崔淑英 邵玉濤 陳根龍

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，065000，廊坊∥第一作者，工程師）

隨著我國(guó)一些大中型城市交通密度的不斷增大，地鐵作為城市主要交通工具的作用日益凸顯。與大中型城市對(duì)地鐵日益增長(zhǎng)的需求相對(duì)比，地鐵建設(shè)技術(shù)的發(fā)展卻步履緩慢，尤其體現(xiàn)在地鐵施工的機(jī)械化程度上。

1 PBA 工法簡(jiǎn)介

PBA 工法（Pile-Beam-Arch，樁-梁-拱），即淺埋暗挖洞樁法。該工法是我國(guó)工程師在分析總結(jié)傳統(tǒng)淺埋暗挖法優(yōu)缺點(diǎn)后，將地下框架結(jié)構(gòu)逆作法和暗挖法通過導(dǎo)洞、鋼管柱、人工挖孔樁、鉆孔灌注樁、扣拱等成熟技術(shù)有機(jī)結(jié)合后所提出的一種地鐵車站施工方法［1］。PBA工法先施工小導(dǎo)洞，在小導(dǎo)洞內(nèi)施工圍護(hù)邊樁、鋼管柱、底縱梁和頂縱梁，然后施工拱頂結(jié)構(gòu)，形成“樁、柱、梁”穩(wěn)定的受力體系，最后通過逆筑施工工法完成地鐵車站的主體結(jié)構(gòu)二襯［2］。

PBA工法中的樁包含邊樁和中樁，傳統(tǒng)八導(dǎo)洞和六導(dǎo)洞中的鋼管柱作為中樁，上方與頂縱梁連接，下方與底縱梁連接。但是中樁下底縱梁較窄，在軟弱地層中地基承載力不足，且八導(dǎo)洞及六導(dǎo)洞成形后，邊樁及中樁均通過人工挖孔成樁，降水周期較長(zhǎng)，工人作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高。新型PBA洞樁法采用單層四導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)，取消了下層4個(gè)導(dǎo)洞及條形基礎(chǔ)，通過增加邊樁和中樁的長(zhǎng)度來提高樁的承載力。中樁是車站主體三聯(lián)拱的主要承重結(jié)構(gòu)，中樁鋼管柱質(zhì)量的好壞直接影響到車站施工的安全與穩(wěn)定。

雙層八導(dǎo)洞車站、雙層六導(dǎo)洞車站和單層四導(dǎo)洞車站的橫斷面結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2、圖3。

2 傳統(tǒng)四導(dǎo)洞鋼管柱定位吊裝工藝

新型PBA工法采用的四導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)，鋼管柱的定位主要通過工人進(jìn)入深度10多m的鋼護(hù)筒內(nèi)，通過人工鑿除超灌的混凝土，而后安裝定位器來進(jìn)行定位。此方法定位精度差，人工工作量大，工作環(huán)境惡劣，安全風(fēng)險(xiǎn)高。由于需要工人進(jìn)入鉆孔內(nèi)部工作，需要下入鋼護(hù)筒護(hù)壁，然后將孔內(nèi)積水抽出。鋼護(hù)筒作為臨時(shí)支護(hù)護(hù)筒，車站開挖時(shí)還需將其拆除。因此傳統(tǒng)四導(dǎo)洞成樁工藝會(huì)造成鋼護(hù)筒的大量浪費(fèi)，安裝定位器需要進(jìn)行的前期處理工作也大大延長(zhǎng)了施工周期。

