裝配式鋼管廊本體建造關(guān)鍵技術(shù)研究

魏振豹

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081)

1 引言

綜合管廊是指在城市地下修建的市政管線公共隧道，將兩種及以上的電力、熱力、廣播電視、通信、給水、排水、燃?xì)獾裙芫€集中敷設(shè)于內(nèi)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)。裝配式建筑具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工、工期短、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，近年來，國家高度重視并推進(jìn)裝配式建筑建設(shè)。為推廣城市裝配式綜合管廊建設(shè)，國內(nèi)學(xué)者展開了一系列研究。王振強(qiáng)、匡亞川等人[1-2]對裝配式管廊節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；杜昕[3]對裝配式綜合管廊張拉力損失進(jìn)行了試驗(yàn)與控制研究；車鴻博、李明等人[4-5]對裝配式鋼管廊的承載性能進(jìn)行了現(xiàn)場載荷試驗(yàn)研究；鄭佳艷等[6]對波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并對波紋鋼管廊建設(shè)中存在的問題及發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討；吳佳馨等[7]對裝配式鋼塑復(fù)合綜合管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化與仿真分析；岳峰等[8]研究了裝配式鋼管廊的抗震計(jì)算方法；石立國、李六連等人[9-10]研究了上下分體、分片預(yù)制裝配式預(yù)制管廊施工技術(shù)；鄭輝[11]探討了裝配式綜合管廊在地鐵車輛基地中的發(fā)展與應(yīng)用；朱鵬舉等[12]研究了下穿鐵路、公路橋的鋼管廊施工技術(shù)。目前，裝配式鋼管廊本體(鋼管廊自身結(jié)構(gòu))建造技術(shù)這方面，少有研究報(bào)道，基于此，本文結(jié)合南京江北新區(qū)浦濱路鋼管廊項(xiàng)目，對裝配式鋼管廊本體建造技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

南京江北新區(qū)綜合管廊二期浦濱路管廊段(C6＋045～A0＋041)，從地表往下依次為①-1層主要為近3～10年以來的人工堆填物；②層為全新世沉積土層，以軟弱土體為主，多夾層或互層，巖性以黏性土、粉土、粉砂為主；③層為晚更新世沉積土層，以中密～密實(shí)狀分細(xì)砂為主。該段采用裝配式波紋鋼結(jié)構(gòu)綜合管廊方式(簡稱“裝配式鋼管廊”)建造，全長141 m，斷面為3艙(1個(gè)燃?xì)馀摗?個(gè)電力艙)，結(jié)構(gòu)寬8.9 m，內(nèi)空凈高3.45 m，底板厚度為0.40 m，頂板厚度為0.35 m，側(cè)墻厚度為0.40 m，中隔墻厚度為0.30 m。頂部覆土厚度為3.0～7.2 m，管廊挖土深度7～11.2 m，最大開挖深度12.7 m(集水井處)。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用φ800@1 000鉆孔灌注樁及高壓旋噴樁止水帷幕，標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)兩道鋼支撐(一道砼圈梁＋一道雙拼鋼圍檁)，明挖順做法施工，斷面圖如圖1所示。

圖1 裝配式鋼管廊斷面圖

2.2 重難點(diǎn)分析

該項(xiàng)目鋼管廊本體建造的重難點(diǎn)分析如下:

(1)由于地處軟土地層，需要對鋼管廊的受力變形進(jìn)行分析及現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，這是一項(xiàng)重點(diǎn)；

(2)如何把BIM技術(shù)應(yīng)用在鋼管廊建造中，來更好地貫徹綠色建造的理念，也是一項(xiàng)重點(diǎn)；

(3)鋼管廊的預(yù)制、安裝工作是一項(xiàng)重點(diǎn)；

(4)鋼管廊結(jié)構(gòu)如何防水，是一項(xiàng)難點(diǎn)。

需要注意的是，浦濱路鋼管廊地處軟土地層，其基坑的鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，可作為鋼管廊基坑開挖時(shí)的重難點(diǎn)，不作為鋼管廊本體建造時(shí)的重難點(diǎn)。

