洞桩法暗挖车站桩柱一次成型施工技术

董志云，黄相锋，苑雪峰



洞桩法暗挖车站桩柱一次成型施工技术

董志云，黄相锋，苑雪峰

（中建八局轨道交通建设有限公司，南京 210033）

地铁车站多位于城市繁华地带，受环境所限大多不具备明挖施工条件，新型洞桩法暗挖车站采用单层导洞内机械成桩的施工方法，替代传统的人工挖孔桩安装钢管柱的施工方法，本技术研究在导洞内机械成孔灌注桩内插入钢管柱一次浇筑成型的施工方法，引入了地面钻孔桩内液压插入钢管柱机械，在导洞内进行钢管柱垂直度调整控制技术，省去钢护筒安装及拆除工序，解决人工安装定位器误差大及施工效率低问题，在工程实际应用中取得了很好效果；基于本技术对液压插入机进行改装，集下钢筋笼、下钢管柱、定位及钢管柱垂直度调整于一体的钢管柱安装机已在北京市后续洞桩法车站中投入使用，效果良好。

洞桩法暗挖车站；洞内机械成桩；钢管柱液压插入机；桩柱一次成型

1 项目概况

目前业内洞桩法施工主要为在钢护筒保护下待已浇筑的桩基混凝土达到70%强度后，抽除钢护筒内泥浆，采用人工下孔破除桩顶混凝土至永久性钢管柱底标高，安装定位器完毕，再安装钢管柱，就位后用四丝杠调整法安装钢管柱。该施工方法施工周期长、工序复杂，且施工过程中需人工进行孔底桩头混凝土的凿除及定位器安装，存在诸多不安全因素，单根钢管柱施工周期长达7～9 d，施工成本较高，存在一定的局限性。

桩柱一次成型技术研究依托北京地铁16号线13合同段万寿寺车站开展，车站位于北京市西三环北路以北的西三环北路主路下方，南北向设置，设计结构为3层3跨钢筋混凝土框架结构，车站全长210 m，标准段结构宽度为21.2 m，底板埋深29 m，结构上覆土厚度5.8～6.5 m，施工工艺采用新型“洞桩法”施工，车站总建筑面积18 597 m2。

本技术是在导洞内用钻孔设备成孔下放桩基钢筋笼后，采用液压垂直插入机下放钢管柱精确定位后，一次性灌注钻孔桩混凝土及钢管柱内混凝土，省去了成桩时钢护筒的工序，无需进行清理桩顶淤泥和破除桩头安装定位器，同时一次性进行钢管柱下基桩混凝土、钢管柱安装、柱内高强度微膨胀混凝土浇筑。省去人工安装定位器工序，有效地减少工序之间的衔接时间和相互影响，确保施工安全，缩短施工时间，节约成本。

图1 车站标准断面

2 工艺原理

1）导洞内采用反循环钻机进行机械钻孔作业，成孔后钻机移出；

2）分节制作钢筋笼，孔口直螺纹连接下放钢筋笼就位；

3）分段加工钢管柱，孔口法兰连接下放就位，孔口设井字架有效固定；

4）液压插入机孔口就位，夹持钢管柱液压调整垂直度、平面位置，电脑实时监控垂直度偏差；下导管浇筑基桩C30水下混凝土至桩顶标高，换混凝土标号为钢管柱C50混凝土连续浇筑钢管柱混凝土成型。

3 施工工艺流程及操作要点[1-6]

3.1 施工工艺流程

图2 导洞内钻孔灌注桩中插入钢管柱一次成型施工技术施工工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

施工前详细编写施工专项方案，为进场正式施工做好指导性技术文件；对所有施工作业人员分批进行培训，确保其适合本工作岗位的要求。其中焊工、电工、操作手等特殊工种实行持证上岗，做好施工安全、技术交底，让每个参与工作人员都熟悉其工作内容；对反循环钻机进行改造，加装泥浆至孔口进浆管路及泥浆泵，对液压插入机加装提升设备，改装后设备经竖井口吊入导洞内就位；加深竖井深度，井底进行防渗处理以设置泥浆池（见图3），制备泥浆并调整泥浆性能，使泥浆质量满足施工要求。

