承插型盤扣式桁架替換鋼支撐在地鐵車站基坑中的應(yīng)用

白 東

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300000)

受基坑支護(hù)體系的限制,換撐技術(shù)在實(shí)踐中應(yīng)用不多,但由于其作用的獨(dú)特,實(shí)際施工過程中往往能取得較好的效果,特別適用于規(guī)模較大的內(nèi)支撐型深基坑支護(hù)工程中。深基坑工程中所說的換撐,指在特別的條件下采用一定的技術(shù)措施來逐步取代發(fā)揮臨時(shí)支撐作用的內(nèi)支撐體系,從而保證臨時(shí)性內(nèi)支撐拆除后,工程能安全保質(zhì)地繼續(xù)進(jìn)行。在內(nèi)支撐型深基坑工程施工過程中支撐拆除是廣泛存在的一個(gè)施工過程,即采用換撐技術(shù)解決支護(hù)由于內(nèi)支撐拆除所導(dǎo)致的穩(wěn)定問題,使基坑支護(hù)在新的條件下重新建立平衡[1],但是鋼支撐換撐無論在明挖車站或者在蓋挖車站中都存在施工難度大、周期長、拆除困難等難題。本文以天津地鐵8號線馬場道站工程為背景,針對車站情況,采用承插型盤扣式桁架作為內(nèi)支撐,順利解決了普通鋼支撐拆裝復(fù)雜、施工難度大的問題,為類似工程提供參考。

1 工程概況及鋼換撐施工問題

1.1 工程簡介

馬場道站位于永安道與馬場道交口東南象限,沿永安道東西向布置,為8號線中間站,為地下三層島式站臺車站,站臺寬度13 m,車站起訖歷程左DK23+660.291-左DK23+850.513、中心里程左DK23+748.028,車站長度190.2 m,標(biāo)準(zhǔn)寬度22.5 m。車站共設(shè)2組風(fēng)亭、4個(gè)出入口,其中C號出入口預(yù)留。車站采用明挖順作法施工。

根據(jù)原設(shè)計(jì)基坑內(nèi)支撐要求,車站負(fù)三層側(cè)墻箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到100%后,在第五道支撐下施作換撐。標(biāo)準(zhǔn)段換撐間距4.0～4.8 m,中間里程～小里程標(biāo)準(zhǔn)段距底板高度4.4 m。鋼支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 車站鋼換撐支架施工難題

(1)鋼支撐需要架設(shè)在結(jié)構(gòu)板的滿堂支架上,施工不當(dāng)就會擾動(dòng)腳手架產(chǎn)生碰撞引發(fā)架體失穩(wěn)。

(2)已經(jīng)安裝完成的倒撐區(qū)域極易影響滿堂支架的正常布局,對后續(xù)施工形成較大的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)中板施工完成后空間狹小,因鋼支撐自重大、長度長的施工特性,拆除作業(yè)十分困難。

2 承插式盤扣式桁架替換方案

桁架模型采用盤扣鋼管拼裝而成,采用市場上常用的?60 mm盤扣立桿作為縱向水平頂桿,?48 mm盤扣水平桿作為環(huán)向桿件,進(jìn)行桁架的組裝;并根據(jù)支撐反力計(jì)算出應(yīng)架設(shè)的桁架數(shù)量;測量人員放出設(shè)計(jì)軸線,進(jìn)行桁架布置,使桁架軸線與支撐軸線位置一致;整體吊裝完成后兩側(cè)頂緊。具體實(shí)施步驟如下:

(1)選用?60 mm盤扣立桿作為縱向水平頂桿、?48 mm盤扣水平桿作為環(huán)向桿件,沿縱向水平頂桿方向每1.5 m設(shè)置一道封閉式的環(huán)向桿件,桁架四周設(shè)置0.6 m的專用斜桿,形成整體性較好且剛度相對較大的盤扣桁架。桁架具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。格構(gòu)式桁架水平支撐中間部分與滿堂架體立桿,采用扣件連接,增加多點(diǎn)約束。馬場道站標(biāo)準(zhǔn)段架體總長度20 700 mm。

