盖挖逆筑法地铁车站中间柱施工技术

1、盖挖逆 筑法地铁 车站中 间柱施工 技术第二工程有限公司 赵大兵摘 要 盖挖逆筑法以占道时间短、 对周边环境 影响小的优 点 , 被 广泛运用于 交通复杂 的城市中心 区地下建筑物施工。中间柱施工为盖挖逆筑法最为关键工序 , 其精度要求高 , 施工操作难度大。本文 以北京地铁四号线中关村站为依托 , 从钢 管柱柱体范 围人工挖 孔、 柱 基桩旋挖 钻机施 工以及钢管柱自动定位安装等几方面入手阐述了一套中间柱施工工法 , 可供类似盖挖逆筑法施工参考。关键词 盖挖逆筑 地铁车站 中间柱 施工技术1 工程概况北京地铁四号线中关村站位于中关村高科技园区中心 , 站体结构处于中关村大街主路下方 , 紧

2、临北四环路 , 周边交通流量巨大 , 商业高度发达。车站主体呈南北走向 , 为地下双层三跨岛式站台 车站 , 结构全长 179 9m , 宽 22 5m(风道和出入口位置加宽至 24 5m , 高 14 68m , 顶板覆土 2 53m 。中关村站主体采用盖挖逆筑法施工 , 基坑采用 800mm 混凝土灌注排桩作围护结构。车站共 设 52根中间柱 , 中间柱作为结构中间支撑柱 , 先期与围护桩施作完成 , 然后施工车站顶板结构 , 最 后在顶板下方施作站厅层和站台层结构。在车站底板结构尚未封闭时 , 中间柱与周边围护桩共同 承受框架结构顶板自重和地面竖向荷载 ; 底板封闭后 , 中间柱作为车站

3、主要竖向承载和传力结构 , 与结构侧墙共同承受框架结构自重和地面荷载。中间柱上部为 800mm 钢管柱 , 壁厚 14mm , 柱长 16 2m , 柱心填充 C40微膨胀混凝土 , 钢管柱 与顶板、 中板和底板相接位置设环形钢牛腿 ; 柱下设 1600mm 混凝土灌注桩基础 , 基桩为端承摩擦 桩 , 采用 C35水下混凝土灌注 , 桩长为 20 5m 和 21 5m 两种类型 , 钢管柱锚入基桩 2m 。中间柱柱 体部分位于杂填土、 粉土、 粉质粘土、 粉土、 粉细砂、 粉质粘土层中 , 下部基桩位于粉质粘土、 粘土、 卵 石 圆砾层 ; 结构范围主要存在三层地下水 :第一层为上层滞水 ,

4、 存在于地面下 38m, 主要为大气 降水、 园林浇灌和管线渗漏补给 ; 第二层为潜水 , 存在于地面下 1215m , 潜水主要赋存于粉土、 细 砂透镜体、 中粗砂孔隙之中 , 均位于中间柱柱体范围 ; 第三层承压水赋存于下部砂土、 圆砾、 卵石层 中 , 位于柱体结构底 2m 以下。潜水与承压水以侧向迳流和越流方式补给为主 , 为影响施工的主要 地下水。车站结构梁板柱节点形式为在中间钢管柱两侧布置连续双梁 , 双梁承受节点弯矩 , 由焊接在钢 管柱上的钢牛腿将剪力传递给中间钢管柱。为保证节点剪力的有效传递 , 节点形式为带环型隔板 的明牛腿 , 即部分环形钢牛腿翼缘板嵌入钢管内壁 , 其下

5、设置竖向钢牛腿加劲斜板 , 部分两边缘钢 筋绕过钢管柱 , 其余钢筋锚固在钢牛腿支座内。钢管柱柱体采用 14mm 厚 Q235钢板卷制 , 牛腿和 , 45盖挖 逆筑法地铁车站中间柱施工技术 图 1 钢管柱工艺结构施工顺序 : 1 灌注桩浇注至定位器顶面上 0 5m 位置 ;2 凿除桩头混凝土至定位器锚固混凝土底面 , 凿除高度 1m; 3 安装定位器 , 浇注 0 5m 高混凝 土至定位器顶面 ; 4 安装钢管柱 , 定位固定 , 浇注杯口和柱芯混凝土 。过超声波检查及 X 射 线探伤 , 均 达到一级焊缝质量要求。2 钢管柱施工工艺原理人工挖孔至基桩顶端位置 , 然后采用旋挖钻机成孔浇注基

