PBA工法新型鋼管柱吊裝臺車的設(shè)計及應(yīng)用

張 慶

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032)

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PBA工法新型鋼管柱吊裝臺車的設(shè)計及應(yīng)用

張 慶

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032)

PBA暗挖地鐵車站由于洞內(nèi)高度受限，無法用吊車作業(yè)，鋼管柱通常在洞內(nèi)拱頂預(yù)埋或焊接吊鉤進(jìn)行吊裝。但受清華大學(xué)附中坍塌事件影響，為確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)絕對安全，總監(jiān)辦及相關(guān)方面禁止采取傳統(tǒng)方法施工。為此專門設(shè)計并制作一種新型鋼管柱吊裝臺車，通過在16號線玉淵潭東門站施工中的應(yīng)用，表明臺車吊裝技術(shù)能完全替代傳統(tǒng)方法，完全消除對初期支護(hù)穩(wěn)定的影響，避免安全隱患，且臺車使用簡單高效，節(jié)省近1個月工期，確保了施工進(jìn)度與安全。

玉淵潭東門站; 地鐵車站；PBA；鋼管柱；洞內(nèi)吊裝；新型臺車

0 引言

鋼管柱是PBA暗挖地鐵車站的重要受力構(gòu)件，目前施工中較為普遍的鋼管柱安裝方法，是在導(dǎo)洞頂部預(yù)埋吊鉤(或后期鑿除初期支護(hù)焊接)，采用電動葫蘆逐節(jié)吊裝拼接而成的。文獻(xiàn)[1-5]提到鋼管柱安裝但未明確方法；文獻(xiàn)[6-9]提及導(dǎo)洞拱頂預(yù)埋吊鉤進(jìn)行吊裝。相鄰標(biāo)段施工也主要采用傳統(tǒng)拱頂?shù)跹b。

傳統(tǒng)拱頂?shù)跹b法對拱頂格柵及初期支護(hù)受力存在較大影響，由于設(shè)計階段并未考慮鋼管柱吊裝所增加集中荷載對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，且噴射混凝土的密實度，鋼格柵焊接加工質(zhì)量均難免存在不足，故傳統(tǒng)方法存在較大施工風(fēng)險以及安全隱患，監(jiān)理方堅決禁用。在玉淵潭東門站施工中，借鑒文獻(xiàn)[10-12]的簡易三腳門架的經(jīng)驗，根據(jù)工程實際情況，設(shè)計制作并應(yīng)用新型鋼管柱吊裝臺車。本文將從鋼管柱吊裝臺車設(shè)計、制作及受力驗算、鋼管柱臺車的施工流程等方面進(jìn)行闡述。

1 工程概況

玉淵潭東門站位于月壇南街與三里河路交叉路口處，跨月壇南街南北向布置在三里河路下方。車站為雙層三跨暗挖地下島式車站，主體采用PBA暗挖法施工，總長256.6 m，總寬21.2 m，島式站臺寬12 m，底板埋深27.86 m，拱頂覆土約11.31 m。

2 吊裝方法比選

見表1。

表1 洞內(nèi)鋼管柱吊裝方法對比分析

通過對表1各方法的對比分析，可見新型鋼管柱吊裝臺車，對初期支護(hù)混凝土及格柵無影響，同時避免了高空作業(yè)風(fēng)險，而且操作簡單，進(jìn)度快，穩(wěn)定性好，經(jīng)濟(jì)適用。

3 鋼管柱吊裝臺車設(shè)計、制作及受力驗算

3.1 吊裝臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作

吊裝臺車設(shè)計尺寸需要綜合考慮導(dǎo)洞高度、寬度及結(jié)構(gòu)形式，鋼管柱分節(jié)長度，孔徑及導(dǎo)洞中的位置，橫通道高度及寬度等因素。根據(jù)本工程特點，鋼管柱位于2種斷面形式的導(dǎo)洞內(nèi)，如圖1所示，8導(dǎo)洞斷面和6導(dǎo)洞斷面形式不同，應(yīng)以6導(dǎo)洞斷面確定臺車的尺寸大小，方可通用。

(a) 8導(dǎo)洞斷面

(b) 6導(dǎo)洞斷面

臺車尺寸確定后，即選擇臺車的結(jié)構(gòu)材料，開始臺車結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，進(jìn)而進(jìn)行受力分析計算，總體設(shè)計思路遵循輕便易用、安全實用的原則。最終確定臺車設(shè)計形式如圖2所示，采用Q235鋼材，材料規(guī)格型號見表2。

(a) 俯視圖

(b) 主視圖

(c) 側(cè)視圖

吊裝臺車框架全部采用焊接連接，其余部分用高強(qiáng)度螺栓作法蘭式連接。利用臺車進(jìn)行吊裝時，150 mm方鋼制作的小橫梁作為最大直接承載點進(jìn)行吊裝。鋼管柱單根最大質(zhì)量為6.9 t，分節(jié)采用葫蘆掛鉤進(jìn)行吊裝前，應(yīng)對吊點進(jìn)行最不利工況承載力計算，滿足設(shè)計要求后方可應(yīng)用于吊裝施工。

