盖挖地铁站大直径超长钢管混凝土柱施工技术

于世飞

中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000

1 工程概况

太原火车站东广场地铁站站台中心里程为YDK13+220.00，车站起止里程为YDK13+129.500～YDK13+309.500，车站长180m。本站采用地下三层双柱三跨箱形框架的结构形式，地下一层为市政隧道，地下二至四层为地铁车站，车站与市政隧道共构合建，高6.37m，总宽39.3m，地下三、四层标准段宽23.5m，高15.47m，车站总高21.84m。主体结构第12 轴～18 轴采用盖挖逆筑法施工。

盖挖顶板下部设计14 根Φ800mm 钢管混凝土柱作为基坑开挖及结构回筑阶段的主要受力构件，采用“一桩一柱”设计，钢管柱壁厚20mm，直径为800mm，长度为23.47m。钢管柱底部为Φ2000mm 桩基础，桩长为66m，钢管柱锚入桩基础长度为3500mm。设计采用泥浆护壁成孔灌注桩进行施工，桩基础混凝土为C40 P12 混凝土，钢管柱内为C50 微膨胀混凝土。

2 工程地质

根据地质调查及钻探，场地地层主要为第四系全新统人工堆积层（Q42ml）、第四系上更新统坡洪积层（Q3dl+pl）、第四系中更新统冲洪积层（Q2al+pl）。岩性包括杂填土、素填土、湿陷性粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、粉土、粉砂、细中砂等。

3 工程重难点分析

3.1 桩基础为大直径超长钻孔灌注桩，施工质量控制难度大

本工程钢管混凝土柱底部为Φ2000mm 桩基础，桩长为66m，为钻孔灌注桩，成孔深度达86m，桩孔垂直度极难控制，且钢管柱及其桩基础主要穿透湿陷性粉质黏土、粉砂等地层，塌孔风险极高。因此大直径超长钻孔灌注桩施工质量控制是本工程的重难点。

3.2 桩基混凝土为超缓凝混凝土，其配合比设计和实施复杂

根据本工程桩长、商品混凝土搅拌站距离，考虑钢管柱安装时间，混凝土缓凝时间不小于24h，且在桩基水下混凝土灌注完成后，钢管柱需要插入混凝土3.5m，混凝土流动性要保持至钢管柱插入以后，所以该超缓凝混凝土配合比设计和实施是钢管柱施工的关键。

3.3 钢管柱构件大，安装质量要求高

本工程钢管柱壁厚20mm，直径为800mm，长度为23.47m，钢管柱构件大，安装质量要求高，钢管柱的精确定位和垂直度控制是本工程的重点和难点。

4 钢管混凝土柱施工工艺

钢管混凝土柱采用旋挖钻机成孔，成孔后下放柱下桩基钢筋笼并浇筑超缓凝混凝土，其施工工艺流程：

施工准备→测量放样→埋设护筒→钻机就位→钻进成孔→成孔检测→清孔→吊放钢筋笼→安装导管→超缓凝混凝土拌制和灌注→工作井成孔，浇筑钢管柱内混凝土→安放定位平台→吊放钢管柱→定位平台拆除→钢管柱周围回填细砂。

5 钢管混凝土柱施工关键技术

5.1 钢管柱底桩基钻进成孔

5.1.1 测量放样

根据设计图纸对桩位进行放线，严格控制桩位精度，由测量队提前将要施工的桩位在施工平台上放出，并打设四个十字保护桩，利用护桩控制护筒埋设，可以随时复核桩位，确保桩位准确。

5.1.2 埋设护筒

护筒采用Φ2200mm×5000mm 定制钢护筒，用人工配合机械开挖埋设，要放置在硬土面上并临时联结到平台，护筒周围回填粘土并夯实。其顶端要高出地面不少于0.3m，悬挂垂球测量其倾斜度，以保证不大于1%，护筒中心与桩位中心偏差不得大于50mm。

