馮建平

摘? 要：結(jié)合烏魯木齊地鐵鋼管柱施工實(shí)踐，論述了HPE 液壓垂直插入機(jī)在地鐵蓋挖法中鋼管柱施工的施工工藝和施工要點(diǎn)，較好地解決了傳統(tǒng)人工下孔作業(yè)效率低、安全性低、施工工序復(fù)雜、成本高、誤差大等諸多問題。本文旨在總結(jié)HPE法蓋挖鋼管柱施工經(jīng)驗(yàn)，為業(yè)內(nèi)類似工程的施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：蓋挖法;HPE液壓垂直插入機(jī);鋼管柱;緩凝混凝土;施工要點(diǎn)

Abstract：Combined with the construction practice of steel pipe column in Urumqi Metro， this paper discusses the construction technology and key points of HPE hydraulic vertical insertion machine in the construction of steel pipe column in the cover-excavation method of Metro， and better solves the problems of low efficiency， low safety， complex construction process， high cost and large error of traditional manual hole-drilling operation， aiming at summarizing the HPE method. At the same time， it provides reference for similar projects in the industry.

Key word： HPE Hydraulic Vertical Insertor; Steel Pipe Column; Retarded Concrete; Key Construction Points

1 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵建設(shè)中蓋挖法施工已經(jīng)形成良好的發(fā)展趨勢，其中鋼管柱作為蓋挖法中永久性結(jié)構(gòu)支撐體系是目前最好的選擇。但地鐵施工環(huán)境條件要求苛刻，施工工期壓力大，質(zhì)量要求高，鋼管柱施工常規(guī)做法很難滿足實(shí)際情況的需要[1]。相比傳統(tǒng)人工定位鋼管柱的諸多缺點(diǎn)，HPE液壓垂直插入鋼管柱施工技術(shù)大大增加了工程質(zhì)量的控制措施，保證了鋼管柱中心定位精度、垂直度精度，解決了施工安全性低等問題。本文以烏魯木齊地鐵3號線鋼管柱施工的實(shí)例為依托，介紹了HPE液壓垂直插入鋼管柱施工的工藝流程，重點(diǎn)對施工要點(diǎn)進(jìn)行探討，希望在以后同類工程中得以推廣應(yīng)用。

2 工程簡介

烏魯木齊市軌道交通3號線一期工程主要連接沙依巴克區(qū)和新市區(qū)。3號線一期工程自倉房溝站至四工站，主要沿倉房溝路、長江路、揚(yáng)子江路、友好路、長春路、三工路敷設(shè)。一期工程全長21.2km，共設(shè)車站18座，平均站間距1246.6m，其中珠江路站、鯉魚山公園站、長春南路站及四工站蓋挖部分均采用了HPE工法插入永久鋼管柱施工技術(shù)，本文主要從四工站講述蓋挖法中HPE液壓垂直插入機(jī)插入鋼管柱的應(yīng)用。

2.1 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件（概況）

根據(jù)勘察報告得知，四工站建設(shè)場地位于工程地質(zhì)Ⅲ區(qū)，為沖洪積平原地貌，場地地層巖性復(fù)雜多樣，表層主要為第四系松散沉積物，下伏侏羅系（J）的砂巖、泥巖和礫巖。地層自上而下為：①-2卵石素填土、④-10卵石、⑤-10卵石（典型的工程地質(zhì)剖面圖如圖1），從野外鉆探、現(xiàn)場調(diào)查來看，卵石層一般粒徑20-80mm，含漂石，最大粒徑不小于200mm，樁基最大埋深27.6m，樁底持力層為⑤-10卵石層?？辈炱陂g勘探深度50m內(nèi)未見地下水，可不考慮地下水對工程的影響。

