HPE工法插入钢管柱技术在地铁工程中的应用

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  摘  要:结合乌鲁木齐地铁钢管柱施工实践,论述了HPE 液压垂直插入机在地铁盖挖法中钢管柱施工的施工工艺和施工要点,较好地解决了传统人工下孔作业效率低、安全性低、施工工序复杂、成本高、误差大等诸多问题。本文旨在总结HPE法盖挖钢管柱施工经验,为业内类似工程的施工提供借鉴和参考。
  关键词:盖挖法;HPE液压垂直插入机;钢管柱;緩凝混凝土;施工要点
  Abstract:Combined with the construction practice of steel pipe column in Urumqi Metro, this paper discusses the construction technology and key points of HPE hydraulic vertical insertion machine in the construction of steel pipe column in the cover-excavation method of Metro, and better solves the problems of low efficiency, low safety, complex construction process, high cost and large error of traditional manual hole-drilling operation, aiming at summarizing the HPE method. At the same time, it provides reference for similar projects in the industry.
  Key word: HPE Hydraulic Vertical Insertor; Steel Pipe Column; Retarded Concrete; Key Construction Points
  1 引言
  随着城市建设的发展,地铁建设中盖挖法施工已经形成良好的发展趋势,其中钢管柱作为盖挖法中永久性结构支撑体系是目前最好的选择。但地铁施工环境条件要求苛刻,施工工期压力大,质量要求高,钢管柱施工常规做法很难满足实际情况的需要[1]。相比传统人工定位钢管柱的诸多缺点,HPE液压垂直插入钢管柱施工技术大大增加了工程质量的控制措施,保证了钢管柱中心定位精度、垂直度精度,解决了施工安全性低等问题。本文以乌鲁木齐地铁3号线钢管柱施工的实例为依托,介绍了HPE液压垂直插入钢管柱施工的工艺流程,重点对施工要点进行探讨,希望在以后同类工程中得以推广应用。
  2 工程简介
  乌鲁木齐市轨道交通3号线一期工程主要连接沙依巴克区和新市区。3号线一期工程自仓房沟站至四工站,主要沿仓房沟路、长江路、扬子江路、友好路、长春路、三工路敷设。一期工程全长21.2km,共设车站18座,平均站间距1246.6m,其中珠江路站、鲤鱼山公园站、长春南路站及四工站盖挖部分均采用了HPE工法插入永久钢管柱施工技术,本文主要从四工站讲述盖挖法中HPE液压垂直插入机插入钢管柱的应用。
  2.1 工程地质、水文地质条件(概况)
  根据勘察报告得知,四工站建设场地位于工程地质Ⅲ区,为冲洪积平原地貌,场地地层岩性复杂多样,表层主要为第四系松散沉积物,下伏侏罗系(J)的砂岩、泥岩和砾岩。地层自上而下为:①-2卵石素填土、④-10卵石、⑤-10卵石(典型的工程地质剖面图如图1),从野外钻探、现场调查来看,卵石层一般粒径20-80mm,含漂石,最大粒径不小于200mm,桩基最大埋深27.6m,桩底持力层为⑤-10卵石层。勘察期间勘探深度50m内未见地下水,可不考虑地下水对工程的影响。
  2.2 工程概况
  车站范围内设置两块盖挖顶板,分别为22.2×23.6m、20.9×23.6m。每块盖挖顶板支撑柱采用6根Φ700mm(t=20mm)钢管柱结构,柱内灌注C50膨胀混凝土,柱下设Φ1800mm混凝土灌注桩基础,采用旋挖钻成孔。钢管柱与顶板、中板和底板相接位置设置环形钢牛腿;钢管柱桩基础混凝土强度等级车站底板3.45m以下C30混凝土临时桩基,底板以下3.45m内C45 P10高性能混凝土,钢管柱锚入桩基1.95m。本工程处于市区主要交通干道下方,具有工期紧、任务重的特点,采用盖挖顺做法施工。
