高國強(qiáng)，李震錕

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

佛山市某地鐵車站位于文華中路及綠景路交叉路口處，沿文華中路南北向敷設(shè)。車站緊鄰小區(qū)、辦公、酒店等高層建筑，并且車站范圍有雨水、污水、燃?xì)?、給水、電力、電信等管線，地下地上建筑物及地下管線對(duì)變形敏感，對(duì)施工過程變形控制要求高。

車站為地下兩層11 m 島式車站，全長197.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為19.7 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為16.42～16.73 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐支護(hù)方案。

由于工程項(xiàng)目位于文華中路與綠景路交叉路口處，沿文華中路南北走向布置。路口車流量大，為減少對(duì)車輛通行的影響，交管部門要求車站施工圍擋需保證車道“占一還一”。正常全明挖法圍擋需占用原文華中路、綠景路整個(gè)路面車輛不可通行。為保證施工圍擋期間原車道數(shù)量，最大程度縮短工期，車站采用明挖法+局部蓋挖法［1］施工。

臨時(shí)蓋板平面尺寸為30.0 m×19.7 m，厚度為400 mm。蓋板原支撐體系為800 mm 厚地下連續(xù)墻+600 mm×600 mm 角鋼格構(gòu)柱，格構(gòu)柱間距4.6 m，格構(gòu)樁柱長24 m，其中灌注樁長6 m，樁徑1.2 m。第一、二道支撐間距為7.5 m，第二、三道支撐間距為5.7 m。

2 鋼管立柱樁設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)通過位于矩形立柱4個(gè)直角位的鋼管立桿以及連接在立桿間的綴板和檁條固定連接形成（見圖1），利用底層巖面高以及強(qiáng)度大的條件，可方便該立柱［2］結(jié)構(gòu)在施工過程中，將各立桿固定后再從上至下開挖土方施工并進(jìn)行綴板和檁條的安裝。

圖1 鋼管格構(gòu)樁柱支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Steel Pipe Lattice Pile Support Structure Diagram

2.1 鋼管格構(gòu)立柱樁替代角鋼格構(gòu)立柱樁受力分析

采用等量代換原則，不考慮立柱樁周圍土體、長細(xì)比及偏心率的影響，按軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行受力［3］計(jì)算。

⑴鋼管格構(gòu)柱截面的力學(xué)特征（見圖2）

圖2 鋼管格構(gòu)柱截面示意圖Fig.2 Steel Lattice Column Section Diagram （mm）

選用鋼管d×t=152 mm×10 mm

鋼管格構(gòu)柱的截面尺寸為600 mm×600 mm

綴板選用500 mm×250 mm×10 mm@700 mm。

格構(gòu)柱的x-x軸截面總慣性矩：

⑵格構(gòu)柱的長細(xì)比計(jì)算

從受力上看，采用鋼管立柱樁替代角鋼格構(gòu)立柱樁是可行的。

2.2 立柱樁傾斜對(duì)結(jié)構(gòu)影響的分析

在進(jìn)行蓋挖法施工時(shí)，若施工不當(dāng)有可能會(huì)使立柱樁產(chǎn)生傾斜情況，進(jìn)而降低立柱樁的承載力，將會(huì)對(duì)蓋板的承載力和穩(wěn)定性造成不利的影響［4］?；谶@一點(diǎn)，本文擬用理論公式推導(dǎo)的方法，分析立柱樁傾斜對(duì)立柱樁臨界承載力［5］的影響。

2.2.1 基本假設(shè)

⑴格構(gòu)柱的立桿及綴板，如同桁架桿件一樣，只承受軸向壓力或軸向拉力。

⑵立柱樁由于施工不當(dāng)發(fā)生傾斜，且傾斜角θ，將立柱樁的上端視為鉸接，下端視為剛接，并且不考慮立柱樁周圍土體、長細(xì)比及偏心率的影響，立柱樁受力計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 立柱樁傾斜受力模型Fig.3 Pillar Pile Tilt Stress Model