3 裝配式鋼管廊本體建造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟土地層裝配式鋼管廊受力變形數(shù)值模擬計(jì)算與現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1.1 數(shù)值模擬計(jì)算

采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，考慮復(fù)雜的邊界條件、土體本構(gòu)模型、波紋鋼綜合管廊的真實(shí)三維尺寸和實(shí)際施工運(yùn)行過程、土體變形等。本次計(jì)算模型尺寸為:縱向7 m(模擬兩節(jié)各3 m的鋼管廊結(jié)構(gòu))，橫向43.784 m，豎向23.02 m，其中鋼管廊結(jié)構(gòu)覆土7.3 m。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如下:最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)分布在波谷截面，拱頂處為221.6 MPa(見圖2a)；最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分布在波峰截面，拱頂處為233.9 MPa(見圖2b)，滿足設(shè)計(jì)要求。底板、頂板最大沉降量分別為3.05 mm、4.13 mm(見圖2c)；水平變形最大值為3.57 mm(見圖2d)，小于3 100/150＝20.6 mm，其位于右艙側(cè)板拱頂處，都滿足規(guī)范要求。

圖2 應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果

3.1.2 現(xiàn)場原位試驗(yàn)

項(xiàng)目現(xiàn)場原位試驗(yàn)設(shè)置12 m長的鋼管廊，采用分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)管廊為雙艙采用方拱形波紋鋼板兩節(jié)拼裝而成。管廊凈空尺寸為2 050 mm×3 100 mm＋2 050 mm×3 100 mm，波紋鋼板選用波形為400 mm×150 mm，波紋鋼板厚度為(4.5±0.15)mm，鋼板材質(zhì)為Q345，單節(jié)長度為6 m。試驗(yàn)加載方案:此處設(shè)計(jì)填土高度為3 m，考慮到設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.5，實(shí)際按照4.5 m覆土進(jìn)行加載試驗(yàn)，并取10 m最大填土進(jìn)行抗破壞能力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下:

圖3 鋼管廊現(xiàn)場原位試驗(yàn)

(1)波紋鋼板應(yīng)力。表面應(yīng)變值隨著填土深度的增大而增大，且在波紋鋼板中間區(qū)域增大幅度大于兩側(cè)，最大值(332.2 MPa)出現(xiàn)在頂部覆土10 m工況。應(yīng)力最大區(qū)域頂板外表面＞頂板內(nèi)表面＞側(cè)墻＞中墻＞底板。

(2)焊縫應(yīng)力。監(jiān)測點(diǎn)的最大壓應(yīng)力為319.8 MPa，最大拉應(yīng)力為220.84 MPa；大部分測點(diǎn)焊縫，其應(yīng)力隨著頂部覆土增加而增大，頂部覆土10 m達(dá)到最大值。

(3)螺栓孔局部應(yīng)變。中墻和側(cè)墻螺栓孔局部應(yīng)變最大應(yīng)變?yōu)? 000 με左右，底板螺栓孔的局部應(yīng)變最大應(yīng)變?yōu)?00 με左右；同一工況下，左艙側(cè)墻應(yīng)變大于左艙中墻的應(yīng)變。

(4)鋼管廊凈空尺寸、沉降及水平位移。①凈空尺寸最大變化量:左艙垂直方向?yàn)?13.7 mm，水平方向?yàn)?.0 mm；右艙垂直方向?yàn)?12.7 mm，水平方向?yàn)?4.7 mm。②10 m等效填土?xí)r，左艙累計(jì)沉降最大值-54.5 mm，最小值-35.1 mm；右艙累計(jì)沉降最大值-48.8 mm，最小值-37.3 mm。③10 m等效填土?xí)r，管廊雙艙間夾層水平位移最大數(shù)值3.8 mm。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，本次設(shè)計(jì)的鋼管廊，應(yīng)力、應(yīng)變、位移等符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 BIM技術(shù)的信息化應(yīng)用

采用Autodesk公司開發(fā)的BIM軟件Revit為應(yīng)用平臺(tái)，具體的BIM技術(shù)應(yīng)用包括:圖紙深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件輔助生產(chǎn)、工程量及成本管理、三維場地布置、安裝過程模擬等方面。