6、桩混凝土 ; 基桩浇注后 , 抽排孔内泥浆 , 凿除桩顶浮浆至设计标高 ; 人下入孔内基桩顶位置精确定位 , 安装钢管柱自动定位器 ; 吊放钢管柱并完成其上下端的定位 , 浇注钢管柱杯口混凝土及柱芯混凝土 ; 钢管柱安装完毕后 , 回填中粗砂对成品钢管柱进行有效保护。详见图 1。3 中间柱施工中间柱施工主要包括柱体人工挖孔、 基桩机械成孔与混凝土浇注、 清理桩头、 安装定位器、 吊装并固定钢管柱和杯口及柱芯混凝土浇注等工序 , 具体施工流程见图 2。3 1 人工挖孔挖孔前先利用设计院提供的导线点对中 桩桩位坐标、 高程进行测量放样 , 并报相关单位复测 , 同时放出桩孔十字护桩。孔桩土方开 挖

7、前采用管线探测器探明桩位下是否有地下 管线 , 确认无管线后方可进行开挖。中间柱下部基桩直径 1600m m 采用旋挖钻机成孔 , 为便于桩机下钻、 提钻 , 人工挖孔部图 2 钢管柱施工工艺流程 分的有效内径为 1800mm, 比下部基桩直径大 200mm , 护壁采用C20钢筋混凝土 , 厚度 150mm, 每节高度控制在 1200mm 以内。护壁形式采用外齿式护壁 , 上下 搭接 50m m, 作为施 工用的衬体 , 增加抗塌孔能力。人工挖孔深度至定位器锚固混凝土底面为 止 , 最底 节 护壁 竖向 设两 排 20锁 脚锚 杆 , 锚 杆环 向 间距400m, 两排错开布设 , 确保下部

8、基桩钻孔时护壁不致开裂下沉。孔桩开挖采用人工开挖 , 出碴采用简易龙门架配 1t 电动葫芦、 橡皮桶提升出土。在首节锁口护壁上设置安全爬梯、 安全带固定栓点 , 布设通风管、 照明线路 , 确保孔内作业安全。3 2 基桩施工基桩通常采用冲击钻机、 回旋钻机和旋挖钻机成孔 , 由于旋挖钻机具有钻孔速度快、 移位方便、 定位准确、 工作效率高、 噪音小、 产生泥浆少、 环保等优点 , 根据本工程地质情况和施工实际 46 工 程 科 技 2007年第 2期后开始基桩钻孔。3 2 1 泥浆制拌泥浆采用制浆机加入清水、 膨润土、 纯碱 (Na 2CO 3 和钠羧甲基纤维素 (Na-CMC 等制备泥 浆

9、, 膨润土掺量一般为 6%9%, 对卵砾和砂层可加入 CM C 增粘剂 , 加强护壁效果。一般泥浆须 在使用前 24小时制备完成 , 使膨润土充分消解。3 2 2 钻机就位钻机自行至桩位处把钻杆中心对准桩位 , 用线绳拉十字交叉点进行钻头对中 , 调整钻机底盘水 平度 , 待钻机底盘水平度调整完成后重新用钻杆对准桩位中心锁死钻机定位装置 , 设定桩心坐标参 数。3 2 3 成孔钻进开始时缓慢地进行 , 待钻至底节混凝土护壁下口 1m 以下再正常钻进。钻进利用钻机取 土桶正转 , 进行孔内原始土的切削 , 然后提升取土桶。钻桶在提升前回转 35周 , 防止孔底土层粘 附钻桶 , 造成卡钻事故。卸

