基于數(shù)值模擬的超深地下連續(xù)墻特重型鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝技術(shù)研究

付小兵 李海鴻 袁 果 闞保忠 蘇靜華 包 輝

云南建投第六建設(shè)有限公司 云南 昆明 650299

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，高層建筑、特殊用途建筑及地下交通設(shè)施等的建設(shè)越來越多，基坑開挖深度也越來越深，因此給施工提出了更高的要求。

地下連續(xù)墻因兼具截水、防滲、承重等多種作用，且具有施工振動(dòng)小、整體剛度強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用于埋深較大的基礎(chǔ)施工中。

對(duì)于一般的地下連續(xù)墻，現(xiàn)有施工技術(shù)已較為先進(jìn)，但超深地下連續(xù)墻施工難度仍然較大，尤其是特重型鋼筋籠吊裝施工[4-5]。因此，加強(qiáng)對(duì)超深地下連續(xù)墻特重型鋼筋籠吊裝技術(shù)的研究，對(duì)超深基礎(chǔ)施工具有重大意義。

鑒于現(xiàn)在超深基礎(chǔ)施工較多，對(duì)地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝技術(shù)已有眾多學(xué)者進(jìn)行過研究。

王志華等[6]就超大型地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝過程，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究手段，確定了施工過程中最不利的情況。

張紫月等[7]進(jìn)行了仿真研究，證明整體吊裝的可行性，確定了施工過程中最危險(xiǎn)的情況。

李少利[8]研究了超深地下連續(xù)墻鋼筋籠制作工藝與吊裝技術(shù)。

劉聰?shù)萚9]對(duì)鋼筋籠吊裝過程的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算研究，確定了施工最佳點(diǎn)。

石姣姣等[10]建立有限元模型，研究不同數(shù)量縱向桁架的鋼筋籠在不同吊裝角度下的力學(xué)性能，得出了最優(yōu)施工方案。

雖然現(xiàn)有地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝技術(shù)研究較為豐富，但對(duì)于“一幅兩籠”模式的鋼筋籠吊裝研究較少。因此，本文以昆明市第十四水質(zhì)凈化廠建設(shè)工程為研究背景，采用數(shù)值模擬研究方法對(duì)超深地下連續(xù)墻特重型鋼筋籠吊裝技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，為工程提供施工技術(shù)參考，指導(dǎo)工程施工。

1 工程概況

昆明市第十四水質(zhì)凈化廠建設(shè)工程為新建全地下式的水質(zhì)凈化廠，總設(shè)計(jì)規(guī)模為20.0萬 m3/d，分期建設(shè)，一期土建規(guī)模為20.0萬 m3/d，設(shè)備規(guī)模為10.0萬 m3/d?；用娣e70 000 m2，長邊長465 m，短邊長198 m，基坑深度7.8～17.9 m（局部落深29.4 m），基坑總周長約1 340 m，采用支護(hù)樁＋預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系，局部采用地下連續(xù)墻支護(hù)。

(1)學(xué)習(xí)態(tài)度。學(xué)習(xí)態(tài)度指學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的基本看法及其在學(xué)習(xí)中的言行表現(xiàn)[1]。成人學(xué)習(xí)者網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)習(xí)態(tài)度首先會(huì)影響其網(wǎng)絡(luò)瀏覽的次數(shù)及瀏覽的寬度、深度，其次會(huì)影響其在學(xué)習(xí)中付出的努力和堅(jiān)持程度，一個(gè)端正的學(xué)習(xí)態(tài)度是直接引發(fā)有意義學(xué)習(xí)的前提。

