基于數值模擬的超深地下連續墻特重型鋼筋籠動態吊裝技術研究

付小兵 李海鴻 袁 果 闞保忠 蘇靜華 包 輝

云南建投第六建設有限公司 云南 昆明 650299

隨著我國經濟的快速增長，高層建筑、特殊用途建筑及地下交通設施等的建設越來越多，基坑開挖深度也越來越深，因此給施工提出了更高的要求。

地下連續墻因兼具截水、防滲、承重等多種作用，且具有施工振動小、整體剛度強等特點[1-3]，被廣泛應用于埋深較大的基礎施工中。

對于一般的地下連續墻，現有施工技術已較為先進，但超深地下連續墻施工難度仍然較大，尤其是特重型鋼筋籠吊裝施工[4-5]。因此，加強對超深地下連續墻特重型鋼筋籠吊裝技術的研究，對超深基礎施工具有重大意義。

鑒于現在超深基礎施工較多，對地下連續墻鋼筋籠吊裝技術已有眾多學者進行過研究。

王志華等[6]就超大型地下連續墻鋼筋籠吊裝過程，采用數值模擬及現場試驗的研究手段，確定了施工過程中最不利的情況。

張紫月等[7]進行了仿真研究，證明整體吊裝的可行性，確定了施工過程中最危險的情況。

李少利[8]研究了超深地下連續墻鋼筋籠制作工藝與吊裝技術。

劉聰等[9]對鋼筋籠吊裝過程的關鍵點進行驗算研究，確定了施工最佳點。

石姣姣等[10]建立有限元模型，研究不同數量縱向桁架的鋼筋籠在不同吊裝角度下的力學性能，得出了最優施工方案。

雖然現有地下連續墻鋼筋籠吊裝技術研究較為豐富，但對于“一幅兩籠”模式的鋼筋籠吊裝研究較少。因此，本文以昆明市第十四水質凈化廠建設工程為研究背景，采用數值模擬研究方法對超深地下連續墻特重型鋼筋籠吊裝技術的應用進行研究，為工程提供施工技術參考，指導工程施工。

1 工程概況

昆明市第十四水質凈化廠建設工程為新建全地下式的水質凈化廠，總設計規模為20.0萬 m3/d，分期建設，一期土建規模為20.0萬 m3/d，設備規模為10.0萬 m3/d。基坑面積70 000 m2，長邊長465 m，短邊長198 m，基坑深度7.8～17.9 m（局部落深29.4 m），基坑總周長約1 340 m，采用支護樁＋預應力錨索支護體系，局部采用地下連續墻支護。

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其中，進水泵房圍護結構采用厚1 200 mm地下連續墻＋鋼筋混凝土內支撐支護和錨索的支護形式，通過對槽段進行合理劃分，使每幅槽段盡可能地均勻，且滿足設備模數要求，槽段長度應控制在6 m左右。地下連續墻共計20幅，其中“一”字形鋼筋籠16幅、“L”形鋼筋籠4幅，地下連續墻墻高分44.25 m和68.00 m這2種，幅寬5.10～6.00 m，單幅鋼筋籠長度分為44.25 m和68.00 m，根據地質情況，地下連續墻嵌入基底下深度22.8～42.1 m。鋼筋籠質量最大為120 t，屬于特重型鋼筋籠，國內少有此類工程經驗可借鑒。

2 工程重難點

2.1 吊裝工程重難點

1）本工程鋼筋籠質量較大，最重的鋼筋籠質量為120 t（含輔助縱橫向桁架筋及吊筋）。云南常規設備租賃市場缺少特大型起重設備，若從外省租賃設備則對工期影響較大，且費用較高，使吊裝方案的選擇具有局限性。

2）鋼筋籠本身質量大，作為鋼筋籠支撐的縱橫向桁架筋及附加筋也多憑借現場經驗進行設置，缺乏理論依據，在起吊過程中鋼筋籠內力受動荷載的影響，焊接點容易出現拉裂和斷裂問題。

