浅埋暗挖平顶隧道导洞内中桩钢管柱一体化施工工法.pdf

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1、浅埋暗挖平顶隧道导洞内中桩钢管柱一体化施工工法1 前言随着国内各大城市的快速发展，现代城市交通矛盾日益突出，修建地下铁道已成为解决城市交通问题的有效途径之一。在城市修建大型综合性隧道紧邻地面建（构）筑物、既有交通道路已成为常态，同时各级政府对既有绿化保护、保留的意识不断增强，暗挖隧道施工已成为重要的工法选择之一，其中暗挖隧道 PBA 洞桩法因机械化程度高、绿色文明施工受控、整体安全风险低等优点得到广泛推广和使用。中桩钢管柱一体化施工工艺工法，利用反循环钻机和移动式调垂机进行桩基和钢管柱一体化施工，规避人工安装钢护筒及定位器的风险；提高施工效率，降低资源投入，缩短降水周期，节省成本与工期，利用超

2、声波检测仪、测斜仪、调平仪等控制一体化成桩精度。技术成熟，安全可靠。本工法的关键技术“浅埋暗挖平顶隧道导洞内中桩钢管柱一体化施工技术”，2021年 5 月 21 日经由中国公路建设行业协会采用会议评价方式，评价为：国内领先。获得实用新型专利 1 项：一种富水复杂地层施工装置（专利号：ZL 2020 2 0318279.9）。2 工法特点在水位线以上开设的导洞内施工孔桩，下孔安装定位器、减少劳动力投入、节省成本、规避了潜在的风险。钢管柱利用调垂机定位精度可控，适应性广。在小断面导洞内施工孔桩，无需提前降水、无需人工安装钢护筒，减少施工作业风险及成本；中桩、钢管柱混凝土浇筑连续进行，无需等待凿毛和

3、浮浆清除，降低质量风险，整体性强，承载能力高，利用调垂机定位，使用超声波检测仪、测斜仪、调平仪等控制一体化成桩精度。该工法将明挖框架结构施工方法和暗挖法进行有机结合，将地表作业转入地下，施工对城市地面占用少，对交通影响极小，能满足城市施工高环保要求。3 适用范围改进型反循环钻机、TC-900型多功能套管调直机适用于有限作业空间的成孔施工，本工法可广泛用于暗挖隧道内永久中柱施工，可用于市政建设、地铁隧道、下穿公路、铁路、桥梁等建筑物时隧道中柱施工。4 工艺原理该工法利用改造后液压履带式反循环洞桩钻机在小导洞内钻孔作业，从钻杆外将泥浆注入孔中钻孔，用真空泵将钻渣从钻杆中吸出，成孔后分节下放桩基钢筋

4、笼；钻机移位，调垂机就位，分节下放钢管柱，并进行钢管柱定位和固定，利用超声波成孔质量检测仪检测成孔质量及垂直度，随时纠偏；分别对中桩桩基及钢管柱内砼进行浇筑，利用导管及粗砂进行混凝土灌注及反压。在施工顶纵梁前再安装最后一节钢管柱并进行二次浇筑柱内混凝土，从而完成整个中桩及钢管柱施工。5 施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程图 5.1-1 中桩钢管柱一体化施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 施工准备5.2.1.1 规划场地，泥浆管道及出渣管道布设完成，造浆完成，渣土储存、吊运、外运、砼泵送是组织的关键。5.2.1.2 洞内布置好 1 台 KDZ 改进型钻机、1 台自制调垂机、导管、钢

5、管柱、钢筋等提前就位。钻头加装硬质合金刀片。5.2.1.3 测量放线，将桩位点固定至小导洞拱顶，吊垂线定位桩位，并打设好护桩，过程中要进行测量双检，导坑逐层开挖，支立护壁模板，护壁厚度 0.15m，护壁深度为 2m（如有砂层，要穿过砂层）。图 5.2.1-1 导洞底部格栅与护壁钢筋连接平面图图 5.2.1-2 导洞底部格栅与护壁钢筋连接剖面图5.2.2 机械成孔钻机对中整平，洞内筑围堰，每根桩开钻前均按桩身体积的 1.5 倍制备泥浆。钻机钻孔时，钻杆从桩孔内抽出的渣浆通过砂石泵排至泥浆池内。钻机钻进时先向导坑内输入一定数量的泥浆后，启动砂石泵，待反循环正常后，开动钻机慢速回转下放钻头，过程中要

