盖挖地下工程钢管柱HPE机自动化控制的运用

盖挖地下工程钢管柱 HPE机自动化控制的运用

朱杰

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410000

摘要：城市地铁盖挖逆作车站通常会涉及到钢管柱施工，该结构一般为永久性结构，具有定位和标高控制精准、垂直度要求高等质量要求。该结构现有人工定位法、支架定位法、HPE法等施工工法，结合地铁施工标准高、工期紧、转序多等特点，一般选择HPE工法垂直插入钢管柱的方式。该工法能够标准化的流水作业，有利于工期节约，钢管柱定位、标高、垂直度控制好，能满足设计及规范要求，且施工安全可靠。在施工中取得了较好的经济效益和社会效益。

关键词：钢管柱 HPE机 安全性好 控制精准

Application of Automatic Control of HPE Machine for Steel Pipe Column in Cover Excavation

Underground Engineering

ZHU Jie

(Sinohydro Engineering Bureau 8 CO.,LTD. Changsha, Hunan Province, 410000 China )

Abstract:The construction of steel pipe column is usually involved in the cover excavation reverse construction station of urban subway. The structure is generally a permanent structure, with accurate positioning and elevation control, high perpendicularity requirements and high quality requirements. The structure has manual positioning method, support positioning method, HPE method and other construction methods. Combined with the characteristics of high subway construction standard, tight construction period and many sequence changes, HPE method is generally selected to vertically insert steel sheet piles.The construction method can be standardized flow operation,which is conducive to saving construction period, good control of steel pipe column positioning, elevation and perpendicularity, can meet the requirements of design and specifications, and the construction is safe and reliable. Good economic and social benefits have been achieved in the construction.

Key Words: Steel pipe column; HPE machine; Good safety;Accurate control;

1 工程简述

深圳地铁某车站围护结构尺寸为长×宽×深：250m×22m×19.2m，为地下双层三跨结构，双排永久立柱为钢管柱形式，车站位于南山区蛇口老城区，周边繁华、环境复杂、空间有限，采用盖挖逆作法施工，结合质量精度、工期进度、安全保障及空间条件等，项目部决定采用HPE机垂直插入工艺施作钢管柱，工程共有钢管柱61根，直径1m或0.8m，单个管长约23.5m，钢管柱插入立柱桩身3.5m。

2 工艺原理

先将HPE机准确就位、定位，地基承载力需符合要求，利用HPE机自带的垂直调校装置调整垂直度。HPE机定位后，再履带吊吊入钢管柱，HPE机的上下液压定位器将钢管柱抱紧，按照二点定位原理，抱紧调正钢管柱后再复测垂直度。最后，HPE机通过循环下压将钢管柱缓慢插入缓凝混凝土中直至设计标高，过程需实时监测纠偏钢管柱垂直度。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1立柱桩施工

立柱桩采用钻孔灌注桩工艺，考虑HPE机插管过程一系列环节时间，灌注桩混凝土需具备足够的缓凝时间，缓凝时间设置主要考虑混凝土运输时间、浇筑时间、HPE机就位时间、插管时间的等总和，综合考虑缓凝时间按不少于24小时设置。

护筒采用板厚为6～8mm的钢板焊接整体式钢护筒，考虑操作人员须下至钢管柱顶部位置切割工具柱，护筒长度须6m以上。

3.2钢管柱施工

钢管柱施工工艺流程图改为见图1。

图1 HPE机液压垂直插入钢管柱施工工艺

3.2.1HPE机就位调正

灌注桩混凝土浇筑后，重新对桩位中心放线，并用十字线标记在护简上，同时向四个方向延伸打设护桩。复核桩位后，吊装HPE机就位，放稳后使用油缸进行调整，将HPE机中心与基础桩位中心调整至同一垂直线上。