  2.3 HPE液压垂直插入机工作原理
  HPE液压垂直插入机根据二点定位的原理,通过HPE液压垂直插入机机身上的两个液压垂直插入装置,在桩基混凝土浇筑后、混凝土初凝前将底端封闭的永久性钢管柱垂直插入支承桩混凝土中,直到插入至设计标高。
   首先将钢管柱垂直吊起到液压插入机上,由液压插入机将钢管柱抱紧,同时复测钢管柱的垂直度。然后由上下两个液压垂直插入装置同时驱动,通过其向下压力将钢管柱垂直向下插入,液压定位器将钢管柱抱紧后,按照从下到上的顺序依次松开液压定位器,再由两个液压垂直插入装置同时将钢管柱向下插入,重复上述步骤[2],直至插入到设计深度要求。
  3 施工工艺
  3.1 工艺流程
  桩基成孔(安装钢护筒长度至钢管柱顶)→基础桩基缓凝混凝土浇筑→HPE液压垂直插入机就位对中→调整HPE垂直插入机水平度→吊装钢管柱(含工具柱)→钢管柱对中→HPE液压插入机垂直插入钢管柱→重力平衡→钢管柱孔口固定→钢管柱四周回填砂碎石→拆除工具柱→HPE液压垂直插入机移位→下放钢管柱内钢筋笼并浇筑混凝土→回填孔口拔除钢护筒。
  3.2 HPE机就位对中
  基础桩基缓凝混凝土灌注完成后,重新放样出桩位中心,在护筒上用十字线进行标记。复核桩位后,将HPE液压插入机械的定位器中心与基础桩桩位中心放在同一垂直线上,然后吊装HPE垂直插入机就位,HPE液压插入机根据定位器就位对中,就位对中后,可手动或自动调整HPE液压插入机的水平度,保证垂直度及水平度,并重新复核中心位置,固定HPE插入机,满足要求后即可吊装永久性钢管柱入孔。   3.3 HPE机插入永久性钢管柱
  永久性钢管柱柱顶标高一般在覆土以下,而HPE液压垂直插入机在原地面上工作,故需利用一个同直径、同轴线的工具柱连接至永久钢管柱上,利用工具柱将永久性钢管柱插入至桩基混凝土之中,直至达到设计标高。
  完成机械定位后,永久钢管柱吊放至HPE垂直插入机内,下入孔内至第二道法兰后,由HPE垂直插入机抱紧钢管柱,并复测钢管柱垂直度,满足要求后在第二道法兰上方安装一个垂直传感器,并设置吊环便于回收使用;刚开始下放钢管柱时,由于钢管柱的自重,钢管柱能自由下入孔内一定深度,当浮力大于钢管柱重量后,由HPE垂直插入机将钢管抱紧,由液压插入装置的液压下压力将钢管柱下压插入孔内,当插至混凝土顶面后,重新复测钢管垂直度,此时可根据钢管柱下部安装的传感器反映到垂直仪上的信号来确定钢管柱的垂直度,满足垂直度要求后继续下压插入至混凝土中;如不满足要求可调整HPE垂直插入机的水平度直至钢管柱垂直度满足要求。
  3.4 钢管柱四周回填碎石
  HPE液压垂直机完成插入钢管柱后,即可在钢管柱四周开始回填砂砾土,为保证回填的密实度,砂砾土的粒径不得大于25mm,回填时注意四周对撑回填,以免干扰钢管柱,注意回填至接近钢管柱顶部时,要预留人工拆除工具柱的操作空间,回填钢管柱顶标高下60cm为宜,上部等工具柱拆除后回填。
  3.5 钢管柱内灌注混凝土
  当钢管柱四周完成砂砾土密实回填、桩基达到强度后,钢管柱在四周砂砾土作用下,即可拆除上部工具柱,割除钢管柱与工具柱连接部位,拆除送柱工具柱后由吊车将HPE液壓垂直插入机移位,移位前应进行重力平衡,以免钢管桩上浮。并回填密实柱顶60cm砂砾土。之后,可进行钢管柱内浇筑混凝土,根据钢管形式及长度,采用高抛浇筑法进行浇筑。高抛自密实法是通过一定的抛落高度,充分利用混凝土坠落时的动能及混凝土自身优异性能,达到密实效果[3]。混凝土采用C60高强度自密实微膨胀混凝土,高抛免振捣混凝土的胶凝材料用量不宜低于380kg /m?,并不宜超过 600kg/m?[4]。钢管内混凝土必须在混凝土初凝前浇筑完毕,包括混凝土运输、浇筑、间歇的全部时间[5]。钢管柱内的混凝土达到初凝后,回填碎石或易密实的砂土至孔口,拔除钢护筒,压实钢护筒拔出后松散土壤。
  4 施工要点
  4.1 桩基缓凝混凝土
  考虑HPE液压垂直插入机插入钢管时需要一定工作时间,为创造钢管能准确顺利锚入桩基设计标高,桩基的混凝土要有一定缓凝时间,如缓凝时间过短,则会对后续的钢管柱正常插入带来困难;缓凝时间过长,则会影响钢管柱插入后的稳定[6]。混凝土凝结时间主要影响因素有水泥的凝结时间、缓凝外加剂掺量和外界的温度等,拌和混凝土前需通过配合比设计和试验,配置出满足施工要求的缓凝混凝土。根据本工程施工实践,总结最小最大混凝土缓凝时间公式如下:
  本工程中,混凝土运输时间按1小时计算,混凝土浇筑时间按2小时计算,HPE机安装调整时间按4小时计算,钢管柱安装调整时间按6小时计算,合计时间约13小时,考虑其他原因,预留变动时间8小时,Hmin=21小时。钢管柱安装就位后,回填钢管柱外砂砾土7小时,之后间隔12小时开始转移HPE,Hmax=40小时。缓凝混凝土缓凝时间范围宜控制在21~40小时之间。
  4.2 钢管柱制作安装
  钢管柱所用钢材采用Q345B,材质应符合国家规范标准和行业规范标准,钢管下料应根据设计图纸及工艺要求预留制作时的焊接收缩量和切割端铣等交工余量,焊接质量应满足设计焊缝质量等级,焊接强度不应低于管材强度。钢管构件进场抽查尺寸允许偏差:见表1
  钢管柱安装前应采用超声波探伤进行焊缝内部检查,且应满足相应设计要求的焊缝质量等级。在安装钢管柱时,应满足下表允许偏差:见表2
  需在原有钢管柱设计图纸上增设封头,封头位于钢管柱底端,主要作用有:锥台形封头更利于克服缓凝混凝土浮力,锚入桩基至设计标高;封头可有效防止缓凝混凝土进入钢管柱内。
  本工程盖挖顶板距原地面5~6m,钢管柱柱顶标高距原地面有一定高度,HPE垂直液压插入机无法将钢管柱直接送至设计标高,故需在原有设计钢管柱上加长一节适宜长度的工具柱,辅助HPE机将钢管柱送至设计标高,工具柱长度不小于HPE垂直液压机的高度+钢管柱顶至地面高度+2米,同时为保证钢管柱安装的垂直精度,工具柱加工材质、质量和直径要求同钢管柱。为准确把工具柱安装至钢管柱上,需在每个钢管柱上增设一个柱帽,柱帽高度500mm,柱帽外径尺寸应以恰好镶嵌于工具柱内径为宜,以便保证工具柱与钢管柱同轴。
  4.3 钢管柱防腐措施
  钢管混凝土柱防腐设计使用年限100年。钢管防锈和防腐采用的涂料、钢管及其附件表面的除锈等级、防腐蚀对钢结构的构造要求,应符合《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB 50046-2008)和《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB/T8923.1-2011)的规定。因为本工程中钢管柱为盖挖钢管柱,故在安装前就应做好钢管柱防腐工作,防止基坑开挖前基坑土及渗水对钢管外壁造成腐蚀。钢管柱及其附件均为特殊重要且维修困难的结构,钢管的除锈等级不得低于ST3或Sa2 。高强螺栓构件连接处的接触面的除锈等级,不低于Sa2?,并宜涂无机富锌涂料;连接处的缝隙,应嵌刮耐腐蚀密封膏[7]。螺栓螺母等应采用热镀浸锌防护,安装后再采用与主体结构相同的防腐蚀措施。防腐蚀涂料可选用环氧类涂料,涂层厚度不小于200μm。同时,钢管及其附件尚须满足防火等级要求。防火等级为一级,涂层厚度,根据所选材料确定。
  5 结语
  HPE 液压插入钢管柱是一项相对较新的施工技术,较传统人工安装定位器技术具有高安全、高效率、高精度、低能耗等特点,在乌市地铁3号线工程运用中得到了充分的验证,截止目前,3号线已完成了珠江路站、长春南路站及四工站钢管桩的施工,鲤鱼山公园站也完成了部分桩,经检验,远超了预期效果。随着城市轨道交通工程的不断发展,盖挖法已被普遍采用,HPE工法插入钢管柱以独具的优越性,在盖挖法中得到了广泛的推广,具有非常广阔的实用价值和应用前景。
  参考文献:
  [1]刘昌波.地铁车站钢管柱关键施工技术[J],建筑机械,2018,(04):91-94
  [2]朱元生.HPE液压垂直插入机施作钢管柱施工技术[J],铁道建筑技术,2012,(10):70-82
  [3]赵生廷.高抛自密实钢管混凝土施工技术[J],安徽建筑,2016,(02):37-39
  [4]JGJ/ T 296-2013,高抛免振捣混凝土应用 技术规程[S]
  [5]GB50628-2010,钢管混凝土工程施工质量验收规范[S]
  [6]孙晓东.HPE工法插入钢管柱施工的技术难点及处理方法[J],山西建筑,2013,(13):101-102
  [7]GB 50046-2008,工业建筑防腐蚀设计规范[S]
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