6、保证孔内的泥浆平衡，开始钻进时，应轻压慢转，待钻头正常工作后，可逐渐加大转速，调整钻压，使钻头吸口不产生堵水。钻进速度不宜过快，钻进过程中对钻杆垂直度、钻杆接头勤检查，保证钻孔垂直度。粘性土中成孔，可注入清水，以原状土泥浆护壁，排渣泥浆比重控制在 1.11.2；砂土和较厚夹砂层中成孔，泥浆比重控制在 1.11.3，穿越砂夹卵石层或容易坍孔土层中成孔时泥浆比重控制在1.31.5；泥浆液面略高于人工护壁底面，以确保孔壁不坍塌。5.2.3 清孔与沉渣检测5.2.3.1 钻孔灌注桩清孔分两次进行。一次清孔在终孔时进行，二次清孔在钢筋笼和灌注导管安装完成后、混凝土灌注前进行。第一次清孔，将钻头提离孔底5

7、00800mm，利用钻具空转，输入含砂量小于 4的优质泥浆，排出含钻渣的泥浆，直到达到清孔要求。第二次清孔，利用灌注导管进行。将清孔设备安接到导管口，并通过高压风管接入高压风，形成清孔系统。砂石泵的排出量与泥浆输入量相当，保持孔内水位，防止孔壁坍塌。同时，泵量不宜过大，防止吸垮孔壁。5.2.3.2 清孔完成后采用超声波检测沉渣质量，检测沉渣厚度及成桩质量。成孔质量标准：桩位允许偏差不超过30mm；桩身垂直度允许偏差不应大于 0.5；桩底沉渣不大于 50mm。5.2.4 钢筋笼制作与安装根据导洞尺寸，确定每节钢筋笼分节长度，每节不超过 2.5m 进行分段，以保证洞内运输吊装，钢筋笼整幅+分节同步

8、制作，以保证可顺利对接安装，制作严格按设计图纸及规范要求进行控制。采用自制运输台车进行运输至洞内，钢筋笼安装时节与节之间采用直螺纹套筒+锁母连接紧固，接头等级为一级接头，注浆管、声测管与钢筋笼同步安装，安装完成后注满清水并密封。5.2.5 钢管柱运输与安装5.2.5.1 钢管柱运输钢管柱在由地面至工作井底的垂直运输过程中，利用龙门吊垂直吊运。钢管柱由导洞外至架设工作面的水平运输由自制的架子车（炮车）完成。运输过程中，将吊运的钢管柱稳稳地平放于停靠在操作平台的架子车上，使用机械配合人工推运至作业点。推运过程中要采取必要的加固、防护措施，避免钢管柱侧向滚动或前后滑动造成安全隐患。5.2.5.2 钢

9、管柱吊装钢管柱吊装由孔口 TC-900 型多功能调直机吊装完成，钢管柱分节吊装。加工耳环，用作钢管柱的吊装作业。最顶部一节钢管柱为工具节，待打灰（灰面低于工具节节点 20cm）完成，终凝后再进行拆除及机械挪移。根据施工情况，整洞中桩完成后，再进行顶部最后一节钢管柱安装。安装步骤如下：1）钢管柱调垂机就位，初步调整中心点与机器水平。利用护桩十字线对中调垂机卡盘中心，然后将调垂机托盘对中，利用水平靠尺、水平调平仪和水准仪进行测量，调平和对中完成后，调垂机底座四角利用千斤顶顶在导洞侧壁上，将调垂机固定。2）装有专用吊盘的滑轮与钢管柱连接。钢管柱吊装由调垂机和叉车配合完成，钢管柱分节吊装。钢管柱的吊起