表2 臺車主要材料統(tǒng)計表

3.2 臺車受力計算

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[13]及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[14]，在整根鋼管柱全部起吊的最不利工況下，對每個受力桿件進(jìn)行受力分析、荷載傳遞及安全性驗算。

單根鋼管柱總質(zhì)量為6.9 t，合計G=67.62 kN，首先通過2個電動葫蘆共同懸吊于150 mm方鋼橫梁中部。受力分析見圖2(b)，由圖可知，2Fcos 14°=G，則F=34.85 kN。按照荷載傳遞路徑，逐步進(jìn)行受力計算。

下述計算過程中，f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值，[ω]為撓度允許值，均按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取值。

3.2.1 方鋼計算(150 mm，t=8 mm)

150 mm方鋼承受跨中集中荷載為F=34.85 kN。

邊長150 mm，t=8 mm方鋼截面參數(shù)W=161.5 cm3，

σ=M/W= 0.25×34.85 kN×1.641 m/161.5 cm3=

88.5 N/mm2

ω=Fl3/(48EI)=34.85 kN×(1.641 m)3/(48×2．05×105N/mm2×15 319 338.67 mm4)=1.02 mm<[ω]=l/400=4.1 mm。

3.2.2 工字鋼Ⅰ(20a)計算

工字鋼承受由方鋼傳遞的2個集中荷載以及方鋼的自重，F(xiàn)2=F/2+G(方鋼)=17.4 kN+1.69 kN=19.09 kN。

20工字鋼,截面參數(shù)為W=237 cm3，I=2 370 cm4，

σ=M/W= 19.09 kN×450 mm/237 cm3= 36.25

N/mm2

ω=Fa/(24EI)×(3l2-4a2)=19.09 kN×0.45 m/(24×2．05×105N/mm2×23 700 000 mm4)×[3×(2 120 mm)2-4×(450 mm)2]=0.934 mm<[ω]=l/400=5.3 mm。

3.2.3 工字鋼Ⅱ(20a)計算

工字鋼Ⅱ承受由工字鋼Ⅰ傳遞的2個集中荷載以及工字鋼Ⅰ的自重。

F3=F2+G(工字鋼Ⅰ)=19.09 kN+0.29 kN=19.38 kN。

20工字鋼,截面參數(shù)為W=237 cm3,I=2 370 cm4，

σ=M/W= 19.38 kN×280 mm/237 cm3= 22.90

N/mm2

ω=Fa/(24EI)×(3l2-4a2)=19.38 kN×0.28 m/(24×2．05×105N/mm2×23 700 000 mm4)×[3×(2 200 mm)2-4×(280 mm)2]=0.661 mm<[ω]=l/400=5.5 mm。

3.2.4 立柱鋼管計算(φ159 mm，t=5 mm)

鋼管立柱承受由工字鋼Ⅱ傳遞的集中荷載及工字鋼Ⅱ的重量。

F4=F3+G(工字鋼Ⅱ)=19.38 kN+0.37 kN=19.75 kN，直徑159 mm，壁厚t=5 mm鋼管截面參數(shù)如下：

查表得φ=0.149,則

N/(φA)=19 750 N/(0.149×19 767.085 mm2)=

6.71 N/mm2

綜上計算，各構(gòu)件強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足吊裝要求，由計算結(jié)果可知，臺車滿足材料及規(guī)范要求，并且每個構(gòu)件均有較大的安全系數(shù)儲備。

3.2.5 有限元計算分析

參照鋼結(jié)構(gòu)計算相關(guān)規(guī)范，以最大受力狀態(tài)即整根鋼管柱全部起吊時的最不利工況進(jìn)行驗算。

在橫梁中部固定懸掛電動葫蘆，簡化為跨中受集中荷載的簡支梁進(jìn)行驗算。利用吊裝臺架進(jìn)行吊裝，小橫梁中部作為吊點，進(jìn)行吊裝。

整根鋼管柱起吊時為臺車吊裝鋼管柱過程的最不利工況，此時采用有限元分析軟件MIDAS建立實體模型，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行新型臺車受力分析計算。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，支架結(jié)構(gòu)最不利工況下最大變形及強(qiáng)度均滿足材料及規(guī)范要求，整體穩(wěn)定。

3.2.6 結(jié)論

通過規(guī)范計算、有限元軟件分析2種方法進(jìn)行受力分析，結(jié)果表明，臺車受力和變形符合臺車本身材料要求的，也符合規(guī)范要求，設(shè)計是科學(xué)的、合理的、適用的。

4 鋼管柱臺車法施工流程

4.1 施工流程

成孔驗收—孔內(nèi)鋼筋籠綁扎—移動臺車對位—鋼管柱下井—叉車運(yùn)輸?shù)娇孜弧鯉Ы壴p電動葫蘆吊裝—測量定位—緊固螺栓連接—管外填砂—管內(nèi)澆筑混凝土。

4.2 鋼管柱吊裝步驟

1)鋼管柱吊裝下井后，進(jìn)入橫通道，采用叉車插入鋼管柱內(nèi)將第1節(jié)鋼管柱經(jīng)過通道及導(dǎo)洞運(yùn)送至待安裝孔位。

