徐斌
上海隧道工程有限公司
摘 要：文章介绍了永临结合钢管柱桩在福州地铁4号线省立医院站的应用，着重介绍了永临结合立柱桩主要施工工艺，包括成孔、扩孔控制要点，工具柱的应用，并详细阐述了钢管柱后插法的具体施工工艺及控制要点。可为类似工程提供宝贵经验，并具有扩大应用范围的社会价值。
关键词：盖挖逆作法；永临结合钢管柱桩；后插法；钢管柱垂直度控制
0 引言
随着城市建设的不断提高，城市中心化的加剧，布设于城中心段主干路下方的地铁车站在建设中面对着越来越严峻的交通压力大，拆迁困难，施工场地极其狭小或需要分期进行施工的工况，也使得盖挖逆作法在地铁车站的建设中得到了更广泛的应用。而在盖挖逆作工法中，中间支撑桩柱是较为关键的工序之一，相较于临时立柱桩，永临结合立柱桩在盖挖逆作法施工中有以下优势：（1）永临结合钢管柱桩多与永久盖板（即逆作顶板）同时使用，逆作顶板代替临时盖板，解决了临时盖板下顶板施工难度大问题，无需对盖板进行拆除，较少一次交通导改（临时盖板拆除阶段）。也避免格构柱穿过顶板，对顶板防水有利。（2）永临结合钢管柱先于结构板施工避免了采用临时立柱桩，后续施工混凝土柱进行受力脱换时与结构板接缝常因密实性不够易引起结构板沉降形成裂缝及防水问题，同时无需施做混凝土柱及割除格构柱，对工期有利。文章将借助福州地铁4号线省立医院站盖挖逆作法中永临结合钢管柱的施工对盖挖逆作法中永临结合钢管柱桩的施工技术与应用进行探究。
1 工程应用
1.1 工程概况
福州市城市轨道交通4号线一期工程省立医院站为地下2层岛式车站，车站总长195.8m，标准段宽19.9m，端头井基坑深度22.1m，标准段基坑深度19.4m。东街口站及省立医院站车站主体采用地下连续墙作为围护，盖挖逆作施工。因场地条件限制，车站围护及主体结构由东西向纵缝分割为2期进行分期施工。
省立医院站竖向及水平地质差异较大，主要的土层包括：杂填土、填块石、粉质粘土、淤泥、淤泥质土、粉质粘土(Q3al）、（含泥）粗中砂、(含泥)粗砂、(含泥)卵石、残积砂质黏性土、强风化花岗岩（碎块状）（γ53）、强风化正长斑岩（砂土状）、全风化花岗岩、中风化花岗岩（γ53）、中风化正长斑岩（επ53）。车站西段约三分之一的地下二层结构位于7-1强风化花岗岩及8-1中风化花岗岩范围内，车站底板西段三分之一位置位于8-1中风化花岗岩层，但车站剩余范围的结构及底板又处于3-4-2淤泥质土层中。
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图1.1-1省立医院站平面示意图
1.2 永临结合立柱桩概况
车站主体分两期进行施工，优先施做部分围护结构及半幅逆作顶板，随后将社会交通导行至已完工逆作顶板上，施做剩余围护及主体结构。考虑车行盖板为永久顶板，顶板下方支撑柱采用永临结合钢管柱桩（以下简称钢管柱桩），桩型为旋挖取土液压扩底灌注桩（部分入中风化岩层无需扩底），钢管柱桩桩径为?1600/?1800，钢管柱管径为?800（部分为?1000），钢管柱插入钻孔灌注桩内4.2m～5.2m。对于入岩灌注桩，因入岩无法扩底，需根据岩层性质保证相应的入岩深度，以确保桩端承载力。灌注桩进入“碎块状内化岩（7-2/7-6-2）”或者“中风化岩层（8-1/8-4）”桩长如不满足设计要求时，桩底进入坑底以下“碎块状内化岩”或者“中风化岩层”深度应分别不小于2m、1m。
表1.2-1省立医院站旋挖扩底桩工作量计表
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2 永临结合钢管柱桩施工工艺
永临结合钢管柱桩施工主要施工工艺与传统临时立柱桩施工工艺大部份是一致的，主要区别在于钢管柱插入工艺设备及精度控制，而钢管柱插入工艺可采用先插法与后插法。省立医院站工程采用的是后插法进行永临结合钢管柱桩施工，主要施工工序如下：
钢管柱及钢筋笼制作→钢管柱与工具柱现场拼接→成孔（扩孔）→钢筋笼吊装→灌注桩混凝土浇筑→全回旋设备安放→钢管柱插入→静置待钢管柱稳固→吊离全回旋设备→拆除工具柱→柱内混凝土浇筑→桩端注浆。
2.1 成孔
永临结合钢管柱因其为永久结构，桩身及柱身垂直度要求极高，大多在1/1000，且其因需承担永久板及上方覆土荷载，桩身直径均较大，且底部需扩底，因此其成孔过程中的垂直度控制及孔壁稳定控制是重中之重。
钻孔灌注桩成孔工艺多样，常规的有旋挖钻机、反循环钻机、正循环钻机、冲击钻机等。在选择成孔工艺过程中，考虑以下盖挖逆作法的特点及省立医院站实际工程特点：
