HPE 工法在杭州地铁武林广场站施工中的应用

2012-08-20刘新管

山西建筑 2012年5期

刘新管

1 工程概况

武林广场站位于杭州市中心广场武林广场东北角，与武林广场东通道成34°斜交。该站是地铁1号线与3号线的换乘车站，车站为地下3层上下重叠的岛式站台结构，为4柱5跨3层结构(两端为4层结构)。车站长162.75 m，标准段宽36.6 m，底板埋深约27 m，顶板覆土约4 m，两端4层覆土约1.5 m。总建筑面积为24 235.63 m2。工程中围护结构采用1 200 mm地下连续墙，止水采用十字钢板接头。中间桩采用φ1 600 mm的桩基上安装φ900 mm、壁厚16 mm的钢管混凝土柱作为中间支撑结构体系。

2 本工程特点、重点、难点分析

本工程为地下3层和4层多跨框架结构，采用盖挖逆作法施工，地下连续墙围护，AM工法扩底钻孔灌注桩基础，钢管柱作为施工阶段的竖向支撑结构，扩底钻孔灌注桩兼作使用阶段的抗拔桩，由于本工程采用盖挖逆作法，具有基坑深度大，柱间跨度大等特点。根据现场实际情况，本工程同时具备以下特点:

1)传统工艺不能满足业主下达的工期要求，武林广场站是杭州地铁1号线最后一批开工站点中规模最大的车站，是制约全线通车的关键节点，工期压力巨大。

2)施工安全风险极大，武林广场站开挖深度达27 m，钢管柱距地表30 m，采用人工安装工艺施工，作业人员需下至30 m的钢护筒底部进行施工，存在极大的安全风险。

3)基坑开挖深度大，地下4层深约27 m，为保证基坑底部桩中心尺寸的准确，必须保证桩的垂直度偏差不大于1/300，要去桩底沉渣厚度不得大于20 mm，钢管柱垂直度偏差小于L/500(L为钢管柱的长度)，且不大于25 mm。

3 HPE液压垂直插入工法的施工

在AM工法扩底钻孔灌注桩基础施工完毕后，混凝土灌注完毕初凝前，及时采用HPE工法进行钢管柱的定位。

3.1 HPE工法施工的基本要求

1)钢套管对接要求。a.钢套管对接的焊缝，外表面必须光洁、平整，不得出现凹凸不平的现象，格构柱搭接板焊接在内侧。b.对接钢套管表面平整度要控制在1/600。c.纵面弯曲值:F≤1/600且f≤5 mm。d.钢套管椭圆度 f/D≤3/600。e.起吊挠度1/600。2)钢套管底部焊锯齿状。3)场地要求。为了保证钢柱定位的精确度和垂直度，在钻孔灌注桩浇灌完成后，必须马上进行场地的平整。场地平整时，土体要挤压密实，地面的平整度要一致，以确保HPE液压插入机械就位、定位的准确。4)HPE工法适用范围见表1。

3.2 HPE工法施工原理

表1 HPE工法适用范围

1)将HPE液压插入机械准确就位、定位，根据HPE液压插入机机身上的垂直调校装置调整垂直度。

2)HPE液压插入机定位垂直后，将钢柱吊起，用HPE液压插入机的液压定位器将钢柱抱紧，根据两点定位原理，抱紧钢柱后再复测垂直度。

3)在保证垂直度后将钢柱在混凝土初凝前用HPE液压垂直插入装置将钢柱插入到混凝土中，直至达到设计标高及标准要求为止。

4)设备装置:液压定位器2个、液压连接器2个、垂直调校装置2只、垂直仪1台。

3.3 HPE工法施工步骤

1)HPE液压插入机定位。在混凝土灌注完毕初凝前，复测桩位中心，并将十字线标记在护筒上。复核桩位后，将HPE液压插入机械的定位器中心与基础桩位中心在同一垂直线上，然后将HPE液压插入机械利用定位器就位、定位。就位、定位后，HPE液压插入机械手动、自动调整垂直度，并对HPE液压插入机中心进行复核，确保精确无误。

2)钢柱的插入。HPE液压插入机定位对中后，将钢管柱垂直吊起，插入孔中。如钢柱的底部为封闭式，当插入一定的深度后，由于浮力的作用，钢柱无法继续下沉，此时一方面采用HPE液压插入机液压插入装置将钢柱插入，当钢柱尖自由下放无法插入混凝土面时，用HPE液压插入机的一套液压插入器系统抱紧，加大竖向液压压力将钢柱插入到混凝土内，再次复核垂直度，直至符合设计和规范要求。另一方面采用内配重的方法，即在钢柱内加入实心柱等构件加大钢柱重量。当钢柱插入混凝土内且垂直度符合设计和规范要求之后，取出配重构件。

3)HPE液压连接器。因钢柱顶设计标高多在地面以下，当钢柱插入与HPE液压插入机相平后，采用HPE液压连接器，将钢柱标准节连接，标准节的长度就为HPE液压插入机的高度与插入地面的深度之和。这样，标准节就起到了移机后钢柱定位的作用，等到混凝土终凝、四周土体回填后将HPE液压连接器拆除。

4)重力平衡。如钢柱的底部为封闭锥形，将钢柱插入孔后，必然会产生一定的浮力。为了保证在钢柱插入过程中的重力平衡和垂直度，采用在钢柱内设置平衡配重钢锭，按照钢管重加配重大于泥浆浮力1.1倍进行核定。采用液压压力将钢柱插入到设计标高，等混凝土凝固后，将液压压力放开、在上口固定钢柱。

