地下連續墻鋼筋籠起重吊裝受力分析及地基承載力研究

謝李釗 （中鐵二十四局集團有限公司，上海 200000）

1 概述

地下連續墻鋼筋籠起重吊裝安全驗算主要涉及的內容有設備選用、吊點位置計算、主吊把桿長度驗算、吊具強度驗算（包括扁擔上下鋼絲繩、葫蘆、卸扣）、吊點驗算、擱置鋼筋驗算、吊筋焊接驗算、主吊扁擔驗算、擱置扁擔驗算、地基承載力驗算等[1-4]。從目前的眾多相關方案和計算來看，對起重吊裝的驗算還存在諸多問題，尤其是設備的選型和地基承載力的計算。此2項都必須針對施工現場的最不利工況進行驗算，而不是簡單的通過常規驗算，如最大起重量大于最重鋼筋籠的重量、地基承載力滿足履帶吊行走荷載等。這2項確定了，其余的內容可以根據相關規范進行驗算，當然也可以進行優化，但因篇幅有限在此就不再贅述[1][5]。本文主要就設備選型和地基承載力的計算要點來進行分析，研究根據現場實際工況確定兩者的思路，此外通過貝克曼梁法彎沉試驗間接驗算路面承載力，為此類工程的計算提供參考。

2 工程概況

紹興地鐵鏡湖站為地鐵1號線與2號線的換乘站，現選則1號線進行計算分析。1號線車站基坑總長503.6m，標準段基坑寬22.7m，基坑開挖深度約18.5m，地連墻鋼筋籠厚度為660mm（內外混凝土保護層70mm），導墻寬度為850mm(導墻采用“┓┏”型現澆鋼筋混凝土時，導墻的凈距要大于地下連續墻的設計寬度40mm,為方便現場成槽機型號的施工，確定為50mm)；1號線標準段地下連續墻鋼筋籠長為39.982m，端頭井地下連續墻鋼筋籠長為42.62m，對比計算可知端頭井首幅6m寬地連墻鋼筋籠籠重最大，為56.68t，選擇其進行驗算。因鋼筋籠較重，本工程采用雙機抬吊的方法起吊鋼筋籠。鋼筋籠加工平臺設置于基坑西側外，尺寸為45m×7m,與地連墻外邊之間設有8m寬的施工便道。

3 起重設備的確定

起重吊裝設備的確定有2種思路，一是根據現場的實際工況進行計算，來選擇滿足條件的設備；二是由作業隊伍根據施工經驗提供設備型號及參數來驗算其是否滿足現場施工要求。兩者皆滿足最不利工況，驗算才能通過，下面就以紹興地鐵鏡湖站1號線地下連續墻鋼筋籠的起重吊裝進行分析。

3.1 計算確定設備

3.1.1 主吊設備的確定

主吊吊具的重量約4t,鋼筋籠重56.68t，則主吊的最大受力F=主吊吊具重量+鋼筋籠重量=4+56.68=60.68t。

雙機抬吊時，主吊為非行走狀態，安全系數按0.8計算，則主吊非行走狀態時其最大起重量T＞F/0.8=75.85t。

最不利工況之一是鋼筋籠豎直后由主吊單獨帶載行走，安全行走系數為0.7，則此時要求其最大起重量T'＞F/0.7=86.69t。

式中，L1鋼筋籠平臺寬度；b施工便道寬度；L2導墻寬度；r履帶起重機前頭至回轉軸心的距離。

因r一般大于 3m,則R＞15.35，顯然此工況下對設備噸位和把桿長度的要求很大。通過查起重機性能表，350t履帶起重機為滿足此工況下的最小噸位設備，其r=4.975m,所需最小作業半徑為17.325m。根據鋼筋籠長度和重量，接60m或66m主臂滿足要求，通過驗算60m主臂為此型號起重機滿足起重吊裝要求的最小主臂長度，主臂長度大于66m則履帶起重機的可操作空間太小，工作半徑擴大時不滿足工況要求，如圖1所示。

圖1 SCC3500A履帶起重機性能表

隔著導墻作業履帶起重機要求的最小工作半徑為15.35m，雖然350t設備滿足要求，但操作空間的冗余度較小，作業半徑擴大時，最大起重重量與工況需求的起重重量相差不大；此外，設備噸位太大增加了對地基的附加應力，對導墻的穩定性也存在安全隱患，因此考慮履帶吊機過導墻進行起重吊裝作業。為保證導墻的安全，在履帶起重機行走路線的導墻段之間加設混凝土支撐，導墻上面鋪設3cm厚鋼板。

過導墻作業主吊與鋼筋籠平臺距離約5m,此時要求其最小作業半徑R=7/2+5+r=8.5+r(m)。通過查起重機性能表，260t履帶起重機為滿足要求的最小噸位吊機。通過查產品介紹書可知,260t履帶起重機r=4.622m,則最小作業半徑R=8.5+4.622=13.122m。根據鋼筋籠長度，主臂長度選用56m或者59m。由圖2（260t履帶起重機性能表）可知，在工作半徑為13～14m時，其最大起重重量滿足主吊非行走狀態時的要求：T＞75.85t；帶載行走狀態時，在工作幅度9m～12m范圍內，履帶吊機最大起重重量滿足要求：T’＞86.69t。

