深圳地铁11号线车公庙枢纽高强度岩层中型钢立柱施工关键技术

陈 瑜，李海龙

（中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052）

深圳地铁11号线车公庙枢纽高强度岩层中型钢立柱施工关键技术

陈 瑜，李海龙

（中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052）

以深圳地铁11号线BT项目11301标车公庙枢纽工程为实例背景，介绍在高强度岩层（单轴抗压强度120 MPa）中快速实施型钢柱安装定位的两项关键技术。其一，通过引进先进的钻岩取芯设备及采用特殊的取芯工艺，确保在高强度岩层中大直径（2.0 m）的钻孔灌注桩快速成孔（一次进尺1.5～2.0 m）；其二，在传统的十字型钢柱安装定位方法（即“先插法”）的基础上，提出全新的优化方案（即“后插法”），提高了工艺时效性，从而达到快速实施的目标。

地铁枢纽；高强度岩层；快速成孔；十字型钢柱；先插法；后插法；精确定位

0 引言

为了进一步完善和提升城市交通的网络布局，满足城市发展和新区连接的交通要求，配合城市空间结构的调整，国内各大城市地铁建设正在蓬勃发展。目前在老城区中开发地下空间，大多会选择对周边环境影响较小的盖挖逆作法施工，而施工阶段为临时支撑立柱施工，建成使用阶段则为车站永久性的主要竖向承载与传力结构的中立柱施工，即为盖挖逆作工法的核心。目前关于型钢柱的研究已有很多，如：文献［1］针对北京凯恒中心北区1期综合工程十字型钢的制作工艺流程、焊接变形的预防和校正以及现场控制等几个方面，对十字型柱的制作安装工艺进行了分析和总结；文献［2］阐述十字柱安装过程中各道工序的工艺要点，并通过在安装过程中产生问题的原因分析及其采取的控制措施，使安装的十字柱各项质量指标偏差均满足设计及规范要求；文献［3］主要介绍了型钢柱的制作与安装过程的质量控制，通过实例分析总结了一套成熟工艺流程；文献［4］主要是结合型钢混凝土柱结构的特性，阐述了其在高层建筑的发展和应用；文献［5］介绍了型钢柱加工制作中的组立、焊接工艺，运用先进的焊接技术确保了在制作及安装过程中的精度控制；文献［6］详细阐述了苏州高新国际商务广场型钢柱安装施工过程，从设计、制作、安装等几个步骤说明对重大型钢柱安装时的重点和难点；文献［7］对苏州地铁站逆作法H型钢柱安装的技术进行了分析，针对性地提出了H型钢柱的安装施工方法；文献［8］通过工程实例叙述型钢混凝土梁柱的施工工艺流程和制作安装及质量控制措施。现众多文献主要介绍型钢柱的加工制作及安装技术，而本文论述的是如何在高强度岩层中快速成孔的施作方法，并结合深圳地铁11号线车公庙枢纽本身工程特点提出利用型钢柱定位架在钻孔灌注桩内对型钢柱进行快速精确定位的关键技术。

1 工程概述

1.1 工程设计概况

深圳地铁11号线车公庙枢纽位于深圳市深南大道与香蜜湖路交叉口，为7，9，11号线与既有运营1号线换乘综合枢纽站，是深圳仅次于福田交通综合枢纽的又一重要“立体式”交通枢纽，也是华南片区最大的地铁枢纽。