5.1.3 钻孔

采用旋挖钻钻孔，护筒埋设后，钻机就位对中，将钻机纵横调平，保证其垂直度，并再次校核桩中心位置，钻孔时采用泥浆护壁，在钻进过程中应及时添加新鲜泥浆，使其高于孔外水位，配制泥浆选取水化性能较好、造浆率高、成浆快的膨润土；在圆砾、砂石等地层浆液渗漏较快时，适当加大泥浆密度，再掺入纤维素和纯碱等外加剂，使用钻机钻头在孔内搅浆，防止泥浆护壁护不上。钻进至设计标高后，进行第一次清孔。钻孔过程中挖掘机配合运输车，及时将钻渣清运，保持现场整洁。

5.1.4 清孔

为了保证清孔质量，采用二次清孔，第一次清孔利用成孔结束后不提钻慢转清孔，调制性能好的泥浆替换孔内稠泥浆与钻渣，以泥浆性能参数控制。第二次清孔是在下好钢筋笼和导管后进行，利用导管进行清孔，清孔时经常上下窜动导管，以便能将孔底周围虚土清除干净。在第二次清孔后1h 内及时注入第一斗混凝土。否则重新测量沉渣或清孔。清孔后沉渣厚度要符合设计要求。

5.2 钢筋笼、钢管柱制作

钢筋笼制作统一在钢筋加工场进行，用卡板成型法控制钢筋笼直径和主筋间距，根据钢筋骨架设计长度的不同，钢筋笼分节制作与安装，每一节笼长一般不大于12m，以免运输、吊装时变形。钢筋笼接头采用直螺纹套筒，接头在构件同一平面内不得大于50%。

钢管柱采取外委加工方式，加工过程中，安排管理人员驻厂监造。钢管柱加工完毕出场前，按规范要求检查验收钢管柱质量。钢管柱的装卸及运输过程中，采取支顶、加固、捆绑等有效措施，防止钢管柱滚动、变形。

5.3 钢筋笼吊装

钢筋笼吊装入口后，调整好垂直度后缓慢下放，下放过程中严禁碰触孔壁。骨架下降到最后一道加强箍筋时，用2 根型钢穿过加强箍筋的下方，使骨架竖直，进行套筒连接，主筋对位后使用扭力扳手拧紧套筒，确保钢筋连接符合要求。钢筋笼最后一节按设计标高就位后焊接吊筋，下部焊接与主筋上，上部与钢护筒顶部焊接固定，防止混凝土浇筑过程中钢筋骨架上浮。

5.4 超缓凝混凝土拌制、灌注

为保证钢管柱有充足时间精确定位、插入混凝土内，本工程桩基混凝土采用超缓凝混凝土。

5.4.1 混凝土超缓凝时间的确定混凝土缓凝时间是根据桩基混凝土浇注完成到钢管柱插入完成所需时间，根据本工程桩长、商品混凝土搅拌站距离，设定浇筑时间t=12h，钢管柱插入所需时间为5h，考虑到其他突发因素影响，混凝土缓凝时间按照不小于24h。

5.4.2 混凝土工作性的确定

（1）流动性：水下灌注混凝土施工不具备振捣条件，靠混凝土自身重量产生流动在桩基底部摊平和捣实，尤其是大直径长钻孔桩的浇筑时间较长，若流动性较差，就会造成灌注困难、堵管，无法正常灌注，甚至会出现断桩，引发质量事故及较大的经济损失。桩基混凝土浇筑完成后，钢管柱需要插入混凝土3.5m，混凝土流动性（塌落度）要保持流动性到钢管柱插入之后。

（2）黏聚性和保水性：水下灌注混凝土要有较好的黏聚性和保水性，以防止因混凝土的离析、泌水在灌注过程中出现碎石在导管中局部集结，造成"卡管"，引发质量事故。

5.4.3 混凝土的坍落度损失的确定

根据商品混凝土公司距离工地的距离，测定出混凝土从拌和开始到运到工地施工现场时间为80 分钟，保险起见考虑混凝土1h 坍落度损失率控制在在11%以内。

5.4.4 超缓凝混凝土配合比的配制

根据钢管柱施工工艺所需要的缓凝及流动性的时间，根据原材料的实际情况、经过多次的试配，确定缓凝外加剂及混凝土的的配比。

5.4.5 混凝土灌注

在灌筑混凝土前，要对导管进行水密、承压和接头抗拉试验，合格后，分段拼接，用吊车吊入孔内拼成整体。钢筋笼就位经检查合格后，立即下导管、安装漏斗、储料斗及隔水栓。导管底部离孔底0.3～0.4m，储料斗的容积要满足首批灌筑下的混凝土埋置导管深度的要求（不小于1m）。