顯然過導墻作業減少了對設備噸位和主臂長度的要求，同時減小了對地基的附加應力，提高了起重吊裝的可操作空間及安全性。此外，56m及59m的主臂長度通過驗算皆吊裝滿足要求，主臂長度驗算主要是考慮起吊時的防碰撞和起重高度是否滿足鋼筋籠的長度，在此不另做計算說明。

圖2 SCC2600A履帶起重機性能表

3.1.2 副吊設備的確定

雙機抬吊時，副吊主要配合主吊起重，使鋼筋籠從平放狀態逐漸轉到豎直狀態，最后由主吊將鋼筋籠運至槽段處下放。在此過程中，副吊的最大受力不超過鋼筋籠重的60%。雙機抬吊安全系數按0.8計算，副吊吊具重量約為2t，則副吊的最大起重重量T＞(56.68×0.6+2)/0.8=45t。通過查起重機性能表，100t履帶起重機為滿足要求的最小噸位吊機。副吊站位一般平行于鋼筋籠平臺，因側邊軸距小于車頭至回轉中心的距離，在相同工作半徑的條件下，與鋼筋籠的距離可以相對變大，或者說在與鋼筋籠平臺相同距離的情況下，副吊站位平行于鋼筋籠平臺，它起吊后的幅度調整變化相對較大，可以有效防止起吊后主臂回轉時與鋼筋籠相碰觸。因此副吊的站位相對靈活，設備選型主要考慮其最大起吊重量和主臂長度是否滿足工況要求，當然副吊的站位也要與主吊的站位相配合，必須能保證起重吊裝作業的順利和安全。

由圖3SCC1000履帶起重機性能表（圖中同主臂同工作半徑對應的不同最大起重量與設備的配重有關，后者配重比前者配重大3t）可知，當副吊工作半徑為9m，接39m長主臂滿足工況要求：最大起重重量T＞45t，如果增加配重3t,工作半徑可增大至10m。

圖3 SCC1000履帶起重機性能表

3.2 經驗確定設備

地下連續墻作業隊伍根據吊裝方案和經驗提供的設備參數如表1所示。

作業隊提供起重設備參數表 表1

可以看出由經驗確定的設備參數與計算得出的設備參數基本相同，通過3.1的驗算，主、副吊設備都滿足現場的最不利工況需求。副吊設備的噸位大于計算得出的噸位，以大換小是可行的，反之不行，得重新通過驗算確認。

通過上面的計算比較，可以得知鋼筋籠吊裝作業的2種思路各有其優缺點。由計算確定設備可以得出工況所需的最小設備參數，但需對各種型號的設備性能比較熟悉。此外，確定設備后，需計算確定其他參數，工作量相對較大；由經驗確定設備，僅需對作業隊提供的設備參數進行驗算，合格就無需再做驗算。

4 地基承載力驗算

本施工場地擬定履帶起重機行走路面為基坑中間道路，也是現狀公路的既有路面，因路面下方存在軟土層，現對其地基承載力進行驗算。

軟土地基承載力需滿足公式：

式中：σz—軟弱下臥層頂面處的附加應力（kPa）；

γ—軟弱下臥層以上各土層的加權平均重度（kN/m3）；

z—路面底部至軟土層頂面的距離（m）；

[fa]—軟弱下臥層的地基承載力容許值；

計算附加應力σz的方法有以下幾種。

①理論公式：布辛奈斯克(Boussinesq)公式、太沙基公式等。

②根據彈性理論，規范中的簡化公式。

③查表法：角點法。

由于路面不能作為剛性基礎進行考慮，且路面厚度較小，基礎埋深為零，基礎底面處應力值與基底附加應力不能考慮為相等，所以不按理論公式進行計算；角點法主要用來計算均布矩形荷載作用下的地基中的附加應力，有其局限性和一定的偏差。因此，本文采用《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)[2]中的應力擴散角法來計算土層附加應力。

4.1 軟土地基承載力計算

因主吊噸位遠大于副吊，所以主要考慮主吊對地基承載力的影響。1號線采用260t吊車履帶壓力（吊機重約260t），履帶尺寸為 9.15m×1.2m，載荷系數為1.15，則地面所受最大壓力為：

Q=（自重+鋼筋籠和吊具總重）/履帶面積

=（260t+60.18）×1.15×10/9.15×1.2×2×1000=0.168MPa

選取離路面最近的土層③1-2淤泥質粘土（位于軸線1-26，地勘孔SX1S07XD25，鉆孔位置處于解放大道中間）進行驗算。土層厚度為21.5m，地面標高為5.52，土層頂部接觸面標高為2.52,地下水位為路面以下1.2m。上部土層分別為：①1碎石填土，底部標高：3.22，重度：18.5kN/m3；①2 素填土，底部標高：2.52，重度：18kN/m3。計算簡圖如圖4所示。

