復雜城市環境下大型塔式起重機基礎設計與施工*

王曉敏，李 江

(中鐵大橋局集團第五工程有限公司，江西 九江 332001)

0 引言

D5200-240型塔式起重機為全球最大上回轉塔式起重機，最大起重力矩為53 160kN·m,在22.15m臂幅內吊重240t，40m臂尖最大吊重110t。該塔式起重機起重噸位大，可滿足橋梁建設中大噸位鋼結構一次性起吊需求，目前已在馬鞍山長江大橋、鸚鵡洲長江大橋、太原攝樂大橋成功應用。長沙湘府路項目萬家麗互通立交的鋼梁吊裝選擇使用D5200-240型塔式起重機，該項目地處城市中心，施工場地狹小，交通壓力大，地下管線復雜，同時該型塔式起重機的起重噸位大、獨立高度大，導致塔式起重機基礎設計更加困難。本文重點介紹在長沙湘府路項目中D5200-240型塔式起重機基礎設計與施工。

1 工程概況

湘府路快速化改造工程萬家麗立交所在位置存在軌道交通5號線線位及車站、萬家麗主線高架橋，立交設置8條匝道。萬家麗互通主線橋(跨徑60m+90m+60m)最大高度約40m，最大吊重約140t。主線橋需跨越既有萬家麗高架橋寬度達25m，橋面至地面高度達11.6m，匝道最長吊裝節段44.4m，最大吊裝節段重155.3t，其中有4條匝道需跨越既有萬家麗高架橋。

該施工區域內地鐵5號線板塘沖車站正在同步施工，周邊建筑構造物眾多，如華美達酒店、美洲故事、托斯卡納等別墅區，地下管線主要為110kV電纜線、燃氣、弱電、排水管涵，施工過程中需保持萬家麗路口正常通行。施工區域內復雜的城市環境導致鋼箱梁吊裝設備的選擇尤為困難。

2 吊裝設備選擇

萬家麗互通主線橋(跨徑60m+90m+60m)最大高度約40m，最大吊重約140t，8條匝道最大高度約30m，最大吊重約155.3t。鋼箱梁施工采用分節段支架法的總體施工方案。萬家麗既有高架橋以東已建成地鐵5號線，履帶式起重機不能直接站位在地鐵5號線上。擬建主線橋以北設有電力隧道及排水管道，埋深較淺，無法承載起重機、運梁車自重，對吊裝作業站位有較大影響。JNE，JWN匝道和主線橋需跨越既有萬家麗高架橋，在施工過程中需保證既有高架橋正常通行，需在鋼箱梁架設時一次跨越既有萬家麗高架橋，需選擇起重能力較大設備進行鋼箱梁吊裝。

根據本工程場地客觀條件特點，為滿足本項目吊裝施工要求，決定采用D5200-240型塔式起重機進行吊裝，可規避常規起重機在地鐵上和電力隧道、排水管道上無法站位的情況，減小交通疏導壓力。D5200-240型塔式起重機獨立工作高度78.8m，40m臂長，最大吊重240t，滿足本工程吊裝需求。塔式起重機套架平臺距萬家麗高架橋最近處約2m，安全距離足夠；塔式起重機周邊最近高層建筑為西北角創元時代商住項目，距塔式起重機中心80m以上，遠小于塔式起重機40m臂長，塔式起重機可全回轉，滿足使用安全距離要求。

對于節段質量較大、跨既有萬家麗高架橋及位于地鐵上方的匝道和主線橋部分鋼梁均采用D5200-240型塔式起重機安裝，以解決萬家麗區域內跨既有橋梁、地鐵交叉施工、吊裝設備站位，減少交通壓力問題。在塔式起重機作業半徑覆蓋范圍以外的鋼梁，將鋼梁節段劃分成小節段，采用260t履帶式起重機補充吊裝(見圖1)。