图3 竖井加深设置泥浆池

3.2.2 反循环钻机就位、钻进

采用泥浆护壁湿作业成孔，灌注水下浇筑混凝土的成桩工艺，成孔机械选用反循环钻机，钻机对位时要保持平稳，不发生倾斜移位，对位误差不大于20 mm，并在钻进中每班检查对位情况，发生偏移立即纠正（见图4）。

图4 反循环钻机洞内成孔作业

成孔采用泥浆扩壁施工，配备泥浆循环系统。泥浆储浆池、循环池、废碴池等均设在竖井，选用优质黏土造浆，必要时再掺入适量蒙脱石含量高的膨润土或NaCO3纯碱等外加剂，钻进过程中保持孔内泥浆液面稳定，若出现砂卵石地层泥浆流失过快情况，应及时调整泥浆比重、黏度，孔口投入锯末黏土混合物封堵孔壁，防止坍孔；钻进过程中，要做好泥浆的维护管理，每半小时测一次泥浆的黏度和相对密度，根据泥浆成分的变化作出相应的处理措施。

3.2.3 成孔、清孔

成孔达到设计标高后，将钻头留在原处继续旋转数圈，避免孔底缩孔。对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查，不合格时采取措施处理。在成孔检查合格后，采用泥浆比重计检查泥浆指标和沉淀层厚度，并立即进行清孔。采用泵吸反循环抽浆的方法清孔，清孔时控制泥浆的比重、黏度与含砂率，直到孔内泥浆指标达到设计要求。

3.2.4 钻孔桩钢筋笼、钢管柱运输及安装

钢筋笼在钢筋加工场分节制作，采用滚轧直螺纹套筒连接（见图5），分节长度根据吊装门架工作高度确定，加工场内试拼合格并对钢筋连接进行标记。钢管柱由加工厂加工，经验收合格后，在运往工地的运输过程中加强成品保护工作，底部按规定的间距、高度进行垫离，防止轴向变形。法兰盘及衬管栓顶部防止受力和碰撞，妥善保护，避免成品碰伤。自地面至导洞垂直运输采用双轨桥式起重机吊运。吊运时采用钢丝绳两点水平吊运，并注意防止钢筋笼、钢管柱的滑移和表面划伤；水平运输由自制的架子车完成，人力推运至作业点。推运过程中要采取必要的加固、防护措施，避免钢筋笼、钢管柱侧向滚动或前后滑动造成安全隐患。

图5 孔口钢筋笼直螺纹套筒连接

钢筋笼、钢管柱吊装由孔口自制吊装门型架完成，钢管吊装机具为自制门型架、2个10 t+2个5 t手拉葫芦、钢丝绳、I22 a工字钢支架。4个手拉葫芦挂在自制门型架的纵梁上，分节吊装（见图6）。在每节钢管柱的柱顶法兰以下1.2 m处设置2个吊耳，最后一节钢管柱的固定位置可根据现场情况调整，安装就位后固定于井口型钢井字架上。

图6 钢管柱分节吊装入孔

3.2.5 钢管柱内钢筋笼制作、安装

钢管柱内钢筋笼的运输及安装方法与灌注桩内钢筋笼方法基本一致，在钢筋笼安装完成后，确定钢筋笼与钢管柱相对标高，将钢管柱钢筋笼与钢管柱连接固定后一起固定于孔口。钢管柱及柱内钢筋笼安装完成后，将吊装井架移开，为下部工序提供施工场地。

3.2.6 液压垂直插入机就位、钢管柱精确定位

钢管柱悬吊固定后移动HPE液压垂直插入机至孔口，使用HPE液压垂直插入机上的吊装设备将钢管柱及钢筋笼上提至HPE液压垂直插入机内，启动液压系统抱紧钢管柱；HPE液压垂直插入机抱紧钢管柱后，复核钢管柱垂直度，通过HPE液压垂直插入机的垂直调校装置调整钢管柱垂直度，使钢管柱平面位置、标高、垂直度满足设计要求（见图7）。启动HPE液压垂直插入系统垂直插入钢管柱至设计标高，再次复核垂直度及柱顶标高，直至满足要求后在钢管柱内下放导管并进行二次清孔。