圖4 軟土地基承載力計算簡圖

d（路面厚度）=0.2m；z=2.8m；考慮地下水位下土層的浮重度，可以算得軟土頂面至路面底部土層的加權平均重度γ=12.38kN/m3；混凝土中的應力擴散角為45。,則b=1.2+2×0.2tan45。=1.6m。

土層中擴散角θ根據表2來確定。

地基壓力擴散角θ 表2

表中，Es1為上層土壓縮模量，Es2為下層土壓縮模量；z/b＜0.25時取θ=0。，必要時，宜由試驗確定；z/b＞0.5時θ值不變；z/b在0.25與0.5之間可插值使用。

③1-2淤泥質粘土上層土為①2素填土，壓縮模量Es1為8.6MPa；下層土為④1粉質粘土，壓縮模量Es2為5.0MPa。則Es1/Es2=1.72,又z/b=2.8/1.6=1.75＞0.5,則θ=23。。

式中：p0為路面底部應力，γ0為路面的加權平均重度。

軟土地基承載力基本容許值 [fa0]按表3確定，然后按下式計算修正后的地基承載力容許值[fa]。

軟土地基承載力基本容許值[fa0] 表3

路面彎沉值和回彈模量對應表 表4

[fa]=[fa0]+γ1d

γ1為基底以上土層加權平均重度，因為路面埋深為0，所以[fa]=[fa0]。

③1-2淤泥質粘土的含水量為49.8% ，[fa0]=70,則：

[fa]=[fa0]=70kPa＜σz+γz=87.2kPa

所以軟土地基承載力不能滿足作業要求，現鋪上3cm后鋼板對其進行驗算。

鋼板寬度為l=6m,將其視為剛性基礎，上部局部均布荷載通過鋼板傳遞到路面，路面均布荷載寬度等于鋼板寬度。

此時路面的附加應力p=0.168×1.2×1000/6=33.6kPa

又瀝青混凝土中應力擴散角為45。，b=6+2×0.2=6.4m，則：

又z/b=2.8/6.4=0.44，根據表2使用內插值法可以確定擴散角θ=19。。

因此鋪設3cm厚鋼板后，軟土地基承載力滿足要求。

4.2 最不利工況地基承載力驗算

本工程最不利工況出現在履帶吊回轉主臂鋼筋籠下槽時，此時鋼筋籠處于履帶吊側邊，可能由于路面不平，出現履帶吊單邊受力的情況。

此時路面的附加應力p=0.168×1.2×2×1000/6=67.2kPa

又瀝青混凝土中應力擴散角為45。，b=6+2×0.2=6.4m，則：

又z/b=2.8/6.4=0.44，根據表2使用內插值法可以確定擴散角θ=19。。

可以得知最不利工況下，軟土地基承載力不滿足要求。雖然現場路面的坡度為百分之二，傾角為1.2。左右，履帶起重機出現單邊受力的概率較小，但為了防止路面破壞和不平導致出現此情況，現場要加強安全管理，對路面出現破壞和不平的情況，要及時用碎石填平，保持履帶吊行走路面平整，保證鋼筋籠起重吊裝作業的安全。

4.3 路面承載力驗算

路面承載力無法直接測得，采用貝克曼梁法測得路面的回彈彎沉值來推算路面承載力是否滿足作業要求。

根據《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）[6]附錄 C：回彈彎沉值的計算，可以得知路面彎沉值與路面回彈的關系式為：

式中：l0：路面彎沉值；

E0：路面回彈模量；

根據彎沉檢測結果換算得出路面的回彈模量如表4所示。

可以得出鏡湖站路面的回彈模量平均值為365MPa，通過計算已知1號線履帶吊吊裝作業時路面的最大應力為0.168MPa，則履帶吊作業時引起的路面回彈應變為

ε=(0.168/365)×1000=0.46mm。

根據回彈彎沉檢測報告可知，檢測使用的汽車后軸重100kN,輪胎氣壓為0.7MPa,由《公路工程路基路面現場測試規程》（JTJ E60-2008）[7]可知在后軸標準軸載100kN，輪胎充氣壓力0.7MPa時，單輪傳壓面當量圓直徑為21.3cm，則彎沉試驗時檢測汽車對路面的應力為：100×10/4×(1/4)×π×（21.3）2=0.7MPa,顯然汽車輪胎壓力等于其接地應力，大于履帶吊作業時的最大接地應力0.168MPa，所以履帶吊作業引起的變形0.46mm也在合理范圍之內。

5 結論

①提出確定起重吊裝設備的2種思路，基于實際工程的最不利工況分別對其進行計算分析，比較了兩者的優缺點，為鋼筋籠起重吊裝工程提供借鑒；

②根據施工場地情況選擇應力擴散角法來進行地基承載力的計算，針對地基承載力不夠的情況，提出了安全技術措施，針對最不利工況的計算結果，提出了施工現場安全保證措施；

③提出通過貝克曼梁法間接驗算路面承載力的方法，在無法直接測得路面承載力的情況下，此方法快捷便利。