懸掛式重載升降裝置在深基坑土方開挖中的應用

戚永峰，齊從月，楊煜明，袁利軍，張 祎，李澤民

(1.中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074； 2.深圳市城市建設開發(fā)(集團)有限公司，廣東 深圳 518022)

0 引言

隨著城市地下建筑物的規(guī)模不斷擴大,基，經濟合理地選擇出土方式關系到整個基坑工程的工期和效益。

廣東等地區(qū)采用原始土坡道出土方式較常見[1]，上海等地區(qū)采用斜坡式棧橋出土方式較常見[2],國內其他地方有的采用皮帶輸送機出土方式[3],國外也有采用裝配螺旋式出土通道和垂直提升機出土方式的報道[4]。

常規(guī)出土模式主要有利用坡道或棧橋使車輛下坑底裝運土方、抓土機等設備在坑邊直接取土2種模式[5]；前一種出土效率高，但存在坡道或棧橋占地面積大影響基坑整體開挖和支護結構施工、后期破除成本高且耗時久等弊端；后一種適用于狹窄深基坑，但出土效率低，影響工期。

為滿足建筑施工單位對基礎埋深工程的需要，施工單位要在建筑工程施工期間進行深基坑土方開挖工作，完善深基坑支護、土方施工、降排水等施工流程，改善施工難度大、風險高的情況，提高施工單位建筑深基坑土方開挖能力，對具體施工工藝進行細分，推動建筑工程施工進程。研制出一種適用于深基坑出土的懸掛式重載升降裝置，能免除常規(guī)坡道，且出土效率高，與施工進度相匹配，同時可廣泛應用于超深、超大基坑工程出土施工。

深圳市羅湖區(qū)城建梅園項目屬于國內為數不多的狹窄形深基坑，考慮到施工場地的局限性，施工后期不便設置出土坡道，為此懸掛式重載升降裝置在此類工程中的應用尤為重要。同時，隨著城市版塊的不斷更新，越來越多的舊城區(qū)改造受限于場地面積，無足夠的出土空間，因此應用于本項目的懸掛式重載升降裝置為后續(xù)此類工程提供了更加準確的應用參數和研究方向。

1 工程概況

深圳市羅湖區(qū)城建梅園項目，基坑周長約 1 230.0m， 面積約40 315.5m2。場地周邊現狀標高為15.000～16.500m，基坑支護深度20.5～23.0m。整個基坑共分為3個地塊，從左至右依次為01地塊、03地塊、05地塊。工程初期，3個地塊各設置1個出土坡道，隨著開挖深度的增加，逐步取消01，05地塊出土坡道，由03地塊坡道作為進出基坑通道；開挖至基坑底部時，所有出土坡道取消，剩余坑底土方量由懸掛式重載升降裝置轉運出場(見圖1)。

圖1 基坑支護平面

2 組成結構

2.1 設計思路

作為臨時工程的深基坑工程,往往要應付復雜多變的施工條件,要對現場出現的狀況因地制宜,防止因尺寸偏差出現安全隱患,施工人員不僅要熟練掌握力學,計算測試技術,通過保證深基坑的工程質量,進而保證高效率的施工與建筑工程質量[6]。

懸掛式重載升降裝置主要由骨架結構、骨架附著結構、下移液壓系統(tǒng)、重載轎廂、升降液壓油缸驅動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和土方車出口指示通道及施工通道組成(見圖2)。

圖2 重載提土裝置結構

2.2 工藝原理

骨架附著結構由6根立柱樁及橫向支撐組成，作用是將裝置及運輸車輛全部荷載傳導至地基。骨架結構由多片標準框架螺栓連接而成，其懸掛在立柱樁內側，為重載轎廂和液壓系統(tǒng)提供支撐載體。液壓系統(tǒng)以骨架結構底部橫梁為支點，驅動裝有運土車的重載轎廂在坑底-地面往復升降，鋼棧橋則為地面處車輛進出裝置通道。隨著土方開挖深度加大，裝置可在頂部加裝骨架結構標準節(jié)，并通過下移裝置驅動骨架結構快速下移，隨挖隨降，保證裝置與施工進度相匹配，減少關鍵線路占用(見圖3)。

圖3 懸掛式重載升降裝置組成

2.3 技術設計

重載升降裝置承力樁采用鋼管立柱樁形式，立柱下部采用鉆孔灌注樁基礎，灌注樁直徑1 000mm，樁芯采用C30水下商品混凝土澆筑，立柱樁嵌固深度為10m或入中風化巖≥4.0m，鋼筋保護層厚度為50mm；鉆孔達到設計深度，灌注混凝土前，孔底沉渣厚度應≤50mm。上部采用φ630×16鋼管，鋼管入立柱樁基嵌固段4.0m(當立柱樁長<4m時取立柱樁底)。立柱分3段，采用法蘭連接，每段長度分別為8，8，8.5m。立柱采用Q235鋼，焊條采用E50型。灌注樁主筋保護層厚度為50mm，樁身強度等級為水下混凝土C30，偏差≤30mm。水平連梁均采用雙拼[28c，剪刀撐為單根[28c(見圖4)。