灌注混凝土时，随时用测绳检查混凝土面高度和导管埋置深度，严格控制导管埋深，防止导管提漏或埋管过深拔不出而出现断桩。导管埋深要考虑混凝土表面的浮渣厚度，导管埋入混凝土的深度一般控制在2～6m。灌注混凝土过程中要做好详细记录。

5.5 钢管柱内混凝土浇筑

为确保钢管柱插入混凝土时，不因浮力过大无法精准定位，本工程采用先浇筑钢管柱内混凝土，后吊放钢管柱的施工方法。

在桩孔钻进施工的同时，在场地空地处打设2 个直径1000mm，深度22m 的桩孔，作为工作井使用。用吊车将加工制作好的钢管柱放入工作井中，按照钻孔灌注桩施工工艺依次安放钢管柱内钢筋笼和导管。为防止混凝土浇筑过程中发生离析现象，柱内混凝土选用C50 微膨胀混凝土，采用导管法灌注钢管柱内混凝土，柱顶范围内混凝土采用插入式振捣棒进行振捣，待混凝土达到初凝后方可吊装钢管柱。

5.6 钢管柱定位安装

5.6.1 工具柱连接

本工程钢管柱在地面以下有一定的高度，为确保定位架能将钢管柱送至设计标高，在安装钢管柱时需加接一根工具柱，长度6m，直径和材质与钢管柱相同。在钢管柱吊放前，用140t履带吊将工具柱吊至钢管柱顶端，用螺栓将工具柱连接在钢管柱上；连接时各螺丝必须拧紧，螺母拧紧后涂上润滑脂，将套筒杆套在螺母上；然后将钢管柱端的螺母焊接在钢管柱上。

5.6.2 定位平台安装

混凝土灌注结束及导管拆除后，迅速用履带吊将钢管柱定位安装平台安装在护筒边上。平台安放时要将平台的中心线与桩轴线重合，若因护筒偏差，平台中心与桩位的偏差不得大于50mm。平台就位后，用千斤顶将平台调平，用电动冲击钻打Φ25mm×200mm 的孔，插入Φ25×350mm 的螺纹钢并与平台焊接在一起，确保平台不偏移。将平台上的四根调整导轮的横杆调至大于1.2m 位置，以便钢管柱下放不碰撞平台。测量组在平台顶端和下端各设置四个控制点，以便钢管柱下放时控制中心度。

5.6.3 钢管柱安装

用履带吊将钢管柱从工作井吊至安装平台顶部，从上部缓缓插入桩孔内。钢管柱底插至离桩顶混凝土上1 米时停止下放，然后通过控制点测出钢管柱工具柱与桩的中心偏差。将调整抬杠移至相应位置，并用螺栓固定。固定完成后，调整平台上部顶轮的调整螺丝，利用顶轮将工具柱顶至钢管柱中心位置并锁定调整螺母；然后调整平台下部导轮。调整完成后钢管柱中心偏差不得大于5mm。钢管柱对中后，吊车缓缓下放钢管柱至设计标高。

5.6.4 钢管柱固定

钢管柱安装至设计标高后将固定抬杆放置至护筒边两根工字钢上，并用两块300×300×25 三角板焊接在工具节和抬杆上。待混凝土达到一定强度后，方可拆除安装平台。

5.6.5 钢管柱周围回填

安装平台拆除后，在护筒周边设置围挡，保证钢管柱及工字钢不被碰撞。待钢管柱底部桩基超缓凝混凝土和柱内微膨胀混凝土强度达到规范要求后，用细砂对钢管柱周围空桩部分进行均匀回填。

6 结语

太原火车站东广场地铁站采用盖挖逆筑法施工，承重结构为大直径超长钢管混凝土柱，其结合了钢结构和混凝土结构各自的技术特点，具有承载力高、延性好，耐火耐腐蚀性强，抗震性能优越，施工方便等优点，消除了地铁站结构盖挖施工过程中的安全隐患，为地铁站结构的施工质量提供了保证，增强了地铁站结构的稳定性。大直径超长钢管混凝土柱施工技术在类似盖挖地铁站工程施工中有一定的推广意义。