装、对接技术要求高。

3)型钢柱垂直度1/500，需要精确定位和固定。由于结构设计的限制，灌注桩混凝土灌注只有在柱的牛腿之间，确保型钢立柱的稳定性和垂直度是重点。

4)钢筋笼、型钢柱、后注浆管、混凝土灌注导管以及型钢固定夹都是固定在同一个专用工作平台上，如何保证工作台设计的简便性及其稳定性是难点。

3.2 技术措施

1)采用GPS-20钻机，其机械稳定性好，扭矩大，能保证成孔的施工质量，同时在钻孔时根据地层资料配备好泥浆的性能，能充分保证钻孔的稳定性。

2)钢筋焊接台加长，配合履带吊，能保证钢筋笼的对接和垂直度，同时对钢筋笼吊装设计专用吊钩和吊索。钢筋笼的对接采用钢筋连接器，这样对钢筋的加工有一定的精度要求，且能保证钢筋笼对接后的垂直度。

3)设计专用“光电型”型钢测斜纠偏装置，保证型钢在安装时垂直度满足控制要求，同时在混凝土灌注时可以随时监测到型钢的变形情况，可以随时对型钢进行调节。

4)设计专用工具节和固定夹来保证型钢的定位、纠偏及固定作用。

5)设计专用混凝土灌注料斗，采用双导管灌注混凝土。

4 施工方案选择

盖挖结构中间桩柱由型钢立柱及桩基础组成，型钢柱综合质量的影响因素主要包括桩基施工质量、型钢柱加工质量、型钢柱安装定位质量及桩基础混凝土施工质量等［6］。此类型钢立柱桩常规施工方法有2种，即先插法和后插法［7］。先插法是在桩基础成孔后先插入型钢柱并定位固定好，然后灌注桩基础混凝土;后插法是在桩基础成孔后先灌注桩基础混凝土，然后插入型钢柱并定位固定好。先插法灌注混凝土困难，但成桩质量有保证。后插法一旦某个施工环节耗费时间长，会出现型钢柱未定位好或未插到位混凝土已凝固，造成支撑柱承载力不足的质量问题;同时，存在将孔内泥浆混入桩基混凝土的可能，影响成桩质量。本工程立柱桩采用一桩一柱的永久柱方式，对成桩质量和立柱桩的垂直度要求很高，型钢柱出现问题将很难弥补。尤其是本站为地下三层站，立柱长约30 m，一旦立柱桩垂直度偏差较大，将影响结构永久柱的质量，甚至影响结构安全。立柱桩的轴线偏差控制在+5 mm以内，垂直度偏差要求不大于1/500(高于常规1/300的精度要求)。为确保工程质量，经过反复分析和多方论证，最终选定采用先插法施工。

5 施工工艺流程

根据桩位的分布情况和施工场地条件，总体施工工艺流程为:施工准备(含施工平台制作、型钢柱加工、混凝土配制)—桩位测量放线—钻机就位及校正—GPS-20钻进成孔钻进—优质泥浆护壁—固定架安装施工—100 t与50 t吊车配合吊放钢筋笼—吊放钢构柱及初次定位—双导管安装—清孔—型钢柱校直—灌注水下混凝土—型钢柱再次校核—等强及空孔回填细砂与密实—工具节及固定架拆除。

根据型钢柱设计特点，本工程施工平台和型钢柱采用工厂制作、汽车运输到工地现场对接组装;桩基础采用回旋钻机成孔、泥浆护壁、导管法灌注水下混凝土成桩;钢筋笼采用现场加工分节制作、分节吊装、接驳器连接;型钢柱采取整体制作、整体吊装、工作台校直。其中，型钢柱加工、组装、定位、混凝土浇筑、工作平台设计与加工是本方案的关键技术。

