大空間蓋挖逆作型鋼結構建造關鍵技術

杜運國

(中鐵十五局集團有限公司，河南洛陽　471013)

Key Technology of Large Space Excavation for Cover Formed Steel Construction

DU Yunguo

大空間蓋挖逆作型鋼結構建造關鍵技術

杜運國

(中鐵十五局集團有限公司，河南洛陽471013)

Key Technology of Large Space Excavation for Cover Formed Steel Construction

DU Yunguo

摘要深圳福田綜合樞紐站周邊環境復雜，采取蓋挖逆作法施工，主體結構采取國內少見的鋼管柱及縱橫型鋼梁組合體系。以此工程為依托，介紹蓋挖逆作法施工時，型鋼結構制造和型鋼結構安裝關鍵技術。型鋼結構制造質量應從型鋼梁下料、型鋼梁組立、鋼梁的焊接、鋼梁矯正、鋼梁的拼裝、鋼梁牛腿制作等關鍵技術環節進行控制；型鋼結構安裝質量應從構件就位、鋼梁及節點安裝、高強螺栓施工、現場焊接等關鍵工藝進行控制。

關鍵詞蓋挖逆作型鋼結構關鍵技術

型鋼-混凝土組合結構具有承載力高、剛度大、抗震性能好、構件截面尺寸小、施工快速等諸多優點，常被設計采用。明挖法施工時型鋼結構建造技術非常成熟，質量控制有保障。蓋挖逆作法主體結構采取型鋼混凝土組合體系國內少見。如何高質量、高效率修造型鋼結構體系是確保工程成敗的關鍵和核心，值得各位科技工作去研究和探討。以深圳福田站為例，系統研究梁-柱等關鍵節點受力性能、制作工藝和接頭處理流程。

1工程概況

深圳福田站是國家《中長期鐵路網規劃》中提出的“北京—武漢—廣州—深圳—香港客運專線”在深圳市福田中心區選址設置的車站，是深圳鐵路“兩主三輔”客運樞紐中最為重要的輔助車站。福田站綜合交通樞紐是集國鐵、口岸、城際軌道、城市軌道、常規公交、出租車、小汽車等多種交通功能于一體的大型地下綜合客運樞紐，是珠三角重要的城際交通樞紐、深圳市重要的軌道交通換乘中心。福田站位于深圳市行政文化中心市民廣場下方，基坑長1 023 m，最深32.15 m，最寬78.86 m，為亞洲第一大基坑。周邊高層建筑眾多，道路交通密集，環境復雜，分五段施工(如圖1)，段一、段二、斷五采取明挖順作法，段三、四采取蓋挖逆作法。

福田站段三、段四寬約78 m，平均埋深為32 m，車站主體結構最大跨度為21.46 m，頂板覆土3 m，屬超大、超寬、超深地下結構，經多輪專家會討論，最終確定采取蓋挖逆作法施工。為滿足地下結構安全和受力要求，車站主體結構采取3層5跨現澆型鋼混凝土結構。鋼管和型鋼均采取Q345鋼材，其中鋼管柱截面尺寸為 1 600×35，柱內澆筑C60高強混凝土。縱橫梁采用型鋼結構，內置H型鋼，如圖2。

圖1　基坑分段示意

圖2　福田站型鋼梁柱示意

2蓋挖逆作鋼管柱施工工藝

在基坑開挖前與其他抗拔樁、臨時立柱樁同時施工。成孔后下直徑2.8 m鋼套筒，清孔合格后下放鋼筋籠，灌注混凝土。12h后，將孔內泥漿抽干，按設計高程人工鑿除混凝土，安裝下定位器，測量放出樁中心十字線；安裝上定位器，將整體制作完成的鋼管柱吊裝入孔，底部采用定位器定位，頂部采用螺旋千斤頂微調，保證上下均符合設計定位要求。

精確定位完成后，灌注鋼管混凝土，24 h以后，結構柱周邊回填中粗砂及在負一層、負二層高程處灌注1 m厚混凝土。施工流程見圖3。

圖3　鋼管混凝土立柱施工工藝

3型鋼結構制造關健技術

3.1　鋼梁制造

(1)型鋼梁下料

主板材采用火焰切割機兩面同時垂直下料，對腹板采用半自動切割機開坡口，坡口面及附近50 mm范圍內需打磨，清除割渣及氧化皮等雜物。①下料前必須對鋼板的平整度進行檢查，翼板、腹板的平面度允許偏差1 mm/m以內，發現超差需矯正；②下料前，對厚板母材焊道中心線兩側各2倍板厚加30 mm的區域內進行超聲波探傷檢查，母材中不得有裂紋、夾層等缺陷存在；③下料時，必須嚴格按圖下料，切割長度、寬度、焊接坡口符合規范要求。