圖1 塔式起重機布置

3 復雜城市地形下塔式起重機基礎選型

鑒于本工程擬建橋梁受周邊地理因素和鄰近建筑物及鄰近工程項目限制，綜合考慮本工程吊裝施工部署后決定將基礎建在JNW21號墩與萬家麗高架橋之間。此處布置塔式起重機可吊裝跨萬家麗主線橋節段鋼梁、跨萬家麗高架橋的JNE，JWN匝道，實現不在萬家麗高架橋上搭設支架便可吊裝的目的。

3.1 塔式起重機基礎位置交通疏解條件

為了滿足萬家麗路口雙向6車道正常通行條件，在進行交通疏解時，利用既有萬家麗高架橋下兩車道作為疏解道路，將塔式起重機基礎四周進行圍擋，在基礎北側的施工場地內進行塔式起重機拼裝作業，圍擋兩側通行社會車輛，塔式起重機基礎交通疏解如圖2所示。

圖2 塔式起重機基礎交通疏解

3.2 塔式起重機基礎位置地下管線情況

塔式起重機基礎位置經過現場探挖后發現該處存在既有電力隧道和東西走向、南北走向2根自來水管道，且埋深較淺，塔式起重機基礎只能選用樁基礎，且承臺必須設置在地下既有管道上方(見圖3)。

圖3 塔式起重機基礎與現狀管線位置關系

為滿足管線埋深要求，塔式起重機基礎調整按高樁承臺設計，且承臺底低于地面40cm。同時，塔式起重機樁基礎為了避讓自來水管道，承臺中心和塔式起重機中心采取非對稱設計。

為了避免塔式起重機樁基礎施工對既有管線造成影響，在樁基礎施工時采用8m鋼護筒跟進，防止在鉆孔過程中孔壁塌陷對管線造成破壞，從而對管線起到保護作用。

4 塔式起重機基礎設計

4.1 D5200-240型塔式起重機基礎設計

為了滿足D5200-240型塔式起重機施工要求，塔式起重機基礎均選用鉆孔樁基礎+承臺形式。D5200-240型塔式起重機基礎平面尺寸為12.8m×8.9m，厚度2.6m，為鋼筋混凝土結構；樁基礎為4根直徑2.0m鉆孔灌注樁，樁長30m，樁身采用C35混凝土，按嵌巖樁設計(見圖4)。樁基持力層為中風化泥質粉砂巖。

圖4 塔式起重機基礎立面

根據《D5200-240型塔式起重機使用說明書》的相關內容，基礎承受由塔身傳遞的彎矩、水平力、豎向力、扭矩。結合本項目的實際使用情況，塔式起重機最大獨立工作高度為77.8m，在此工作高度下，塔式起重機基礎受力如表1所示。

表1 D5200-240基礎受力

經計算，單樁最大受力如表2所示。

表2 D5200-240鉆孔樁受力

4.2 計算內容

樁基礎按嵌巖樁設計，樁的有效長度為29.9m，進入中風化泥質粉砂巖13.78m。樁基共計算4項內容，即單樁豎向承載力、單樁豎向抗拔承載力、單樁水平承載力、樁身承載力。

承臺共計算3項內容：承臺抗彎計算，承臺抗沖切計算，承臺抗剪計算。

4.3 計算結果

4.3.1單樁豎向承載力計算

根據地質勘察資料顯示塔式起重機基礎處地質資料如表3所示。

表3 塔式起重機樁基地質資料

樁身自重：

A·h·γ混凝土=3.14m2×29.9m×2.5t=234.7t

置換土重：

A·h·γi土=3.14×(2×0.22+5.8×2.04+1.5×2.05+0.7×2.2+7.9×2.25+13.78×2.4)=212.7t

樁身自重與置換土重的差值作為荷載考慮：234.7t-212.7t=22.0t。

樁底承受的豎向力：1 025.6t+22.0t=1 047.6t。

嵌巖樁的單樁豎向承載力容許值：

Qsk=u∑qsikli

Qrk=ζrfrkAp

式中：[Ra]為單樁豎向承載力容許值；u為樁身周長；Ap為樁端截面積；li為各土層的厚度；qsik為各土層的樁極限側摩阻力；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值；ζr為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數，ζr=1.63。