6 施工关键技术

6.1 型钢柱加工

车站主体中间的支撑柱均采用呈十字形(500 mm×200 mm～600 mm×300 mm)的型钢柱，钢材采用Q345B，施工规范对轻钢与重钢分类界限并不清晰，一般把H型钢柱板厚≥25 mm的钢构件称为重型钢结构。本工程型钢柱厚度达60 mm，是典型的重型钢构件，其加工质量要求比一般构件高。型钢柱是永久结构件，在本工程中柱的质量关系到施工质量和长期使用的可靠度，该型钢的加工采用工厂加工，同时加工该构件的企业，必须是具有重钢加工资质的企业，并要通过现场考察确定。型钢柱的加工精度及控制标准为:截面高度+3 mm;截面宽度+3 mm;腹板中心偏移2.0 mm;翼板垂直度3.0 mm;弯曲矢高L/1 000，且不大于10 mm;腹板平整度3.0 mm。

根据设计图纸，不同开挖深度要求的型钢立柱的高度也不同。本工程型钢共有5种规格，3种设计长度(18，24，31 m)。为了保证型钢柱制作的精度和质量，型钢柱的制作全部采用工厂化加工，并尽量采取整根制作。由于型钢柱的长度＞30 m，在工厂制作、运输整根有难度，需要分段制作运输到施工现场进行现场拼接。过长的型钢柱(ZJ1型长24 m，ZJ2型长31 m)分2节制作(节长宜15～20 m，可根据便于运输分节原则制作)。每节型钢柱两端截面须与型钢柱长边垂直，有利于下节型钢柱连接安装。加工制作控制措施如下:

1)型钢柱由工厂加工，在加工过程中，要驻厂检查加工质量，同时要求工厂提供原材料的质保证明和焊缝等级证明。

2)根据运输、吊点及现场焊接要求的限制，工厂按钢柱的翻样图纸，特别是分段的数据，同时在征得主体设计的原则上，对分段的尺寸及连接方式进行验算，在工厂里做好分段连接板的靠模校正，现场直接用高强度螺栓连接。

3)型钢柱加工好后，要按规范和设计要求对每根型钢柱的焊接质量和加工尺寸进行验收，验收合格后运输到施工现场拼装，并携带出厂合格证明书和焊接检验报告。

4)型钢柱的运输需固定牢固，避免摩擦及碰撞，防止型钢柱产生变形影响垂直度。型钢柱运输到现场，按设计施工规范要求对型钢构件的现场焊缝和几何尺寸进行随机抽检。

6.2 型钢柱的现场拼装

6.2.1 拼装台模的设计与制作

型钢柱一般要求整根制作，少量部分由于过长难运输，加工厂根据要求分为2节制作，运输到施工现场进行现场拼接，在现场搭设型钢柱拼接台模。现场拼接台模的制作是为了保证型钢柱连接时的垂直度要求，同时在型钢柱上要安装光电测斜装置，柱的中心标识也需要在现场有拼接台。

拼接台模采用型钢搭设，其高度为40 cm，长度为30 m，宽度为7 m(见图9)。

图9 型钢柱拼接台模示意图(单位:mm)Fig.9 Assembly platform of shaped-steel column(mm)

6.2.2 型钢柱的拼装

1)型钢柱(含工具节)运输到场经检验合格后，在现场制作的台模上进行拼接，台模的平整度控制为2 mm。型钢柱和型钢柱拼接先采用法兰盘连接校正好后对端头板进行焊接加固，型钢柱和工具节拼接直接采用法兰盘连接。对连接好的型钢柱经过验收合格之后，安装测斜校正装置。

2)型钢柱拼装前，在每节型钢柱侧面弹出对接线，采用测量仪器进行校直，检查符合要求方可进行拼接。

3)型钢柱拼装好后，沿X轴和Y轴安装测斜装置。安装好测斜装置后通过现场验收，并测试其可靠性。本工程测斜装置采用光电投影原理、水准仪校对的方法控制型钢柱拼接的垂直度。