3.2.2水平调整HPE机

HPE机对中完成后，可手动、自动调整水平度。调整主要是通过水平调整油缸进行，调整完成后再对垂直度进行复核，并确保钢管柱满足对中要求，再进行钢管柱的吊装入孔工作。

3.2.3钢管柱生产、验收

钢管柱采用材质为Q345B的焊接钢管，壁厚t=20mm。钢管柱的底端封闭并加工成锥形，底部3m范围焊接锚固刺，增强钢管柱的锚固力^[1]。

3.2.4钢管柱顶焊接工具柱

制作和钢管柱同样直径、壁厚的工具柱，工具柱长11m（考虑钢管柱顶离地面4-5m，HPE机高约5m，工具柱每次切割有损耗），须保证人能下工具柱与护筒的空隙切割工具柱，工具柱与钢管柱现场焊接连接。

工具柱的作用是辅助钢管柱压至设计顶板标高。钢管柱宜在厂内一次加工成型，整体运输至现场。

3.2.5钢管柱吊装

钢管柱吊装过程中需确保不产生形变、弯曲，可以采取单车或双车吊装方式，项目钢管柱长度较短，采取1台吊车，单点抬吊，吊点设置于工具柱顶端。起吊时，先缓慢垂直起吊，待柱顶离地一定高度后，一边缓慢向前开动履带吊，一边提升钢管柱，保持柱底始终位于同一位置不水平移动，直至钢管柱垂直。再缓慢放入HPE机上，由HPE机上部的两个液压抱紧装置将其固定，满足要求后进入下一步骤作业。

3.2.6HPE液压垂直插入机压桩

钢管柱吊放至HPE机内上下两点抱紧钢管柱，并复测钢管柱垂直度和中心定位，满足各项精度要求后垂直插入孔内。刚开始下放时，利用钢管柱的自重自由下入孔内一定深度，当浮力大于钢管柱重量后，由HPE机将钢管柱抱紧，用液压插入装置的液压下压力将钢管柱下压插入孔内，液压千斤顶的最大行程为50cm，行程终了时，下部液压抱紧装罝将钢管柱固定，松开上部液压抱紧装罝向上提升，到高点再抱紧，然后松开下部抱紧裝罝并提升至高点后抱紧，再次插入。如此循环至设计桩顶标高50cm后，重新复测钢管柱的垂直度，此时由垂直仪检测钢管柱的垂直度，测定数据可根据电脑分析确定钢管柱的垂直度，满足垂直度要求后继续下压，将钢管柱插入至混凝土中^[2]。

3.2.7钢管柱四周回填粗砂或碎石

在钢管柱插入设计标高后，HPE机继续固定钢管桩至灌注桩混凝土初凝，在钻孔灌注桩和钢管柱之间回填粗砂或碎石，并加水密实。碎石回填至工具柱连接部位以下约0.5m位置，便于工具柱割除。

3.2.8拆除工具柱、HPE机移位

待钢管柱插入完成时间达到24h或根据留样混凝土达到凝固要求方可割除工具柱。割除工具柱前，先将护筒内泥浆抽排干净，露出回填粗砂或碎石面，操作人员通过爬梯沿着护筒壁下至工具柱连接部位，再使用氧气乙炔沿钢管柱外一圈切割钢管柱与工具柱连接部位的内置环板，人员撤离、吊出工具柱，并安装钢管柱柱帽节段，完成后移开HPE机^[3]。

3.2.9钢管柱内浇筑混凝土并下放钢筋笼

HPE机移位后，开始浇筑钢管柱柱芯混凝土，采用导管法浇筑，钢管柱内混凝土为干作业灌注，采用C50补偿收缩混凝土，灌注时需特别注意钢管柱内环板部位的混凝土密实度，当浇筑到环板部位时，需上下抽动导管使混凝土充分填筑环板底部的空隙，浇筑至柱顶后停止浇筑，观察如混凝土自密下沉后需进行补灌至柱顶。完成后下放钢管柱柱顶钢筋笼，利用钢筋笼自重使其下放到设计标高，用扁担筋将钢筋笼固定再管口^[4]。

