綠色可周轉(zhuǎn)深基坑鋼坡道應(yīng)用技術(shù)

萬學(xué)林 宋 志 杜鵬飛 吳泉君 章伯陽

中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430064

貝雷橋由英國人Bailey在1938年提出原始理念。因?yàn)樨惱讟蚓哂袉卧獦?gòu)件種類少，便于制造、運(yùn)輸、安裝和拆卸等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于世界各國的救災(zāi)搶修和工程建設(shè)中[1]。目前鋼坡道主要應(yīng)用于快速搭建橋梁工程[2]，在深基坑之中作為取土坡道雖然有相關(guān)資料，但大部分資料主要是對(duì)整體穩(wěn)定性能的計(jì)算與描述[3-6]，未對(duì)具體的工藝進(jìn)行詳解。

鋼結(jié)構(gòu)工程本身的焊接量決定了采取此種結(jié)構(gòu)類型的施工坡道單次造價(jià)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的坡道（混凝土坡道、土坡道），也正是因?yàn)槿绱?，雖然鋼坡道在適用條件（土層、水位）和使用條件（承載力）方面都表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的性能，但并未能在基坑工程中得到廣泛運(yùn)用。本文以?？谌A潤中心二期東悅府項(xiàng)目為載體，由于其特殊的地層情況及工期要求，需采用鋼坡道形式。為減少鋼棧橋單次投入造價(jià)，響應(yīng)國家綠色建造施工理念，最大限度利用資源，本項(xiàng)目在一般鋼坡道節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了深化改造，并對(duì)深化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體穩(wěn)定性計(jì)算分析，整體鋼坡道具備的可拆卸程度高、可多次周轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了減少單個(gè)工程單次施工成本的效果。

本項(xiàng)目通過綠色可周轉(zhuǎn)鋼坡道的成功實(shí)施，縮短了深基坑建造工期，節(jié)約了資源消耗，降低了施工成本，為后續(xù)類似深基坑工程提供了綠色、快速、經(jīng)濟(jì)的取土坡道建造方式。

1 工程概況

?？谌A潤中心二期項(xiàng)目位于海南省?？谑袨I海路南，玉沙路西，金貿(mào)東路和明玉路之間，處于?？谑惺兄行模眰?cè)毗鄰朗庭、寶華等高端酒店，南側(cè)為京華城商圈。

本工程基坑深度為11.4～13.3 m，采用咬合支護(hù)樁＋2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐作為基坑支護(hù)形式。項(xiàng)目鄰近海邊，在地下6 m處存在層厚為2～9 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，極大地限制了坡道選擇方式，且項(xiàng)目工期要求高。對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)條件，土方開挖效率的高低無疑成為能否按工期要求完成的決定性因素，通過綜合對(duì)比分析后，決定采用綠色可周轉(zhuǎn)深基坑鋼坡道代替?zhèn)鹘y(tǒng)土坡道及混凝土坡道。

圖1 鋼坡道支撐體系精細(xì)化標(biāo)高校定裝置

2 鋼坡道設(shè)計(jì)

坡度部分鋼坡道長39 m，按3 m＋9 m＋6 m＋9 m＋9 m＋3 m跨徑布置。棧橋采用321型裝配式公路鋼橋，設(shè)計(jì)行車道寬度8 m，棧橋坡面坡度為1∶7。

下部結(jié)構(gòu)采用φ800 mm×16 mm的鋼管樁，鋼管樁埋入φ1200 mm混凝土樁基礎(chǔ)中，縱向間距按跨徑布置，橫向間距按6.50 m布置。鋼管樁上布置雙拼HN700 mm× 300 mm×13 mm×24 mm型鋼作為枕頭梁，枕頭梁上按2.00 m＋2.50 m＋2.00 m中心間距在坡道斷面方向布置4組321型貝雷梁作為主梁，每組貝雷梁由3榀貝雷用90 cm門字架連接而成。順坡道向按0.75 m間距布置25a#工字鋼分配梁，再在分配梁上按0.30 m間距橫橋向布置12.6#工字鋼次分配梁，坡道面板采用焊有φ12 mm鋼筋防滑條的厚10 mm花紋鋼面板。

3 綠色理念植入

鋼坡道作為下基坑取土坡道，具備建造及拆除周期短、不受土質(zhì)及天氣影響、不受基坑深度影響等優(yōu)勢(shì)，但其較高的單次投入注定在現(xiàn)階段無法大面積推廣應(yīng)用。為解決這個(gè)問題，決定嘗試通過調(diào)整連接節(jié)點(diǎn)，使各個(gè)構(gòu)件在完成單次施工任務(wù)后實(shí)現(xiàn)低損耗高周轉(zhuǎn)，以達(dá)到在多次周轉(zhuǎn)后整體成本大幅降低的目的，從而將綠色可周轉(zhuǎn)鋼坡道技術(shù)進(jìn)行推廣。