车公庙枢纽工程除7/9号线车站刀把段采用明挖顺筑外，其余均采用盖挖逆作法施工。盖挖支撑体系主要是：围护结构采用厚度为1 000 mm的地下连续墙（使用阶段兼做抗浮构件），中间十字型钢立柱及桩基础（桩基础同时使用阶段兼做抗拔桩）。车站盖挖结构采用一桩一柱，基底以下支承桩采用φ2 000钻孔灌注桩。11号线车公庙站共设计中立柱107根，型钢柱截面为500 mm×700 mm，单根型钢柱长约18 m，插入抗拔桩混凝土长度为2.2 m。钻孔桩孔深达50 m，进入微风化层2 m。7/9号线车公庙站共设计中立柱83根，断面尺寸公共区600 mm×900 mm，设备区600 mm ×600 mm，钢板厚50 mm和60 mm 2种规格，插入抗拔桩混凝土深度公共区为2.8 m，设备区为2.2 m。钻孔桩孔深达36 m，进入微风化层3～6 m。车公庙枢纽型钢柱主要分布及典型横断面见图1所示。

图1 型钢柱平面布置图及典型横断面图Fig.1 Plan layout and cross-section of shaped steel columns

1.2 工程地质

基坑范围主要为黏性土层，部分为砂层和淤泥质土层，11号线车站底板位于砾质黏性土和全风化花岗岩层，中立柱基础位于全－强风化花岗岩层中。7，9号线车站底板主要位于全、强风化地层，局部位于中－微风化地层，中立柱基础底大部分位于中、微风化花岗岩层。该区域微风化岩层单轴抗压强度达120 MPa以上。

1.3 工程特点

车公庙枢纽站型钢柱工程具有工作量大、工序复杂、工期紧等特点。车公庙枢纽共计190根型钢柱，该型钢柱为车公庙枢纽站盖挖逆筑结构板主要竖向承重结构，同时也作为地下结构抗拔桩，单桩设计抗拔力特征值最大为8 920 kN。另外部分型钢柱还作为后续香蜜湖立交改造后桥墩桩基础，最大竖向承载力设计值为10 350 kN。该型钢柱基础为直径2.0 m钻孔灌注桩，钻孔桩深度为33～50 m，入岩深度达3～6 m。该单项工程要求在3.5个月内完成。

型钢柱全部委外加工厂制作完成，十字柱组立流程图见图2所示。

图2 十字型钢柱组立流程图Fig.2 Procedure of assembly of cross-shaped steel columns

1.4 关键技术

本文论述的主要关键技术有2点：一是采用进口旋挖钻机（德国宝峨－40）快速钻岩取芯成孔（见图3），解决了在高强度岩层中快速成孔，确保该项工程优质高效顺利完成；二是利用型钢柱定位架＋加长工具节运用短边矫正长边的原理对型钢立柱实施快速准确定位，既满足了型钢柱安装定位精度高的要求（垂直度1‰），又快速顺利地完成了该项工程。

图3 宝峨－40钻岩取芯顺序Fig.3 Core taking procedure of Baure BG40 rotary drilling rig

2 方案优化

2.1 原先插法施工工艺

型钢立柱安装总体原理是采用短边矫正长边来确保型钢柱垂直度。原方案是先插法，即在钻孔桩成孔之后迅速安装型钢柱定位架，再利用定位架对型钢柱进行矫正定位，最后利用特制的导管在“十”字型钢柱斜角对称浇筑混凝土。详细流程见图4。

2.2 优化为后插法施工工艺

由于先插法定位架安装及型钢柱矫正定位等工序时间长，另外安装特制导管复杂，同时增加了二次清孔的时间。这些工序让本身地质条件较差（存在部分粗砂、砾砂）的地层环境增加了塌孔的风险，另外在定位架内利用特制导管浇筑混凝土、提管等工序复杂，既影响混凝土浇筑质量又延长了该项工程施工时间。经现场反复理论研究，决定将型钢柱原先插法优化为后插法。通过混凝土厂家多次试验调整配合比，保证混凝土初凝时间≥6 h，进而确保了型钢柱后插法的顺利实施。后插法施工工艺流程见图5。