2.2 吊裝方案的選擇

調研當地起重設備租賃市場，考慮設備從省外進場時間、場地地基承載力及租賃費，決定將長68 m的鋼筋籠進行分節、分幅施工，從而降低單幅鋼筋籠的起重量。選擇1臺CC1400（250 t）和1臺SCC2500（250 t）履帶式起重機進行鋼筋籠雙機抬吊，一次成槽，分籠吊裝入槽，整體澆筑成形。為滿足成槽機及重型車輛的行走要求，地下連續墻井內及周邊位置全部硬化成施工重型車道，在薄弱位置再鋪設厚30 mm鋼板以加強地面承載力。

3 鋼筋籠動態吊裝數值模擬分析

3.1 鋼筋籠動態吊裝模型建立

本工程對長68 m的鋼筋籠采用分節、“一幅兩籠”的形式吊裝，上節鋼筋籠長44 m，下節鋼筋籠長24 m，標準幅寬一半的鋼筋籠整體質量為72.69 t（含H型鋼），上節44 m鋼筋籠質量為49.44 t，分上下、左右共計4次完成鋼筋籠吊裝。鋼筋籠上下加密區采用焊接，非加密區采用直螺紋套筒連接，鋼筋采用并筋形式。以上節44 m段鋼筋籠吊裝構建三維模型進行吊裝過程模擬計算，其中，主吊橫向設置3排吊點，縱向設置2排吊點；副吊橫向設置3排吊點，縱向設置2排吊點（圖1、圖2）。各吊點設置如下：1.0 m＋10.0 m＋8.0 m＋7.0 m＋8.0 m＋8.0 m＋2.0 m。

圖1 鋼筋籠吊點縱斷面

圖2 鋼筋籠吊點

3.2 鋼筋籠動態吊裝數值模擬結果分析

主要對鋼筋籠從水平吊裝到豎向吊裝的整個過程進行模擬分析，計算其應力及位移變形。從鋼筋籠吊裝的整個過程中，選取4個典型的計算受力模型。

以上述工程實例中的地下連續墻鋼筋籠吊裝施工為模擬對象，根據施工經驗進行鋼筋籠吊點及縱橫向桁架筋的設置，分析起吊過程中在0°、30°、60°、90°這4種起吊角度下鋼筋籠各個節點位置的受力及位移變化情況（圖3、圖4）。

圖3 鋼筋籠吊裝過程整體應力變化

圖4 鋼筋籠吊裝過程整體位移變化

4 施工工藝流程

基于超深地下連續墻特重型鋼筋籠動態吊裝過程數值模擬仿真計算結果，考慮特重型鋼筋籠由于自身質量及結構特點，在吊裝過程中必須嚴格按照施工工藝流程及相關規范進行施工。施工工藝流程為：成槽作業→垂直度檢測、清槽，鋼筋籠制作、驗收，起吊準備→下節鋼筋籠吊裝→鋼筋籠拼裝完成→鋼筋籠下放就位→鋼筋籠吊裝結束。

4.1 鋼筋籠制作及加固

通過鋼筋籠動態吊裝數值模擬結果分析，鋼筋籠起吊角度為30°時，鋼筋籠受力和變形最大位置為起吊點，該位置需特別進行加強處理。起吊點位置設置縱橫向加強筋，吊環為φ40 mm圓鋼且與地下連續墻主筋焊接，以提高鋼筋籠整體穩定性。

1）標準幅槽段鋼筋籠加固。每幅鋼筋籠各水平吊點均設置在主筋上，對于標準幅槽段，地下連續墻鋼筋籠每個吊點采用1根φ40 mm的“U”形圓鋼與地下連續墻主筋焊接，主吊吊點下部設置φ40 mm的“U”形圓鋼吊環擱置扁擔。地下連續墻槽口段設置4根φ40 mm圓鋼，在地下連續墻垂直就位后作為吊放主筋，籠頭設置φ40 mm的“U”形圓鋼擱置扁擔，具體布置如圖5所示。

