青秀山站是南宁轨道交通3号线从北到南的第17个站, 为地下3层 (局部4层) 明暗挖结合分离岛式站台车站, 车站北端设置明挖活塞风井, 南端设置地下3层 (局部4层) 明挖站厅, 站台层隧道采用暗挖法, 明挖站厅通过底板斜向下的扶梯斜通道与站台层横通道中部相通, 两条扶梯斜通道夹在平行站台层隧道中间, 相邻区间均在1号风亭组位置盾构吊出。青秀山站三维示意如图1所示。

北端1号风亭组位于车站北侧, 顶板覆土约5m, 基坑底部埋深约58.7m, 平面为15.6m×27.3m, 矩形结构, 基坑围护桩为1 500mm@1 900mm钻孔灌注桩, 桩长61.31m, 桩间净距400mm, 基坑中间采用2根主体结构钢管混凝土柱兼作临时中立柱, 柱底采用2 500mm的钻孔桩作为立柱嵌固桩基础。钢管混凝土柱总长81.1m (含桩基部分) , 直径1 300mm (桩基直径2 500mm) , 壁厚25mm, 钢管柱内浇注C60补偿收缩混凝土, 钢管柱与各层板环梁通过牛腿+环梁形式连接。钢管混凝土柱平面布置、桩基如图2, 3所示。

车站范围内岩土从上至下依次为: (1) 填土层、 (2) 黏性土层、 (3) 粉土层、 (4) 砂土层、古近系半成岩的泥岩、 (7) 砂岩底层。

1) 杂填土、素填土含少量黏性土, 夹碎石, 可塑~硬塑, 稍湿~湿, 欠压实~稍压实, 均匀性差。位于填土层的上层滞水疏排, 可能会引起地面下沉及低层建筑物开裂等不良影响。

2) 泥岩、粉砂质泥岩风干开裂, 遇水易软化, 局部含有深灰色、灰黑色薄层泥煤层或炭质泥岩。层厚0.70~24.70m, 对基坑开挖施工不易产生影响。

3) 粉砂岩、泥质粉砂岩粉砂质结构, 成岩程度较深, 呈半岩半土状, 局部含泥质, 厚层状构造, 岩质坚硬, 稳定性好。

本车站工程影响范围内的地下水主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水。

1) 上层滞水沿线均有分布, 主要赋存于人工填土层和浅部粉土、砂土层中, 不同地段含水层的渗透系数相差很大, 补给方式和补给量悬殊较大, 从而形成了上层滞水分布不均匀、水位不连续、高低变化很大的特点。

2) 第四系松散岩类孔隙水主要赋存于透镜体状砂层中, 水量较小, 无连续水位, 与邕江无水力联系, 属潜水。

3) 碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下伏古近系半成岩的粉砂岩和泥质粉砂岩中, 参考前期勘察资料及区域水文地质资料, 该层地下水具承压性, 富水性弱, 属弱~中等透水层, 隔水顶板为泥岩、粉砂质泥岩, 西部埋深较深, 往东渐次变浅。

根据补勘资料, 承压水头标高按高程82.000m考虑, 水位埋深约32m。场地地下水位受季节变化影响较大, 每年4—10月为雨季, 降雨充沛, 水位会明显上升, 而在秋、冬季因雨量减少, 地下水位随之下降。地下水位的变化受地形地貌、地层岩性、地下水补给来源、气候等因素控制。根据收集到的资料, 地下水水位年变化幅度为2~5m。

施工工艺流程如下:施工准备 (含定位平台制作、钢管柱加工、钢管柱内测斜管安装、PVC混凝土浇筑导管安装等) →桩位测量放线→钻机就位及校正→泥浆护壁成孔→130t与70t汽车式起重机配合吊放钢管混凝土柱桩基支承桩钢筋笼→定位平台安装→吊放第3节钢管柱→吊放第2, 1节钢管柱、焊接成整体并下放, 初步固定→钢管柱孔口固定、钢管柱下部校直固定→清孔→混凝土浇筑导管下放→灌注支承立柱桩水下混凝土→钢管柱再次校核→混凝土等强→钢管柱内钢筋笼吊装→导管安装→灌注柱内混凝土至终凝→空桩回填→定位平台拆除。

钢管混凝土柱兼作临时中立柱, 柱底采用2 800mm的钻孔桩作为立柱嵌固桩基础。桩深81.1m, 底板以上为钢管混凝土柱, 长59.1m, 外径1 300mm, 壁厚25mm (见图4) 。按1‰的垂直度要求, 钢管混凝土柱在底板顶面位置垂直度偏差不得超过59.1m×1‰=5.91cm;按立柱桩的钢筋笼与钢管柱之间的尺寸关系以及钢管1/1 000的定位精度要求, 底板顶面位置的成桩垂直偏差不得超过175mm。

直径2 800mm立柱桩, 深度81.1m, 一次成孔较为困难, 共分为2次扩孔进行施工, 采用的钻机为南车TR280D和TR460C旋挖钻机, 筒钻和截齿钻头直径为1 500, 2 000, 2 800mm。