10、土时将取土桶提出孔外 , 平转到卸土位置卸空取土桶。钻土过程中加入 调配好的泥浆 , 泥浆液面始终保持高于地下水位 1m, 以保证孔内泥浆起到平衡孔壁作用。重复以 上过程 , 直至钻进至设计标高。对终孔深度范围用测孔器对孔径、 孔形、 倾斜度进行检测 , 同时测量 孔深。桩内挖出的土体及时用装载机清离孔口 , 用汽车运到指定地点堆放 , 防止土体压力过大造成 孔壁坍塌。3 2 4 清孔由于旋挖钻机采用取土桶取干土成孔 , 孔底成碴相对较少 , 清孔先用旋挖钻机在不向下掘进的 情况下 , 利用取土桶反复挖除孔底松碴和沉碴 , 同时注入新鲜泥浆对孔内泥浆进行循环置换 , 从而 可彻底清除孔底沉碴

11、, 清孔时保持孔内原浆不变 , 静态护壁。经过现场检测全部基桩成碴厚度均小 于 100m m, 远高于相关规范要求。3 2 5 基桩混凝土灌注钢筋笼在现场加工 , 整个钢筋笼加工成一段。钢筋笼吊装采用 25t 汽车吊吊装入孔 , 钢筋笼下 放就位后 , 及时进行灌注前孔内沉碴检测 , 合格后立即灌注水下混凝土。如不合格立即采用吸泵或 空压机压风二次清孔 , 合格后方可进行混凝土灌注。桩顶混凝土超灌控制在 0 8m1 0m, 以保证桩顶的混凝土质量。灌注过程中设专人记录灌 注时间、 混凝土深度、 导管埋深及导管拆除情况。严格控制导管的埋深及拆除长度 , 避免出现导管 拔不动或拔出混凝土面 , 从

12、而造成断桩事故。在灌注将近结束时 , 再次核对混凝土的灌入数量 , 以 确定所测混凝土的灌注高度是否正确。3 3 桩头混凝土清理与凿除混凝土灌注后及时采用泥浆泵抽排挖孔桩内的泥浆 , 人工清除定位器锚固面以上部分桩身混 凝土。清除桩头在灌注混凝土初凝后及时进行 , 此时混凝土强度较低 , 利于施工。人下孔前先向挖 孔桩内通风 , 排除孔壁附着泥皮等杂物 , 确保作业安全。3 4 安装定位器3 4 1 自动定位器的原理及作用钢管柱采用上下两端同时定位法固定。钢管柱下端定位主要依赖于自动定位器 , 上端用花篮 螺栓调节定位。自动定位器是一种预先加工的装置 , 精确校正其平面位置、 高程和垂直度后

13、, 固定 于人工挖孔桩的护壁预埋钢板上或基桩钢筋笼主筋上 , 浇筑锚固混凝土后定位器锚固于桩基混凝 47盖挖 逆筑法地铁车站中间柱施工技术3 4 2 自动定位器的设计 自动定位器呈十字锥形 , 由钢板组焊而成 , 然后由车床整体加工 , 加工误差在 3m m 以内 , 固定 边与水平面所成的直角误差在 1! 以内。其锥底宽度比钢管内径小 6mm 。定位器主要构件包括定 位十字锥板、 环形锚固底板等构件 , 其中十字锥板实现对钢管柱的引渡功能 , 并限定钢管柱的水平 位移 ; 环形锚固底板承托钢管柱 , 并控制钢管柱的水平位置及标高 , 锚固于圆形钢筋混凝土桩内 , 可 防止自动定位器变形、 移

14、位。定位器设计详见图 3, 其他类似钢管柱可参照此图。图 3 定 位器设计3 4 3 自动定位器的安装自动定位器的安装首先在地面加工好预埋钢板和定位器支撑钢板 , 基桩混凝土凿除完成后 , 先 测量定出预埋钢板位置 , 在钢筋笼主筋上焊接安装预埋钢板 , 然后再次在井口将标高控制点投测于 挖孔桩护壁上 , 精确定出定位器支撑钢板顶面标高 (及定位器底板底面标高 , 在预埋钢板上焊接安 装定位器支撑钢板。最后用吊车将定位器吊至桩底放置在定位器支撑钢板上 , 将桩心投测于测基 桩桩头顶面 , 并根据实测的桩心位置移动定位器 , 使定位器中心孔与实测的桩心重合 , 中心孔与桩 心重合即可将定位器与支