Qsk=u∑qsikli=6.28×(0+55×1.5+150×0.7+140×7.9)/10=812.3t

Qrk=ζrfrkAp=1.63×6 000×3.14/10=3 070.9t

滿足要求。

4.3.2單樁抗拔力計算

對于該樁基礎，樁基的抗拔承載力計算公式為：

Nk≤Tuk/2+Gp，Tuk=∑λiqsikuili

式中：Nk為按荷載效應標準組合計算的樁基拔力；Tuk為群樁呈非整體破壞時樁基的抗拔極限承載力標準值；Gp為樁基自重，地下水位以下取浮重度，Gp=3.14×(7.02×2.5+22.88×1.5)=172.5t；ui為樁身周長；li為各土層的厚度；qsik為各土層的樁極限側摩阻力；λi為土的抗拔系數，λi=0.5。

Tuk=0.5×6.28×(0+55×1.5+150×0.7+140×7.9)/10=406.2t

Nk=204.8t≤406.2/2+172.5=375.6t

滿足要求。

4.3.3單樁水平承載力計算

在水平荷載作用下，應滿足：

Rha≥Hik

式中：Rha為單樁水平承載力；Hik為作用于單樁的水平力。

灌注樁直徑D=2m，主筋為30根φ32鋼筋，樁基礎配筋率為：

則單樁水平承載力為：

式中：α為樁的水平變形系數；EI為樁身抗彎剛度，對于混凝土樁，EI=0.85EcI0，I0=W0d0/2，EI=0.85Ec·I0=0.85×3.15×107×7.01×(2-0.07)/2=1.811×108；W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量，W0=πd[d2+2(αE-1)ρgd02]/32=3.14×2×[22+2×(6.53-1)×0.77×(2-0.07)2]/32=7.01；υx為樁頂水平位移系數，υx=2.441；χ0a為樁頂允許水平位移，χ0a=2mm。

滿足要求。

4.3.4樁身承載力計算

計算公式為：

γ0Nd≤Ar2fcd+Cρr2f′sd

γ0Nde0≤Br3fcd+Dgr3f′sd

式中：γ0=1.4；r=1 000mm，g=rs/r=914/1 000=0.914，ρ=As/πr2=24 115.2/(3.14×1 0002)=0.007 7；i=0.5m，l0=10m，l0/i=20>17.5。

則應乘以偏心增大系數：

式中：e0=M/N=386/1 025.6=0.376m，h0=1+0.914=1.914m，h=2m。

則ηe=1.066×0.376=0.401 m。

根據《公路預應力混凝土規范》附表3求得A=2.245，B=0.551 9，C=1.802 9，D=1.013 9，Ar2fcd+Cρr2f′sd=2.245×1 0002×16.1+1.802 9×0.007 7×1 0002×330=40 726kN>γ0Nd=14 358kN，滿足要求。

滿足要求。

4.3.5承臺受彎計算

根據JGJ/T 187—2009《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》，承臺底面x方向配筋為49個2根一束HRB400的φ32鋼筋，受拉鋼筋fy=330MPa，頂面配筋為49根HRB400φ32鋼筋，受壓鋼筋f′y=330MPa；y方向配筋為71個單根一束HRB400的φ32鋼筋，受拉鋼筋fy=330MPa，頂面配筋為71根HRB400的φ32鋼筋，受壓鋼筋f′y=330MPa。則

滿足要求。

滿足要求。

4.3.6承臺抗沖切計算

根據《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》，有：

式中：Ftd為角樁豎向設計值；a1x，a1y為樁邊緣至相應柱或墩臺邊緣的水平距離，其值不大于h0，a1x=44mm，a1y=0；λx，λy為沖垮比，λx=a1x/h0，λy=a1y/h0；λx=0.044/(2.6-0.115)=0.018<0.25，λy=0<0.25，則λx=λy=0.25β1x，β1y為與其沖垮比對應的沖切承載力系數，β1x=β1y=0.56/(0.25+0.2)=1.244；ftd為混凝土抗拉軸心強度設計值；ftd=1.52MPa；βhp為承臺受沖切承載力截面高度影響系數，當h≤800mm時βhp=1.0，h≥2 000mm時βhp=0.9，其間按線性內插法取值。