主要考慮對(duì)以下部分進(jìn)行優(yōu)化：

1）鋼坡道支撐體系精細(xì)化標(biāo)高校定裝置。綠色可周轉(zhuǎn)下基坑鋼坡道作為一種新型下基坑坡道形式，主材采用鋼結(jié)構(gòu)，施工過程中對(duì)精度要求較高，且坡道鋼管樁與坡道上部結(jié)構(gòu)連接過程中受到的影響因素也較多。若因土質(zhì)原因，沉降誤差過大，則會(huì)導(dǎo)致鋼管立柱無法與上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，為避免此種情況，需將鋼管長度加長，但鋼管過長則需要進(jìn)行二次切割，故工藝選擇上基本都需要進(jìn)行二次處理，且創(chuàng)面會(huì)影響后續(xù)焊接質(zhì)量而增加成本。為此，設(shè)計(jì)了鋼坡道支撐體系精細(xì)化標(biāo)高校定裝置（圖1）。通過采用精細(xì)化標(biāo)高校定裝置，即在立柱鋼管施工完成后在立柱鋼管3個(gè)方向開3個(gè)小孔，然后將小鋼管焊在3個(gè)小孔上作為出砂口，孔口標(biāo)高須低于調(diào)高鋼管最終底標(biāo)高，通過在立柱鋼管中注滿填充砂，排出或加入內(nèi)部填充砂以調(diào)節(jié)鋼管高度，達(dá)到精細(xì)化控制標(biāo)高的目的。將調(diào)高鋼管插入立柱鋼管中，根據(jù)圖紙微調(diào)最終標(biāo)高，若過高則從小鋼管排出部分填充砂，若過低則加入部分填充砂，以此達(dá)到精細(xì)化標(biāo)高調(diào)整的目的。

2）特制梳子板取代焊接做法。為保證雙拼工字鋼與貝雷梁的有效連接，創(chuàng)造性地加工特制抗貝雷梁側(cè)向滑移梳子板，使斜坡部分貝雷梁更好地與雙拼工字鋼進(jìn)行連接（圖2、圖3）。

圖2 梳子板三維放樣

圖3 梳子板實(shí)用效果

3）將連接、加固構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場后根據(jù)實(shí)際情況開洞，并采用錨栓連接方式替代焊接，以達(dá)到無損安拆的效果（圖4、圖5）。

圖4 耳板與斜桿螺栓連接

圖5 工字鋼開孔與貝雷梁螺栓連接

通過錨栓連接的方式，減少鋼坡道使用的槽鋼、工字鋼等構(gòu)件的焊接損傷，提高周轉(zhuǎn)率。

4 鋼坡道模型構(gòu)建

按出土坡道的跨徑布置整體建模，利用Midas Civil計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)算。Midas Civil程序能夠通過調(diào)整重力系數(shù)對(duì)支架本身自重進(jìn)行加載，除自重外，還需按設(shè)計(jì)值加載，然后通過整體靜載試驗(yàn)分析其穩(wěn)定性。

根據(jù)規(guī)范要求，自重作用分項(xiàng)系數(shù)取1.20，其他荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.40。棧橋及平臺(tái)為使用年限5年以下的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為三級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0.90，則修正后的荷載作用分項(xiàng)系數(shù)分別為1.08和1.26，上述組合按1.10和1.25取荷載作用分項(xiàng)系數(shù)。

鋼坡道計(jì)算分2個(gè)最不利工況進(jìn)行計(jì)算組合，如表1 所示。

表1 鋼坡道工況計(jì)算

Midas Civil程序能夠通過調(diào)整重力系數(shù)對(duì)支架本身自重進(jìn)行加載，本例中除自重外，棧橋驗(yàn)算為以上2種工況，需加載自卸汽車荷載（考慮剎車力），取其最不利位置加載計(jì)算。

圖6、圖7為2種工況下立面荷載加載圖。

圖6 雙自卸汽車跨中荷載立面布置

圖7 雙自卸汽車支點(diǎn)荷載立面布置

5 鋼坡道建模計(jì)算

鋼坡道建模主要考慮以下幾個(gè)部分：計(jì)算應(yīng)力、800 mm×16 mm鋼管樁應(yīng)力、雙拼HN700 mm×300 mm枕頭梁應(yīng)力、貝雷梁應(yīng)力、工字鋼分配梁應(yīng)力、工字鋼次分配梁應(yīng)力、計(jì)算位移。通過計(jì)算得到各個(gè)工況的最不利數(shù)值，綜合得到最不利計(jì)算結(jié)果匯總（表2），圖8～圖12為最不利工況下構(gòu)件應(yīng)力、位移分析。

表2 最不利工況匯總

6 結(jié)語

通過一系列的深化調(diào)整，所采用的綠色可周轉(zhuǎn)深基坑鋼坡道整體穩(wěn)定性滿足實(shí)際需求。所述綠色可周轉(zhuǎn)鋼坡道在保證安全穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)了綠色建造，節(jié)約了資源，提高了材料周轉(zhuǎn)利用率，減少了單次投入，使適用性較強(qiáng)的鋼坡道能夠真正應(yīng)用于基坑工程之中。本文考慮的可周轉(zhuǎn)性均為鋼管以上部分，鋼管立柱上部鋼管切割后回收利用價(jià)值明顯低于定尺鋼管，但鑒于目前已有的鋼管立柱施工方法此處無法避免，若能通過其他方法將該部分鋼管回收則能進(jìn)一步提高周轉(zhuǎn)率。通過鋼坡道取土，壓縮了整體施工工期，加快了城市建設(shè)步伐，為后續(xù)鋼坡道在深基坑工程領(lǐng)域中的廣泛使用提供了參考及實(shí)踐資料。

圖8 工況2下φ800 mm×16 mm鋼管樁應(yīng)力分析

圖9 工況2下雙拼HN700 mm×300 mm枕頭梁應(yīng)力分析

圖11 工況1下25#工字鋼分配梁應(yīng)力分析

圖12 工況2下12.6#工字鋼 次分配梁應(yīng)力分析

圖13 工況1下計(jì)算位移分析