圖4 重載升降裝置立柱樁剖面

3 安拆部署

3.1 安裝流程

除部分機電、液壓配件外，設備構件采用散件運輸，現場組裝后分批次吊裝方式；轎廂由于組裝后質量達到27t，故采用分片吊入基坑底后原位安裝。在基坑開挖至-8.0m時進行首次安裝，安裝節(jié)高7.8m的基礎節(jié)兩節(jié)，待基坑開挖至-15.8m和 -20.5m 分別加裝節(jié)高7.8m的標準節(jié)1節(jié)，基坑施工完成后進行設備拆除(見圖5，6)。

圖5 首次安裝位置立面

圖6 第1，2次下移位置立面

首次安裝流程為：定位樁施工→鋼柱頂部支護結構安裝→定位樁圈梁安裝→首層骨架結構安裝→導向支點安裝→轎廂安裝→油缸安裝→2層骨架結構安裝→下移支點安裝→安全防護裝置安裝→電氣控制系統(tǒng)安裝→液壓控制系統(tǒng)安裝→檢查調試。

3.2 安裝步驟

3.2.1施工現場準備

在安裝區(qū)域周邊設置防護，放線測量定位樁布點標高。定位鋼樁中心距長度方向間距為 5 500mm， 寬度方向間距為6 800mm(見圖7)。

圖7 定位樁布點

3.2.2定位樁施工

將懸掛式重載提土裝置所在位置6根立柱樁垂直打入作為裝置支撐定位樁，樁頂標高-2.000m。鋼管插入樁頂以下4m位置，使用全站儀對鋼管進行定位，調整鋼管垂直度，保證鋼管中心位置與樁孔位置同心。在鋼筋籠主筋上均勻選擇8根主筋與鋼管雙面焊焊接，焊縫長度≥5d(d為鋼筋直徑)，焊縫要求飽滿，焊縫厚度≥10mm。鋼筋籠下放在孔口時，吊起鋼管，在孔口進行焊接，焊縫冷卻后再吊入樁孔，調入后使用全站儀對鋼管再次進行定位，保證鋼管上下口中心位置相同以確保其垂直度在1/200以內。

3.2.3鋼柱頂部支護結構安裝

待基坑開挖至-8.000m，割除-3.000m以上部分定位樁；按圖紙相關尺寸要求，將鋼柱頂部支護結構在地面拼裝，框架中心距為11 000mm×6 800mm； 并將下法蘭盤與上法蘭盤通過M30螺栓連接(見圖8)。

圖8 頂部支護結構安裝

整體吊裝頂部支護結構，并將下法蘭盤與定位樁進行配裝式焊接固定。法蘭盤與定位樁焊接時，使用水準儀調節(jié)支護框架水平，低位鋼柱用墊塊墊高再進行焊接。

3.2.4定位樁圈梁安裝

以頂部支護框架橫梁為基準，將定位樁圈梁吊入，并盡量水平靠鋼柱內側(見圖9)。

圖9 定位樁圈梁立面

3.2.5首層骨架結構安裝

1)分兩半在地面拼裝第1層骨架結構：160mm× 160mm方管與160mm×60mm扁通通過16mm×260mm帶螺母平墊片進行連接，I40與60mm×60mm扁通通過M16×120帶螺母平墊片進行連接，160mm× 60mm扁通與160mm×160mm扁通通過M16×160帶螺母平墊片進行連接。

2)將拼裝好的第1層骨架結構吊至定位樁內部，框架調平，并保證在定位樁正中位置，注意坑底部出車方向為開放式框架。

3)底部橫梁安裝。將底部橫梁吊入，放置在骨架底部牛腿上，調平后用M36×130帶平彈墊螺栓連接。

3.2.6導向支點安裝

在已完成的2層定位樁圈梁上安裝導向支點，每層導向支點8套，共16套(見圖10)。安裝流程如下。

圖10 導向支點

1)清理圈梁及導向盒內雜物，支撐銷軸可在導向槽內順暢滑動。

2)拔出導向盒內支撐銷軸。

3)將導向盒卡入骨架結構工字鋼內，調整導向鑄鐵塊，使其與工字鋼翼緣預留2mm間隙。

4)導向盒豎直落到圈梁上，將固定節(jié)與圈梁配焊。

5)插入支撐銷軸，調節(jié)活動端下部頂絲，使支撐銷軸與掛耳接觸并可承力。

6)擰緊活動端與固定節(jié)連接的螺栓。

3.2.7轎廂安裝

將轎廂分片吊入基坑內，進行原位拼裝，轎廂上、下框架中間連接螺栓為M36×230帶螺母平彈墊，轎廂立柱與上、下框架連接螺栓為M36×300帶螺母平彈墊。轎廂側板與立柱連接螺栓為M16×100帶螺母平彈墊。在底部橫梁位置校正水平度，四角高差≤10mm，將轎廂吊入，并使位置居中。

