夏 源

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，對(duì)以大型公共建筑及地下交通樞紐為主要載體的城市地下空間的開發(fā)提出了更加迫切的需求，蓋挖逆作法作為城市地下空間施工的重要工法之一受到廣泛推崇[1-5]。

蓋挖逆作法比傳統(tǒng)的施工方法技術(shù)要求高、施工難度大。其中，豎向支撐鋼管混凝土柱作為承受上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載的支撐，具有占地面積小、節(jié)約工期等特點(diǎn)[6-8]，同時(shí)，鋼管混凝土柱的調(diào)垂問題也成為決定逆作法施工成敗的關(guān)鍵因素[9-10]。以北京城市副中心站綜合交通樞紐工程項(xiàng)目為背景，介紹蓋挖逆作法中永久鋼管混凝土立柱的高精度調(diào)垂技術(shù)。

1 工程概況

北京城市副中心站車場(chǎng)是京唐線、京秦線和城際聯(lián)三條線路的綜合換乘車站。本站房共地下3層，其中地下2層、地下3層采用蓋挖逆作法施工，基坑開挖深度31.15m，基坑剖面如圖1所示。

圖1 基坑剖面

2 施工難點(diǎn)分析

2.1 工程體量大、鋼管柱型號(hào)多

本工程施工范圍內(nèi)鋼管柱共計(jì)266根。鋼管柱規(guī)格分別為直徑1 000～1 400mm、厚度40～60mm、鋼管柱凈長21.4～30.9m。

2.2 施工精度要求高

本工程鋼管柱下插逆作樁，形成“一樁一柱”結(jié)構(gòu)，作為蓋挖逆作法施工中代替工程結(jié)構(gòu)柱的一種結(jié)構(gòu)桿件，對(duì)已完成的主體結(jié)構(gòu)、施工荷載起到支撐作用。

鋼管柱定位軸線允許偏差不應(yīng)大于1.0mm，柱頂標(biāo)高偏差不應(yīng)大于2.0mm，鋼管柱安裝垂直精度1/800(非正線區(qū)域)、1/1 000(臨近正線區(qū)域)，單節(jié)柱的垂直度不應(yīng)大于10.0mm。

2.3 地質(zhì)條件差

該工程鋼管柱施工區(qū)域地質(zhì)除黏土層外，還含有細(xì)砂層、中砂層。該土層位于12.150～-9.150m，厚約21.3m，易產(chǎn)生流砂、坍塌等現(xiàn)象，在旋挖成孔過程中易造成坍孔，成為影響鋼管柱插入和高精度調(diào)垂效果的重要因素。

3 施工工藝

3.1 工藝流程

鋼管柱施工工藝流程：逆作樁混凝土澆筑完成→設(shè)備就位對(duì)中→調(diào)整設(shè)備水平度→吊裝鋼管柱→插入鋼管柱→鋼管柱四周回填砂石→拆除工具柱→澆筑鋼管柱內(nèi)混凝土→拔除鋼護(hù)筒→回填柱頂至地面。

3.2 垂直度控制要點(diǎn)

3.2.1施工基礎(chǔ)平臺(tái)

施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體硬化，施工基礎(chǔ)平臺(tái)在使用全站儀進(jìn)行樁心定位后預(yù)留鋼護(hù)筒埋設(shè)孔，鋼護(hù)筒埋設(shè)孔范圍外澆筑20cm厚的C30混凝土，并布置φ14的單層鋼筋網(wǎng)片。

3.2.2成孔垂直度控制

“一柱一樁”成孔的垂直度是影響鋼管柱調(diào)垂的關(guān)鍵因素，其垂直度須小于1/600。針對(duì)該工程地質(zhì)條件和鉆孔深度，選用較為平穩(wěn)且扭矩大的鉆進(jìn)成孔設(shè)備。成孔前進(jìn)行樁心定位，鉆機(jī)就位后利用鉆機(jī)自身的垂直儀調(diào)整鉆桿的垂直度后，再用全站儀復(fù)測(cè)鉆桿垂直度，保證鉆機(jī)鉆桿的垂直。樁位定位后拉引樁十字線，將鉆桿中心與樁位十字線中心對(duì)齊，偏差≤20mm。護(hù)壁泥漿相對(duì)密度<1.2，黏度<28s，含砂量<6%。成孔后對(duì)成孔垂直度進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，避免因成孔質(zhì)量差影響后續(xù)樁柱的垂直度。