1) 考虑TR280D钻机钻进直径1 500mm的桩孔垂直度控制较好, 一般偏差在5~20cm, 先用该型号钻机1 500mm钻头分3个阶段 (40, 60m、到底) 钻进, 每阶段完成后, 用超声波垂直度检测仪检测垂直度及时纠偏。

2) TR280D钻机改换直径2 000mm的钻头, 进行第1次扩孔。前20m每钻进10m用吊锤球的方法进行垂直度检测并进行纠偏;钻进30m后, 先进行超声波垂直度检测, 确定纠偏措施再钻进至40m, 用超声波检测垂直度, 然后再钻进至56m, 再次检测垂直度。

3) 更换为直径2 800mm的钻头, 进行第2次扩孔, 每钻进10m进行1次垂直度检测, 直到钻进至56m位置。

4) 更换2 000mm钻头从56m处钻进至设计深度79.26m, 用超声波检测垂直度。

5) 更换2 800mm钻头由56m处钻进至设计深度, 再次检测垂直度, 分析数据, 根据垂直度偏差进行纠偏。

6) 每次扩孔时更换钻头及选择钻头方面, 应先考虑较长 (2m及以上) 的筒钻引孔, 须将孔的垂直度偏差控制在最小, 钻进至5~8m深度再更换为钻进较快的截齿捞砂钻头, 以此有利于截齿钻头的竖直钻进, 减少扩孔过程中发生偏孔。

采用直径1 500mm钻头钻进引孔, 在钻进至做第1次超声波垂直度检测前, 不需要往孔内注水和泥浆, 钻进至40, 60m、到底做超声波垂直度检测时, 注入清水, 检测完后, 应及时抽水然后注入优质泥浆进行泥浆护壁防塌孔。

改换直径2 800mm钻头钻进至10m时, 用吊垂球方法在孔中心、孔壁四周检查垂直度, 若垂直度偏差过大, 则回填C15细石混凝土, 之后再重新确定桩孔中心重新钻进, 前10m每钻进2m测1次垂直度。

根据钢管柱定位需要, 钢管柱需要伸出地面1.5m, 钢管柱长66.1m, 重79t, 按3节进行起吊, 桩顶标高115.400m, 桩底标高49.300m, 第1节长24.4m, 重29t, 第2节长23m, 重28t, 第3节长18.7m, 重22t。采用130t履带式起重机和70t汽车式起重机依次起吊焊接连接后下放。钢管柱分段及内部构造措施如图5所示。

钢管柱采用130t履带式起重机和70t汽车式起重机分节段吊装至孔口进行焊接拼接。第1节钢管柱吊装至孔口时, 人工调节钢牛腿方向, 使钢管柱东、西、南、北4个方向基本对正定位平台的4个方向, 随后缓慢下管, 第1节管固定至横梁上后, 再起吊第2节钢管柱。过程中, 为保证钢管能顺利吊装, 需保证钢管的重力始终大于浮力, 钢管浮力为94.3t>钢管重力79t, 故需往钢管里面注水增加重力。考虑到注水的方便性, 第1节钢管吊装到位后往里注水最小高度为12.5m, 综合考虑, 最终注水高度取为15m。

钢管柱在工厂预制过程中, 应派人严格控制钢管连接截面的椭圆度, 确保上下节段钢管对接后的准确性。

钢管柱节间连接采用单边坡口焊接, 焊接前需对焊接部分的杂质进行打磨, 对钢管表面保护层进行高温加热使之汽化, 焊接过程中焊接一层打磨一层, 焊缝打磨后要求平整光滑, 焊缝必须饱满密实, 不留气泡, 焊接及打磨全部交由厂家电焊工负责完成。

安装液压油缸并现场调试 (顶部液压油缸距离管底8.6m) , 检查液压杆的伸缩性及计算液压杆每秒的伸缩速度、防水密闭性。以正北方向偏东20cm为起点, 另外两个点与起点呈等边三角形安装声测管。

自动油缸定位系统与手工螺旋定位丝杆相结合, 人工将螺旋千斤顶定位装置安装在钢管柱管口以下28m处;为便于混凝土灌注时导管安装, 人工定位丝杆之间在钢管柱中心预留50cm空间 (即每根丝杆在管内预留37.5cm) 。

钢管柱与各层板环梁通过牛腿+环梁形式连接。钢管柱前期作为临时支撑柱起到上托各层环框梁板结构的作用, 后期作为1号风亭永久结构柱, 支撑整个风亭内结构, 加之前后地下水位工况的不同, 立柱的作用不同, 作为永久结构的钢管柱的垂直偏差不得超过59.1mm, 定位精度要求高。

定位平台3.8m×3.8m, 加工后运至施工现场安装、调平。在地面东、南、西、北4个方向原地面放样出来, 然后将平台吊装至固定位置。定位平台底座3.8m×3.8m×0.6m;横梁3.8m×0.4m×0.5m;12个支腿可上下调节高度0.17m。

