地铁车站永久钢立柱快速定位支架技术研究论文_韩辉

摘要：鉴于城市地铁施工的飞速发展，地铁车站边界条件越来越复杂化。地铁车站盖挖逆作对周边环境影响小、施工安全程度高的优越性，应用越来越广泛。而地铁盖挖法“一柱一桩”的永久钢立柱安装精度是盖挖逆作法的重难点控制项目。本文分析了钢立柱平面位置、高程、垂直度定位的特点，结合实际情况和场地条件，采用“两点法”原理，提出了利用直线（工具管）来控制直线延长线（钢管柱）的空间位置。同时研制了一种“先插法”钢立柱的快速定位支架，利用地面固定位置的可调节支架体系调节工具管的空间位置，来实现工具管下连接的钢管桩空间位置，该支架在厦门地铁3号线厦门火车站进行了成功应用。实现了采用简单定位工装完成钢管立柱高精度定位目标，实现了城市狭小作业空间钢管立柱快速、安全、准确定位，安装精度稳定、可控、易纠偏，操作方法简单、方便、技术难度低，劳动力、机械设备需求低，工装亦可周转使用，且其创造性的理论和方法为同类型地下构件的定位提供了新的思路及借鉴意义。

关键词：永久钢立柱；定位支架；垂直度

1 项目概况

厦门地铁3号线厦门火车站位于厦禾路与湖滨东路交叉口，车站总长68.9米，标准段宽43米，南端扩大端宽53米，车站周边建构筑物情况复杂、交通流量大、管线分布密集。是厦门地铁3号线的重难点控制项目。且车站纵横向跨度大，周边变形要求高，故车站采用盖挖半逆作法施工。

图1 厦门火车站平面位置航拍图

基坑内设置永久钢立柱21根，基坑开挖阶段支撑顶板作为盖板，后期作为车站永久结构柱，柱底桩基兼做抗拔桩。永久立柱采用Φ1500+700（800）钢管柱，钢立柱平面位置与桩中心偏差±10mm；垂直度偏差不大于L/1000，且不大于20mm。

表1 钢立柱统计表

2 钢管柱定位重难点分析

钢管柱顶面位于地面以下3m，且单根钢管柱重量约10t，立柱最长为26.36m。其定位精度控制难度主要为以下几个方面。

（1）结构顶板、底板层间净高15.45m，其垂直度精度要求达到1.3‰，平面位置控制在±10mm，施工难度大。

（2）传统采用孔内人工定位，上下约束的方式，由于定位锥加工精度、预留自由度及顶部丝杠变形等因素，很难达到设计要求。另外地方要求人工孔内作业深度不能超过15m，孔内定位难以实施。

（3）高程、平面位置、垂直度等三因素单独调节，交叉相互影响，调节难度大，人为影响因素大，可控性差。

（4）在混凝土浇筑过程中，混凝土在孔内翻滚，对钢管桩壁的摩擦、顶推作用均对钢管柱空间位置有较大影响。

（5）在混凝土浇筑过程中，钢管柱发生变形后，很难进行实时调整。

3 钢立柱定位支架的定位系统

（1）工作原理：采用相同直径的工具管对钢立柱进行接长，接长至地面以上。再通过地面以上的工具管（直线部分）来控制地面以下的钢立柱（直线延长线部分）。

（2）定位支架：自主设计研制了高6m的定位支架，该支架由支架基座、调垂系统、调平系统、高空作业平台、工具管组成。定位支架采用工厂化预制的钢结构，结构垂直度满足1‰。见图1所示。

（3）调平系统：定位架上设置平面位置限位板，限位板为2块半圆形2cm厚钢板加工而成，半圆形半径大于钢管柱半径5mm，使得工具管顶部误差控制在设计允许的范围内，同时使得工具管在限位板轨道内具有一定活动的自由度（不超过偏差允许值）。见图2所示。

图1 定位支架三维立体图

图2 平面位置限位板详图

图3 定位耳板布置图

图4 千斤顶顶升梁立面图及实物照片

（4）调垂系统：定位架上设置高程+垂直度耦合调节系统，工具管节上固定高程位置上设置3块定位耳板，耳板之间平面角度为120°。钢管通过安装在支承在定位架横梁上的3个螺杆千斤顶支撑（见图4），调节千斤顶螺杆伸缩，调整钢管桩高程，达到设计高程后微调，再然后利用高差调节垂直度，使用水平靠尺和地面全站仪检测工具管节垂直度。在后续的浇筑过程中，通过钢管柱自重来抵抗混凝土对它的顶升力。