其中，進(jìn)水泵房圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 200 mm地下連續(xù)墻＋鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)和錨索的支護(hù)形式，通過對(duì)槽段進(jìn)行合理劃分，使每幅槽段盡可能地均勻，且滿足設(shè)備模數(shù)要求，槽段長度應(yīng)控制在6 m左右。地下連續(xù)墻共計(jì)20幅，其中“一”字形鋼筋籠16幅、“L”形鋼筋籠4幅，地下連續(xù)墻墻高分44.25 m和68.00 m這2種，幅寬5.10～6.00 m，單幅鋼筋籠長度分為44.25 m和68.00 m，根據(jù)地質(zhì)情況，地下連續(xù)墻嵌入基底下深度22.8～42.1 m。鋼筋籠質(zhì)量最大為120 t，屬于特重型鋼筋籠，國內(nèi)少有此類工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

2 工程重難點(diǎn)

2.1 吊裝工程重難點(diǎn)

1）本工程鋼筋籠質(zhì)量較大，最重的鋼筋籠質(zhì)量為120 t（含輔助縱橫向桁架筋及吊筋）。云南常規(guī)設(shè)備租賃市場(chǎng)缺少特大型起重設(shè)備，若從外省租賃設(shè)備則對(duì)工期影響較大，且費(fèi)用較高，使吊裝方案的選擇具有局限性。

2）鋼筋籠本身質(zhì)量大，作為鋼筋籠支撐的縱橫向桁架筋及附加筋也多憑借現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，缺乏理論依據(jù)，在起吊過程中鋼筋籠內(nèi)力受動(dòng)荷載的影響，焊接點(diǎn)容易出現(xiàn)拉裂和斷裂問題。

2.2 吊裝方案的選擇

調(diào)研當(dāng)?shù)仄鹬卦O(shè)備租賃市場(chǎng)，考慮設(shè)備從省外進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、場(chǎng)地地基承載力及租賃費(fèi)，決定將長68 m的鋼筋籠進(jìn)行分節(jié)、分幅施工，從而降低單幅鋼筋籠的起重量。選擇1臺(tái)CC1400（250 t）和1臺(tái)SCC2500（250 t）履帶式起重機(jī)進(jìn)行鋼筋籠雙機(jī)抬吊，一次成槽，分籠吊裝入槽，整體澆筑成形。為滿足成槽機(jī)及重型車輛的行走要求，地下連續(xù)墻井內(nèi)及周邊位置全部硬化成施工重型車道，在薄弱位置再鋪設(shè)厚30 mm鋼板以加強(qiáng)地面承載力。

3 鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝數(shù)值模擬分析

3.1 鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝模型建立

本工程對(duì)長68 m的鋼筋籠采用分節(jié)、“一幅兩籠”的形式吊裝，上節(jié)鋼筋籠長44 m，下節(jié)鋼筋籠長24 m，標(biāo)準(zhǔn)幅寬一半的鋼筋籠整體質(zhì)量為72.69 t（含H型鋼），上節(jié)44 m鋼筋籠質(zhì)量為49.44 t，分上下、左右共計(jì)4次完成鋼筋籠吊裝。鋼筋籠上下加密區(qū)采用焊接，非加密區(qū)采用直螺紋套筒連接，鋼筋采用并筋形式。以上節(jié)44 m段鋼筋籠吊裝構(gòu)建三維模型進(jìn)行吊裝過程模擬計(jì)算，其中，主吊橫向設(shè)置3排吊點(diǎn)，縱向設(shè)置2排吊點(diǎn)；副吊橫向設(shè)置3排吊點(diǎn)，縱向設(shè)置2排吊點(diǎn)（圖1、圖2）。各吊點(diǎn)設(shè)置如下：1.0 m＋10.0 m＋8.0 m＋7.0 m＋8.0 m＋8.0 m＋2.0 m。

圖1 鋼筋籠吊點(diǎn)縱斷面

圖2 鋼筋籠吊點(diǎn)

3.2 鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝數(shù)值模擬結(jié)果分析

主要對(duì)鋼筋籠從水平吊裝到豎向吊裝的整個(gè)過程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算其應(yīng)力及位移變形。從鋼筋籠吊裝的整個(gè)過程中，選取4個(gè)典型的計(jì)算受力模型。