滿足要求。

4.3.7承臺抗剪計算

承臺抗剪計算公式為：

V≤βhsαftb0h0

式中：V為不計承臺及上土自重，在荷載效應組合下，斜截面的最大剪力設計值；樁頂最大反力為10 226kN，作用在樁頂承臺的重量為1 851.2kN，最大剪力設計值V=1.4×(1 0226-1 851.2)=8 374.8kN；ft為混凝土抗拉軸心強度設計值，ftd=1.52MPa；b0為承臺計算截面處的計算寬度，b0x=12.8m，b0y=8.9m；h0為承臺計算截面處的有效高度，h0=2.485m；α為承臺剪切系數；λ為計算截面的剪跨比，λx=λy=0.25；βhs為受剪切承載力截面高度影響系數。

V=11 724.7kN≤βhsαftb0h0=0.753×1.4×

1.52×8 900×2 485×10-3=35 439.1kN

滿足要求。

4.4 結論

根據《塔式起重機混凝土基礎工程技術規程》計算結果顯示，該塔式起重機基礎在各計算工況下的受力均滿足要求。

5 塔式起重機基礎施工

5.1 樁基礎施工

塔式起重機樁基礎為4根直徑2.0m的鉆孔灌注樁，樁長30m，采用C35混凝土。采用1臺SR280系列旋挖鉆機，導管法灌注水下混凝土，考慮到成孔、鋼筋籠安裝、塔式起重機灌注、護筒埋設等因素，按1d/根的施工進度考慮。樁基開孔采用直徑2.2m鉆頭，鉆至8m深度后，進行8m鋼護筒下放，鋼護筒下放完成后，換成直徑2m鉆頭鉆進至設計樁底。

樁基礎施工注意事項如下。

1)鉆孔施工中按施工規范進行，定時定人記錄觀測數據。施工前，必須提前備有足夠數量的黏土或膨潤土，掏渣后及時補漿。

2)鉆進過程中，及時檢查鉆孔直徑和豎直度，確保鉆孔直徑和豎直度符合要求。并應在泥漿箱中撈取鉆渣樣品，查明土類記錄，以便與設計資料核對。

3)鉆孔完畢后，立即采用泥漿泵換漿清孔法使泥漿循環，以便攜帶孔底沉渣至孔外，達到清除鉆渣和沉淀層的目的。

4)鋼筋籠分段下放，首段鋼筋籠下放入孔后，采用腳手管固定于孔口，將第2節鋼筋籠起吊后與首節對齊,上下鋼筋籠的主筋采取機械連接。安放時要對準孔位，避免碰撞孔壁，按設計要求標高就位后立即固定，防止鋼筋籠下沉或上浮。

5)澆筑水下混凝土前孔底沉渣厚度≤50mm。如果沉渣厚度>50mm ，再次進行清孔。清孔施工方法為：下放導管，管底距離孔底10～20cm，以泵送方式把泥漿箱新配泥漿壓入孔底，泥漿將懸浮沉渣從護筒的溢漿口流出，如此循環清孔。當孔底沉渣厚度和孔內泥漿相對密度均達到清孔標準后，方可停止清孔。在清孔過程中，始終要保持孔內水頭，防止塌孔。

6)成孔質量檢驗合格后方可開始灌注工作，灌注樁成孔至混凝土澆筑時間應控制在4h以內。混凝土灌注要連續進行，嚴禁中途停工。同時，注意觀察管內混凝土下降和孔內水位升降情況，及時測量孔內塔式起重機面高度，以便及時提升或拆除導管。