(2)型鋼梁組立

由于鋼梁的截面形式為H形，其組立方式如圖4所示。控制要點如下：①母材上不允許有電弧擦傷，定位焊咬邊在1 mm以內；②型鋼翼板與腹板對接焊縫錯開200 mm以上，避免焊縫交叉和焊縫缺陷應力集中；③型鋼翼板與腹板之間的組裝間隙Δ≤1 mm。

圖4　型鋼梁組立流程

(3)鋼梁的焊接

型鋼梁焊接前，在型鋼的兩端頭設置“T”形引弧板及引出板，長度為150 mm，寬度為100 mm，其材質與母材一致；考慮板厚焊接變形及矯正困難，裝配時翼板進行反變形，利用撐桿撐住再焊接，見圖5。

圖5　鋼梁焊接控制示意

焊接時需對焊縫進行預熱，預熱區域在焊道兩側，每側寬度大于焊件厚度的2倍且不小于100 mm， 預熱溫度為80～120 ℃；先焊收縮量大的部位；焊接過程中平衡加熱，使焊接收縮量小；焊縫余高不得超過2 mm。

(4)鋼梁矯正

火焰矯正為主，機械矯正為輔。火焰矯正根據加熱位置、加熱范圍、加熱順序進行加熱，溫度控制在600～800 ℃。組立好H型鋼，矯正后的表面應沒有有明顯的凹面或損傷。

(5)鋼梁的拼裝

在鋼梁翼、腹板上劃出各加勁板的定位尺寸線，再將制作好的混凝土板連接板與鋼梁進行拼裝；拼裝完混凝土板連接板后再組裝混凝土梁連接板及加勁板；組裝完各加勁板后再組裝耳板；拼裝完后進行自檢，自檢合格后提交質檢人員進行尺寸檢驗，檢驗合格后再進行焊接。焊接時應對稱施焊，由內而外。

3.2　鋼梁牛腿制作

H型鋼梁牛腿制作時，先對腹板進行制孔，再將牛腿翼、腹板進行拼裝。由于牛腿截面較大，可分成四件小牛腿進行拼裝，工藝同H型鋼梁組裝。

4型鋼結構安裝關健技術

4.1　構件就位

靠近基坑附近的鋼梁、牛腿采用基坑邊履帶吊直接安裝；基坑中間采取50 t履帶吊進行鋼梁、牛腿吊裝就位，見圖6。

圖6　構件就位

為了確保鋼梁能順利進入地下，在蓋板上預留9.6 m×6.8 m洞口，鋼梁長度不超過15 m，就位流程如圖7所示，就位要點如下：

(1)鋼梁采用單點吊裝方法，需選擇合適的吊點，盡量使其在下落過程中保持合適的角度，為保證下落角度的正確，鋼梁一端設置牽引繩進行控制。

圖7　構件就位流程

(2)鋼梁底端接近地面時，先將下端放置在墊木上，另一端繼續向下，直到完全放置到施工層面。

(3)為防止就位過程中鋼構件對已有結構造成破壞，預留洞口周圍主結構需采取保護措施。

(4)鋼構件從洞口放置到施工層后，采用兩臺叉車將鋼梁運輸至安裝位置進行安裝。

4.2　鋼梁及節點安裝

(1)頂層鋼梁節點安裝工藝

鋼梁與已安裝就位的牛腿采用栓焊連接方式，即腹板采用雙夾板高強螺栓連接，翼緣采用焊接方式。安裝要點如下：

①采用吊車安裝時，吊點設置在鋼梁1/3分段點處，鋼絲繩之間夾角不宜大于60°。

②鋼梁安裝就位前需測量牛腿間距，與鋼梁長度進行比對，有偏差提前進行處理。

③確定好鋼梁的安裝位置及方向后，使梁平穩就位，與牛腿對準后，用沖釘穿孔作臨時就位對中，將梁兩端打緊逼正，節點兩側各穿入螺栓臨時緊固。

④調節好梁兩端的焊接坡口間隙，并用水準儀校正鋼梁與牛腿上翼緣的水平度，達到設計和規范規定后，擰緊螺栓。

(2)中層鋼梁節點安裝工藝

鋼柱上節點牛腿及環板分塊進行安裝，采用汽車吊、履帶吊及叉車進行就位。節點牛腿及環板根據其結構形式，節點牛腿及環板分為兩塊進行組對，如圖8所示。

圖8　中層節點牛腿及環板安裝

(3)地下部分鋼梁安裝工藝

蓋挖段地下鋼構件利用汽車吊從預留出土口吊入施工層，然后利用叉車水平運輸并安裝就位，局部偏差采用碼板千斤頂及手拉葫蘆進行調整。小型構件采用叉車進行安裝，如圖9所示。

圖9　安裝就位示意

4.3　高強螺栓施工

福田站工程鋼梁分1 900 mm、1 600 mm、1 000 mm 3種規格；在施工過程中為使螺栓群中所有螺栓均勻受力，初擰、終擰都按一定順序進行，從螺栓群中心向四周擴散。高強螺栓具體施工順序如圖10所示，施工順序為1→2→3→4→5→6。