2.2 工程概況

車站范圍內(nèi)設(shè)置兩塊蓋挖頂板，分別為22.2×23.6m、20.9×23.6m。每塊蓋挖頂板支撐柱采用6根Φ700mm（t=20mm）鋼管柱結(jié)構(gòu)，柱內(nèi)灌注C50膨脹混凝土，柱下設(shè)Φ1800mm混凝土灌注樁基礎(chǔ)，采用旋挖鉆成孔。鋼管柱與頂板、中板和底板相接位置設(shè)置環(huán)形鋼牛腿;鋼管柱樁基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級車站底板3.45m以下C30混凝土臨時樁基，底板以下3.45m內(nèi)C45 P10高性能混凝土，鋼管柱錨入樁基1.95m。本工程處于市區(qū)主要交通干道下方，具有工期緊、任務(wù)重的特點(diǎn)，采用蓋挖順做法施工。

2.3 HPE液壓垂直插入機(jī)工作原理

HPE液壓垂直插入機(jī)根據(jù)二點(diǎn)定位的原理，通過HPE液壓垂直插入機(jī)機(jī)身上的兩個液壓垂直插入裝置，在樁基混凝土澆筑后、混凝土初凝前將底端封閉的永久性鋼管柱垂直插入支承樁混凝土中，直到插入至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

首先將鋼管柱垂直吊起到液壓插入機(jī)上，由液壓插入機(jī)將鋼管柱抱緊，同時復(fù)測鋼管柱的垂直度。然后由上下兩個液壓垂直插入裝置同時驅(qū)動，通過其向下壓力將鋼管柱垂直向下插入，液壓定位器將鋼管柱抱緊后，按照從下到上的順序依次松開液壓定位器，再由兩個液壓垂直插入裝置同時將鋼管柱向下插入，重復(fù)上述步驟[2]，直至插入到設(shè)計(jì)深度要求。

3 施工工藝

3.1 工藝流程

樁基成孔（安裝鋼護(hù)筒長度至鋼管柱頂）→基礎(chǔ)樁基緩凝混凝土澆筑→HPE液壓垂直插入機(jī)就位對中→調(diào)整HPE垂直插入機(jī)水平度→吊裝鋼管柱（含工具柱）→鋼管柱對中→HPE液壓插入機(jī)垂直插入鋼管柱→重力平衡→鋼管柱孔口固定→鋼管柱四周回填砂碎石→拆除工具柱→HPE液壓垂直插入機(jī)移位→下放鋼管柱內(nèi)鋼筋籠并澆筑混凝土→回填孔口拔除鋼護(hù)筒。

3.2 HPE機(jī)就位對中

基礎(chǔ)樁基緩凝混凝土灌注完成后，重新放樣出樁位中心，在護(hù)筒上用十字線進(jìn)行標(biāo)記。復(fù)核樁位后，將HPE液壓插入機(jī)械的定位器中心與基礎(chǔ)樁樁位中心放在同一垂直線上，然后吊裝HPE垂直插入機(jī)就位，HPE液壓插入機(jī)根據(jù)定位器就位對中，就位對中后，可手動或自動調(diào)整HPE液壓插入機(jī)的水平度，保證垂直度及水平度，并重新復(fù)核中心位置，固定HPE插入機(jī)，滿足要求后即可吊裝永久性鋼管柱入孔。

3.3 HPE機(jī)插入永久性鋼管柱

永久性鋼管柱柱頂標(biāo)高一般在覆土以下，而HPE液壓垂直插入機(jī)在原地面上工作，故需利用一個同直徑、同軸線的工具柱連接至永久鋼管柱上，利用工具柱將永久性鋼管柱插入至樁基混凝土之中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

完成機(jī)械定位后，永久鋼管柱吊放至HPE垂直插入機(jī)內(nèi)，下入孔內(nèi)至第二道法蘭后，由HPE垂直插入機(jī)抱緊鋼管柱，并復(fù)測鋼管柱垂直度，滿足要求后在第二道法蘭上方安裝一個垂直傳感器，并設(shè)置吊環(huán)便于回收使用;剛開始下放鋼管柱時，由于鋼管柱的自重，鋼管柱能自由下入孔內(nèi)一定深度，當(dāng)浮力大于鋼管柱重量后，由HPE垂直插入機(jī)將鋼管抱緊，由液壓插入裝置的液壓下壓力將鋼管柱下壓插入孔內(nèi)，當(dāng)插至混凝土頂面后，重新復(fù)測鋼管垂直度，此時可根據(jù)鋼管柱下部安裝的傳感器反映到垂直儀上的信號來確定鋼管柱的垂直度，滿足垂直度要求后繼續(xù)下壓插入至混凝土中;如不滿足要求可調(diào)整HPE垂直插入機(jī)的水平度直至鋼管柱垂直度滿足要求。