15、撑钢板焊接固定。定位器安装见图 4、 图 5 。图 4 定 位器安装 48 工 程 科 技 2007年第 2期图 5 定位器安装实景3 4 4 浇注定位器锚固混凝土为 缩短施工周 期 , 保证定 位器牢固锚固 于桩基混凝土中 , 并 在钢管柱吊装过程中不发 生变形移位 , 采 用 C50早 强混凝 土锚固 定位器。鉴于 C50早强混凝土凝结时间快 , 需求量小 , 采用混凝土搅拌机现场拌制 , 从井口用料斗吊 入桩底 , 人工浇筑、 振捣 , 浇筑完毕 , 用抹布清理定位器上混凝土残渣 , 以免影响 定位精度。混 凝土浇筑完毕且终凝后 , 浇水养护至 20h 左右 后混 凝 土强 度达 到 2

16、0MPa 时即 可 吊装 钢 管柱。C50早强混凝土参考配合比见表 1。 表 1 C50早强混凝土参考配合比 水胶比 每立方米原材料用料 (kg/m 3水水泥 粉煤灰 中砂 石 外加剂 自来水P O42 5#级 5-25mm N-3000初始塌落度 (mm 1小时塌落度 (mm 0 32165396876581094121901553 5 钢管柱安装3 5 1 定位测量地面定位采用全站仪整体测设中柱设计平面位置 , 并在护壁施工区域外十字轴线方向上放好 护桩 , 便于桩心位置的恢复。钢管柱底标高采用水准仪、 30m 钢尺 (有尺长改正 及 7 5kg 锤球相结合 , 测设钢管柱柱底标 高。为便

17、于挖孔桩内定位器的安装 , 将柱底标高上返 500mm 。使用钢尺直接传递标高时 , 变动钢 尺三次 , 直至正确无误后在挖孔桩护壁十字轴线方向对应做 4个点 , 以此作为定位器安装标高控制 点。定位器的桩心测设先从地面用 7 5kg 锤球将桩心引测至桩顶面上 , 精确定出定位器的中心位 置 , 以之为依据指导定位器的初定位安装。其后将 1/20万的投点仪通过全站仪直接置于地面桩心 位置 , 将桩心直接投测于定位器中心指挥定位器精确定位 , 直至安装完毕。为避免投点仪投点视镜 不铅垂误差 , 每次投点时按 90 变化四个方向 , 如点位均落于同一点时 , 即是桩心。否则会产生四 个方向点 A

18、、 B 、 C 、 D 并行成一个四边形 , 此时 , 取四边形的中心点 O, 即是桩心。钢管柱体吊装就位测量通过两台经纬仪控制 , 分别置于轴线的护桩上 , 随时用相交点 , 指挥柱 体的吊装 , 直至其标高垂直度无误后完成吊装下放入孔。3 5 2 钢管柱的吊放安装定位管柱一次整体吊放入孔 , 中间不接驳。出厂前 , 在上节法兰盘底加肋板上对称焊接设置一对吊 耳 , 同时在吊耳侧加焊肋板 , 以确保柱体处于最不利位置时 , 吊耳不发生侧翻破坏现象。准备工作 完成后 , 采用两台 25t 吊机相互配合作业。一台主吊 , 另一台吊车辅助吊装 , 以防止钢管柱底部戳 地变形。操作时一台吊车在钢管柱

19、上端两点起吊钢管柱 , 同时另一台吊车起吊钢管柱底部 , 使钢管 柱上端起吊过程中 , 其底部脱离地面。辅助吊车缓慢放绳 , 待钢管柱完全垂直吊离地面 , 且相对稳 , , 49盖挖 逆筑法地铁车站中间柱施工技术50 工 程 科 技 2007 年第 2 期 管端稳固座落于定位器环行定位板上, 通过 标高测定柱底与定位器的吻合程度。然后对 柱上端精确定位。通过设置在挖孔桩护壁预 埋钢板与钢管柱加肋板之间的 4 只花篮螺栓 进行钢管柱柱体上端定位, 花蓝螺栓可对柱 体位置进行微 调。由 于钢管 柱下端 平面位 置、 标高、 垂直度已由定位器确定, 钢管柱上 端空间位置校定后, 即可认为柱顶与柱底在