3.2.8油缸安裝

1)將油缸吊入骨架結構與轎廂中間，調節(jié)水平度與垂直度。

2)配裝油缸山字梁橫梁。

3)配焊轎廂、油缸導向輪，并保證導向輪與軌道預留3～5mm間隙，上、下導向輪在同一導向平面內(見圖11)。

圖11 油缸導向結構

3.2.92層骨架結構安裝

按首層骨架結構安裝步驟完成2層骨架結構安裝。

3.2.10下移支點安裝

1)按導向支點安裝方式在頂部支護結構圈梁上安裝固定支點。

2)拔出上部移動支點銷軸，升降液壓油缸，使支點盒滑槽底與掛耳相平，插入銷軸，調節(jié)頂絲使銷軸與上掛耳接觸受力，擰緊后部螺母。

3.2.11安全防護裝置安裝

安裝防護裝置，包括進出貨方向外圍安全門、轎廂內安全門、電氣聯鎖裝置、上限位保護安裝行程開關、下限位保護安裝行程開關、防墜裝置限位保護開關、平臺平衡裝置。

3.2.12電氣控制系統(tǒng)安裝

根據現場實際情況進行電線電纜鋪設、控制箱定位。

3.2.13液壓控制系統(tǒng)安裝

液壓控制系統(tǒng)包括主升降液壓控制系統(tǒng)、外圍下放液壓系統(tǒng)。

3.2.14鋼棧橋安裝

鋼棧橋基本構件運輸到現場后，直接在現場拼裝，基本件間全部采取栓接。主縱梁拼裝完畢后，采用起重機安放拼裝到位，每排縱梁間的每片桁架均采用橫向支撐架連接，使主縱梁連接成一個整體。橋面系為標準結構，由U型槽和防滑鋼板面層組成。貝雷片縱梁架設完成后，將工字鋼橫梁鋪設在貝雷梁下弦，工字鋼橫梁與主縱梁間采用“321”型橫梁夾具固定，每個節(jié)點4套橫梁夾具固定。鋪設時必須保證橫梁平穩(wěn)，且保證防滑鋼橋面面層安裝平整密貼。主梁安裝完畢后進行護欄安裝。

3.2.15檢查、調試

按質量標準檢查各部分安裝情況，確認無誤后通電調試轎廂升降、骨架下移等功能。

4 實施效果

1)裝置懸掛于結構樁內側實現運土車在地面坑底垂直升降；占地面積小，無須規(guī)劃出土坡道，簡化出土工序。

2)施工初期安裝后即可投入使用，隨著開挖深度加大，可在裝置頂部加裝標準節(jié)，并將整機快速下移，整體下移速度可達0.3m/min，0.5h內可完成1個節(jié)段的整體下移，不占用工期，隨挖隨降，滿足不同深度基坑施工要求，與施工進度相匹配，減少關鍵線路的占用。

3)利用5G通信技術操縱現場設備，實現遠程集中操控，可識別車輛運行狀態(tài)，自動升降及開關門，實現無人化作業(yè)，優(yōu)化工人作業(yè)環(huán)境，提高施工安全性。

4)轎廂有效尺寸為10m×3.5m×4m(長×寬×高)，可運送挖掘機、裝載機、混凝土罐車、土方運輸車等施工機械。

5)系統(tǒng)可自動稱量土方車運輸量，并進行施工量統(tǒng)計，具象化顯示已完成工程量比例和任一天工作量，并作出預測，及時預警，作業(yè)人員可通過手機端實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)，接收設備維修工單。

5 結語

應用于深圳市城建梅園項目的懸掛式重載升降裝置能在出土時免除常規(guī)坡道，通過懸掛式重載升降裝置進行土方垂直運輸，利用5G通信技術實時可靠操縱現場設備，實現遠程集中操控，可識別車輛運行狀態(tài)自動升降及開關門，實現無人化作業(yè)，優(yōu)化工人作業(yè)環(huán)境、提高施工安全性，具有運載力強、出土效率高、適應性強、安全性高和智能控制等特點，可廣泛應用于超深、超大基坑工程出土。尤其適用于狹窄深基坑施工，能產生極大的社會和經濟效益，具有廣泛的推廣應用前景。