2)就位后叉車緩慢將鋼管柱送入臺車下方，工人采用綁帶將管口上部綁扎牢固，綁帶末端掛在電葫蘆吊鉤上，緩慢提升，使得綁帶繃緊綁牢。

3)雙電動葫蘆，同步緩慢提升，同時叉車緩慢向前送入，直至鋼管柱完全垂直，這時叉車緩慢退出。

4)為了防止鋼管柱底端脫離叉車出現(xiàn)較大擺動，在鋼管柱吊起過程中，隨著鋼管柱逐漸抬升，叉車緩慢向前至孔口處后，待鋼管柱垂直后，方可撤出叉車。

5)叉車撤出后，然后繼續(xù)緩慢抬升鋼管柱30 cm左右，停止提升。

6)人工輔助調(diào)整鋼管柱使其在空中處于自然鉛垂?fàn)顟B(tài)，對準(zhǔn)孔位緩慢下放鋼管柱，直至第1節(jié)鋼管柱頂端法蘭到達(dá)孔口位置，停止下放。

7)用Ⅰ20工字鋼井字架搭設(shè)在孔口，卡在鋼管柱法蘭下緣處，固定牢固，松開綁帶，完成第1節(jié)鋼管柱吊裝。

8)按照前述方法吊裝第2節(jié)鋼管柱至孔口與第1節(jié)法蘭螺栓對接固定。

9)起吊第1節(jié)和第2節(jié)鋼管柱，松開工字鋼井字架，繼續(xù)下放至第2節(jié)鋼管柱法蘭到達(dá)孔口，工字鋼井字架固定牢固。

10)按照前述步驟操作，直至第4節(jié)鋼管柱螺栓連接完成。

11)起吊整根鋼管柱，緩慢下降至底法蘭預(yù)留連接螺栓位置，人工輔助進(jìn)行對位，對位準(zhǔn)確，鋼管柱落地。

12)進(jìn)行垂直度，水平位置的精確測量復(fù)核，滿足要求后緊固地腳螺栓固定牢固。

13)最后管外填砂，管內(nèi)灌注混凝土。

14)移動臺車至下一孔位，進(jìn)行下一根鋼管的安裝。

5 應(yīng)用效果

在玉淵潭東門站施工中成功地應(yīng)用該新型臺車完成了全部76根鋼管柱的吊裝任務(wù)，操作簡單，易于操作和熟練應(yīng)用，較傳統(tǒng)吊裝方法縮短26 d工期，且施工全過程未發(fā)生安全事故。臺車使用中安全穩(wěn)定可靠，未發(fā)生損壞及維修情況，達(dá)到了預(yù)期目的，得到了設(shè)計和施工人員的認(rèn)可和肯定?，F(xiàn)場臺車施工應(yīng)用實例如圖3所示。

(a) 鋼管柱吊裝過程

6 結(jié)論與討論

1)在導(dǎo)洞內(nèi)采用新型吊裝臺車進(jìn)行鋼管柱吊裝，有效避免導(dǎo)洞拱部安裝吊鉤進(jìn)行吊裝對初期支護(hù)鋼格柵及混凝土的影響，消除垮塌隱患，確保施工安全，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2)能夠節(jié)省破除初期支護(hù)混凝土焊接吊鉤，以及在拱頂反復(fù)裝卸電動葫蘆的工序，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約近1/4的工期，同時避免了高空作業(yè)風(fēng)險。

3)該新型吊裝臺架作為一種簡單實用的導(dǎo)洞內(nèi)鋼管柱吊裝方法，在PBA地鐵車站工程中具有較高的實用價值。

4)臺車結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，且能夠循環(huán)周轉(zhuǎn)，在類似工程中再次利用，總體制作和使用成本低，利用效率高。

5)在后期使用中增加構(gòu)造桿件提升其整體剛度和穩(wěn)定性，確保堅固耐用。

6)還需在行走系統(tǒng)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增加行走輪或者其他措施，使其更加簡便易用。

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Design and Application of A New Steel Pipe Column Hoisting Trolley to PBA Mined Stations

ZHANG Qing

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.of12thBureauGroupofChinaRailway，Taiyuan030032，Shanxi,China)

Due to the height limit in tunnel of PBA mined Metro station,the steel pipe column hoisting trolley can not be used.The pre-embedded steel pipe column and welding hoisting method are prohibited so as to guarantee the safety of primary support.The application of a new steel pipe column hoisting trolley to Yuyuantan East Station shows that the above-mentioned trolley is easy and high-efficient,and can guarantee the safety of primary support.

Yuyuantan East Station; Metro station; PBA; steel pipe column; hosting in pilot tunnel; new trolley

2016-06-15;

2016-07-20

中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司科研計劃項目(2014[08])

張慶(1984—)，男，山西太原人，2011年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，工程師，從事城市地鐵及隧道工程技術(shù)管理及研究工作。E-mail：zhangqingqijin@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.018

U 45

A

1672-741X(2016)10-1277-05