3.4 鋼管柱四周回填碎石

HPE液壓垂直機(jī)完成插入鋼管柱后，即可在鋼管柱四周開始回填砂礫土，為保證回填的密實(shí)度，砂礫土的粒徑不得大于25mm，回填時注意四周對撐回填，以免干擾鋼管柱，注意回填至接近鋼管柱頂部時，要預(yù)留人工拆除工具柱的操作空間，回填鋼管柱頂標(biāo)高下60cm為宜，上部等工具柱拆除后回填。

3.5 鋼管柱內(nèi)灌注混凝土

當(dāng)鋼管柱四周完成砂礫土密實(shí)回填、樁基達(dá)到強(qiáng)度后，鋼管柱在四周砂礫土作用下，即可拆除上部工具柱，割除鋼管柱與工具柱連接部位，拆除送柱工具柱后由吊車將HPE液壓垂直插入機(jī)移位，移位前應(yīng)進(jìn)行重力平衡，以免鋼管樁上浮。并回填密實(shí)柱頂60cm砂礫土。之后，可進(jìn)行鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土，根據(jù)鋼管形式及長度，采用高拋澆筑法進(jìn)行澆筑。高拋?zhàn)悦軐?shí)法是通過一定的拋落高度，充分利用混凝土墜落時的動能及混凝土自身優(yōu)異性能，達(dá)到密實(shí)效果[3]?；炷敛捎肅60高強(qiáng)度自密實(shí)微膨脹混凝土，高拋免振搗混凝土的膠凝材料用量不宜低于380kg /m?，并不宜超過 600kg/m?[4]。鋼管內(nèi)混凝土必須在混凝土初凝前澆筑完畢，包括混凝土運(yùn)輸、澆筑、間歇的全部時間[5]。鋼管柱內(nèi)的混凝土達(dá)到初凝后，回填碎石或易密實(shí)的砂土至孔口，拔除鋼護(hù)筒，壓實(shí)鋼護(hù)筒拔出后松散土壤。

4 施工要點(diǎn)

4.1 樁基緩凝混凝土

考慮HPE液壓垂直插入機(jī)插入鋼管時需要一定工作時間，為創(chuàng)造鋼管能準(zhǔn)確順利錨入樁基設(shè)計(jì)標(biāo)高，樁基的混凝土要有一定緩凝時間，如緩凝時間過短，則會對后續(xù)的鋼管柱正常插入帶來困難;緩凝時間過長，則會影響鋼管柱插入后的穩(wěn)定[6]?；炷聊Y(jié)時間主要影響因素有水泥的凝結(jié)時間、緩凝外加劑摻量和外界的溫度等，拌和混凝土前需通過配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，配置出滿足施工要求的緩凝混凝土。根據(jù)本工程施工實(shí)踐，總結(jié)最小最大混凝土緩凝時間公式如下：

本工程中，混凝土運(yùn)輸時間按1小時計(jì)算，混凝土澆筑時間按2小時計(jì)算，HPE機(jī)安裝調(diào)整時間按4小時計(jì)算，鋼管柱安裝調(diào)整時間按6小時計(jì)算，合計(jì)時間約13小時，考慮其他原因，預(yù)留變動時間8小時，Hmin=21小時。鋼管柱安裝就位后，回填鋼管柱外砂礫土7小時，之后間隔12小時開始轉(zhuǎn)移HPE，Hmax=40小時。緩凝混凝土緩凝時間范圍宜控制在21～40小時之間。