图7 液压插入机夹持钢管柱精确定位

3.2.7 钻孔桩水下混凝土浇筑

钢管柱安装完成下放导管二次清孔沉渣，满足要求后进行灌注桩混凝土灌注，混凝土运输采用泵送混凝土至孔口，导管法浇筑水下混凝土，水下灌注采用直径300 mm导管，导管单节长度不大于1.2 m，管节连接应严密、牢固，使用前应试拼，并进行气密性及水密性试验；浇筑过程中控制混凝土和易性等工作性能，坍落度为180～220 mm；导管底端距孔底应保持300～500 mm。浇筑过程中导管埋入混凝土深度应保持2～6 m，并随提升随拆除导管，导管吊放和提升不得碰撞钢筋笼（见图8）。

图8 混凝土泵送+导管法浇筑

3.2.8 钢管柱混凝土浇筑

混凝土灌注至桩顶标高后，将导管拆除至钢管柱底标高以上500 mm，对钢管柱四周回填碎石，碎石回填高度以压住钢管柱四周混凝土上翻即可，更换高标号微膨胀混凝土继续灌注钢管柱内混凝土至柱顶标高，柱顶混凝土需将上部浮浆清除至石子含量正常为止。

3.2.9 移除液压插入机

移动HPE液压机时间根据桩基混凝土强度来确定，当桩基混凝土强度能够承受起钢管柱+柱内钢筋笼+柱内混凝土总重时，可进行移除设备。经计算，拆除法兰，吊出工具管，桩基混凝土强度需达到3.05 MPa。根据混凝土强度与温度和龄期增长曲线图以及混凝土强度与龄期的参照表，灌注结束后24 h后C30混凝土的强度即可达到设计值的20%，即7.9 MPa，可以拆除工具管，移走HPE液压垂直插入机。钢管柱内混凝土灌注完成后，回填钢管柱四周上部未回填部分至钢管柱，等回填材料沉淀密实及混凝土终凝后，拆除第一节法兰处螺栓，吊出工具管，移除HPE液压垂直插入机，完成导洞底板以下钢管柱安装。

3.2.10 导洞底面以上钢管柱安装

待一侧导洞内底板以下钢管柱全部安装完成后，从导洞中部按倒退顺序逐个安装导洞底板以上钢管柱，调整垂直度、平面位置合格后浇筑钢管柱上部混凝土，完成钢管柱安装工作（见图9）。

图9 改进后的钢管柱安装一体机

4 质量控制[7-10]

1）反循环钻机施工，泥浆是成功与否的重要控制点。

在泥浆池内调制泥浆，先将膨润土湿润，加水、碱和泥浆外加剂，然后搅拌成具有一定相对密度的泥浆，泥浆经净化后方可入孔使用。根据现场实际情况可适当增大膨润土、碱和泥浆外加剂填入量，以增加泥浆比重和泥浆黏性。针对卵石层渗水较快地层，可投入适量的锯末等以达到止水的目的。

2）钢管柱的平面位置、高度及垂直度是重要的控制点。

钢管柱的平面位置及高度应严格按照测量人员的定位进行施工，对平面位置及标高的护桩应进行保护，如有破坏需及时补测。钢管柱的垂直度应在进场前进行试拼验收，如各项指标不合格则严禁进场。

液压插入机夹持钢管柱精确就位后，在安放导管浇筑混凝土全过程中设专人值守液压插入机电脑控制系统，出现异常情况立即采取措施进行处理，保证钢管柱垂直度、平面位置、标高符合设计及规范要求。

3）混凝土的灌注。

由于灌注包括桩基和钢管柱两种不同标号的混凝土，在灌注过程中要做到勤量测，在灌注桩身C30混凝土超出设计桩顶0.5 m时，将导管底口提升至距混凝土面1 m，立即更换使用C50微膨胀混凝土继续灌注，在此过程中同时进行钢管柱与孔壁之间的碎石回填工作，以控制混凝土因承受钢管柱混凝土浇筑压力自钢管柱外侧的上翻，直至灌注结束。