4)本工程ZJ1和 ZJ2型钢柱采用3点吊，ZJ3、ZJ4和ZJ5采用2点吊，采用2台履带吊同时起吊的方式起吊。

6.3 型钢柱的安装定位

6.3.1 定位台架设计

型钢柱设计为一桩一柱型式，定位精度要求高，定位安装的工作台需要根据现场实际专门设计，设计的定位台架既要能固定型钢柱，又要能进行型钢柱精确校正，还要方便混凝土的灌注。

灌注桩截面均为2 000 mm，型钢柱的截面有2种:600 mm×300 mm和500 mm×200 mm。其桩截面放样定位详图见图10和图11。

由于结构设计的限制，灌注桩混凝土灌注只在柱的牛腿之间，且需要双导管灌注混凝土。混凝土浇筑采用直径为250 mm的导管。从设计端面分析，导管在两钢筋笼之间，其间距只有85 mm，故要求定位工作台的加工精度，在安放导管时需要分段连接并校正其垂直度。

6.3.2 定位工作台架的制作

定位工作台架由3部分组成:定位型钢和灌注水下混凝土的底平台，校正和控制型钢标高的顶平台，校正垂直度的校正臂。台架在加工厂加工制作，台架尺寸及实物详见图12。

6.3.3 型钢柱的安装定位

在逆作法施工结束后，支撑柱外包混凝土一般作为正式地下结构柱的一部分，永久承受上部荷载，故支撑柱的定位和垂直度必须满足要求［8］。型钢柱的安装通过安装平台对水平位移和桩顶标高进行控制。因型钢柱顶标高在地面以下，型钢柱上部须接长一段工具节才能使用工作台架进行校正与固定。工具节在混凝土灌注完成12 h后，可拆除重复利用。

图12 型钢柱定位工作台架图Fig.12 Positioning frame of shaped-steel column

6.3.3.1 工作台架的安装定位

1)工作台底平面定位。在工作台底平面上标有X/Y轴线，在工作台安置时，建筑轴线和工作台的轴线闭合，并在工作台上定出桩位中心点，要求其中心点和桩位中心点闭合。

2)工作台顶平面定位。在定出桩位中心点和工作台中心点重合后，校正工作台顶平面中心点，用铅垂线定出工作台顶平面的中心点和底平面的中心点，使其达到一致。上下平面对准后，对工作台进行固定。

6.3.3.2 精确定位

1)为了保证位置正确，采取在地面放出桩中心线及工作台架的定位线，定位线平行于桩中心线，并预埋螺栓对定位台架进行固定，防止台架偏移。

2)定位架安装固定好后，对其稳定性进行检查，对桩位轴线进行复核，满足要求后，在台架顶座和底座测放出型钢柱定位线。

3)在型钢柱每个侧面刻线标出中心线，定位时用2台全站仪呈90°进行测量，利用刻划好的定位线进行复核。当型钢柱刻线与定位线重合时，立即调节定位螺栓进行固定。

4)型钢柱的标高根据入孔深度推算，并在型钢柱的工具节上标出。同时，采用水准仪预先在定位台架上测定，当工具节上的标线与台架标线重合时，标高满足要求方可固定。

6.3.3.3 型钢柱纠偏

1)型钢柱吊放前在型钢柱上安装了对垂直度进行跟踪测量的测斜系统，型钢柱就位后，当混凝土灌注过程中发生变形、位移现象时，通过该系统可以反映出垂直度情况和需调整的方向和调整值。光电测斜系统如图13所示。

图13 光电测斜系统图Fig.13 Photoelectrical inclination monitoring system

2)根据测斜系统反映的偏移数值和调整方向，利用布置在工作台架的4根垂直度调节螺杆，调节型钢柱的纵横方向。当测斜系统反映出型钢柱的垂直度满足设计要求时，拧紧固定螺栓，将型钢柱重新固定好，然后进行混凝土灌注。