圖1 雙層八導(dǎo)洞車站橫斷面結(jié)構(gòu)圖

圖2 雙層六導(dǎo)洞車站橫斷面結(jié)構(gòu)圖

圖3 單層四導(dǎo)洞車站橫斷面結(jié)構(gòu)圖

鋼管柱的安裝精度要求較高，導(dǎo)洞內(nèi)空間狹小，吊裝及垂直度控制是施工難題。目前，大部分地鐵車站鋼管柱的吊裝采用簡(jiǎn)易門式架分節(jié)吊裝，門架橫梁上設(shè)置2個(gè)手動(dòng)葫蘆，分節(jié)起吊安裝鋼管柱。吊裝時(shí)，手動(dòng)葫蘆起吊第一節(jié)鋼管柱沿孔下放，下放至法蘭面時(shí)采用專用夾具將其在孔口固定，然后起吊第二節(jié)鋼管柱，兩節(jié)鋼管柱通過平面法蘭上的螺栓孔連接［3］。依此類推，逐節(jié)連接下放鋼管柱。此工藝鋼管柱安裝完成后的垂直度無法直觀體現(xiàn)。

3 隧道鋼管柱安裝機(jī)的應(yīng)用

3.1 隧道鋼管柱安裝機(jī)應(yīng)用工地概況

多功能隧道鋼管柱安裝機(jī)首臺(tái)樣機(jī)應(yīng)用于北京地鐵16號(hào)線萬泉河橋站。萬泉河橋站位于萬泉河路與北四環(huán)西路交叉口處萬泉河立交橋范圍內(nèi)，沿北四環(huán)西路北側(cè)輔路下敷設(shè)，下穿萬泉河主橋及萬泉河，平行于北四環(huán)西路東西向設(shè)置。萬泉河橋站全長(zhǎng)336 m，車站西端21.2 m范圍為三層雙跨框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工；其余主體結(jié)構(gòu)段均為地下二層雙跨連拱直墻結(jié)構(gòu)，采用暗挖“PBA”法（樁基）施工。中樁共計(jì)54根，采用Φ 900鋼管柱，鋼管柱下采用Φ 1800灌注樁進(jìn)行承載。

3.2 隧道鋼管柱安裝機(jī)功能介紹

針對(duì)四導(dǎo)洞成樁工藝的不足，自主研發(fā)了隧道鋼管柱安裝機(jī)（見圖4），該設(shè)備是集下放鋼筋籠、鋼管柱、澆筑混凝土，調(diào)整鋼管柱垂直度等多功能于一體的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化設(shè)備。該設(shè)備參數(shù)見表1。通過在第一節(jié)和工具節(jié)上各安裝一個(gè)高精度傾角傳感器，可以調(diào)整和監(jiān)測(cè)鋼管柱的垂直度，鋼管柱垂直度精度能夠控制在0.1°范圍之內(nèi)。

圖4 隧道鋼管柱安裝機(jī)

表1 隧道鋼管柱安裝機(jī)參數(shù)

隧道鋼管柱安裝機(jī)通過高精度傾角傳感器可以顯示鋼管柱下放后的角度變化，按下一鍵調(diào)垂按鈕后，程序自動(dòng)控制4個(gè)支腿油缸的伸縮，以此來調(diào)整設(shè)備的角度。由于鋼管柱下放后通過抱閘的抱緊與隧道鋼管柱安裝機(jī)已成為一個(gè)剛性整體，因此通過調(diào)整安裝機(jī)的角度變化，最后可以使鋼管柱的垂直度調(diào)整到設(shè)定的精度范圍內(nèi)，精度達(dá)標(biāo)后一鍵調(diào)垂程序自動(dòng)結(jié)束，4個(gè)支腿油缸停止動(dòng)作。鋼管柱垂直度調(diào)整前后對(duì)比見圖5。

圖5 鋼管柱垂直度調(diào)整前后對(duì)比

3.3 隧道鋼管柱安裝機(jī)工作示意圖

隧道鋼管柱安裝機(jī)簡(jiǎn)圖見圖6。隧道鋼管柱安裝機(jī)工作流程見圖7。

3.4 隧道鋼管柱安裝機(jī)支腿受力分析

根據(jù)隧道鋼管柱安裝機(jī)的工作狀態(tài)，其受力最

圖6 隧道鋼管柱安裝機(jī)