10、和下放采用吊装盖板。钢管运输至孔口处，利用调垂机进行钢管柱吊装，钢管柱下端用叉车抬起，上端用调垂机吊钩吊起。3）每节钢管柱在吊装前均需在内壁安装测斜管，采用 U 型卡进行焊接固定到侧壁，底节测斜管用托板焊接至钢管柱，防止测斜管脱落，进行钢管柱安装，钢管柱安装需进行分节编号，钢管柱上端缓慢吊起，下端缓慢下放，直至钢管柱垂直吊起，注意钢管柱在调整垂直时不能碰触地面，钢管柱下端始终要与地面保持 10cm 距离。图 5.2.5-1 固定测斜管 U 型卡4）钢管柱调整垂直稳定后，缓慢下放，人工配合，使上节钢管柱与下节的螺栓孔位按照标记对齐，然后安装螺栓，螺栓分两次拧紧，第一次进行初拧，初拧力矩为221N

11、/m，拧完合格后用蓝漆标记，第二次进行终拧，终拧力矩为 408N/m，拧完合格后用红漆标记，注意在拧紧螺栓的过程中钢管柱上端吊点不能拆除。5）钢管柱螺栓终拧后，调垂机吊起已经安装好的钢管柱，松开卡具，然后将已安装的钢管柱下放，在最新安装一节钢管柱上端的法兰处，用卡具固定好钢管柱，继续采用相同办法安装下一节钢管柱。6）除最顶节钢管柱外，安装一节钢管柱工具节（工具节长度为 1.2 米，型号与钢管柱相同），保证钢管柱出导洞底部，利于中桩钢管柱的固定，待柱内混凝土浇筑完成并沉降稳定后挪移至下根钢管柱进行施工。5.2.5.3 钢管柱定位固定1）施工前在导洞拱顶打设桩中心点，定位用吊锤投放柱中心点，并做好

12、标记。2）钢管柱安装前，在钢管柱加工厂家进行试拼并分节编号，垂直度满足要求并经验收合格后方可进场，安装过程严格按照分节编号进行安装，测斜管安装至最上面一节工具管。4）钢管柱安装完成后，先用水准仪找平并调整至设计标高，再用水平靠尺、水平激光找平仪精平。然后在最顶节钢管柱上口法兰处安装定位十字线，最后调整卡盘位置和调垂机底座标高调节钢管柱使得柱顶中心、拱顶定位点这 2 点在一铅垂线上，结合倾角仪对位置进行复核，完成以上工作后，用超声波检测仪检测钢管柱垂直度，根据检测结果精调垂直度，直至符合要求。调直机卡板将钢管柱抱紧，钢管柱定位完成后安装钢管柱内钢筋笼和安装导管，最后对测斜管初始值进行采集。图 5

13、.2.5-2 TC-900 型多功能套管调直机5.2.6 桩基及钢管柱混凝土浇筑5.2.6.1 导管分节长度不大于 2.5m，灌注前要做气密性试验，并对分节进行编号，导管底端距孔底应保持 0.30.5m，浇筑过程中，导管埋入混凝土深度宜为 26m。并随提升随拆除，导管吊放和提升不得碰撞钢筋笼。第一次 C35 混凝土浇筑至桩顶0.5m 处。5.2.6.2 如中桩及钢管柱砼型号不同，先浇注中桩混凝土 C35 灌注至桩顶，经计算确定第一次钢管柱外的粗砂回填高度，此时对钢管柱与孔壁间进行粗砂回填，回填高度压住钢管柱外四周桩基混凝土上翻即可。粗砂回填到相应高度开始浇筑钢管柱内C50 微膨胀自密实混凝土，

14、在混凝土浇筑过程中要及时量测钢管柱外粗砂和柱内混凝土上升高度，防止柱外侧混凝土上翻。多浇筑 2mC50 微膨胀自密实混凝土，将钢管柱内的 C35 混凝土和泥渣顶出钢管柱，浇注完成。5.2.7 桩底及桩侧压浆5.2.7.1 混凝土浇筑 12 小时须做清水劈通，水量不宜大，以劈通为准；同时采用测斜仪验证钢管柱在砼浇筑过程中是否有偏移，验证钢管柱成型垂直度；注浆作业宜于成桩 2d 后开始；不宜迟于成桩 30d 后；后注浆作业开始前，宜进行注浆试验，优化并最终确定注浆参数。5.2.7.2 注浆阀应能承受 1MPa 以上静止水压力；注浆阀外部保护层应能抵抗砂石等硬物质的刮撞而不致使注浆阀受损；注浆阀应具