7)在灌注混凝土時，按規定制作混凝土試塊，并在養護室進行養護。有關混凝土灌注情況，灌注時間、混凝土面的深度、導管埋深、導管拆除及發生的異常現象等，指定專人記錄，以便總結經驗，指導下一根樁施工。

5.2 樁承載力檢測

根據塔式起重機基礎設計要求，單根嵌巖樁的單樁豎向承載力為19 416kN，為了驗證樁基承載力，選取1根樁基進行自平衡試驗。在樁基鋼筋籠制作、安裝時，在試驗檢測單位的指導下，同步進行用于自平衡試驗檢測所需的元器件埋設，并進行保護。

SC-2000-1850型荷載箱埋設于樁端向上5.5m(見圖5)，樁端持力層為中風化泥質粉砂巖。試驗過程中荷載箱加載分級按預估加載值19 415kN分級，分成10級，每級加載值為1 941.5kN,首級加載按2倍分級荷載(即3 883kN)加載。該試樁在加載到第10級荷載19 415kN時，向下位移Q-S曲線呈緩變形，S-lgt曲線呈平直形；上段樁向上位移Q-S曲線呈緩變形，S-lgt曲線呈平直形。上下位移走勢都比較平緩，曲線呈緩變形。因已達荷載箱最大加載力，經協商，決定終止加載,并開始卸載。取當前荷載19 415kN為最終加載值。向下最大位移量為8. 81mm，卸載后剩余位移為6.27mm，回彈率為28.8%；向上最大位移量為13.59mm，卸載后剩余位移為9.54mm,回彈率為29.8%。

圖5 荷載箱安裝示意

根據試驗計算結果顯示實測樁基的單樁豎向抗壓極限承載力≥40 961kN，承載力特征值≥19 415kN,滿足設計要求；其他樁基在鋼筋籠安裝時100%埋設聲測管，成樁后采用聲波透射法進行檢測。并埋設壓漿管，在樁基檢測后對每根樁進行樁底注漿。聲測管兼作壓漿管，每根樁4根，對稱布置。樁基鋼筋籠安裝完成及塔式起重機灌注完成后應及時對聲測管進行檢測，發現堵管及時疏通。

5.3 高樁承臺施工

高樁承臺的主要施工流程為：測量放線、承臺土方開挖、墊層施工、承臺鋼筋施工、承臺外側模板安裝、塔式起重機預埋件安裝定位、檢查驗收、混凝土澆筑和養護、土方回填、外露面的防撞警示涂裝。

高樁承臺施工注意事項如下。

1)承臺施工中，按塔式起重機設計圖的要求進行防雷接地，接地裝置需由專人進行安裝，基礎施工完成后，應實測接地裝置的電阻參數。

2)承臺鋼筋制作和安裝時，要嚴格按設計要求，焊接地腳預埋的螺栓與承臺的受力鋼筋，經驗收合格后才能澆筑混凝土。

3)施工過程中，要嚴格控制塔式起重機支腳的預埋位置，保證平整度，同步將預埋腳四個角點的水平度控制在合格標準內。

4)澆筑基礎混凝土時，要將混凝土均勻振搗，振搗時應快插多振，防止漏振，確保塔式起重機基礎的密實性。

5)混凝土澆筑完成后，嚴格按要求做好覆蓋保濕的養護工作；拆模后對承臺外露面涂刷黃黑反光油漆，做好防撞的警示標識。

6 結語

湘府路快速化改造萬家麗立交工程施工區域內受周邊地理因素、鄰近建筑物、通行交通壓力、地鐵車站交叉施工的影響，使得D5200-240型塔式起重機在吊裝能力和吊裝頻次上凸顯出明顯的優越性。但是塔式起重機在位置選擇、基礎結構及安裝方面困難較大。最終結合實際情況，綜合考慮項目實際的交通、地質、管線等條件影響，采取合理的設計方案，并對塔式起重機的基礎進行受力驗算，合理組織基礎施工，確保了項目安全、順利實施。