3.2.3鋼管柱節(jié)段連接

鋼管柱在工廠分節(jié)加工，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整根拼接，為確保上下節(jié)段鋼管對(duì)接后的垂直度，鋼管柱加工過程中嚴(yán)格控制鋼管截面的橢圓度(±D/500mm，D為管外徑)、管端面管軸線垂直度(≤3.0mm)、軸線偏差值(≤1.5mm)、對(duì)口錯(cuò)邊(≤3.0mm)，節(jié)段連接采用單面坡口一級(jí)焊縫焊接。為將鋼管柱順利送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼管柱頂端配置工具柱，工具柱和鋼管柱的直徑、壁厚一致，工具柱和鋼管柱采用在其管內(nèi)焊接內(nèi)襯鋼管將二者連接。內(nèi)襯管統(tǒng)一壁厚40mm，長400mm，插入鋼管柱及工具柱150mm，中間外露100mm，內(nèi)襯管直徑=對(duì)應(yīng)鋼管柱直徑-鋼管柱壁厚×2-20mm，鋼管柱出廠前將內(nèi)襯鋼管焊接在鋼管柱上。

3.2.4鋼管柱插入

鋼管柱在下插時(shí)利用設(shè)備的主副夾緊裝置，逐步將鋼管柱送至設(shè)計(jì)標(biāo)高，主要原理如下。

1)在調(diào)整精平的插管機(jī)上吊放鋼管柱，鉆機(jī)主副夾同時(shí)夾緊鋼管柱。

2)松開副夾，機(jī)器上平臺(tái)抱住鋼管柱下壓一個(gè)行程。

3)用機(jī)器下平臺(tái)夾緊裝置夾緊鋼管柱，松開主夾，上平臺(tái)上升，往復(fù)第1個(gè)工作流程一直將鋼管柱壓入至設(shè)計(jì)標(biāo)高(見圖2)。

圖2 設(shè)備插入鋼管柱過程

3.3 鋼管柱垂直度監(jiān)測(cè)

為保證鋼管柱1/1 000的垂直度，施工中采用“勤監(jiān)測(cè)、精調(diào)垂、內(nèi)外同步”的施工方法，以達(dá)到精細(xì)控制施工誤差的目的。

“內(nèi)”指的是運(yùn)用傳感測(cè)垂技術(shù)，在工具柱頂端外側(cè)180°布設(shè)2個(gè)測(cè)斜儀，在下放鋼管柱的過程中監(jiān)測(cè)鋼管柱的偏移情況，測(cè)斜儀傳感器將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后確定鋼管柱的垂直度，經(jīng)數(shù)據(jù)分析當(dāng)垂直度不滿足要求時(shí)(偏斜0.07°為預(yù)警值，0.09°為報(bào)警值)，驅(qū)動(dòng)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，滿足要求后繼續(xù)下插直至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

“外”指的是在鋼管柱以外架設(shè)全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為樁中心和垂直度，共計(jì)5次。第1次在插管機(jī)就位前，對(duì)孔位中心復(fù)核定位，確定插管機(jī)平臺(tái)底座中心。第2次在平臺(tái)底座就位后，采用全站儀對(duì)平臺(tái)中心進(jìn)行定位，同時(shí)用高精度水平儀進(jìn)行精度檢查，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整，為保證平臺(tái)的垂直，除觀測(cè)平臺(tái)上的水準(zhǔn)泡外，還應(yīng)配備激光找平儀，確保平臺(tái)的水平，進(jìn)而保證鋼管柱的垂直下放。第3次在鋼管柱吊放至插管機(jī)后，采用2臺(tái)全站儀呈90°雙向測(cè)量，調(diào)整至絕對(duì)垂直狀態(tài)，該數(shù)據(jù)作為初始垂直度，此時(shí)工具柱頂?shù)臏y(cè)斜儀傳感器數(shù)據(jù)開始?xì)w零。第4次在鋼管柱下插的每個(gè)行程均進(jìn)行垂直度監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。第5次為鋼管柱下插至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，灌填碎石之前最后一次復(fù)核調(diào)整垂直度。

以垂直度最大偏差的鋼管柱作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)象，可以推導(dǎo)出最不利情況下的擬合方程用來預(yù)測(cè)單根鋼管柱安裝完成后的最劣偏差值。偏差值最大的鋼管柱每個(gè)下插行程完成后的偏差曲線如圖3所示。

圖3 最大偏差鋼管柱的偏差曲線

對(duì)圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方程擬合得到一元四次回歸方程，回歸方程的R2=0.891 3。

y=0.000 6x4-0.034 7x3+

0.690 1x2-6.144 3x+30.901

(1)