2.2.2 立柱樁的臨界承載力計(jì)算公式

當(dāng)荷載達(dá)到臨界值時(shí)，平衡形式將發(fā)生質(zhì)變。設(shè)立柱樁已處于新的如同所示的曲線平衡形式。取圖示坐標(biāo)系，則任一截面上的彎矩如圖4所示。

圖4 函數(shù)圖形Fig.4 Function Graph

采用圖解法，以nl作為自變量，繪出y1=nl和y2=tannl的函數(shù)圖形，可得y1和y2的第一個(gè)交點(diǎn)的橫坐標(biāo)nl=4.493即為穩(wěn)定方式的最小根。由此立柱樁的臨界承載力為：

由此可知，立柱樁的臨界承載力與立柱樁的傾斜角成正比，當(dāng)立柱樁傾斜角θ=0 時(shí)，立柱樁的最大臨界承載力為；隨著立柱樁的傾斜角增大，立柱樁的臨界承載力逐漸減低；當(dāng)立柱樁出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜時(shí)，立柱樁的破壞形態(tài)出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞。

3 鋼管格構(gòu)立柱樁施工技術(shù)

3.1 鋼管立柱樁成孔施工技術(shù)

3.1.1 設(shè)備選型

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)樁徑、樁長及地質(zhì)情況等條件選用。本項(xiàng)目選用MDL-150D履帶式深基坑鉆機(jī)進(jìn)行跟管成孔作業(yè)，使用φ180×10 mm鋼套管護(hù)壁；入巖時(shí)更換新金剛ND65A型鑿巖鉆頭進(jìn)行巖層鉆進(jìn)，配備英格索蘭XHP750型空壓機(jī)，風(fēng)量為15 m3/min。

3.1.2 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

鉆進(jìn)參數(shù)主要包括風(fēng)量、風(fēng)壓、鉆壓及轉(zhuǎn)數(shù)等，應(yīng)根據(jù)以下原則進(jìn)行確定：

⑴風(fēng)量：根據(jù)鉆桿與套管內(nèi)壁之間的環(huán)狀間隙面積及排渣最低上返風(fēng)速確定。

⑵ 風(fēng)壓：本項(xiàng)目所需風(fēng)壓控制在1.2～2.4 MPa。英格索蘭XHP750 型空氣壓縮機(jī)的壓力范圍為0.9～2.59 MPa之間，能滿足施工要求。

⑶鉆壓：鉆進(jìn)過程中，鉆壓保持平穩(wěn)，不得隨意增減壓力；破碎巖石中則需降低鉆壓；完整基巖中采用高壓力。

⑷轉(zhuǎn)數(shù)：正常鉆進(jìn)中，保持中等轉(zhuǎn)數(shù)。松散土層及破碎巖石中采用低轉(zhuǎn)數(shù)，完整基巖中鉆進(jìn)中適當(dāng)提高轉(zhuǎn)數(shù)。

3.1.3 操作要點(diǎn)

⑴由測量人員使用全站儀等測量設(shè)備根據(jù)施工圖紙定出樁位，放置并調(diào)整簡易套管定位裝置，確保套管裝置中心位置與樁中心位置一致。套管定位裝置采用φ20 鋼筋焊接而成，俯視呈正方形，邊長大于套管直徑約20 mm。

⑵鉆機(jī)就位并安置在堅(jiān)固的地面或鐵板上，以保證鉆孔過程中樁機(jī)的穩(wěn)定。

⑶鉆孔施工：首先吊裝套管并放入定位裝置中，并用鉆機(jī)上的夾具固定，套管底端離地面約30 cm，以便鉆孔時(shí)跟管鉆具的擴(kuò)孔鉆頭能夠張開進(jìn)行鉆孔。然后將跟管鉆具系統(tǒng)吊入套管內(nèi)，調(diào)整樁機(jī)鉆桿中心對(duì)準(zhǔn)樁孔中心位置，用帶強(qiáng)磁和激光的角度測量儀靠在鉆桿上，定位好鉆桿垂直度。