3.5 隧道鋼管柱安裝機(jī)的應(yīng)用

由于隧道鋼管柱安裝機(jī)的調(diào)垂機(jī)理與傳統(tǒng)鋼管柱調(diào)垂機(jī)理不同，前者是鋼管柱全部下放后統(tǒng)一調(diào)垂，后者是預(yù)先在孔內(nèi)安放定位器來控制鋼管柱的垂直度。使用隧道鋼管柱安裝機(jī)可避免人下孔作業(yè)，由此可取消為安放定位器而進(jìn)行的一系列準(zhǔn)備工作，如：下入鋼護(hù)筒、抽取孔內(nèi)積水和人工孔內(nèi)鑿除超灌水泥等。僅此一項(xiàng)就為施工方大大縮短了施工周期，工人不必進(jìn)入10余米深的孔內(nèi)作業(yè)，大大增加了工作的安全性。采用兩種方式安裝的對(duì)比見表2。

表2 鋼管柱安裝對(duì)比表

圖7 安裝機(jī)工作流程

鋼管柱垂直度調(diào)整完畢后，開始灌漿。安裝機(jī)配有主卷?yè)P(yáng)和副卷?yè)P(yáng)，主卷?yè)P(yáng)提升力較大，負(fù)責(zé)吊裝鋼管柱，副卷?yè)P(yáng)提升力較小，負(fù)責(zé)灌漿導(dǎo)管的提升。副卷?yè)P(yáng)由電機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)，從而可以完成灌漿導(dǎo)管的抖動(dòng)。大的組件為前支腿油缸，隧道鋼管柱安裝機(jī)自重、鋼管柱自重以及混凝土凝固時(shí)產(chǎn)生的向下的拉力均作用在抱閘上，進(jìn)而傳遞到2個(gè)前支腿油缸，因此支腿油缸在系統(tǒng)壓力下能夠承受的最大壓力至關(guān)重要。

隧道鋼管柱安裝機(jī)自重：17.8 t；

鋼管柱自重:10 t（以鋼管柱外徑Φ 1 000 mm，壁厚26 mm，按照鋼管柱長(zhǎng)度為16 m計(jì)算）；

前支腿油缸受力：17.8+10=27.8 t；

前支腿油缸缸徑Φ 125 mm，系統(tǒng)壓力P=28 MPa，單個(gè)支腿油缸在系統(tǒng)壓力作用下能夠承受的壓力F為：

F=PS （1）

式中：

S——單個(gè)支腿油缸的截面積。

計(jì)算得F=34 t，2個(gè)支腿油缸在系統(tǒng)壓力下所能承受的壓力為68 t。因此支腿油缸完全能夠承受安裝機(jī)自重及鋼管柱自重。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道鋼管柱安裝機(jī)的成功應(yīng)用，為新型PBA工法在全國(guó)范圍內(nèi)的推進(jìn)奠定了良好的基礎(chǔ)，目前除北京地鐵16號(hào)線以外，哈爾濱，新疆等地均已計(jì)劃采用新型PBA工法進(jìn)行地鐵站的開挖。

（2）隧道鋼管柱安裝機(jī)的初步應(yīng)用即在施工效率、成本和安全性上取得了突出的成績(jī)。隨著大中型城市對(duì)地鐵需求的日益增多，只有不斷提高地鐵施工的技術(shù)水平，設(shè)計(jì)更多高效的機(jī)械化設(shè)備，使地鐵施工逐步從人工化向機(jī)械化方向發(fā)展，才是提高地鐵建設(shè)速度的根本。

［1］ 王文濤.PBA工法地鐵車站導(dǎo)洞施工方案優(yōu)化研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2015.

［2］ 陳麗敏.PBA工法鋼管柱施工技術(shù)［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù),2012（S1）：101.

［3］ 肖昌軍.北京地鐵10號(hào)線勁松站PBA工法鋼管柱安裝施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2008（12）：238.