以上述工程實(shí)例中的地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝施工為模擬對(duì)象，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行鋼筋籠吊點(diǎn)及縱橫向桁架筋的設(shè)置，分析起吊過程中在0°、30°、60°、90°這4種起吊角度下鋼筋籠各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的受力及位移變化情況（圖3、圖4）。

圖3 鋼筋籠吊裝過程整體應(yīng)力變化

圖4 鋼筋籠吊裝過程整體位移變化

4 施工工藝流程

基于超深地下連續(xù)墻特重型鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝過程數(shù)值模擬仿真計(jì)算結(jié)果，考慮特重型鋼筋籠由于自身質(zhì)量及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在吊裝過程中必須嚴(yán)格按照施工工藝流程及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工。施工工藝流程為：成槽作業(yè)→垂直度檢測(cè)、清槽，鋼筋籠制作、驗(yàn)收，起吊準(zhǔn)備→下節(jié)鋼筋籠吊裝→鋼筋籠拼裝完成→鋼筋籠下放就位→鋼筋籠吊裝結(jié)束。

4.1 鋼筋籠制作及加固

通過鋼筋籠動(dòng)態(tài)吊裝數(shù)值模擬結(jié)果分析，鋼筋籠起吊角度為30°時(shí)，鋼筋籠受力和變形最大位置為起吊點(diǎn)，該位置需特別進(jìn)行加強(qiáng)處理。起吊點(diǎn)位置設(shè)置縱橫向加強(qiáng)筋，吊環(huán)為φ40 mm圓鋼且與地下連續(xù)墻主筋焊接，以提高鋼筋籠整體穩(wěn)定性。

1）標(biāo)準(zhǔn)幅槽段鋼筋籠加固。每幅鋼筋籠各水平吊點(diǎn)均設(shè)置在主筋上，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幅槽段，地下連續(xù)墻鋼筋籠每個(gè)吊點(diǎn)采用1根φ40 mm的“U”形圓鋼與地下連續(xù)墻主筋焊接，主吊吊點(diǎn)下部設(shè)置φ40 mm的“U”形圓鋼吊環(huán)擱置扁擔(dān)。地下連續(xù)墻槽口段設(shè)置4根φ40 mm圓鋼，在地下連續(xù)墻垂直就位后作為吊放主筋，籠頭設(shè)置φ40 mm的“U”形圓鋼擱置扁擔(dān)，具體布置如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)幅槽段鋼筋籠加固布置

2）轉(zhuǎn)角幅槽段鋼筋籠加固。由于轉(zhuǎn)角幅鋼筋籠橫向吊點(diǎn)與平籠布置有區(qū)別，對(duì)轉(zhuǎn)角幅鋼筋籠除設(shè)置縱橫向起吊桁架、吊點(diǎn)及剪刀撐之外，另要增設(shè)鋼筋籠內(nèi)側(cè)斜撐桿進(jìn)行加強(qiáng)，以防止鋼筋籠在空中翻轉(zhuǎn)角度時(shí)發(fā)生變形?！癓”形鋼筋籠吊裝加固示意如圖6所示。

圖6 “L”形鋼筋籠吊裝加固示意

4.2 空載試驗(yàn)及靜載試吊

吊裝前檢查限位器是否靈敏可靠，起升機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)部件是否靈活，同時(shí)了解鋼絲繩在卷筒上的排列情況；機(jī)體向左、右回轉(zhuǎn)360°；前進(jìn)、后退行駛各15 m。確認(rèn)合格后方可進(jìn)行靜載試吊，帶載后離地200～300 mm，靜止約10 min，重物與地面距離應(yīng)保持不變。

4.3 動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)

靜載試吊后，在離地200～300 mm的位置，吊鉤起落各3次，來回行走15 m各2次，全程回轉(zhuǎn)各2次。制動(dòng)時(shí)檢查吊鉤是否有溜鉤現(xiàn)象，驗(yàn)證制動(dòng)時(shí)整機(jī)的穩(wěn)定性。