15、备逆止功能。5.2.7.3 注浆浆液的水灰比应根据土的饱和度、渗透性确定，对于饱和土，水灰比宜为 0.450.65；对于非饱和土，水灰比宜为 0.70.9；低水灰比浆液宜掺入减水剂；桩端注浆终止注浆压力应根据土层性质及注浆点深度确定，对于非饱和粘性土及粉土，注浆压力宜为 310MPa；对于饱和土层注浆压力宜为 1.24MPa，软土宜取低值，密实黏性土宜取高值，注浆流量不宜超过 75L/min。对于饱和土中的复式注浆顺序宜先桩侧后桩端；对于非饱和土宜先桩端后桩侧；多断面桩侧注浆应先上后下；桩侧桩端注浆间隔时间不宜少于 2h。桩端注浆应对同一根桩的各注浆导管依次实施等量注浆；对于群桩注浆宜先外围、

16、后内部。当满足注浆总量和注浆压力均达到设计要求或注浆总量已达到设计值的 75%，且注浆压力超过设计值，可终止注浆。6 劳动力组织表 6-1 劳动力配置表序号工种人数工作内容1现场负责人1现场全面负责2技术员1施工技术指导3试验工程师1负责混凝土质量检查4质检工程师1负责施工质量控制5测量人员4测量放样6操作人员8负责现场施工7电焊工1负责测斜管 U 型卡焊接及构件焊接8普工2负责文明施工7 材料与设备7.1 材料材料进场必须先进行检验，检验合格后方能使用。表 7.1-1 投入的主要材料一览表序号材料名称规格单位数量备注1钢筋28/25/22/20/12t802混凝土C35/C50m11713钢

17、管柱直径 800mm，壁厚 16mmt1194粗砂/m3107.2 设备施工机械设备及资源选择根据施工方案，施工方法和工艺技术方案及施工顺序等要素进行配置。配置的施工机具设备技术先进，生产效率高；所选材料质量优良，安全可靠，能确保工程施工优质、快速地进行。表 7.2-1 主要机具设备配置表序号名称规格型号单位数量备注1反循环钻机KDZ台1机械成孔2泥浆泵KD-400-7台2泥浆运输3龙门吊20t套1钢管柱、钢筋笼吊装4钢管柱调垂机TC-900 型台1钢管柱吊装及调平5地泵/台1混凝土输送6小型装载机ZL-30台1洞内材料辅助运输7套丝机HGS-40D台1钢筋加工8钢筋切割机GQ40台1钢筋加工

18、9钢筋弯曲机GW50台1钢筋加工10电焊机ZX7-400台1钢筋加工11叉车1.5t台1材料运输12电动三轮车/台1渣土运输13小型挖机0.5m台1挖泥浆池14测斜仪XBHV-3台1钢管柱成型质量验证15超声波测壁仪KODEN台1成孔质量检测8 质量控制8.1 质量控制标准钢管柱施工质量控制标准执行钢管混凝土结构技术规范GB50936-2014 要求，根据该规范以及总结出的施工经验，拟定控制限值，制定如下表 8.1-1 所示施工控制标准。表 8.1-1 施工控制标准表序号项目控制标准备注1端头直径D 的偏差3mm2长度偏差3mm3立柱中心线偏差5mm4立柱顶面标高和设计标高10mm5立柱垂直度

19、长度的 1/1000，最大不大于 15mm砼浇筑过程中垂直度变化 5mm 以上，暂缓浇筑，应采取保护措施纠偏8.2 钻孔质量控制8.2.1 钻孔过程中容易出现倾斜，需合理控制钻进速度，钻进时慢速、匀速钻进；钻进过程中检查钻杆垂直度，发现倾斜，在钻杆上加扶正圈校正。8.2.2 由于工序时间较长，容易出现塌孔，成孔后泥浆池内调制泥浆，先将膨润土湿润，然后加水、碱和泥浆外加剂用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。同时注意工序的连续性，合理组织，缩短工效。8.3 钢管柱垂直度控制8.3.1 出厂前