（5）精度控制：在钢管柱两个垂直方向上架设两台全站仪，通过钢管柱上刻定的垂线来实时监测钢管柱的垂直度。

4 钢管柱定位系统的可行性分析

4.1 影响钢立柱安装精度的主要因素

（1）钻孔灌注桩孔壁的垂直度。如果孔壁垂直度偏差过大，则钢立柱下放调垂过程中易触碰、抵住孔壁和钢筋笼，使其无法进行垂直度调控。

（2）钢管柱自身的平直度、钢管柱与工具管连接后的平直度。

（3）钢管柱的定位程序，平面位置、高程、垂直度调整方式之间的相互影响和干扰。

（4）导向架的施工精度、承载力和变形情况。

（5）钢柱内浇筑混凝土速度。浇筑速度越快，混凝土面上升越不均衡，对钢柱扰动越大，垂直度偏差反应越大。

（6）钢管柱外碎石回填速度和均匀程度，也都影响钢管柱垂直度。

（7）钢管柱内混凝土浇筑完毕、混凝土终凝前，对钢管柱的保护。

4.2 定位支架达到施工精度要求的技术可行性分析

本工程的钢管柱桩基直径为1500mm，钢管柱最外边尺寸为1000mm，而钢管柱基桩钢筋笼外径为1360mm，为保证钢管柱桩内调整的自由度，钢管柱基桩钢筋笼与钢管柱之间必须分开吊装，钢管柱与钢筋笼之间不设连接或者设置软连接。而桩基的垂直度可以通过与基桩钢筋笼同等长度的探笼或者超声波探测仪来进行检测。

钢管柱最大长度为26.36m，钢管柱分两节制作和安装，节间采用高强螺栓连接。工具管与钢管柱之间也采用高强螺栓连接。管柱之间的契合度及厂家的加工精度是直接制约钢管柱安装精度的重要因素。经过对厂家的考察和试加工，钢管柱的平直度误差不超过1/2000。但需要对钢管柱进行严格控制。对每一根钢管柱和工具管均需进行试拼装，平直度满足要求后方可使用。同时对验收合格后的钢管螺栓进行编号，严格按照编号对应拼装。

钢管柱定位采用先平面位置调节，后高程和垂直度调节。平面位置调节采用限位板，既保证了平面位置的精度，又保证了其高程调节的自由度。将三个相互影响的变量调整为两个变量，且高程+垂直度调节变量调节对平面位置变量影响在可控制的范围内。

钢管柱重量、混凝土浇筑平台均集成在定位支架上，施工过程中荷载变化均会对支架结构产生变形，而支架结构的变形会严重影响定位精度。通过结构计算，采用大刚度型钢制作定位支架，架体变形量小，可控度高。

柱桩基及柱内混凝土均采用导管从柱芯浇筑。浇筑过程中，尤其是混凝土面上升至钢管柱底部时，混凝土对钢管柱的顶推力和摩擦力均会对钢管柱结构定位产生扰动。而严格控制混凝土浇筑速度和实时监测钢管柱垂直度变形情况，通过调节千斤顶进行及时微调，满足垂直度调节要求。

柱外反压碎石会对钢管柱周进行碰撞和摩擦，要求底部3m范围内的反压碎石必须采用人工进行回填。上部可以采用人工配合小型机械回填。底部回填后，钢管柱的位置基本固定完成，后续很难再进行调节。施工完成后注意对钢管柱的保护。

钢管柱平面位置通过限位板放线和高程通过角板位置高程限定，可以按照设计要求进行误差值确认。而垂直度方面，需要综合考虑施工之间的误差，通过工具管的误差来折算钢管柱的误差，这就需要确定工具管两垂直方向的垂直度误差。

工具管垂直度误差为 。

而两垂直度方向误差 。则两垂直度方向误差控制值为 。单方向上误差不大于5.5mm，从施工方案上切实可行，具备实施条件。

5 施工控制要点

上述定位支架技术措施和设备到位的条件下，技术方案上可行，理论上能达到设计精度要求，但是在实际施工过程中，采用定位支架施工永久钢管柱，工序多，工艺复杂。且施工误差过大会造成严重的质量问题。所以必须对关键控制要点进行明确。永久钢管柱施工工艺流程图见图5所示。