4）应对施工人员做好专项技术交底。坚持“三检制度”，逐级检查，层层把关。所有隐蔽工程必须经监理验收签字后方可进行下道工序的施工。

5 安全措施

1）施工前对全体施工人员进行安全技术交底，培训考核合格后方可上岗作业。

2）吊装司机、司索信号工必须持证上岗，严格执行吊装操作规程。

3）施工人员进入施工现场必须戴好安全帽，系好安全帽帽带，穿好安全鞋及反光背心，高处作业佩戴好安全带。

4）竖井及洞内钢筋及钢管柱的吊装作业，必须按施工方案和技术交底进行施工，严禁私自更改作业顺序。

5）所有涉及孔口作业的情况，孔口人员必须佩戴防坠器，孔口周边不得有杂物，防止掉落。吊装设备要求配防脱钩，所有施工人员按要求佩戴安全防护用具。

6）钢管柱吊装采用卡扣穿入钢管柱法兰。要求卡扣螺栓拧紧到位，防止脱落。每节钢管柱吊装时，顶部加设盖板，并保证盖板不脱落。

7）钢管柱安装完毕后，在钢管柱外侧与钢护筒间的空隙盖满脚手板，防止人员或杂物坠落。

6 环保措施

1）选用符合环保标准的施工机械，加强施工机械的保养维修，尽可能地降低施工噪声的排放，合理组织施工。

2）在施工场地内设置沉淀池，对施工废水进行沉淀净化，并用于场地内运输道路的洒水降尘。对施工中产生的废泥浆，先进行沉淀过滤，废泥浆和淤泥使用专门的车辆运输，做好防遗洒措施。

3）及时收集现场余料，工完场清，做好余料回收利用工作。

7 效益分析

本技术解决深孔内人工安装定位器存在的安全隐患，有效地减少了工序之间的作业时间、衔接时间、相互影响及钢护筒安装等，确保施工安全和推进施工进展。另外，机械化作业程度高，降低劳动强度，改善作业条件，提高施工工效，减少现场作业工人的数量，具有较好的综合效益。

7.1 工期效益

采用液压插入机进行钢管柱施工，实现了机械化作业，各工序衔接紧凑，取消了人工井下清淤泥、凿除桩头混凝土、安装定位器等工序，每根桩比传统施工方法节约工期3 d。

7.2 经济效益

采用本技术，省去钢护筒安装及拆除工序、人工井下清淤泥凿桩头、安装定位器。根据工程实例，每根桩可产生直接效益6.8万元，节省人工费1.1万元。

8 结语

采用导洞内钻孔灌注桩中插入钢管柱一次成型施工技术，有效控制钢管柱安装垂直度及安装精度，准确可靠。与传统上下导洞技术相比，在保证变形控制效果的前提下，取消了钢护筒、井下钢管柱定位器的安装工序、避开了大量人工井下施工的不安全作业环境，能满足指导施工与管理的需要。结果表明，该技术是一项成熟的施工技术，具有明显的经济效益和社会效益，值得推广应用。

[1] 地下铁道工程施工及验收规范(2003版): GB 50299—1999[S]. 北京: 中国计划出版社, 2004. Code for construction and acceptance of metro (The 2003 version): GB 50299—1999[S]. Beijing: China Planning Press, 2004.

[2] 宋跃均. 逆作法地铁车站钢立柱定位与安装关键技术[J]. 都市快轨交通, 2017, 30(3): 119-123. SONG Yuejun. Key technology to the top-down method on steel pillar’s positioning and installation in metro station[J]. Urban rapid rail transit, 2017, 30(3): 119-123.

[3] 有智慧. 桩基后压浆技术在地铁盖挖车站中的应用[J]. 都市快轨交通, 2015, 28(3): 89-93.

YOU Zhihui. Pile post grouting technology application in the large-scale cover and cut subway station[J]. Urban rapid rail transit, 2015, 28(3): 89-93.