圖2 桁架裝配縱剖面(單位:mm)

圖3 桁架裝配橫剖面(單位:mm)

(2)測量定位,確保架體軸心位置與支撐位置一致,如圖4、圖5所示

圖4 換撐平面

(3)進(jìn)行架體吊裝,安裝完成后兩側(cè)由4根水平調(diào)節(jié)支托與側(cè)墻頂緊(如圖6所示),換撐桁架縱向水平頂桿接頭應(yīng)錯(cuò)開。

圖5 換撐剖面

圖6 鋼管桁架與側(cè)墻頂緊節(jié)點(diǎn)

3 桁架設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 整體穩(wěn)定性計(jì)算

3.1.1 桁架截面的力學(xué)特性

桁架的截面尺寸為:0.6 m×0.6 m;主肢選用?60.3 mm×3.2 mm鋼管,材質(zhì)為Q355;綴條選用?48.3 mm×2.5 mm鋼管,材質(zhì)為Q235。

依據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 231—2021)可知,主肢的截面力學(xué)參數(shù)為:截面面積A0=571 mm2;慣性矩Ix0=Iy0=231 000 mm4;回轉(zhuǎn)半徑i=20.1 mm;綴條截面面積A1=357 mm2;重心距Z0=0。

3.1.2 鋼管桁架的長細(xì)比計(jì)算

(1)桁架主肢的長細(xì)比計(jì)算公式為:

式中:H為桁架的總計(jì)算長度,取20.7 m;I為桁架的截面慣性矩;A0為1個(gè)主肢的截面面積。經(jīng)計(jì)算得:λx=λy=68.846。

(3)根據(jù)對換桁架的長細(xì)比,查表得桁架的整體穩(wěn)定性系數(shù)為0.710。

當(dāng)采用8榀桁架時(shí)[2]:最大承載力N≤φA×[f]=8×0.71×4×571 mm2×300 N/mm2=3 891 kN>3 417 kN(依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求,標(biāo)準(zhǔn)段最大軸力設(shè)計(jì)值683.4 kN/m,標(biāo)準(zhǔn)段最大間距5 m,故最大軸力為3 417 kN) ,故滿足要求。式中:[f]為極限強(qiáng)度,取值300 N/mm2。

3.2 局部穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼管桁架標(biāo)準(zhǔn)步距l(xiāng)為1 500 mm。鋼管類型:?60.3 mm×3.2 mm;鋼管截面積A=571 mm2,回轉(zhuǎn)半徑i=20.1 mm。桿長細(xì)比λ=l/i=74.627,查表得φ=0.672。則每組橫桿最大承載力N≤φA×[f]=0.672×4×571 mm2×300 N/m2=460.45 kN,小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖給定的3 417 kN。

當(dāng)采用8榀桁架時(shí):則每組橫桿最大承載力N≤8×460.45 kN=3 683.6 kN>3 417 kN,故滿足要求。

3.3 變形計(jì)算

3.3.1 軸向壓縮變形

根據(jù)設(shè)計(jì)給定的軸力,架體最大應(yīng)力為[σ]=3 417 kN /(0.710×4×571 mm2×8)=263.4 N/mm2。立桿應(yīng)變ε=[σ]/E=1.279×10-3。E為彈性模量,取值2.06×105MPa。桁架整體變形=ε×20.7 m=26.5 mm,小于地連墻容許變形值30 mm。

3.3.2 自重?fù)隙扔?jì)算

立桿自重為193.68 N/m;水平桿自重為44.90 N/m;豎向斜桿自重為73.86 N/m,合計(jì)為312.44 N/m,考慮扣件節(jié)點(diǎn)自重乘以1.1系數(shù),則最終桁架自重為343.7 N/m。保守考慮根據(jù)簡支梁跨中撓度計(jì)算公式δ=5ql4/(384EI)=18.9 mm,小于l/300=69 mm,滿足要求。