1、地质条件不均，软硬差异大，成孔范围内上部为杂填土、淤泥质土等较为软弱地层，下部为强风化及中风化岩层较硬地层，并存在大小不一的孤石；
2、地下水位较高，粉细砂及强风化岩层中存在承压水层；
3、成孔直径较大，为φ1600mm及φ1800mm，且中风化岩层强度高，在此岩层中难以一次成孔，需要采用不同直径钻头多次成孔。
最终选用了旋挖钻机+长护筒+泥浆护壁成孔工艺。
首先采用直径为1800（1900）mm的钻头进行前期挖掘埋设护筒，然后换上直径为1600（1800）mm的钻头进行轴部成孔。正常钻进施工中，在粘性土层钻进时，每钻进一个回次及时进行扫孔，以保证钻孔直径满足要求；在砂层钻进时，控制泥浆性能满足护壁要求，以保证孔壁的安全；注意往孔内及时补充浆液量，维持护筒内的水头高度，保证孔壁稳定。
钻孔过程中根据地质情况控制进尺速度:由硬地层钻到软地层时,可适当加快钻进速度；当软地层变为硬地层时,要减速慢进；在易缩径的地层中,适当增加扫孔次数,防止缩径；对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率；砂层则采用慢转速慢钻进并适当增加泥浆比重和粘度。在强风化岩层及中风化岩层中，考虑纠偏困难，需采取“慢进、随挖随纠”原则，严格控制钻机速度。在岩层中钻进，先采用小直径钻头（φ1200mm）钻进2m，后更换大直径钻头（φ1600mm/φ1800mm）进行钻进，如此反复循环，直至旋挖到底。
对于扩孔桩，轴部旋挖到设计标高后，更换扩底钻头进行扩底段挖掘，先进行扩底段上部挖掘，然后进行扩底段下部挖掘。
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图2.1-1 扩底钻头
2.2 工具柱
因永临结合钢管柱永久结构垂直度要求极高，为保证其1/1000垂直度要求的实现，需采用专业设备进行垂直度校正，而考虑其整体桩身柱身位于地面以下，桩孔内操作不便，须在地面采用设备进行校正，为了完成将钢管柱刚性的引至地面以上，故需采用工具柱进行连接及引长。
考虑实际应用过程中的工况，工具柱应具有以下特性：
1、工具柱可重复利用，强度高；
2、长度需确保满足地面至地下柱顶距离，且满足地面上校正设备所需的作业长度，同时兼顾重复利用过程中不同的高度需求和经济效益最终确定长度，
3、易安装，易拆卸，因拆卸过程需人工操作，且位于工具柱内，工具柱直径不宜过小，
4、因拆卸过程位于工具柱内地下狭小空间，不宜有动火作业。
省立医院站钢管柱采用整体下放插入，根据柱顶距离地面高度及上部操作空间，最终确定工具柱长度为9.8m。工具柱直径需考虑钢管柱顶部法兰盘直径及内部操作空间，工具柱内径要求略大于钢管柱顶部法兰盘直径，最终确定工具柱内径为φ1230mm。
在钢管柱吊装之前，临时工具柱与钢管柱进行对接，采用法兰连接，即满足刚度需求也避免了动火作业。连接完成后，整体吊装下放，待灌注桩混凝土达到一定强度，钢管柱周边回填，钢管柱稳固后拆除工具柱。 考虑钢管柱垂直度通过上部工具柱控制，保证工具柱与钢管柱直线度为重中之重。法兰连接时采用?36mm的高强螺栓进行紧固，为了保证两节钢管柱的垂直度，紧固螺栓时要对称进行，连接完成后需要进行直线度验收，验收合格后方能进行吊装。
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图2.2-1 钢管柱现场拼接示意图
工具柱拆除采用人员进入工具柱与钢管柱连接部位，拆除螺栓，达到工具柱与钢管柱分离。由于工具柱内空间较小，深度达9.8m，内部空气差，拆除作业上下通道及空气流通为施工重点。对此省立医院站工程在工具柱上设置爬梯，供人员上下。人员进入工具柱前，需对柱内空气进行检测，无有毒有害气体，并氧气达到正常浓度方能进入作业。进入工具柱内人员为1人，柱内操作人员身上绑紧安全绳，柱口需保证2人，并随时呼唤，一旦下方人员无回应，立马通过安全绳将柱内人员拉出。人员进入工具柱作业期间，配备一台鼓风机通风，鼓风机通过风管向下通风，风管长度长于工具柱。工具柱与钢管柱采用螺栓连接，拆除采用电动螺栓机进行拆除，严禁采用氧气乙炔进行切割作业。
2.3 钢管柱插入
钢管柱插入分为“先插法”与“后插法”，常用的是先插法，即钢筋笼下放→下放钢管柱→浇筑桩混凝土，考虑钢管柱外壁与钢筋笼间距无法满足导管下放要求，需钢管柱底开孔，混凝土导管由钢管柱内放入，进行桩柱混凝土浇筑。当钢管柱底开孔无法满足桩柱连接处强度时，往往采用后插法工艺，即钢筋笼下放→浇筑桩混凝土→钢管柱插入。两工艺对比如下：
1、后插法钢管柱底无需开孔，桩柱连接处强度高；