圖5 標準幅槽段鋼筋籠加固布置

2）轉角幅槽段鋼筋籠加固。由于轉角幅鋼筋籠橫向吊點與平籠布置有區別，對轉角幅鋼筋籠除設置縱橫向起吊桁架、吊點及剪刀撐之外，另要增設鋼筋籠內側斜撐桿進行加強，以防止鋼筋籠在空中翻轉角度時發生變形。“L”形鋼筋籠吊裝加固示意如圖6所示。

圖6 “L”形鋼筋籠吊裝加固示意

4.2 空載試驗及靜載試吊

吊裝前檢查限位器是否靈敏可靠，起升機構各運動部件是否靈活，同時了解鋼絲繩在卷筒上的排列情況；機體向左、右回轉360°；前進、后退行駛各15 m。確認合格后方可進行靜載試吊，帶載后離地200～300 mm，靜止約10 min，重物與地面距離應保持不變。

4.3 動負荷試驗

靜載試吊后，在離地200～300 mm的位置，吊鉤起落各3次，來回行走15 m各2次，全程回轉各2次。制動時檢查吊鉤是否有溜鉤現象，驗證制動時整機的穩定性。

4.4 正式吊裝施工準備

吊車在試吊正常后，在鋼筋籠正式吊裝前，做好以下準備工作：

1）清除吊裝線路范圍內的地面、空中障礙物，地面溝、坑采用鋼板覆蓋。

2）槽段軸線和標高經檢驗符合設計要求。

3）工程施工所需的構件、零配件、工具等的數量、規格齊備。

4）做好吊裝作業范圍內的交通組織和安全警戒工作。

4.5 吊裝施工

根據設計方案及數值計算結果，鋼筋籠吊放采用雙機抬吊，空中回直。單節地下連續墻鋼筋籠整體自重達72.69 t，現場以1臺CC1400（250 t）履帶式起重機作為主吊機，1臺SCC2500（250 t）履帶式起重機作為副吊機。起吊時必須使吊鉤中心與鋼筋籠重心相重合，保證起吊平衡。

1）CC1400吊機起鉤，根據下節鋼筋籠尾部與地面的距離，隨時指揮副吊機配合起鉤。

2）下節鋼筋籠吊起后，CC1400吊機向左（或向右）側旋轉，250 t吊機順轉至合適位置，讓下節鋼筋籠垂直于地面。

3）指揮起重工卸除下節鋼筋籠上250 t吊機的起吊點卸甲，然后遠離起吊作業范圍。

4）指揮CC1400吊機行走至地下連續墻槽位附近，吊機行走應平穩，下節鋼筋籠上應拉牽引繩，定位、吊放鋼筋籠入槽。

5）鋼筋籠下放至主吊吊點附近，插入梢棒，臨時支撐鋼筋籠，將主吊吊點切換至籠頂吊筋。

6）鋼筋籠整體下放到位后抄平，插入梢棒，臨時支撐鋼筋籠，下節鋼筋籠下放過程結束，按照以上步驟吊裝上節鋼筋籠，并拼裝、下放至指定標高。

4.6 吊裝結果

采用“一幅兩籠”的模式完成鋼筋籠制作、吊裝、入槽，可提高鋼筋籠下槽拼裝的質量，減少對大型設備和基礎的依賴，省內設備即可滿足吊裝安全和起重量的要求。同時，通過受力分析，對薄弱環節及受力較大處進行焊接加強，大大提高了安全性，對以往吊裝縱橫向桁架鋼筋進行適當優化，減少了鋼筋用量，使鋼筋籠吊裝施工安全可靠、經濟合理。

5 結語

在昆明市第十四水質凈化廠建設工程的進水泵房位置，20幅地下連續墻施工時未發生坍孔、散籠等質量事故。采用新的方法對鋼筋籠進行拆分，通過上下幅、左右幅在空中對接的方式，減少每次起重量，既保障了起重吊裝過程中的安全，又不影響工期。完成后的地下連續墻墻面平整，接縫咬合良好，無滲漏情況，且減少了超大型設備的使用。通過科技創新和工藝革新，保證了施工的順利進行。研究成果可為國內外類似超深地下連續墻特重型鋼筋籠的吊裝施工積累了寶貴經驗，具有一定的借鑒意義。