3)混凝土灌注过程中如发现有偏移，采取上述方法进行纠偏。

十字型钢柱拼接、吊装、定位如图14所示。

图14 十字型钢柱拼接、吊装、定位图Fig.14 Connecting，hoisting and positioning of cross-type shaped-steel column

6.3.3.4 型钢柱固定

型钢柱的固定分为地面和孔底2个部分。地面固定是精确定位后采用槽钢与型钢柱焊接固定，混凝土浇筑完成后再割除。为确保稳固可靠，工作台底、顶平面的型钢柱均采用焊接。孔底固定是在型钢柱底部设置张拉钢绞线，把型钢柱与柱脚钢筋笼相互联系起来，通过地面设置的紧绳器来调节型钢柱的垂直度。型钢柱底固定节点图详见图15。

图15 型钢柱底固定节点图Fig.15 Fixing of shaped-steel column

6.4 混凝土灌注技术措施

1)采用双导管灌注，采取双储料斗(每个料斗容量不小于2.0 m3)装满混凝土，并采用混凝土搅拌车的快速运转、出料等措施加以保证，使初灌后埋管超过1.5 m以上。双导管灌注型钢立柱桩混凝土见图16。

图16 双导管灌注型钢立柱桩混凝土Fig.16 Concrete casting for shaped-steel column

2)灌注过程中按混凝土灌注量定量测量混凝土面高度，验算导管埋深。导管的埋深一般控制在2～6 m，严禁导管埋深过大或将导管提离混凝土面。

3)混凝土面接近钢筋笼底部时，严格控制导管埋深，以防钢筋笼上浮［9］。为保证桩顶标高及桩顶强度，设计桩顶标高以上超灌高度为1.5 m。

4)定位台架安装时，在硬地坪上预埋固定台架的定位螺栓。平台的4个撑脚与事先预埋在硬地坪内的预埋螺栓采用电焊或螺栓固定，防止台架移动导致型钢柱移位［10］。

5)为防止混凝土浇灌过程中型钢柱发生移位后无法调整，混凝土配置过程中掺加缓凝剂。混凝土灌注前要与商品混凝土站联系，在灌注过程中应保证连续作业，不得中断。

7 应用效果

7.1 垂直度

通过设计专用定位台架和各项定位措施的实施，施工完成基坑开挖到底后，测量组实测结果显示:本工程盖挖区的十字型钢柱平均垂直度达到了1/550，部分型钢柱精度最高达到1/600，全部满足设计要求。

7.2 进度及效益

该定位技术的应用，大大地加快了施工速度，由原计划需要5 d/根桩缩短到2 d/根，使恢复道路交通的节点工期提前了3个月。经最终测算，本工程十字型钢柱单项施工成本可节约950万元，取得了良好的经济效益和社会效益。

8 结论与体会

1)型钢柱使用的钢板厚度达35 mm以上，属于重型钢材，施工现场条件一般难以保证加工质量。应选择具有重钢加工资质的单位，并要求对焊缝进行探伤检测，以确保型钢柱加工质量。

2)激光光电测斜系统的激光仪易出现偏差，影响定位精度，应选择质量可靠的激光仪器。同时，必须在型钢柱固定好，吊装时加强检查，防止因碰撞发生移位，影响光线发射。

3)先插法的型钢柱，在混凝土浇灌过程中会出现导管碰撞型钢柱、定位台架移位等意外事故。为防止混凝土浇灌过程中，型钢柱发生移位后因混凝土提前凝固导致型钢柱无法二次定位调整，混凝土配置过程中应掺加缓凝剂，缓凝时间不少于4 h。

4)定位架法在本工程是经济实用的，此方法适用于刚度较大的重型构件。刚度小的轻型钢构件，采用此方法会造成构件变形大，不利于垂直度的调整，如果精度要求不高，可不采用此方法。

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