⑷鉆孔時(shí)，先開動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力頭，潛孔錘隨鉆機(jī)鉆桿同步旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆頭張開，然后開動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行沖擊鉆孔，開孔時(shí)要采取慢速?zèng)_擊防止偏孔。

⑸在鉆孔過程中要根據(jù)地質(zhì)情況隨時(shí)調(diào)整機(jī)械及設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，并在每鉆進(jìn)2 m 就檢查一次鉆桿和套管的垂直度，確保不超出《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120—2012》規(guī)定立柱的垂直度允許偏差應(yīng)為1/300的要求。

⑹鉆進(jìn)過程中通過不斷向孔內(nèi)注入清水以穩(wěn)定孔內(nèi)壓力并作為排渣的介質(zhì)；同時(shí)對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻；當(dāng)已鉆至基巖面時(shí)應(yīng)繼續(xù)向下鉆進(jìn)，使套管底端嵌入基巖約0.5 m，以避免清孔時(shí)高壓空氣沖刷土層及巖層交界面上的土塊致使其塌落進(jìn)入孔內(nèi)。然后更換鑿巖鉆頭進(jìn)行巖層鉆孔。

⑺待鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)要求的嵌巖深度后，收集巖樣留存。隨后利用空壓機(jī)進(jìn)行清孔并同步將清水注入套管內(nèi)，維持套管內(nèi)水位高于地下水位約1 m 以穩(wěn)定樁孔內(nèi)外壓力，防止套管上浮。清孔時(shí)間不應(yīng)少于15 min，完成后將鉆孔設(shè)備提出孔外，鉆機(jī)移位進(jìn)行下一個(gè)樁孔的施工。

3.2 鋼管定位與安裝

3.2.1 定位裝置設(shè)計(jì)

立柱樁是半蓋挖車站支承蓋板結(jié)構(gòu)和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要受力體系，也是本工程在施工過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其位置的準(zhǔn)確性及垂直度直接影響到整個(gè)蓋板結(jié)構(gòu)的受力狀況，因此，立柱樁施工必須定位［6］準(zhǔn)確，其垂直度偏差不允許超出設(shè)計(jì)規(guī)定范圍。

為保證立柱樁安裝定位精度，防止定位產(chǎn)生位移偏差，本工程專為鋼管立柱樁的施工設(shè)計(jì)了一套鋼管立柱樁定位裝置。該裝置由支撐底座、放置板、用于夾緊不同直徑鋼管的夾緊組件等組成（見圖5）。在支撐底座四角處有4個(gè)螺桿用來調(diào)整支撐底座的表面平整度，在支撐底板中部有2 個(gè)螺栓用來調(diào)整鋼管柱的水平位置，在放置板上有夾緊組件用于鋼管立柱緊固。

圖5 鋼管立柱樁定位裝置Fig.5 Steel Tube Column Pile Positioning Device

3.2.2 鋼管安裝就位

⑴樁位成孔后，拆除簡易套管定位裝置，清除樁孔周邊泥漿、土等雜物。測量員采用全站儀等測量儀器，通過在套管上拉十字線的方法確定立柱樁中心的位置［7］。

⑵使用汽車吊（或挖掘機(jī)）起吊鋼管（見圖6），在鋼管頂部使用鋼筋焊接兩個(gè)吊，起吊時(shí)，汽車吊吊鉤和鋼管吊點(diǎn)使用鋼絲繩及卡環(huán)連接，慢慢起吊，待鋼管吊離地面后慢慢橫移到孔位安放，并在孔口位置將鋼管接長至所需長度。