据第1个牛腿顶面标高、牛腿顶面到吊耳底部距离, 计算吊耳底标高;结合地面标高、定位平台高度、U形垫块高度, 计算支腿调节高度, 然后进行粗略调平, 最后用测量仪器测量后, 再精确调整平台高度。

利用定位平台顶部螺旋千斤顶进行钢管柱顶端平面定位。钢管柱吊装入定位平台中心孔内后, 通过全站仪在定位架顶部定出桩位中心点, 并悬挂垂球, 采用加工好的定位十字架放在钢管柱上口, 并通过顶升臂移动钢管柱, 当悬挂锤球尖与定位十字架中心重合后, 将钢管柱顶端固定。

当钢管柱顶部定位精确后, 进行钢管柱垂直度定位。钢管柱顶端悬挂在定位平台上, 由于自重作用, 钢管处于铅垂状态。但由于钻孔桩浇注混凝土的扰动, 钢管柱可能会倾斜, 因此在混凝土灌注前采用超声波检测及垂准仪检查的方式, 对钢管柱的垂直度进行调整, 并进行钢管柱的加固稳定。针对钢管柱的偏移和不稳定情况, 操作工人下到钢管柱2/3处, 通过密封螺旋千斤顶进行调节, 如图6所示。

立柱桩直径2 800mm, 深79.2m, 钢筋笼及钢管下放后时间较长, 下放过程中孔壁受到较大干扰, 塌孔沉渣较多, 泥岩粉砂等沉积时间长易造成板结, 清渣困难;钢管与钢筋笼之间的连接关系及各层钢管上一次焊接牛腿及定位装置、桩孔倾斜、钢管定位精度极高等因素的影响, 混凝土浇筑导管的下放空间极为有限, 混凝土的浇筑连续性是本工程控制的重点, 也是难点。

采用旋喷桩机结合气举反循环的方法进行二次清孔作业, 但清孔过程中塌孔现象严重, 孔底大块状的片石、泥团较多, 导致清渣效果不明显。

立柱桩深79.2m, 竖井基坑底板以下需要灌注20m C35水下混凝土, 桩径2.8m, 钢筋笼直径2.66m, 钢管柱直径 (加上一次焊接牛腿) 1.36m, 插入到钢筋笼中。钢筋笼下放到位后进行钢管下放 (起吊、二次焊接、管线连接、定位等工作) , 定位工作、二次清孔工作完成后, 进行桩底20m的混凝土灌注。

采取双导管同时灌注方案;采用坍落度大的细石混凝土, 保证和易性;钢管内进行加水配重, 防止浇筑过程中钢管上浮。采用钢管柱外侧外挂直径400mm PVC管, 确保浇筑用直径250mm导管的上下提升顺畅, 防止提升受阻。

为增强钢管桩与钢筋混凝土桩的连接, 在钢管桩外表面设置栓钉及钢筋, 浇筑混凝土后可极大地增强抗剪切强度。

为保证钢管桩节间连接的稳定及定位, 在正东、正西、正南、正北4个方向分别设置4个定位插槽, 用于钢管桩对接定位。

在钢管桩内部不同方向设置4个液压油缸, 通过连接螺杆将液压油缸撑靴作用到周边围岩上, 控制油缸伸长量实现钢管桩垂直度的调节。

在钢管桩内部分别安装坐标刻度板及摄像机, 并通过数据线将画面传输至监控室, 通过液压油缸调节钢管桩垂直度时配合垂球, 将垂球坐标控制在要求范围内, 实现钢管桩的垂直度调节功能。

液压油缸油管、测斜管及钢管柱外侧PVC混凝土浇筑导向管均需随着钢管柱的分节而断开, 钢管桩节段间焊接时, 油管、测斜管及PVC混凝土浇筑导向管均需要连接。为满足钢管柱吊装时不掉落、节段连接时便于连接, PVC节段间采用套筒连接, 测斜管采用钢套筒连接, 并设置限位钢筋, 使各节段的测斜管、PVC管只能向上移动而不能向下移动。

在钢管柱顶设置限位横杆, 既可以方便吊装第1节段钢管, 也方便在孔口位置固定, 同时, 为满足吊装后的钢管柱垂直度调整, 需要在工厂预制时在限位横杆的中心位置设置直径2cm的垂直吊装孔, 以便与坐标刻度板进行定位。

为防止钢管柱内的各种管线 (如摄像头数据线、电力线、液压千斤顶油管等) 在拖拽过程中受到破损或断裂, 在钢管柱第1节段顶端位置设置了简易的拖拽限位装置。

本文通过介绍大直径深长钢管混凝土柱成孔、吊装、定位、焊接、混凝土浇筑等工艺流程以及过程中采取的关键施工技术措施, 成功解决了大直径深长钻孔灌注桩、钢管混凝土柱结合在一起所引起的吊装、钢管连接、定位、垂直度调整、混凝土浇筑等施工技术难题。