3.2.1 圖紙深化設(shè)計(jì)

根據(jù)初始設(shè)計(jì)加工圖紙建立波紋鋼板BIM模型，在按圖翻模過程中對圖紙存在的錯(cuò)、漏、碰等問題進(jìn)行檢查，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，尤其是鋼板重要的預(yù)留孔洞的尺寸、位置和數(shù)量。經(jīng)過BIM模型檢查發(fā)現(xiàn)原圖紙各類設(shè)計(jì)問題15處。

3.2.2 構(gòu)件輔助生產(chǎn)

以經(jīng)過修正設(shè)計(jì)后的波紋鋼板BIM模型為基礎(chǔ)，將模型移交給鋼板生產(chǎn)廠商，通過鋼板生產(chǎn)廠商的全數(shù)字自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，讀取經(jīng)過軟件轉(zhuǎn)換處理后的BIM模型信息，自動(dòng)對平鋼板進(jìn)行波形加工，精準(zhǔn)對預(yù)留孔洞進(jìn)行切割，避免了加工信息的人工二次輸入，提高了構(gòu)件加工效率，同時(shí)也確保了構(gòu)件源頭生產(chǎn)的高質(zhì)量。

3.2.3 工程量及成本管理

在建模過程中，利用Revit自帶的明細(xì)表功能統(tǒng)計(jì)鋼板、螺栓、密封膠、墊層及艙間混凝土等各類材料的實(shí)際凈用量，然后將明細(xì)表導(dǎo)出，根據(jù)定額和工程量清單的規(guī)則進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)匹配，實(shí)現(xiàn)造價(jià)成本的精準(zhǔn)化管控，避免傳統(tǒng)方式下成本管理人員重復(fù)輸入及手工計(jì)算發(fā)生的錯(cuò)、漏等問題，將成本管理人員從繁重的“計(jì)算成本”中解放出來，向“管理成本”的角色轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)成本管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3.2.4 三維場地布置

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，通過設(shè)置覆蓋全域的飛行路線和合適的照片重疊率完成對管廊施工場地原地貌及作業(yè)面原始信息的采集，導(dǎo)入Smart3D建立原始場地模型，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式為中間文件形式，導(dǎo)入Revit進(jìn)行施工場地三維模擬布置，將1∶1足尺建立的各類BIM構(gòu)件放入原始場地模型中，模擬不同階段所需構(gòu)件堆場、工程設(shè)備的位置和數(shù)量，提前判斷各類構(gòu)件所需場地尺寸、位置和數(shù)量，模擬各類車輛運(yùn)輸路線和起吊位置等是否合理，充分進(jìn)行施工現(xiàn)場數(shù)字化三維模擬和場地空間多角度分析。

3.2.5 安裝過程模擬

利用BIM模型對裝配式鋼管廊現(xiàn)場安裝進(jìn)行全過程工序模擬(見圖4)，提前預(yù)判安裝過程中可能存在的問題，加強(qiáng)安裝進(jìn)度和過程監(jiān)控。將Revit模型導(dǎo)入Fuzor中，并在Fuzor繪制安裝計(jì)劃進(jìn)度時(shí)間節(jié)點(diǎn)橫道圖，將各時(shí)間節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)，完成BIM4D模型建立，實(shí)現(xiàn)安裝全過程的精準(zhǔn)可視化模擬，并對計(jì)劃安裝進(jìn)度的合理性進(jìn)行模擬，一旦發(fā)現(xiàn)不合理時(shí)立即做出調(diào)整和修改。此外，還可以將工序模擬過程導(dǎo)出三維動(dòng)畫視頻，用于提高現(xiàn)場技術(shù)交底的質(zhì)量和效率。

圖4 鋼管廊安裝過程模擬

3.3 鋼管廊管節(jié)預(yù)制

鋼管廊管節(jié)的預(yù)制，是在工廠進(jìn)行。管節(jié)選用板厚6.5 mm的Q345鋼板，軋制成波紋鋼板，然后再與其他組件焊接而成(見圖5)，各墻板之間用高強(qiáng)耐腐蝕螺栓連接。單節(jié)長可根據(jù)實(shí)際調(diào)整，現(xiàn)場實(shí)際采用7.5 m/節(jié)。一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段鋼管廊共由底板3塊、頂板3塊、艙間豎直板4塊、兩邊起拱側(cè)板2塊組成，最重的起拱側(cè)板重為1.9 t，現(xiàn)場選用25 t吊機(jī)即可滿足施工要求。

