HPE液压垂直插入技术及超缓凝混凝土
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中图分类号：TG315文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
京津城际延伸线于家堡站站房工程是国内首例全地下站房工程，位于天津市滨海新区，是于家堡综合交通枢纽工程的一部分，总建筑面积为86168㎡，站台规模3台6线，地下二层为站台及轨道层，地下一层为候车大厅、设备用房及办公区层。地面层为“贝壳”型穹顶采光屋面，基坑开挖深度21.5m。
站房工程永久性钢管混凝土柱为Φ1400，采用hpe垂直插入钢管柱施工工法施工。本工程基坑深度深，柱间跨度大等特点，造成钻孔灌注桩单桩承载力大，桩直径大，深度深。永久性钢管混凝土柱垂直度高，要求偏差≤L/500（L为钢管柱的高度），永久性钢管混凝土柱锚入钻孔灌注桩的混凝土有效长度为4m。
HPE施工工艺是一种在逆作法施工中底部基础桩与上部结构柱连接的施工方法。施工中采用HPE液压垂直插入机，在基坑内施工的支承桩浇筑至基坑底标高后、在混凝土初凝前，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的施工方法。
2.1 承压桩超缓凝混凝土技术
本工程采用盖挖逆作法进行施工，利用HPE液压垂直插入机在承压桩混凝土浇筑完毕后下插钢管柱作为结构施工时的中间支撑柱和结构正常使用阶段的永久性的结构柱。因此，从混凝土浇灌完成至钢管柱下插至设计标高和位置这段时间混凝土不能初凝，是该工法顺利施工的关键所在。
本工程钢管柱设计长度22m，直径1.4m，钢管壁厚42mm，钢管柱总重量在20吨以上，需插入混凝土的部分达4.8m。施工难度大，工序繁琐，耗时较长，这就要求下部承压桩的混凝土必须具备良好的超缓凝性。
施工过程中在不影响设计要求桩基混凝土强度及耐久性等质量指标的前提下，通过适当调整水泥、粉煤灰等胶凝材料的配合比，并掺加一定比例的超缓凝性外加剂达到了超缓凝的效果。工程施工过程中所用的混凝土初凝时间达到36h，且16小时后在不添加任何外加剂的情况下，二次搅拌坍落度不小于100mm。为钢管柱的顺利下插施工提供了充分的时间保证。
2.2 HPE垂直插入机就位对中
混凝土灌注完成后，重新放出桩位中心，并将十字线标记在护筒上。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。
2.3 调整HPE垂直插入机水平度
HPE垂直插入机就位对中后，HPE液压插入机械可手动、自动调整水平度，并重新复核中心位置，满足要求后即可吊装永久性钢管柱入孔。
2.4 吊装永久性钢管柱
根据本工程永久性钢管柱的长度，为保证吊装时不产生变形、弯曲，采用二台吊车多点抬吊，将永久性钢管柱垂直缓慢放入HPE垂直插入机上，吊装前应严格计算吊点位置等技术参数，保证钢管柱不产生变形、弯曲。
2.5 HPE垂直插入机液压插入永久性钢管柱
永久性钢管柱吊放至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，并复测永久性钢管柱垂直度，满足要求后垂直插入孔内，刚开始下放永久性钢管柱时，由于永久性钢管柱的自重，钢管柱能自由下入孔内一定深度，当浮力大于永久性钢管柱重量后，由HPE垂直插入机将永久性钢管柱抱紧，用液压插入装置的液压下压力将永久性钢管柱下压插入孔内，当永久性钢管柱顶标高都在地面以下一定的深度时，在永久性钢管柱顶部连接一根同直径的工具柱，利用工具柱将永久性钢管柱插入至设计标高；当永久性钢管柱插至混凝土顶面后，重新复测永久性钢管柱的垂直度，此时用垂直仪检测永久性钢管柱的垂直度，测定数据可根据电脑分析确定永久性钢管柱的垂直度，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，直至永久性钢管柱垂直度满足要求。