2、后插法要求钢管柱在灌注桩混凝土初凝前完成插入，考虑钢管柱插入操作时间，灌注桩混凝土初凝时间需大大延长，一般采用超缓凝混凝土；
3、后插法灌注桩混凝土浇筑先于钢管柱吊放，如出现钢管柱插入不到位，补救措施相较于先插法难度更大。
省立医院站永临结合钢管柱桩考虑桩体数量、位置受限，设计要求桩体承载力较大，采用的是后插法工艺。
考虑钢管柱进入桩体混凝土后，纠偏困难，要求边下放边纠偏，确保钢管柱一次插入到位。为保证一桩一柱的垂直度，省立医院站采用全回旋钻机插桩工艺进行钢管柱的安装，利用全回旋插桩工艺需要使用HCR-1500全回旋钻机（以下简称“全回旋钻机”）一台，插桩平台2套。全回转钻机有上下两层加紧装置，可交替进行抱紧下插作业。将全回转钻机安放孔口通过定点式水平位移计传输到电脑上的数据进行精确调平，并精确对中，准备工作就绪后使用150T履带吊进行吊装插入，钢管柱起吊后穿过全回转钻机中心下放至砼上方50cm的位置后，用无线传输定点式测斜仪（测量精度<0.1%）对钢管柱进行垂直度校准，使用全回转钻机进行精确微调保证钢管柱的垂直度，然后用全回转钻机自带的上夹持装置抱紧钢管柱，下夹持装置松开开始安装，一个行程后使用下夹持装置对钢管柱进行夹持固定，松开全回转的上夹持器，全回转钻机回升复位，然后交替进行抱紧下插进行下插安装。安装到位后，全回转钻机上下夹持装置同时抱紧钢管柱。
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图2.3-1 全回旋钻机插钢管柱示意图
主要吊装步骤如下：
（1）对成孔桩进行桩位点复测，并将平台垫板铺设好。
（2）吊装插桩平台，保证吊装平台水平，利用十字线垂球法使插桩平台雨孔位点精确对中。
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图2.3-2 万能平台定位
（3）安放全回转钻机，就位后使用钻机上安放的定点式水平位移计对全回转钻机进行水平调整和精确对位，同时复测插桩平台的水平度，确保插桩平台，桩位点，全回旋钻机中心点3点共线。
（4）准备工作就绪后使用履带吊主吊和履带吊副吊对钢管柱进行抬吊，钢管柱起吊后穿过全回转钻机和插桩平台中心下放至砼上方50cm的位置，钢管柱柱在安放过程中缓慢放置，避免碰到钻机平台。
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图2.3-3 钢管柱吊放入孔
（5）使用全站仪测量对钢管柱进行垂直度校准，调节全回转钻机4个油缸进行精确微调保证钢管柱的垂直度，然后用全回转钻机的夹持装置抱紧钢管柱开始安装插入。
（6）及时在插桩平台两侧用尺子监测插入偏差，一个行程后使用插桩平台对钢管柱进行夹持固定，松开全回转的夹持器，全回转钻机复位一个行程后使用插桩平台对钢管柱进行夹持固定，松开全回转的夹持器，全回转钻机复位，然后交替进行抱紧下插进行下插安装。安装到位后全回转钻机和插桩平台的夹持装置同时抱紧钢管柱。
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图2.3-4 钢管桩位移控制
（7）钢管柱插入好后，养护12小时，然后进行砂石料的回填，回填砂石料至钢管柱与送管柱连接处下20cm，随后撤除送管柱和钢结构平台，复测钢管柱中心点位置，确定钢管柱插入精确度，钢管柱插入符合设计要求后进行钢管柱内钢筋笼吊装工程，放入导管进行钢管柱内混凝土灌注，最后回填砂石料至地面。
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图2.3-5 钢管桩插入垂直度监测（垂直度测量仪）
3 结语
通过对省立医院站永临结合立柱桩施工分析，总结后插法施工永临结合钢管柱桩控制难点有以下几点：1、复杂地层中的成孔垂直度控制；2、工具柱的合理设计；3、后插法施工中钢管柱插入效率及垂直度控制，并在文中结合实际施工给出了具体的管控方法及施工技术。在福州地铁省立医院站工程中，盖挖逆作法中永临结合钢管柱桩的应用，成功解决了市中心区域场地狭小及复杂地质情况带来的一系列问题，并考虑了安全需求，兼顾了一定的经济效益。
随着城市地铁建设日益增多，地铁车站由于场地及周边环境原因采用盖挖逆作法施工工艺及永临结合钢管柱桩的应用也将逐渐增多，省立医院站地质条件及周边环境具有一定的普遍性，希望文章中的永临结合钢管柱桩施工工艺总结能够为类似市中心区域地下工程钢管柱桩施工提供技术借鉴。
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