圖5 波紋管節(jié)工廠化生產(chǎn)

波紋鋼結(jié)構(gòu)墻板以及高強(qiáng)度螺栓、螺母、墊塊等，出廠前進(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理；熱浸鍍鋅后表面熱熔環(huán)氧粉末涂層，防腐層總厚度≥160 μm。

3.4 鋼管廊現(xiàn)場安裝

3.4.1 拼裝前準(zhǔn)備

(1)安裝前應(yīng)把所需鋼結(jié)構(gòu)板片倒運(yùn)至基坑附近吊車可安全起吊的位置。

(2)堆放場地平整堅(jiān)實(shí)，無積水。

(3)構(gòu)件按型號(hào)、種類、安裝順序編號(hào)且分區(qū)放置；構(gòu)件下鋪設(shè)墊木。

(4)安裝前向施工班組及作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)、安全、環(huán)保等交底。

3.4.2 墊層復(fù)核

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，墊層設(shè)置為30 cm厚，C20混凝土，布置單層φ14@150鋼筋網(wǎng)。

(2)鋼構(gòu)件安裝前，為嚴(yán)格控制基礎(chǔ)部位與支承面的縱橫軸線和標(biāo)高，要抄平放線，并進(jìn)行驗(yàn)收，確保符合規(guī)范和圖紙要求。

3.4.3 底板吊裝及底部混凝土澆筑

(1)計(jì)算選擇25 t吊機(jī)，采用多點(diǎn)起吊方式，確定綁扎方法，做好防護(hù)措施，起吊和移動(dòng)時(shí)應(yīng)平緩。

(2)在混凝土墊層上按設(shè)計(jì)布設(shè)鋼筋和抗拔角鋼。

(3)吊裝底板放置于管枕上，在底板拼接面上鋪設(shè)密封墊，采用螺栓固定。

(4)吊裝底板于設(shè)計(jì)位置(每次≥2節(jié))管枕上，調(diào)整測量保證底板水平，與抗拔角鋼固定，連接艙間螺栓，連接收緊底板節(jié)間螺栓。

(5)支模，澆筑預(yù)制底板下部混凝土。

(6)檢查、清理縱向槽鋼表面，確保拼接表面干凈，不得影響側(cè)板安裝。

3.4.4 側(cè)板及頂板安裝

(1)密封墊布設(shè)于縱向槽鋼拼接面上，吊裝第一節(jié)中間艙豎直板片。采用可調(diào)剛性支撐，布設(shè)十字穩(wěn)固拉索，調(diào)整板片垂直度，連接緊固螺栓，如圖6所示。

圖6 中間艙構(gòu)件安裝

(2)搭設(shè)腳手架，在縱向槽鋼拼接面上布設(shè)密封墊，吊裝第一節(jié)中間艙頂板，連接緊固螺栓，如圖6所示。

(3)密封墊布設(shè)于縱向槽鋼和環(huán)向角鋼拼接面上，吊裝第二節(jié)中間艙豎直板片，與第一節(jié)中間艙豎直板栓接固定，再連接縱向槽鋼螺栓。

(4)按上述步驟(1)～(3)依次完成第二節(jié)、第三節(jié)……板片的拼裝以及與相鄰管節(jié)的連接。

(5)栓接緊固艙內(nèi)縱向和環(huán)向可更換密封墊結(jié)構(gòu)。雙艙艙間采用鎖緊板連接。

3.4.5 雙艙艙間混凝土澆筑

雙艙艙間混凝土澆筑振搗，澆筑時(shí)控制每層澆筑高度不超過1 m。分3次澆筑，每次間隔時(shí)間≥12 h，如圖7所示。

圖7 雙艙艙間混凝土澆筑

3.4.6 注意事項(xiàng)