圖6 格構(gòu)立柱樁鋼管吊裝Fig.6 Lattice Column Pile Pipe Assembly

⑶按照已測放好的定位點(diǎn)，在孔口位置安裝立柱樁定位裝置，定位裝置中心與樁孔中心對(duì)齊后將定位裝置立桿打入地面，確保定位裝置固定牢靠。

⑷鋼管插入孔底后，先調(diào)整放置板上夾緊組件使鋼管夾緊，然后通過支撐底座中部2 個(gè)螺栓來調(diào)整鋼管水平位置，使鋼管固定及其水平位置符合《地下鐵道工程施工標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51310—2018》要求，同時(shí)測量組及時(shí)對(duì)格構(gòu)立柱樁鋼管的垂直度進(jìn)行校核。

⑸鋼管就位后，在鋼管內(nèi)的空腔中插入注漿管，樁底以上2 m 鋼管內(nèi)外采取全高注漿以增加其剛度；以外部分鋼管與鋼套管之間空隙采用回填細(xì)沙或石粉填充空隙使鋼管固定，鋼管內(nèi)不填充任何材料。鋼管底部2 m設(shè)置了出漿口，間距1 m。

⑹ 定位裝置的拆除必須在水泥漿液澆筑完成36～48 h后進(jìn)行，以免立柱樁位置出現(xiàn)偏差。

⑺當(dāng)定位裝置拆除后，使用起重機(jī)配合激振動(dòng)錘將套管拔出。套管拔出后應(yīng)及時(shí)對(duì)套管孔隙進(jìn)行填充壓實(shí)處理。

3.3 鋼管立柱樁注漿施工

⑴鋼管規(guī)格為φ152×10 mm 厚，嵌入基底微風(fēng)化巖層2.5 m，鋼管注漿材料為M30 水泥漿，采用P.SA42.5水泥配制，水灰比為0.45～0.50。

⑵水泥漿攪拌使用攪漿機(jī)，攪漿機(jī)的一次攪拌拌量不得小于0.3 m3/次，攪拌時(shí)間不小于10 min。注漿選用GYJB-150 型高壓水泥漿泵進(jìn)行，將配置好的漿液通過注漿管高壓泵入，泵送壓力通過現(xiàn)場確定。輸送管路宜使用耐壓不小于5.0 MPa 的高壓膠管，管口連接采用快速接頭以保證注漿速度。

⑶注漿漿液應(yīng)攪拌均勻，隨攪隨用，漿液在初凝前用完，并嚴(yán)防石塊、雜物混入漿液。

⑷注漿液面應(yīng)高于基底3 m，保證基底以下嵌固部分注滿漿液，注漿液面根據(jù)所注漿量進(jìn)行控制，每個(gè)孔注漿量不得少于0.3 m3，注漿后及時(shí)拔出注漿管，如圖7所示。

圖7 鋼管立柱樁注漿Fig.7 Steel Tube Column Pile Grouting

3.4 基坑開挖后鋼管格構(gòu)立柱樁的處理

⑴綴板的焊接：綴板隨開挖過程按設(shè)計(jì)圖紙要求的規(guī)格和間距進(jìn)行逐層焊接，焊點(diǎn)錯(cuò)開分布，管與管之間切口對(duì)焊，焊縫保證大于鋼管的壁厚，滿焊。

⑵基坑土方開挖過程中，格構(gòu)柱周邊及格構(gòu)柱內(nèi)的土都用人工進(jìn)行清理，開挖到巖層位置的格構(gòu)柱時(shí)，先用人工鑿除格構(gòu)柱周邊的巖石，把格構(gòu)柱露出來，再使用人工鑿除格構(gòu)柱內(nèi)的巖石，鑿除過程中派專人進(jìn)行監(jiān)督，并對(duì)四邊鋼管進(jìn)行保護(hù)，確保格構(gòu)柱的穩(wěn)固。

4 結(jié)語

佛山市某地鐵車站通過采用“大樁變小樁、角鋼改鋼管”的鋼管格構(gòu)樁柱［8］的替代方法，有效地解決了傳統(tǒng)格構(gòu)柱在碰到硬度較高的片麻巖、花崗巖等巖層則難于成孔的施工難題，加快了格構(gòu)立柱樁施工速度，縮短了施工周期，有利于總體工期的控制。該技術(shù)適用范圍廣，具有巨大的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。