20、，由技术员、测量员到厂家进行钢管柱垂直度及加工精度的验证，厂内试拼，符合要求后方可进场。8.3.2 钢管柱安装洞内安装完成后，使用超声波检测仪进行垂直度检测，根据检测结果进行位置调整，直至符合设计要求，中桩及中柱分别同时浇筑、柱外填砂不易控制。8.3.3 砼浇筑前使用测斜仪对钢管柱内壁的测斜管进行初始值采集，砼浇筑完成后 12 小时，进行第二次测斜值采集，作为验证浇筑前和浇筑后钢管柱是否存在变化的依据，根据验证结果，优化浇筑过程中的保护措施。8.4 砼浇筑过程中质量控制浇筑钢管柱内砼容易导致柱外回填砂上翻，砼浇筑前应经计算确定回填高度，浇注时勤测量混凝土面标高，确保交汇处砼量控制，填砂时确定好

21、回填量，勤测量以避免柱外砼上翻。9 安全措施9.1 作业前，对钻机、调垂机、机械器具、卷扬机等仔细检查，确保完好安全运行。做好作业区域与非作业区域划分。起吊重物时，吊具要捆扎牢固，以防滑脱。9.2 对卡盘上安装防脱落措施，孔边作业人员穿好救生衣，戴好安全带。9.3 钻机使用的电缆线要定期检查，接头连接牢固，确保不透水、不漏电，对经常处于水、泥浆浸泡处应架空搭设；挪移钻机时，不得挤压电缆线及风水管路。9.4 严格落实国家安全生产监督管理总局令有限空间安全作业五条规定，有限空间作业前，必须严格执行“先检测、再通风、后作业”的原则，穿戴好防护用品，监护人持证上岗。10 环保、节能措施泥浆池设置在隧道

22、结构内，减少扬尘。优化钢筋笼下料方式，减少钢筋废料。集中渣土、泥浆存放，做好覆盖，及时清运，减少扬尘污染。施工废料分类存放，定期处理。施工用水经处理与沉淀后排入市政污水管网。使用低噪音、低排放的机械，夜间运输车辆禁止鸣笛。定期对施工现场进行消毒，定期对施工人员进行体检，防止新冠肺炎等传染病传播。11 效益分析11.1 技术效益分析平顶隧道导洞内中桩钢管柱一体化施工工法在河南省首次应用到隧道项目，郑州市政控制性工程施工中通过此施工工法与以往处理方式比较，并经实践证明。该施工工艺降低了安全风险、提高了施工质量。为类似施工积累了宝贵的经验。11.2 经济效益分析采用此工法预计给项目带来经济效益约 2

23、38 万元。11.3 社会效益由于郑州市区建筑物密集、地下管线多、绿化迁改难度大，郑州地铁集团以 10号线医学院站为试点，推动市区内地铁建设由明挖向暗挖施工转变；根据现场的实际情况，在工期紧、任务重的情况下，合理组织、精心施工，降低了安全风险，既保证了工期，又节约了资金，同时该工法的应用受到了社会的广泛关注，得到了监理和业主的好评。12 应用实例12.1 工程简介郑州市市政控制性节点（地下交通）工程 11 标段位于康复后街，其中跨大学北路采用暗挖法施工，暗挖段长 48.26m，宽 25.1m，为地下两层双柱三跨岛式结构。顶部覆土约 55.3 米，底板埋深约 19.5m；平顶 PBA 法施工+管

24、幕超前支护，上部设置 4个小导洞，中柱采用钢管混凝土柱，逆筑法施工。中桩桩基采用反循环钻孔灌注桩2m，桩长 33m，C35 混凝土；钢管柱0.8m，柱内为 C50 自密实混凝土。12.2 施工情况设计中桩数量 14 根，2020 年 10 月 16 日开始施工，已于 2021 年 2 月 22 日全部施工完成，质量、安全整体受控。12.3 工程结果评价本工法施工改变了传统洞内机械成桩中桩中柱施工工艺，采用中桩中柱一体化施工，减少了劳动力的投入，规避了人工下孔安装定位器的潜在风险，节约了成本及工期，通过采取系列措施，解决了钢管柱的定位与垂直度控制困难的问题，可以推广到类似施工代替传统洞桩法中桩施工，对后续暗挖地铁站施工有一定的指导意义。