4.4 正式吊裝施工準(zhǔn)備

吊車在試吊正常后，在鋼筋籠正式吊裝前，做好以下準(zhǔn)備工作：

1）清除吊裝線路范圍內(nèi)的地面、空中障礙物，地面溝、坑采用鋼板覆蓋。

2）槽段軸線和標(biāo)高經(jīng)檢驗(yàn)符合設(shè)計(jì)要求。

3）工程施工所需的構(gòu)件、零配件、工具等的數(shù)量、規(guī)格齊備。

4）做好吊裝作業(yè)范圍內(nèi)的交通組織和安全警戒工作。

4.5 吊裝施工

根據(jù)設(shè)計(jì)方案及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，鋼筋籠吊放采用雙機(jī)抬吊，空中回直。單節(jié)地下連續(xù)墻鋼筋籠整體自重達(dá)72.69 t，現(xiàn)場(chǎng)以1臺(tái)CC1400（250 t）履帶式起重機(jī)作為主吊機(jī)，1臺(tái)SCC2500（250 t）履帶式起重機(jī)作為副吊機(jī)。起吊時(shí)必須使吊鉤中心與鋼筋籠重心相重合，保證起吊平衡。

1）CC1400吊機(jī)起鉤，根據(jù)下節(jié)鋼筋籠尾部與地面的距離，隨時(shí)指揮副吊機(jī)配合起鉤。

2）下節(jié)鋼筋籠吊起后，CC1400吊機(jī)向左（或向右）側(cè)旋轉(zhuǎn)，250 t吊機(jī)順轉(zhuǎn)至合適位置，讓下節(jié)鋼筋籠垂直于地面。

3）指揮起重工卸除下節(jié)鋼筋籠上250 t吊機(jī)的起吊點(diǎn)卸甲，然后遠(yuǎn)離起吊作業(yè)范圍。

4）指揮CC1400吊機(jī)行走至地下連續(xù)墻槽位附近，吊機(jī)行走應(yīng)平穩(wěn)，下節(jié)鋼筋籠上應(yīng)拉牽引繩，定位、吊放鋼筋籠入槽。

5）鋼筋籠下放至主吊吊點(diǎn)附近，插入梢棒，臨時(shí)支撐鋼筋籠，將主吊吊點(diǎn)切換至籠頂?shù)踅睢?/p>

6）鋼筋籠整體下放到位后抄平，插入梢棒，臨時(shí)支撐鋼筋籠，下節(jié)鋼筋籠下放過程結(jié)束，按照以上步驟吊裝上節(jié)鋼筋籠，并拼裝、下放至指定標(biāo)高。

4.6 吊裝結(jié)果

采用“一幅兩籠”的模式完成鋼筋籠制作、吊裝、入槽，可提高鋼筋籠下槽拼裝的質(zhì)量，減少對(duì)大型設(shè)備和基礎(chǔ)的依賴，省內(nèi)設(shè)備即可滿足吊裝安全和起重量的要求。同時(shí)，通過受力分析，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)及受力較大處進(jìn)行焊接加強(qiáng)，大大提高了安全性，對(duì)以往吊裝縱橫向桁架鋼筋進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，減少了鋼筋用量，使鋼筋籠吊裝施工安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié)語

在昆明市第十四水質(zhì)凈化廠建設(shè)工程的進(jìn)水泵房位置，20幅地下連續(xù)墻施工時(shí)未發(fā)生坍孔、散籠等質(zhì)量事故。采用新的方法對(duì)鋼筋籠進(jìn)行拆分，通過上下幅、左右幅在空中對(duì)接的方式，減少每次起重量，既保障了起重吊裝過程中的安全，又不影響工期。完成后的地下連續(xù)墻墻面平整，接縫咬合良好，無滲漏情況，且減少了超大型設(shè)備的使用。通過科技創(chuàng)新和工藝革新，保證了施工的順利進(jìn)行。研究成果可為國內(nèi)外類似超深地下連續(xù)墻特重型鋼筋籠的吊裝施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒意義。