2.3 2种施工工艺对比

经现场实践，对“先插法”和“后插法”进行了研究分析，其优缺点对比如表1所示。

3 施工工艺要点

3.1 大型钢结构支架定位

型钢柱定位首要任务就是将型钢柱定位架定位安装在孔桩的上方，使定位架的十字轴线与型钢柱的轴线重合。若要将型钢柱定位架中心及轴线与孔桩（即型钢柱）的中心及轴线重合是非常困难的。为方便履带吊将型钢柱定位架一次吊装定位，现场技术组发明了一种引导型钢柱定位架定位装置。型钢柱定位如图6所示。

该装置可精确定位型钢柱定位架的4个支脚，支脚由4个液压千斤顶构成。首先测量出型钢柱定位架的中心及轴线，结合该轴线测量出4个支脚的相对坐标位置关系。然后将该装置在地面坐标确定并放样，由于该装置开口的大小与支脚（液压千斤顶）大小相同，所以在履带吊将型钢柱定位架起吊后，很容易将定位架的4个支脚“卡上”该定位装置。最后利用千斤顶反复调整型钢柱定位架使其水平。该定位装置既快速、又准确，并且轻便、容易制作，这也保证了型钢柱定位的高效性。

图4 原型钢柱安装工艺流程（先插法）Fig.4 Procedure of installing shaped steel columns before concrete casting（originally-designed method）

图5 优化后型钢柱安装工艺流程（后插法）Fig.5 Procedure of installing shaped steel columns after concrete casting（optimized method）

3.2 型钢立柱吊装精确定位

型钢柱定位采用定位架进行安装定位。采用定位架就位型钢柱的施工原理是通过定位架上下4个千斤顶2台油泵，调整型钢柱中心与定位架的中心重合。对型钢柱进行“两点成直线”的原理进行定位，从而达到整个型钢柱上下在一条垂直线上，并用全站仪复核控制其垂直度。采用短边矫正长边原理调整定位架上方工具节水平位置及垂直度，从而调整整个型钢柱的中心及垂直度。

表1 2种施工工艺对比分析表Table 1 Comparison and contrast between method of installing shaped steel columns before concrete casting and that after concrete casting

图6 型钢柱定位图Fig.6 Positioning of shaped steel columns

3.3 型钢立柱安装垂直度检测

型钢柱的垂直度检测方法通常有经纬仪法、普通测斜管法、激光测斜管法和角度传感器法。这些方法在工程中均有应用。经纬仪法、普通测斜管法是目前常规使用的方法，但精度较低，实施效果一般；激光测斜管法实施效果较好，但造价较高，目前应用较少；角度传感器法通常与智能调垂直系统同时使用，实施效果好，目前应用较为广泛。

在型钢柱上安装3个倾角传感器模块，作为柱体定位和后期监测的数据采集设备和无线传输模块。安装如图7所示。

图7 倾角传感器安装示意图Fig.7 Installation of inclination sensors

具体操作情况：

1）将倾角传感器模块和无线传输模块按安装图7布线安装固定后，接上电源进线终端上位机调试，检测通信。

2）通过吊车将型钢立柱吊起，让其依托重力自然铅垂，通过系统终端上位机将型钢柱内安装的3个倾角传感器模块进行置零操作。利用全站仪复核型钢柱铅垂情况。

3）在“置零”后，开展型钢柱定位操作。在定位操作过程中需要监测型钢柱是否歪斜，需停止下放的动作并查看终端上位机显示的数据是否有偏移（标准0.05°），有则调整下放方向。