后續(xù)鋼管柱施工中，相應(yīng)的保證各施工條件不變，可使對(duì)應(yīng)深度的鋼管柱偏差值均小于上述方程的計(jì)算結(jié)果。

3.4 鋼管柱下插速度分析

鋼管柱下插行程分為入樁前長度和入樁長度兩個(gè)階段，鋼管柱入樁前長度范圍內(nèi)經(jīng)過⑤，⑥1，⑥ 3個(gè)地層，涵蓋細(xì)砂層、中砂層、粉質(zhì)黏土層、重粉質(zhì)黏土層。入樁長度在水下C35、坍落度(200±20)mm的混凝土內(nèi)進(jìn)行下插，如圖4所示。

圖4 下插鋼管柱地層分布

鋼管柱下插需滿足如下條件：

G重=(G柱+G外)>F浮+F阻=(ρvg+0.5ρv2ACd)

(2)

式中：G柱為鋼管柱自重；G外為施加的壓力；ρ為介質(zhì)密度；v為逆作樁體積；g為重力加速度；v為鋼管柱下插速度；A為鋼管柱垂直投影面積；Cd為介質(zhì)阻力系數(shù)[11]。

G重需大于鋼管柱所處介質(zhì)產(chǎn)生的浮力和阻力才可將鋼管柱逐步插入設(shè)計(jì)標(biāo)高。當(dāng)G重=F浮+F阻時(shí)，作為臨界狀態(tài)時(shí)鋼管柱的下插速度為：

v=((G柱+G外-ρvg)/(0.5ρACd))1/2

(3)

由上式可以看出在其他條件不變的情況下，影響鋼管柱下插速度的主要因素包括鋼管柱所處的介質(zhì)密度、鋼管柱垂直投影面積、鋼管柱所處介質(zhì)阻力系數(shù)以及鋼管所被施加的壓力。

通過大量的施工前數(shù)據(jù)調(diào)試，確定鋼管柱的下插速度：采用不同配合比泥漿進(jìn)行護(hù)壁成孔的粉質(zhì)黏土層、重粉質(zhì)黏土層的下插速度為83mm/s，細(xì)砂層和中砂層的下插速度為68mm/s，水下C35混凝土內(nèi)的下插速度為50mm/s。

4 已完成鋼管柱精度統(tǒng)計(jì)

鋼管柱已完成施工50根，臨近鐵路正線區(qū)域完成15根、非正線區(qū)域35根。已完工鋼管柱垂直度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 鋼管柱垂直度統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，鐵路正線區(qū)域的鋼管柱x,y兩個(gè)方向的垂直度偏差均≤1/1 000；鐵路非正線區(qū)域的鋼管柱x,y兩個(gè)方向的垂直度偏差均≤1/800。

對(duì)已完工鋼管柱垂直度偏差值進(jìn)行回歸方程的擬合可以為后續(xù)同條件下施工時(shí)，鋼管柱x,y方向的偏差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖5所示，x,y方向偏差值的回歸方程為：

yx向=0.001 7x6-0.039 4x5+0.340 8x4-

1.433 1x3+3.117 6x2-3.044 1x+4

(4)

yy向=0.009 2x6-0.248 1x5+2.605 3x4-

13.456x3+35.336x2-43.408x+23

(5)

圖5 不同柱長的偏差值擬合方程

回歸方程的判定系數(shù)均>0.5，分別為x向偏差R2=0.661 5，y向偏差R2=0.885 4，說明曲線擬合良好，回歸方程可靠，能為后續(xù)不同長度鋼管柱施工的垂直度預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

5 結(jié)語

結(jié)合北京城市副中心站綜合交通樞紐項(xiàng)目，對(duì)鋼管混凝土柱施工過程中高精度垂直度的控制要點(diǎn)總結(jié)如下。

1)根據(jù)地質(zhì)條件、鉆孔深度進(jìn)行施工設(shè)備的確定，選用較為平穩(wěn)且扭矩大的鉆進(jìn)成孔設(shè)備。

2)進(jìn)行施工平臺(tái)水平度、成孔垂直度的控制，可以為后續(xù)鋼管柱施工時(shí)的垂直度控制提供保障。

3)根據(jù)鋼管柱所處介質(zhì)的不同調(diào)整下插速度，粉質(zhì)黏土層、重粉質(zhì)黏土層的下插速度為83mm/s，細(xì)砂層和中砂層的下插速度為68mm/s，水下C35混凝土內(nèi)的下插速度為50mm/s。

4)采用“勤監(jiān)測(cè)、精調(diào)垂、內(nèi)外同步”的施工方案，可滿足鋼管柱安裝垂直度偏差≤1/1 000的要求。