20、 垂直方向投影重合, 钢管柱位置已精确定位。 钢管柱吊装实景见图 6。 3 6 灌注杯口混凝土 杯口混凝土亦采用 C35 混凝土, 施工时 采用直升导管法浇筑。浇筑时环向撒布混凝 土, 通过测算混凝土浇筑量及测绳测量控制 混凝土浇筑面标高, 灌注顶面超出底板底标 高 300 500mm, 待施作车站 底板结构时凿 至设计标高, 确保桩头混凝土。 3 7 灌注柱芯混凝土 根据%钢管混凝土结构设计与施工规程& 图 6 钢管柱吊装实景 ( CECS2890 的规定, 并结合盖挖逆作钢管 柱的结构特点, 选择高位抛落无振捣法。其 原理是利用混凝土自管口自由下落时所获得的重力加速度冲击能量, 使

21、混凝土挤密而无须振捣。 其抛落高度不少于 4m , 对柱顶孔口段抛落高度不足 4m 的, 采用插入式振捣器振实。一次抛落的 混凝土量宜在 0 7m 3 左右, 用料斗装填, 料斗的下口尺寸应比钢管柱内径小, 以便混凝土下落时, 钢管柱管内空气能够排出。 ( 1 鉴于钢管内混凝土强度较高, 为避免施工冷缝的出现, 混凝土灌注必须连续进行, 为此必 须进行严密周详的施工组织。施工前认真做好各项准备工作。落实施工人员, 严格进行技术交底; 检查各种施工机具的数量、 型号及工作性能是否能够满足施工需要; 要求混凝土备量应能保证连续 灌注, 确保混凝土质量。 ( 2 高抛振捣法对混凝土配合比的要求: 粗

22、骨料粒径可采用 5 25mm, 水灰比不大于 0 45, 塌 落度 140 160mm, 为减少收缩量, 可掺入适量的混凝土微膨胀剂。施工性能要求为: 水灰比小、 塌 落度较小、 收缩较小、 均匀性、 凝聚性较好。钢管柱内 C40 微膨胀混凝土参考配合比见表 2。 表2 C40 微膨胀混凝土参考配合比 ( kg/ m3 石 外加剂 初始塌落度 ( mm 43 190 1 小时塌落度 ( mm 150 每立方米原材料用料 水胶比 水 水泥 粉煤灰 #级 77 728 中砂 自来 水 P O42 5 0 38 165 311 5- 25mm AN - 3000 CSA 1076 11 盖挖 逆筑法

23、地铁车站中间柱施工技术 51 ( 3 每根钢管柱浇灌混凝土之前, 先在其底部浇灌一层厚 100 200mm 厚的与核心混凝土强 度等级相同的水泥砂浆、 以免初灌混凝土落下时粗骨料产生弹跳现象。钢管柱内混凝土浇灌连续 进行, 必须间歇时, 间歇时间不得超过混凝土初凝时间。 ( 4 柱顶面以下 4m 范围内混凝土采用从地面插入高频振捣棒振捣, 始终控制棒体在混凝土面 以下 1m 内振捣。在振捣棒上作尺寸标识, 另放一测绳控制混凝土面标高, 相互对照以控制振捣棒 埋深。 3 8 回填柱四周空隙 为了保护钢管柱柱体成品, 防止施工时对其破坏挤压柱体。柱体混凝土初凝后在柱体与挖孔 桩孔壁之间环形均匀填入中粗砂。 4 结束语 通过中关村站中间柱施工实践, 较好的解决了钢管柱安装的问题, 钢管柱安装精度符合设计和 施工规范的要求。与全护筒法作业方式相比,