4）定位成功，后期监控通过终端上位机查看倾角传感器模块上传的数据。

根据设计要求，型钢柱的垂直度要求控制在1/1 000，即型钢柱的偏角应小于0.06°。根据测试，在实际安装过程中，型钢柱的偏角约为0.05°，满足设计要求。

4 结论与建议

在岩层中施作型钢立柱技术在国内已属成熟工艺，本文论述的重点是在高强度岩层中快速成孔，以及对型钢柱安装工序、定位进行的改进。主要结论如下：

1）采用先进的岩层取芯设备，运用分层扩孔多次取芯法，速效快，能降低噪音。

2）原型钢柱先插工艺优化为后插法，大大提高了工序的时效性。

3）巧妙地利用型钢柱定位架支腿定位，取消了原始的定位架整体移动校正，使型钢柱达到了快速安装的目标。

4）运用先进的角度传感器法实时校正型钢柱垂直度，确保型钢柱实现了准确定位。

由于在型钢柱的后插过程中始终伴随着泥浆或混凝土表面部分浮渣，该泥浆和浮渣将会影响型钢柱端部承载力，故现场采取了预留后期注浆管。后续类似工程可建议调整型钢柱端部设计，如设计为锥形或其他形式来解决此类问题。

（References）：

［1］ 徐佳杰，黎华元，刘洪.浅谈十字型钢柱的制作工艺及现场安装［J］.安装，2011（5）：59－61.

［2］ 齐镇，纪华亭，宋军，等.建筑钢结构十字柱高空安装施工技术［J］.施工技术，2012（S）：273－275.（QI Zhen，JI Huating，SONG Jun，et al.High-altitude installation technology of cross-type profile steel column［J］.Construction Technology，2012（S）：273－275.（in Chinese））

［3］ 董卫国，林厚超.浅谈型钢混凝土中型钢柱的施工技术［J］.浙江建筑，2006，23（3）：43－44.

［4］ 崔啟刚.浅谈型钢混凝土柱的发展及特性［C］//河南省土木建筑学会2010年学术大会论文集.洛阳：洛阳规划建筑设计有限公司，2010：303－305.

［5］ 庞忠.大截面超长十字型钢柱制作安装技术［J］.甘肃科技，2013（11）：132－135.

［6］ 刘新会.重大型钢柱安装施工技术［J］.建筑施工，2010 （6）：52－55.

［7］ 张学军.地铁逆做法H型钢柱安装施工技术［J］.科技情报开发与经济，2008（31）：211－213.（ZHANG Xuejun.Talking about the installation construction technology of H-section steel mast with subway reverse construction technique［J］.Sci-Tech Information Development＆Economy，2008（31）：211－213.（in Chinese）

［8］ 翁华为，华锦耀.型钢混凝土梁柱的施工技术［J］.工程设计与建设，2004（3）：28－32.（WENG Huawei，HUA Jinyao.Construction technology of ferroconcrete beams and columns［J］.Engineering Design and Construction，2004 （3）：28－32.（in Chinese））

Case Study on Installation of Shaped Steel Columns in High-strength Rocks in Construction of Chegongmiao Station of Line 11 of Shenzhen Metro

CHEN Yu，LI Hailong
（The Third Engineering Co.，Ltd.of China Railway Tunnel Group，Shenzhen 518052，Guangdong，China）

In the construction of Chegongmiao Station of 11301 bid section of Line 11 of Shenzhen Metro，shaped steel columns need to be installed rapidly and accurately into high-strength rocks（with 120 MPa uni-axial compressive strength）.The following two key technologies are adopted to fulfill the difficult job：1）Advanced core-taking drilling rig is used and special core taking process is adopted so that large diameter（with 2.0 m diameter）boreholes can be drilled rapidly in the high-strength rocks（with 1.5～2.0 m cyclic drilling rate）；2）The method of installing the cross-shaped steel columns after concrete casting is used so that the shaped steel columns can be installed rapidly and accurately.In the end，the job has been fulfilled successfully.

Metro station；high-strength rock；rapid borehole drilling；cross-shaped steel column；method of installing steel columns before concrete casting；method of installing steel columns after concrete casting；accurate positioning

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.012

U 45

A

1672－741X（2014）04－0362－06

2013－11－27；

2014－03－11

陈瑜（1974—），男，四川西充人，2008年毕业于石家庄铁道学院，交通土建专业，本科，工程师，从事市政及地铁施工管理工作。