圖10　高強螺栓施工順序

施工控制要點：

(1)每天班前扭矩扳手預設值必須進行試驗測定，嚴防超擰，并嚴格做好初檸標記，嚴防漏擰；高強螺栓的初擰及終擰必須在24 h內完成，初擰和終擰后均要用不同的油漆做出明顯標記；降雨后或空氣比較潮濕時，不得進行施擰，待節點部位干燥后方可進行。

(2)施工前摩擦面必須清理干凈，保證高強螺栓工作時的摩擦系數。高強度螺栓連接摩擦面如在運輸中變形或表面擦傷，安裝前必須在矯正變形的同時，重新處理摩擦面。

(3)高強度螺栓的連接孔由于制作和安裝造成的偏差，采用電動鉸刀修整，嚴禁氣割或錐桿錘擊擴孔；定期標定扳手的扭矩值，其偏差不大于5%，嚴格按緊固順序操作。連接板變形，間隙大，校正處理后再使用。裝配面有浮銹、油污，螺栓孔有毛刺、焊瘤等，均需清理干凈。

(4)螺栓自由穿入螺孔，不準許強行打入；在安裝過程中，注意保護螺栓，不得沾染泥沙等贓物和碰傷螺紋。高強度螺栓連接副的保管時間不超過6個月。當由于停工、緩建等原因，保管周期超過6個月時，若再次使用必須按要求進行扭矩系數試驗或緊固軸力試驗，檢驗合格后方可使用。

4.4　現場焊接

現場焊接采用CO2氣體保護焊，輔助以手工電弧焊。

(1)總體焊接順序：根據柱安裝定位情況，調整節點牛腿與鋼柱及節點牛腿與鋼梁之間的焊接間隙，然后根據安裝順序依次進行鋼節點牛腿與鋼柱、鋼梁與節點牛腿的焊接。

(2)節點牛腿與柱接頭焊接：對同一鋼管柱的環向節點牛腿，宜先焊接節點牛腿間連接焊縫，后焊與鋼柱連接焊縫；環向節點牛腿與柱的連接，宜先焊接平焊縫，后焊接立焊縫，環板與鋼管柱的平焊縫對稱焊接。當板厚較大時，分層輪換進行焊接。

(3)梁-節點牛腿接頭焊接：同一支鋼梁，先焊一端焊縫，等其冷卻后，再焊接另一端；同一支鋼梁，先焊下翼板，再焊接上翼板，上下兩翼板焊縫的焊接方向相反。當翼板厚度較大時，上下翼緣輪流施焊。焊接完成后，焊縫及熱影響區范圍內用角向磨光機打磨干凈，以備探傷。

(4)焊接變形控制：裝配時，根據工藝要求，預留焊接收縮余量，預置焊接反變形；在得到符合要求焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸；在同一構件上焊接時，盡可能采用熱量分散，對稱分布施焊。采用多層多道焊代替單層焊；雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用與構件中性軸對稱的焊接順序；T形接頭板厚較大時采用開坡口角對接焊縫。

5結論

(1)型鋼-混凝土組合結構以其受力性能、經濟效益方面的優越性，成功應用于城市中心區福田車站大型地下空間工程，保證了工程的可靠性。型鋼-混凝土組合結構配合整體工程的蓋挖逆作實施，有效控制了施工過程中可能引起的周邊高層建筑群穩定性畸變，保障了該實施的安全需求。

(2)通過型鋼混凝土結構在福田車站的工程應用，形成了適用于城市中心區地下大空間結構的大截面型鋼梁(2.5 m×1.4 m)施工技術體系，包括型鋼結構制造和型鋼結構安裝兩個方面。

(3)型鋼結構制造質量應從型鋼梁下料、型鋼梁組立、鋼梁的焊接、鋼梁矯正、鋼梁的拼裝、鋼梁牛腿制作等關鍵技術環節控制；型鋼結構安裝質量應從構件就位、鋼梁及節點安裝、高強螺栓施工、現場焊接等關鍵工藝控制。

參考文獻

[1]JGJ138—2001型鋼混凝土組合結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社出版，2001

[2]陳遠周.福田站鋼管柱-型鋼混凝土節點研究[J].建筑結構，2013(3)

[3]謝文利.某超大超深基坑蓋挖逆作結構柱腳設計[J].鐵道勘測與設計，2010(2)

[4]陳遠洲.某超大超深基坑蓋挖逆作法施工階段計算與分析[J].鐵道勘測與設計，2010(5)

[5]張思源.天津站交通樞紐蓋挖逆作車站受力分析[J].安徽建筑大學學報，2014(4)

[6]郭凱，李樂，齊軒.某地鐵車站蓋挖逆作工藝下后起鋼管柱分節定位安裝技術[J]. 施工技術，2014(7)

中圖分類號：TU94

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0093-05

作者簡介：杜運國(1976—)，男，2000年畢業于石家莊鐵道學院交通土建工程專業，高級工程師。

收稿日期：2015-05-21