承插型盤扣式桁架替換鋼支撐在地鐵車站基坑中的應用

白 東

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300000)

受基坑支護體系的限制,換撐技術在實踐中應用不多,但由于其作用的獨特,實際施工過程中往往能取得較好的效果,特別適用于規模較大的內支撐型深基坑支護工程中。深基坑工程中所說的換撐,指在特別的條件下采用一定的技術措施來逐步取代發揮臨時支撐作用的內支撐體系,從而保證臨時性內支撐拆除后,工程能安全保質地繼續進行。在內支撐型深基坑工程施工過程中支撐拆除是廣泛存在的一個施工過程,即采用換撐技術解決支護由于內支撐拆除所導致的穩定問題,使基坑支護在新的條件下重新建立平衡[1],但是鋼支撐換撐無論在明挖車站或者在蓋挖車站中都存在施工難度大、周期長、拆除困難等難題。本文以天津地鐵8號線馬場道站工程為背景,針對車站情況,采用承插型盤扣式桁架作為內支撐,順利解決了普通鋼支撐拆裝復雜、施工難度大的問題,為類似工程提供參考。

1 工程概況及鋼換撐施工問題

1.1 工程簡介

馬場道站位于永安道與馬場道交口東南象限,沿永安道東西向布置,為8號線中間站,為地下三層島式站臺車站,站臺寬度13 m,車站起訖歷程左DK23+660.291-左DK23+850.513、中心里程左DK23+748.028,車站長度190.2 m,標準寬度22.5 m。車站共設2組風亭、4個出入口,其中C號出入口預留。車站采用明挖順作法施工。

根據原設計基坑內支撐要求,車站負三層側墻箱體結構強度達到100%后,在第五道支撐下施作換撐。標準段換撐間距4.0～4.8 m,中間里程～小里程標準段距底板高度4.4 m。鋼支撐結構如圖1所示。

1.2 車站鋼換撐支架施工難題

(1)鋼支撐需要架設在結構板的滿堂支架上,施工不當就會擾動腳手架產生碰撞引發架體失穩。

(2)已經安裝完成的倒撐區域極易影響滿堂支架的正常布局,對后續施工形成較大的風險。

(3)中板施工完成后空間狹小,因鋼支撐自重大、長度長的施工特性,拆除作業十分困難。

2 承插式盤扣式桁架替換方案

桁架模型采用盤扣鋼管拼裝而成,采用市場上常用的?60 mm盤扣立桿作為縱向水平頂桿,?48 mm盤扣水平桿作為環向桿件,進行桁架的組裝;并根據支撐反力計算出應架設的桁架數量;測量人員放出設計軸線,進行桁架布置,使桁架軸線與支撐軸線位置一致;整體吊裝完成后兩側頂緊。具體實施步驟如下:

(1)選用?60 mm盤扣立桿作為縱向水平頂桿、?48 mm盤扣水平桿作為環向桿件,沿縱向水平頂桿方向每1.5 m設置一道封閉式的環向桿件,桁架四周設置0.6 m的專用斜桿,形成整體性較好且剛度相對較大的盤扣桁架。桁架具體結構如圖2、圖3所示。格構式桁架水平支撐中間部分與滿堂架體立桿,采用扣件連接,增加多點約束。馬場道站標準段架體總長度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)進行架體吊裝,安裝完成后兩側由4根水平調節支托與側墻頂緊(如圖6所示),換撐桁架縱向水平頂桿接頭應錯開。

圖5 換撐剖面

圖6 鋼管桁架與側墻頂緊節點

3 桁架設計計算

3.1 整體穩定性計算

3.1.1 桁架截面的力學特性

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,材質為Q355;綴條選用?48.3 mm×2.5 mm鋼管,材質為Q235。

依據《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準》(JGJ/T 231—2021)可知,主肢的截面力學參數為:截面面積A0=571 mm2;慣性矩Ix0=Iy0=231 000 mm4;回轉半徑i=20.1 mm;綴條截面面積A1=357 mm2;重心距Z0=0。

3.1.2 鋼管桁架的長細比計算

(1)桁架主肢的長細比計算公式為:

式中:H為桁架的總計算長度,取20.7 m;I為桁架的截面慣性矩;A0為1個主肢的截面面積。經計算得:λx=λy=68.846。

(3)根據對換桁架的長細比,查表得桁架的整體穩定性系數為0.710。

當采用8榀桁架時[2]:最大承載力N≤φA×[f]=8×0.71×4×571 mm2×300 N/mm2=3 891 kN>3 417 kN(依據設計圖紙要求,標準段最大軸力設計值683.4 kN/m,標準段最大間距5 m,故最大軸力為3 417 kN) ,故滿足要求。式中:[f]為極限強度,取值300 N/mm2。

3.2 局部穩定性驗算

鋼管桁架標準步距l為1 500 mm。鋼管類型:?60.3 mm×3.2 mm;鋼管截面積A=571 mm2,回轉半徑i=20.1 mm。桿長細比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,小于圍護結構設計圖給定的3 417 kN。

當采用8榀桁架時:則每組橫桿最大承載力N≤8×460.45 kN=3 683.6 kN>3 417 kN,故滿足要求。

3.3 變形計算

3.3.1 軸向壓縮變形

根據設計給定的軸力,架體最大應力為[σ]=3 417 kN /(0.710×4×571 mm2×8)=263.4 N/mm2。立桿應變ε=[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 自重撓度計算

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,合計為312.44 N/m,考慮扣件節點自重乘以1.1系數,則最終桁架自重為343.7 N/m。保守考慮根據簡支梁跨中撓度計算公式δ=5ql4/(384EI)=18.9 mm,小于l/300=69 mm,滿足要求。

3.4 頂托承載力驗算

根據現場承插型盤扣式桁架可調托座試驗結果,可調托座在加載到140 kN情況下未發生破壞。標準段承載力=140 kN×4×8=4 480 kN>3 417 kN,滿足要求。

4 盤扣式桁架內支撐組裝施工

4.1 桁架組裝施工

鋼管桁架采用在地面上拼接成型、整體吊裝的方式進行安裝,地面組裝時組裝順序為:底主橫桿→底小橫桿→底斜桿→兩側小橫桿→頂主橫桿→兩側斜桿→頂橫桿→頂斜桿。

地面組裝相關要求同主體結構支撐體系相關施工要求。

4.2 桁架內支撐吊裝

盤扣式桁架采用四點吊裝下井,吊點設置于主節點上,正式吊裝前應進行試吊,吊裝過程中,下方桁架區域人員應均已撤離,待桁架距已搭設完成的桁架0.5 m后再上人進行調整。

4.3 桁架安裝

鋼管桁架應在側墻混凝土達到設計要求后安裝,支撐桁架應放置于支撐架中部,桁架中心間距4.5 m(最大間距5.0 m)設置1榀,下部采用扣件與桁架橫桿進行連接,上部采用鋼管系桿進行連接。桁架中心距離底板4.4 m,立桿兩側端部采用?48 mm鋼管進行整體連接,有效縮短支撐架長度,增加局部穩定性。桁架安裝固定方式見圖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)施工過程中必須嚴格按照設計要求的施工順序進行,做到隨拆隨支,盡量減小結構空置時間。

(2)施工前對操作人員組織安排技術安全交底會議,明確施工技術及安全要求,檢查操作人員的特殊工種證書,必須做到人證合一[3]。

4.4 桁架拆除

對頂桁架與中板支撐架體同時進行拆除。

5 實施效果

馬場道盤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,圍護結構受力及變形滿足要求。車站圍護結構深層水平位移、樁頂位移等監測數值正常,周邊建筑物沉降及位移均在允許范圍之內。

6 結論與建議

計算模型中長細比計算時按墻到墻滿寬長度取值,實際施工時鋼管桁架與架體采用扣件間隔連接增加多點約束,軸心受壓穩定系數φ值增大。桁架架體兩端及每隔4.5～6.0 m兩側,豎向桿采用交叉連接加強抗扭剛度。組合支架替代鋼支撐時需注意:①組合支架數量較多,同時需避開結構柱、中立柱,故需適當的增加組合支架的數量以滿足受力需求;②組合支架相對剛度較小,需與滿堂支架多點連接,增加整體穩定性。

隨著基坑深度的加深,地下三層以下車站的換撐所承受的基坑側壓力也逐步增大,所需要設置的鋼管桁架榀數也在逐步增加。因為基坑換撐位置通常空間并不充裕,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,故此需要進一步研究。