图1液压插入机施工示意图
2.6 钢管柱四周回填碎石
HPE液压垂直机垂直插入永久性钢管柱后，即可对永久性钢管柱四周进行砂或碎石回填，回填时碎石在钢管柱四周均匀填入，碎石回填高度为永久性钢管顶标高以下500mm，上部等工具柱拆除后回填；回填时排出的稳定液用泥浆泵抽至废浆池后外运清除。
2.7 下放永久性钢管柱内钢筋笼并灌注混凝土
永久性钢管柱插入四周回填后，此时仍由HPE插入机抱紧永久性钢管柱，控制好柱顶标高即可进行永久性钢管柱内浇筑混凝土，先下放永久性钢管柱内的钢筋笼，采用吊筋将钢筋笼固定在永久性钢管柱上口，控制钢筋笼顶标高，再下放导管进行永久性钢管柱内的混凝土灌注，永久性钢管柱内混凝土为干作业灌注，在灌注时需特别注意永久性钢管柱法兰部位的混凝土密实度，当灌注到法兰部位时，需上下抽动导管使混凝土充分填筑法兰底部的空隙，灌注到永久性钢管柱顶标高350～500mm后停止灌注，严防超灌造成混凝土凝结上部工具柱后无法拆除工具柱，并确保后期钢管柱顶法兰螺栓连接。
2.8 拆除送柱标准节HPE垂直插入机移位
当钢管柱四周回填并浇筑钢管柱内混凝土后，四周回填碎石已固定永久性钢管柱中心位置，即可拆除上部送柱工具柱，割除永久性钢管柱与送柱工具柱连接部位，拆除送柱工具柱后由吊车将HPE垂直插入机移位即可。
2.9 回填孔口拔除钢护筒
永久性钢管柱内的混凝土达到初凝后，对钢管柱内上口350～500mm未浇筑混凝土的回填细砂，便于今后开挖清理；其余部位回填碎石或易密实的砂土至孔口，拔除钢护筒。
2.10 永久性钢管柱顶的保护
混凝土初凝后对永久性钢管柱上部进行回填处理并拔除钢护筒；用石屑或砂回填至原始地面-25cm处，再浇筑一层25cm厚的C30钢筋混凝土，钢筋可配置二级Φ16双层双向，防止大型机械行走对钢管柱的挤压造成变形。
3 技术原理
HPE液压垂直插入机施工原理主要是以下几个方面：
3.1 将HPE液压插入机械准确就位、定位，根据HPE液压插入机机身上的垂直调校装置调整垂直度。
3.2 HPE液压插入机定位垂直后，将钢柱吊起，用HPE液压插入机的液压定位器将钢柱抱紧，根据二点定位原理，抱紧钢柱后再复测垂直度。
3.3 在保证垂直度后将钢柱在砼初凝前用HPE液压垂直插入机将钢管柱插入到灌注桩混凝土中，直至达到设计标高及标准要求为止。
HPE液压垂直插入工法具有垂直精度高，定位准确，安全风险降，节约能源，降低施工成本等优点。
4 关键技术和创新点
本工程的关键技术及创新点主要有以下内容：
4.1 合理调配混凝土配合比，掺加超混凝性外加剂，利用超缓凝性混凝土初凝时间长的特性，保证了在承压桩混凝土浇筑完成后利用HPE液压垂直插入机进行下插钢管柱有充足的时间。现场施工时，质检人员应加大对混凝土质量的抽检频次，并安排人员到搅拌站驻场监督，确保混凝土浇筑的质量。
4.2 HPE液压垂直插入机就位时，重新放出桩位中心，将HPE液压插入机械的定位器中心与桩位中心在同一垂直线上。
4.3 HPE液压插入机械调整好水平度后，应重新复核中心位置，满足要求后方可吊装永久性钢管柱入孔。
4.4 钢管柱吊装过程前应严格计算吊点位置，防止吊装过程中，因钢管柱过长或重量太大产生弯曲变形，影响钢管柱的顺利下插和后期结构的正常使用。
4.5 钢管柱正式下插前，应在端部安装传感器，下插时利用HPE插入机上的垂直仪检测永久性钢管柱的垂直度，测定的数据可根据电脑进行分析确定永久性钢管柱的垂直度。
4.6 钢管柱在下插至设计标高位置时，应进行最后一步的校准复测。偏差较大，HPE插入机利用自身平衡系统无法调整垂直度时，可根据实际情况利用千斤顶进行纠偏处理。