3.4 頂托承載力驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場承插型盤扣式桁架可調(diào)托座試驗(yàn)結(jié)果,可調(diào)托座在加載到140 kN情況下未發(fā)生破壞。標(biāo)準(zhǔn)段承載力=140 kN×4×8=4 480 kN>3 417 kN,滿足要求。

4 盤扣式桁架內(nèi)支撐組裝施工

4.1 桁架組裝施工

鋼管桁架采用在地面上拼接成型、整體吊裝的方式進(jìn)行安裝,地面組裝時(shí)組裝順序?yàn)?底主橫桿→底小橫桿→底斜桿→兩側(cè)小橫桿→頂主橫桿→兩側(cè)斜桿→頂橫桿→頂斜桿。

地面組裝相關(guān)要求同主體結(jié)構(gòu)支撐體系相關(guān)施工要求。

4.2 桁架內(nèi)支撐吊裝

盤扣式桁架采用四點(diǎn)吊裝下井,吊點(diǎn)設(shè)置于主節(jié)點(diǎn)上,正式吊裝前應(yīng)進(jìn)行試吊,吊裝過程中,下方桁架區(qū)域人員應(yīng)均已撤離,待桁架距已搭設(shè)完成的桁架0.5 m后再上人進(jìn)行調(diào)整。

4.3 桁架安裝

鋼管桁架應(yīng)在側(cè)墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求后安裝,支撐桁架應(yīng)放置于支撐架中部,桁架中心間距4.5 m(最大間距5.0 m)設(shè)置1榀,下部采用扣件與桁架橫桿進(jìn)行連接,上部采用鋼管系桿進(jìn)行連接。桁架中心距離底板4.4 m,立桿兩側(cè)端部采用?48 mm鋼管進(jìn)行整體連接,有效縮短支撐架長度,增加局部穩(wěn)定性。桁架安裝固定方式見圖7、圖8。保證措施:

圖7 支撐桁架安裝縱剖面

圖8 8榀支撐桁架拼裝

(1)施工過程中必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的施工順序進(jìn)行,做到隨拆隨支,盡量減小結(jié)構(gòu)空置時(shí)間。

(2)施工前對操作人員組織安排技術(shù)安全交底會議,明確施工技術(shù)及安全要求,檢查操作人員的特殊工種證書,必須做到人證合一[3]。

4.4 桁架拆除

對頂桁架與中板支撐架體同時(shí)進(jìn)行拆除。

5 實(shí)施效果

馬場道盤扣式腳手架桁架組合替代鋼支撐換撐順利完成,彎矩、剪力與鋼支撐基本相同,圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形滿足要求。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、樁頂位移等監(jiān)測數(shù)值正常,周邊建筑物沉降及位移均在允許范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論與建議

計(jì)算模型中長細(xì)比計(jì)算時(shí)按墻到墻滿寬長度取值,實(shí)際施工時(shí)鋼管桁架與架體采用扣件間隔連接增加多點(diǎn)約束,軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ值增大。桁架架體兩端及每隔4.5～6.0 m兩側(cè),豎向桿采用交叉連接加強(qiáng)抗扭剛度。組合支架替代鋼支撐時(shí)需注意:①組合支架數(shù)量較多,同時(shí)需避開結(jié)構(gòu)柱、中立柱,故需適當(dāng)?shù)脑黾咏M合支架的數(shù)量以滿足受力需求;②組合支架相對剛度較小,需與滿堂支架多點(diǎn)連接,增加整體穩(wěn)定性。

隨著基坑深度的加深,地下三層以下車站的換撐所承受的基坑側(cè)壓力也逐步增大,所需要設(shè)置的鋼管桁架榀數(shù)也在逐步增加。因?yàn)榛訐Q撐位置通常空間并不充裕,由鋼管桁架提供的集中支撐力需要變換布置形式,將集中支撐力替換為均布支撐力,故此需要進(jìn)一步研究。