鋼管廊的波紋鋼結(jié)構(gòu)墻板，應(yīng)盡量避免在現(xiàn)場實(shí)施切割及焊接，現(xiàn)場切割及焊縫時(shí)的防腐處理應(yīng)符合下列規(guī)定:

(1)按照規(guī)定進(jìn)行表面處理后，涂液態(tài)鋅涂料，涂料含鋅量應(yīng)不小于96%，涂層厚度應(yīng)不小于100 μm。

(2)在液態(tài)鋅涂層外再涂刷環(huán)氧樹脂涂層，液態(tài)鋅涂層和環(huán)氧樹脂涂層總厚度應(yīng)不小于200 μm。

3.5 防水關(guān)鍵技術(shù)

密封能力是鋼管廊的強(qiáng)項(xiàng)之一，密封方式基本上采用二類壓力容器密封方式。結(jié)構(gòu)中所有的連接全部采用法蘭壓緊橡膠墊片(遇水膨脹橡膠密封墊)的方式；廊體上沒有任何貫穿管壁內(nèi)外的螺栓孔。裝配式鋼管廊防水要點(diǎn)包括:波紋鋼板與縱向槽型法蘭連接、波紋鋼板間的縱向及環(huán)向連接、波紋鋼板與混凝土的連接。

(1)波紋鋼板與縱向槽型法蘭連接防水構(gòu)造(見圖8)

圖8 波紋鋼板與縱向槽型法蘭連接防水構(gòu)造

(2)波紋鋼板縱向連接防水構(gòu)造

連接方式:鋼管廊為底板、側(cè)壁和頂板分片連接，連接方式采用螺栓連接并緊固兩個(gè)相鄰墻板的縱向及環(huán)向法蘭。采用高強(qiáng)耐腐螺栓，熱鍍鋅及封閉防腐蝕處理，確保100年壽命。

密封方式:法蘭壓緊橡膠墊片雙密封面密封。中間為橡膠密封墊，內(nèi)側(cè)是可更換的密封墊，如圖9所示。

圖9 波紋鋼板縱向連接防水構(gòu)造

(3)波紋鋼板環(huán)向連接防水構(gòu)造

連接方式:螺栓連接并緊固節(jié)與節(jié)之間的法蘭。

密封方式:環(huán)向接縫，節(jié)間采用雙重密封。法蘭中間壓緊橡膠密封墊，內(nèi)側(cè)是可更換的壓緊密封墊，如圖10所示。

圖10 波紋鋼板環(huán)向連接防水構(gòu)造

(4)波紋鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)連接防水構(gòu)造

波紋鋼板與混凝土屬于不同性能的材料，因此在連接部位設(shè)置承插口和伸縮節(jié)，確保結(jié)構(gòu)緊貼密實(shí)，并用砂漿或粗砂進(jìn)行密封處理，如圖11所示。

圖11 波紋鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)連接防水構(gòu)造

(5)鋼管廊結(jié)構(gòu)整體水壓測試

兩節(jié)廊體連接后，整體試驗(yàn)水壓力0.4 MPa，結(jié)構(gòu)體無滲漏水，如圖12所示。

圖12 管廊結(jié)構(gòu)水壓試驗(yàn)

4 結(jié)語

南京江北新區(qū)浦濱路裝配式鋼管廊項(xiàng)目，目前已順利完工，實(shí)踐表明:

(1)采用本文的這套裝配式鋼管廊本體建造技術(shù)是成功的。

(2)利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了軟土地層條件下裝配式鋼管廊受力變形模式，并結(jié)合現(xiàn)場原位試驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移，這對材料選擇及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

(3)通過圖紙深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件輔助生產(chǎn)、工程量及成本管理、三維場地布置、安裝過程模擬等方面的BIM技術(shù)應(yīng)用，構(gòu)建了一套在裝配式鋼管廊中應(yīng)用的BIM技術(shù)實(shí)施模式。

(4)研究了裝配式鋼管廊波紋鋼板與法蘭連接處、鋼板縱向連接處、環(huán)向連接處及與混凝土結(jié)構(gòu)連接處的防水做法，水壓試驗(yàn)無滲漏水，證明此種防水做法的可行性與可靠性。