4.7 钢管柱下插到位并校核垂直度后，不能立即移开插入机。应在承压桩混凝土彻底凝固上强度后方可移动插入机，避免因浮力等原因造成钢管柱在混凝土凝固前发生标高位置的变动。
4.8 钢管柱四周进行碎石回填时应慢速均匀，防止钢管柱周边回填碎石高差过大产生侧压力造成钢管柱在垂直度上的偏差。
5 试验及钢柱垂直度检测
5.1 钢管柱下桩混凝土试验
考虑插入钢管柱的需要，钢管柱下桩的混凝土需要一定的缓凝时间，缓凝时间不应小于混凝土运输时间、浇筑时间、HPE插入机就位时间、插入时间的总和。根据混凝土运距、单根桩混凝土方量、混凝土灌注时间、HPE液压垂直插入机就位时间、插入钢管柱时间等因素综合考虑，混凝土缓凝时间不应少于36小时，且16小时后在不添加任何外加剂的情况下，二次搅拌坍落度不小于10cm。在钢管柱施工前，由专业实验人员根据上述技术要求确定适宜的混凝土配合比，确保钢管柱施工过程中混凝土的质量，对钢管柱插入部分的混凝土石子含量及和易性重点监控，采用孔内取样的方法确保孔内混凝土质量。
5.2 钢管柱垂直度检测
钢管柱吊放至HPE液压垂直插入机内，下入孔内至第二道法兰后，由HPE液压垂直插入机抱紧钢管柱，并复测钢管柱垂直度，满足要求后在钢管柱的下部安装一个位移传感器。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液压垂直插入机将钢管柱抱紧，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，重新复测钢管柱垂直度，此时可根据钢管柱下部安装的位移传感器反映到地面电脑上的信号来检测钢管柱的垂直度，满足垂直度要求后继续下压将钢管柱插入至混凝土中。如不符合要求可调整HPE液压垂直插入机的水平度直至钢管柱垂直度满足要求。
6存在问题和改进措施
HPE液压垂直插入钢管柱技术虽然目前在国内处于领先水平，但是通过工程的具体实践。还是存在一些需要改进的地方：
6.1 HPE插入机液压动力需进一步加大。
目前国内建筑市场上普遍应用的HPE插入机对于一般直径较小、桩长不大、插入混凝土深度较浅的钢管柱具有明显的优势。但是对于于家堡站房工程中所使用的大直径、超长钢管柱则明显存在动力不足的问题。施工过程中，钢管柱截面尺寸和体积较大，导致插入过程中因桩孔护壁泥浆产生的浮力较大，阻碍了工程桩的顺利下插。且钢管柱插入混凝土较深，钢管柱与混凝土摩擦产生的阻力较大进一步阻碍了钢管柱的顺利施工。
6.2 HPE插入机自身在垂直度调整方面可调控的范围较小，对于偏差较大的钢管柱无法进行调整。施工单位在钢管柱就位下插前应务必从两个方向利用经纬仪进行垂直度的校核调整。
6.3 HPE插入机在坐标定位方面没有自动纠偏装置，仅能依靠插入机就位前的一次对中就位确保坐标位置的精确。施工过程中对于吨位较大的钢管柱，HPE插入机易出现活动现象，最后坐标复核时会经常发现中心偏位的情况。
7结束语
HPE液压垂直插入钢管柱技术无需人工下孔作业，首先在很大程度上降低了安全风险，保证了施工作业人员的安全。HPE液压垂直插入机施工过程中完全机械化作业，减少了人为因素，将钢管柱插至混凝土顶面后，可以根据钢管柱下部安装的位移传感器反映到电脑上的信号来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1/500～1/1200，保证了施工质量。HPE液压垂直插入钢管柱工法由先进的施工设备施工，较之常规的施工工艺，施工流程简单，施工速度快，平均完成单根钢管柱安装时间10～20h，单根钢管柱安装的施工工期缩短了70%以上。HPE液压垂直插入钢管柱技术大量减少了施工材料和人工的投入，如施工中不需长钢护筒护壁，也不用人工埋设定位器等，因而降低了投资成本30%以上，具有广阔的实用价值和应用前景。