5)钢柱上口的定位。钢柱受重力平衡，不产生上浮力时，为使HPE液压插入机能够移位在放开液压装置前，必须将钢柱上口进行定位。定位时采用HPE液压插入机定位器上的调节螺栓，调节夹紧钢柱后，将HPE液压插入机定位装置放松，HPE液压插入机移位。液压插入机见图1。

6)HPE液压插入机的移位。固定好上口后，HPE液压插入机通过自身的行走系统移开，移动时注意不要与已经固定好的钢柱发生碰撞。

7)回填。HPE液压插入机械移位后，等待水下混凝土终凝后，用碎石、砂等填入钢管柱四周孔中。同时将孔内的稳定液排除，防止稳定液进入钢管柱内，填到设计管柱顶标高后，放开定位器，将HPE液压连接器放松，拆除上部钢柱，并在钢管柱内采用导管法浇筑混凝土即可。

3.4 HPE工法施工图

HPE工法施工图见图2。

图1 液压插入机

图2 钢管柱安装图

3.5 钢管柱顶的保护

1)钢管柱混凝土浇筑完成后进行先期养护;2)待混凝土强度达到70%后拔除钢护筒后对钢管柱四周进行回填处理，具体方法如下:a.其他位置用石屑或干砂回填至原始地面－20 cm处;b.浇筑一层20 cm厚的C20混凝土，见图3。

图3 钢管柱顶保护详图

4 施工效益分析

4.1 在施工过程中根据实际情况对各方面采取的新对策

1)满足新工艺对钢管柱底部结构的需要。

实施一:AM桩混凝土设计强度为C30，钢管柱内混凝土设计强度为C50，为保证在插入过程中AM桩混凝土不会进入钢管柱内，将钢管柱的底部改为封闭结构。实施二:为保证钢管柱插入AM桩混凝土部分的连接紧密，在钢管柱底部2 m范围内梅花形布置锚固螺栓。

2)确保混凝土的缓凝时间及质量。

实施一:按照新工艺的需求，从AM桩混凝土浇筑完成到钢管柱插入完成需14 h，考虑到其他突发因素影响，确定选用初凝时间不小于36 h的缓凝混凝土。由项目部购进多种品牌缓凝剂，并在试验室用各种品牌缓凝剂配制多种配合比试件，定时记录初凝情况，找出满足施工要求的配合比。实施二:在AM桩施工前做配合比试验，将选定的缓凝混凝土制作28 d抗压试块，保证混凝土的强度能够满足要求。

3)钢管柱中心位置定位分4个步骤。

表2 液压全回转套管机垂直插入法的工期表

表3 D阶段内每根钢管柱安装时间

表4 部分桩位偏差表 mm

a.用全站仪放出桩芯位置以及4个护桩位置，由护桩位置拉出十字线，定出套管机;b.钢管柱吊装至套管机固定后，用全站仪对钢管柱顶部进行中心位置复核，用护桩的十字线进行钢管柱底部的中心位置复核，及时调整偏差，定位准确后开始插入;c.插入过程中，每插入5 m用全站仪对钢管柱顶部中心位置进行复核，及时调整偏差;d.插入完成后，在AM桩顶混凝土初凝前对中心位置进行最终的复核及调整。

4)垂直度保证。

a.在施工过程中，在钢管柱上安装垂直度传感器，实时控制钢管桩的垂直度，及时调整。b.采用内配重的方法。此时，整个钢柱的重量应使管重加配重大于浮力，浮力等于管长乘以管的断面积再乘以泥浆比重。当钢柱插入混凝土内且垂直度符合设计和规范要求之后，取出配重构件。

4.2 在这些新对策的实施下对工程各方面的效益分析

1)工期方面。

工期目标:每根钢管柱安装时间从5 d降低到36 h。工期表见表2。

本工艺将大量的人工操作工序转变为机械操作，大大节约了施工工期，D阶段内施工完成的6根钢管柱每根安装时间如表3所示。

随着工艺熟练度的不断增加，每根钢管柱的安装时间均可控制在36 h左右，仅为人工安装法的1/10，大大节约了工期，实现了业主提出的工期目标。

2)质量方面。

增设的两组垂直液压装置有水平调校功能，在钢管柱上安装垂直传感器，整个装置通过电脑操作系统进行数据监控及水平位置调节，最小调节单位以mm计，可以满足设计精度要求(设计标准:中心位置偏差小于20 mm，垂直度偏差不得大于25 mm)。

通过实际检验6根桩中心位置偏差最大12 m，垂直度偏差最大15 mm均小于设计标准(见表4)，符合设计要求。

3)安全方面。

安全目标:消除5个人工地下作业工序，降低安全风险。

运用本工艺进行钢管柱定位安装，取消了操作人员下至30 m深的护筒底部的危险作业工序，避免了人工地下作业的安全风险，大大降低了现场安全管理的压力，实现了安全目标。

4)成本方面。

液压全回转套管机垂直插入法使用设备有套管机、履带机及8 m的钢护筒，是建立在改装现有机械的基础上，提高了机械的使用率;钢护筒的长度从30 m降低至8 m，同时降低了钢护筒的损耗，传统的人工安装法单根成本为18.75万元，套管机插入法单根成本为16.48万元，单根节约成本为2.27万元，共节约成本为2.27×70=158.9万元，将施工成本降到了最低限度。