5.1 孔内沉渣及二次清孔

而钢管柱作为永久结构柱使用。钢管柱对桩底沉渣要求高。而钢管柱施工工序多，工序施工时间长。极易造成桩孔内沉渣厚度超标。在钻孔桩施工完成后定位支架安装前，需对桩内沉渣清理及泥浆质量控制，施工过程中每一道工序完成后必须对孔内沉渣厚度进行测量。保证在钢管柱吊装调整完成后二次清孔的顺利进行。

5.2 钢管柱、工具管的平直度

钢管柱、工具管平直度包括工厂分段加工和现场拼装。厂内加工分为3段（钢管柱2段、工具管1段），车间分段加工的圆管采用相贯面等离子管材数控切割机进行切割下料。下料切割、坡口、精度控制均由计算机控制一次完成，精度误差不大于2mm。厂内必须设置专用胎架，用于工具管场内拼装验收。钢管柱、工具管拼装完成后，需对法兰的契合度、整根管的平直度、高强螺栓的拧入情况做专项检查和验收。满足要求后，且工具管上应做好垂直度校准基准线。工具管与钢管柱需做好编号，配套使用。若工具管需重复利用，则需对其进行返厂与对应钢管柱进行试拼装检查验收，合格后方可使用。

图5 施工工艺流程图

5.3 精度调节控制

支架基础通过测量放线，严格定位支架的平面位置和高程，同时还应利用底部地脚螺栓上调节螺母对支架垂直度进行校准。支架平面中心与桩位中心重合。

在钢管柱吊装到位前，还应利用全站仪对支架上单侧定位板进行精调。调整后固定牢固，钢管柱沿半圆形限位板下放，支承板落在固定的千斤顶上后，将另一侧限位板固定牢固。见图6所示。

图6 平面位置调整

高程+垂直度调节前，应将千斤顶顶部标高应先调整至预设标高，当钢管柱重量全部落于千斤顶上时，利用调整三个千斤顶的高程差，来达到微调垂直度的目的。先通过水准尺测量来对钢管柱垂直度进行粗调，粗调完成后通过地面的两台全站仪测量来对其进行精调。见图7所示。

图7 高程+垂直度调整

钢管柱安装、混凝土浇筑一般需要7～8小时，因此，必须做好全过程中垂直度偏差记录。尤其是对混凝土浇筑和回填碎石等重点环节中，应实时严密观察钢管柱的高程变化，当高程发生变化时，不应直接调整千斤顶。而应该放慢浇筑/回填速度，轻敲钢管柱四周，待钢管柱稳定后，再进行调整。

5.4 混凝土浇筑控制

混凝土浇筑平台集成在定位支架顶部，顶部混凝土作业层与底部调节层分离开，混凝土灌注采用导管法，由混凝土泵车输送至支架顶部。导管从钢管柱中心下放。由于桩基混凝土强度等级与柱芯混凝土等级不一致，在浇筑过程中高强度混凝土替代低标号混凝土显得尤为重要。混凝土浇筑过程见图8所示。

第1步，浇筑桩基混凝土至钢管柱底部标高以下500mm；

第2步，采用柱芯混凝土浇筑至桩顶以上1000mm，拆除导管，将导管底提升至钢管柱底标高以上1000mm。

第3步，浇筑柱芯混凝土，同时钢管柱外侧回填碎石反压。回填碎石必须先人工回填约2m高，后续回填可以采用人工配合机械施工。回填过程中注意柱芯混凝土面与回填层高差。回填碎石标高可略大于柱内混凝土面标高，但不宜超过500mm。依次浇筑至工具管管节预留口，直至预留口留出新鲜混凝土为止。

图8 混凝土浇筑步骤图

6 施工效果

通过研制了钢管立柱的定位支架，厦门轨道交通3号线厦门火车站的逆作法永久立柱桩目前已完成13根，其垂直度均达到1.3‰的要求，实现了预期的目标。

这表明采用通过定位支架的技术创新和改进，采用定位支架法实现钢管柱的高精度控制是切实可行的。施工过程中，发现了施工过程中的诸多问题，总结了采用定位支架法施工“一桩一柱”式永久钢立柱的经验，提出了一套切实可行的施工工艺和方法，编制和明确了施工控制要点，保证了工程的顺利实施，取得了良好的经济效益。

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论文作者:韩辉

论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/14

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