3.2.10回填孔口拔除钢护筒

钢管柱柱芯混凝土初凝后，完成钢管柱柱顶土方回填，再拔除钢护筒。

4 材料与设备

4.1材料

钢管柱采用材质为Q345B的焊接钢管，壁厚t=20mm；钢牛腿、加强环板、加劲板钢材采用Q345B，壁厚t=20mm、30mm、40mm等；钢管柱内混凝土强度等级采用C50补偿收缩微膨胀混凝土；钢管柱内钢筋笼采用HRB400级钢筋，直径为32mm和12mm。

4.2施工机械

施工机械配置本着经济合理和满足进度目标的原则进行配置，一般单个工作面主要配备1台套HPE液压垂直插入机及配套设备+1台180t履带吊+1个工具柱拼接台架^[5]。

5 质量控制

5.1立柱桩垂直度控制标准

以直径Φ1500mm立柱桩、Φ800mm钢管柱为例，立柱桩钢筋笼最小内径仅1256mm，钢管柱外封底钢环板直径为1200mm，钢管柱底部深度约为20m，56/20000=2.8%，为避免钢管柱插入过程中触碰钢筋笼导致发生插入不到位的情况，在钢管柱插入深度内，立柱桩实际垂直度须控制在3%以内。

5.2钢管柱施工质量保证措施

（1）钢管柱焊缝必须用超声波进行无损探伤100％检测，超声波检测无法对缺陷进行探伤时应采用100％射线探伤，每根钢管不少于15张，按II级标准进行评片，满足《钢结构工程施工质量验收规范》要求。

（2）立柱桩混凝土浇筑完成后，HPE机就位前，必须重新放出桩位中心，吊装HPE机就位，放稳后使用油缸进行调整，将HPE机中心与基础桩位中心调整至同一垂直线上。立柱中心线与基础中心线控制在±5mm^[6]。

（3）对于吊装长度较长的钢管柱（长度大于18m），一般采用两台吊车，多点抬吊，以保证吊装时不产生形变、弯曲。

（4）钢管柱插入过程中，利用钢管柱下部安装的位移传感器实时检测钢管柱的垂直度，保证插入钢管柱的垂直度符合要求，垂直度可达1/1000～1/1200，最大不大于15mm。

（5）钢管柱安装过程中须多次校核钢管柱位置、垂直度及标高，必要时可于安装到位后在工具柱顶部利用全站仪重新测量复核其定位及标高，确保准确。

6 效益分析

盖挖地下工程钢管柱HPE机自动化控制施工工法在深圳地铁9号线支线工程四海站钢管柱施工中取得了较好的经济效益和社会效益，由于采用HPE机进行标准化的流水作业，每根钢管柱及立柱桩施工工期为3天，相比人工定位安装法节约10天。相比人工定位安装法单根节约2.3万，产生经济效益140万元。钢管柱定位、垂直度、标高等控制效果较好、准确性较高、安全性好，得到各方单位一致好评。

参考文献

[1]王艺霖.试论地铁车辆电气牵引系统的控制[J].科技创新导报， 2020,17(5)：80,81.

[2]王珩.现场质量控制措施在地铁机电设备安装中的应用分析[J].科技创新导报，2019,16(16)：35，37.

[3]黄国发,林蓼,刘汉凯.盖挖逆筑地下工程支护结构的施工阶段分析[J]. 工程建设，2019,51(10)：51-55.

[4]朱大勇.轨道交通地下工程的防水技术探讨[J].工程技术研究，2020,5(7)：85-86.

[5]张林涛.地铁车站盖挖逆作法的难点分析[J].工程技术研究， 2018(3)：65-66.

[6] 常淑芬、车增军.地铁盾构区间侧穿建筑物施工控制技术的相关分析[J]. 建筑技术开发,2021,48(21)：25-26

作者简介：朱杰（1989年，6月），性别男，民族汉，籍贯湖南长沙，最高学历（学位）本科，职称工程师，研究方向：建筑工程。

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