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(guò)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(shuō)的換撐,指在特別的條件下采用一定的技術(shù)措施來(lái)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?xún)?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(guò)程中支撐拆除是廣泛存在的一個(gè)施工過(guò)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(wèn)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(wú)論在明挖車(chē)站或者在蓋挖車(chē)站中都存在施工難度大、周期長(zhǎng)、拆除困難等難題。本文以天津地鐵8號(hào)線馬場(chǎng)道站工程為背景,針對(duì)車(chē)站情況,采用承插型盤(pán)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(wèn)題,為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況及鋼換撐施工問(wèn)題

1.1 工程簡(jiǎn)介

馬場(chǎng)道站位于永安道與馬場(chǎng)道交口東南象限,沿永安道東西向布置,為8號(hào)線中間站,為地下三層島式站臺(tái)車(chē)站,站臺(tái)寬度13 m,車(chē)站起訖歷程左DK23+660.291-左DK23+850.513、中心里程左DK23+748.028,車(chē)站長(zhǎng)度190.2 m,標(biāo)準(zhǔn)寬度22.5 m。車(chē)站共設(shè)2組風(fēng)亭、4個(gè)出入口,其中C號(hào)出入口預(yù)留。車(chē)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(chē)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(chē)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(mǎn)堂支架上,施工不當(dāng)就會(huì)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(mǎn)堂支架的正常布局,對(duì)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(zhǎng)度長(zhǎng)的施工特性,拆除作業(yè)十分困難。

2 承插式盤(pán)扣式桁架替換方案

桁架模型采用盤(pán)扣鋼管拼裝而成,采用市場(chǎng)上常用的?60 mm盤(pán)扣立桿作為縱向水平頂桿,?48 mm盤(pán)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(cè)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(pán)扣立桿作為縱向水平頂桿、?48 mm盤(pán)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(zhuān)用斜桿,形成整體性較好且剛度相對(duì)較大的盤(pán)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(mǎn)堂架體立桿,采用扣件連接,增加多點(diǎn)約束。馬場(chǎng)道站標(biāo)準(zhǔn)段架體總長(zhǎng)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(cè)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(kāi)。

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(pán)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(zhǎng)細(xì)比計(jì)算

(1)桁架主肢的長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式為:

式中:H為桁架的總計(jì)算長(zhǎng)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(duì)換桁架的長(zhǎng)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(mǎn)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(lèi)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(zhǎng)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(mǎn)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?chǔ)?[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(jiǎn)支梁跨中撓度計(jì)算公式δ=5ql4/(384EI)=18.9 mm,小于l/300=69 mm,滿(mǎn)足要求。

3.4 頂托承載力驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)承插型盤(pán)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(mǎn)足要求。

4 盤(pán)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(pán)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(guò)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(zhǎng)度,增加局部穩(wěn)定性。桁架安裝固定方式見(jiàn)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(guò)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(duì)操作人員組織安排技術(shù)安全交底會(huì)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(shū),必須做到人證合一[3]。

4.4 桁架拆除

對(duì)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(chǎng)道盤(pán)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(mǎn)足要求。車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、樁頂位移等監(jiān)測(cè)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(zhǎng)細(xì)比計(jì)算時(shí)按墻到墻滿(mǎn)寬長(zhǎng)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(kāi)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(mǎn)足受力需求;②組合支架相對(duì)剛度較小,需與滿(mǎn)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(chē)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?？臻g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。