4.2 鋼管柱制作安裝

鋼管柱所用鋼材采用Q345B，材質(zhì)應(yīng)符合國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，鋼管下料應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及工藝要求預(yù)留制作時的焊接收縮量和切割端銑等交工余量，焊接質(zhì)量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)焊縫質(zhì)量等級，焊接強(qiáng)度不應(yīng)低于管材強(qiáng)度。鋼管構(gòu)件進(jìn)場抽查尺寸允許偏差：見表1

鋼管柱安裝前應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行焊縫內(nèi)部檢查，且應(yīng)滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求的焊縫質(zhì)量等級。在安裝鋼管柱時，應(yīng)滿足下表允許偏差：見表2

需在原有鋼管柱設(shè)計(jì)圖紙上增設(shè)封頭，封頭位于鋼管柱底端，主要作用有：錐臺形封頭更利于克服緩凝混凝土浮力，錨入樁基至設(shè)計(jì)標(biāo)高;封頭可有效防止緩凝混凝土進(jìn)入鋼管柱內(nèi)。

本工程蓋挖頂板距原地面5～6m，鋼管柱柱頂標(biāo)高距原地面有一定高度，HPE垂直液壓插入機(jī)無法將鋼管柱直接送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，故需在原有設(shè)計(jì)鋼管柱上加長一節(jié)適宜長度的工具柱，輔助HPE機(jī)將鋼管柱送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，工具柱長度不小于HPE垂直液壓機(jī)的高度+鋼管柱頂至地面高度+2米，同時為保證鋼管柱安裝的垂直精度，工具柱加工材質(zhì)、質(zhì)量和直徑要求同鋼管柱。為準(zhǔn)確把工具柱安裝至鋼管柱上，需在每個鋼管柱上增設(shè)一個柱帽，柱帽高度500mm，柱帽外徑尺寸應(yīng)以恰好鑲嵌于工具柱內(nèi)徑為宜，以便保證工具柱與鋼管柱同軸。

4.3 鋼管柱防腐措施

鋼管混凝土柱防腐設(shè)計(jì)使用年限100年。鋼管防銹和防腐采用的涂料、鋼管及其附件表面的除銹等級、防腐蝕對鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，應(yīng)符合《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50046-2008）和《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB/T8923.1-2011）的規(guī)定。因?yàn)楸竟こ讨袖摴苤鶠樯w挖鋼管柱，故在安裝前就應(yīng)做好鋼管柱防腐工作，防止基坑開挖前基坑土及滲水對鋼管外壁造成腐蝕。鋼管柱及其附件均為特殊重要且維修困難的結(jié)構(gòu)，鋼管的除銹等級不得低于ST3或Sa2 。高強(qiáng)螺栓構(gòu)件連接處的接觸面的除銹等級，不低于Sa2?，并宜涂無機(jī)富鋅涂料;連接處的縫隙，應(yīng)嵌刮耐腐蝕密封膏[7]。螺栓螺母等應(yīng)采用熱鍍浸鋅防護(hù)，安裝后再采用與主體結(jié)構(gòu)相同的防腐蝕措施。防腐蝕涂料可選用環(huán)氧類涂料，涂層厚度不小于200μm。同時，鋼管及其附件尚須滿足防火等級要求。防火等級為一級，涂層厚度，根據(jù)所選材料確定。

5 結(jié)語

HPE 液壓插入鋼管柱是一項(xiàng)相對較新的施工技術(shù)，較傳統(tǒng)人工安裝定位器技術(shù)具有高安全、高效率、高精度、低能耗等特點(diǎn)，在烏市地鐵3號線工程運(yùn)用中得到了充分的驗(yàn)證，截止目前，3號線已完成了珠江路站、長春南路站及四工站鋼管樁的施工，鯉魚山公園站也完成了部分樁，經(jīng)檢驗(yàn)，遠(yuǎn)超了預(yù)期效果。隨著城市軌道交通工程的不斷發(fā)展，蓋挖法已被普遍采用，HPE工法插入鋼管柱以獨(dú)具的優(yōu)越性，在蓋挖法中得到了廣泛的推廣，具有非常廣闊的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。

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