地鐵車站基坑半鋪蓋系統蓋板下門式起重機吊裝技術研究*

范宜為

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

0 引言

地鐵作為目前常用的出行手段,有效緩解了地面交通擁堵壓力[1-3]。但在地鐵建設過程中,尤其是地鐵車站施工期間,極易由于大體量的開挖造成地表道路的占用[4]。采用半鋪蓋系統進行地鐵車站施工能夠快速恢復地面交通[5]。

采用半鋪蓋系統會增加基坑內鋼支撐的吊裝難度[6]。目前國內類似工程施工中,半鋪蓋系統下的鋼支撐安裝普遍采用挖掘機+人工配合的方法,挖掘機架設鋼支撐屬于違規操作,施工風險較大,效率也不高[7]。

針對半鋪蓋系統施工過程中的吊裝問題開展研究,提出一種蓋板下門式起重機吊裝技術,有效解決了半鋪蓋系統下深基坑施工中的吊裝問題。

1 工程概況

1.1 項目總體情況

濟南地鐵4號線燕山立交橋東站為地下3層島式站,車站凈長197.0m,標準段凈寬為20.7m,端頭井凈寬25.0m。車站標準段覆土深度約3.32m,端頭井覆土深度3.11～3.43m。

車站主體基坑采用局部蓋板明挖順作法施工,南側部分先行施作臨時蓋板恢復交通,北側采用明挖法施工。

1.2 車站基坑周邊情況

燕山立交橋東站位于濟南市主干道經十路與燕山立交橋交叉口東側,如圖1所示,沿經十路東西向設置。車站南側占據經十路輔路,西南角為燕山立交橋G匝道,基坑距離橋臺約9m。

圖1 周邊建筑物示意Fig.1 Surrounding buildings

1.3 半鋪蓋系統施工總體方案

燕山立交橋東站基坑深25.062～27.283m,鋼支撐采用φ800,鋼支撐作業量大,施工空間狹小。半鋪蓋系統下的鋼支撐安裝難度較大,安全風險高。半蓋挖車站下的大型模板裝拆、大體積混凝土澆筑、物資倒運等采用傳統施工工法干擾較多,工效較低,較難滿足工期要求。

依托工程場地實際情況和機械設備性能選擇吊機+地面門式起重機+蓋板下懸掛軌道式電動葫蘆的吊裝體系,通過體系配合能夠安全、高效完成蓋板下支撐架拆除及其余吊裝作業。方案采用蓋板下懸掛軌道式電動葫蘆,起重量為10t,配備2個電動葫蘆,電動葫蘆位置如圖2a所示。蓋板下方在車站基坑長方向設置2條導軌,懸掛梁兩端分別配置2臺電機及滾輪,以保證懸掛梁能夠沿基坑長邊方向平移(見圖2b),懸掛梁與導軌的連接如圖2c所示。

圖2 電動葫蘆安裝Fig.2 Installation of electric hoist

2 蓋板下門式起重機施工技術要點

2.1 施工工藝流程

蓋板下軌道式電動葫蘆施工主要包括兩部分內容:懸掛軌道與電動葫蘆安裝、懸掛軌道與電動葫蘆使用[8-9]。為了保證整個蓋板下軌道式電動葫蘆安裝之后的穩定性及安全性,施工過程中對預埋件及軌道式電動葫蘆安裝精度需嚴格控制。蓋板下門式起重機吊裝施工工藝流程如圖3所示。

圖3 蓋板下門式起重機施工工藝流程Fig.3 Construction process for gantry cranes underneath the cover plate

2.2 施工技術要點

組織測量人員利用全站儀根據已閉合的導線點進行放樣與復測,放出樁位線,增設控制樁并加固,控制樁位置選在不易移動且不易被過往車輛破壞的位置。根據設計圖紙,進行蓋板結構施工范圍定位測量。臨時結構施工范圍采用全站儀測量完畢后,采用液壓錘破除施工范圍內原路面。根據設計圖紙,依次進行蓋板、縱梁、次梁中心線及混凝土支撐中心線開挖,開挖過程嚴格控制標高。