[4] 覃铭然. 复杂地质条件下洞内机械成桩施工技术[J]. 现代城市轨道交通, 2015(1): 44-47. QIN Mingran. Machinery pile construction technology inside tunnel under complex geological conditions[J]. Mo­dern urban transit, 2015(1): 44-47.

[5] 王高航, 王凤建, 朱继芒. 城市轨道交通大断面暗挖车站测量控制[J]. 施工技术, 2012, 41(24): 68-71. WANG Gaohang, WANG Fengjian, ZHU Jimang. Measu­re­ment control on big section mined underground metro station in urban rail transit[J]. Construction technology, 2012, 41(24): 68-71.

[6] 廖秋林, 马敬东, 张鹏飞, 等富水砂卵石地层暗挖车站洞桩法施工关键技术[J]. 施工技术, 2015, 44(23): 49- 53. LIAO Qiulin, MA Jingdong, ZHANG Pengfei, et al. Key construction technology of the subsurface excavation subway station by pile beam arch in water-saturated sand gravel stratum[J]. Construction technology, 2015, 44(23): 49-53.

[7] 黄瑞金. 地铁浅埋暗挖洞桩法车站扣拱施工技术[J]. 地下空间与工程学报, 2007, 3(2): 268-271. HUANG Ruijin. PBA method applied in the construction of arch in subway station[J]. Chinese journal of under­ground space and engineering, 2007, 3(2): 268-271.

[8] 汪玉华.洞桩法地铁车站设计施工关键技术[J]. 施工技术, 2015, 44(19): 97-100. WANG Yuhua. The Key technology of design and cons­truction of PBA method in subway station[J]. Constru­ction technology, 2015, 44(19): 97-100.

[9] 吴琼. 富水圆砾地层盾构短套筒接收施工关键技术研究[J]. 都市快轨交通, 2017, 30(3): 40-43. WU Qiong. Key technology of short sleeve shield recep­tion in water-rich gravel stratum[J]. Urban rapid rail transit, 2017, 30(3): 40-43.

[10] 范晓岭, 张青. 北京市地面沉降灾害评估指标及标准划分[J]. 都市快轨交通, 2016, 29(4): 89-92. FAN Xiaoling, ZHANG Qing. Assessment index and standard of ground subsidence disaster in Beijing[J]. Urban rapid rail transit, 2016, 29(4): 89-92.

（编辑：郝京红）

One-Step Processing of Subsurface Excavated Station Pile with the Cave-Pile Technique

DONG Zhiyun, HUANG Xiangfeng, YUAN Xuefeng

(China Construction Eighth Engineering Division Co., Ltd., Nanjing 210033)

Most subway stations are located in busy areas of cities, where, limited by the sorrounding environment, there are no open excavation construction conditions. The new subsurface excavated station with the cave-pile technique, uses the construction method of a single-layer pilot in-tunnel machine bored pile, and replaces the traditional construction method of the artificial dug pile to install steel pipe columns. This technique implements the single-pouring construction method of inserting steel pipe columns into in-tunnel mechanical hole perfusion posts, introduces the surface drilling inner piles steel pipe column insertion machine by hydraulic pressure, and conducts verticality adjustment controlling techniques for the steel pipe columns inside the pilot tunnel. Thus, the process of installing and removing the steel pipe columns is omitted, the problems of large error and low construction efficiency of artificially installed locators are resolved, and an excellent effect is obtained when the technique is used in practical construction. On the basis of this technique, the hydraulic pressure insertion machine was refitted. The steel pipe column assembling machine combined with a descending reinforcing cage, descending steel pipe columns, and vertical adjustment of steel pipe columns has been put into use in the subsequent construction of cave-pile stations, with excellent results.

subsurface excavated station with cave-pile technique; in-tunnel machine bored pile; steel pipe column hydraulic pressure inserting machine; one-step processing of pile

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.016

U231

A

1672-6073(2018)04-0082-06

2017-09-18

2017-10-17

董志云，男，高级工程师，北京地铁16号线项目总工程师，主要从事地铁及隧道工程施工研究，178413963@qq.com