準確放樣出軌道式電動葫蘆預埋鋼板的中心線。采用人工開挖至預埋工字鋼軌道底標高下5cm,寬度20cm。開挖完成后,采用自拌水泥砂漿找平,嚴格控制砂漿面標高。待水泥砂漿施工完成24h之后,在上面鋪設1層塑料薄膜,安裝I40C軌道。工字鋼軌道頂標高需嚴格控制,搭接位置順暢無錯臺。焊接軌道接頭的順序是由下而上,逐層逐道進行堆焊,最后修補周圍。焊接其軌道接頭時,設置臨時卡具固定鋼軌,以便焊接。

軌道預埋件相關表面標高經復核無誤后,開始澆筑5cm厚C15混凝土至設計標高。混凝土支撐及蓋板鋼筋綁扎的同時,安裝軌道加強措施。綁扎支撐和蓋板鋼筋時,預埋與φ28錨固筋連接的2cm厚鋼板,鋼板與錨固筋采用穿孔塞焊及φ28對拉螺栓加強工藝。采用200mm×200mm的2cm厚鋼板將工字鋼軌道與預埋鋼板焊接,并保證焊接質量。

待蓋板及二期圍護結構施工完成后,開始基坑開挖。蓋板下開挖至1.5m時,及時對蓋板底部進行清理,消除可能的墜物,并找出懸掛起重機軌道進行清理。清理完成、確認軌道安全并具備懸掛軌道式電動葫蘆條件后,按照規范及說明進行門式起重機安裝。

鋼管支撐架設是基坑開挖過程中極其重要的環節,對維護基坑穩定、防止圍護結構位移變形有重要作用。本文依托工程第1道支撐采用混凝土支撐,其他采用鋼支撐,鋼支撐直徑為800mm。支撐架設采用吊機喂料+門式起重機+懸掛軌道式電動葫蘆的吊裝體系,吊裝時采用分節吊裝。在地面將鋼支撐拼裝成長度不同的2段,長節12m,短節9.5m,用門式起重機將長節段支撐吊到指定位置。

2.3 鋼支撐吊裝技術要點

采用門式起重機吊運長節鋼支撐入基坑,由于無蓋板側基坑凈空為11.15m,長節鋼支撐無法水平吊入,需要傾斜吊入。提前在地面將長節鋼支撐上焊接吊耳,卸扣連接鋼絲繩,防止鋼絲繩滑脫。鋼支撐以37°的角度緩緩吊入基坑,如圖4所示。

圖4 鋼支撐傾斜入坑Fig.4 Steel supports tilted into the pit

支撐傾斜下放到指定位置后,緩緩向蓋板側平移電動葫蘆,并下放2號門式起重機鋼絲繩,使鋼支撐擺放水平,并將鋼支撐一端擺放于左側立柱鋼系梁上,如圖5所示。

圖5 鋼支撐換纜Fig.5 Replacement of support drop cable

長節鋼支撐處于水平且一段置于左側立柱鋼系梁后,門式起重機1號鋼絲繩取掉,鋼系梁端另外系1根鋼絲繩,使用蓋板下電動葫蘆1鋼絲繩抬吊,確保鋼支撐呈水平狀態,門式起重機鋼絲繩與電動葫蘆1鋼絲繩連線垂直于線路中心線。蓋板下電動葫蘆1鋼絲繩和門式起重機2號鋼絲繩以同一速度共同抬吊鋼支撐緩緩向蓋板下移動至蓋板下電動葫蘆1鋼絲繩最右端位置,將鋼支撐置于中間立柱鋼系梁上,如圖6所示。

圖6 鋼支撐平移Fig.6 Translation of steel support

鋼支撐左端繼續采用門式起重機鋼絲繩2抬吊,右端置于中間立柱鋼系梁上,然后取掉電動葫蘆1鋼絲繩,換用蓋板下電動葫蘆2鋼絲繩和門式起重機鋼絲繩2以同一速度緩慢共同吊裝鋼支撐于設計位置,如圖7所示。

圖7 鋼支撐吊裝至設計位置Fig.7 Lifting the support to the design position

長節鋼支撐安裝到位后,采用門式起重機平吊短節鋼支撐到設計位置,拼裝兩節鋼支撐,并按照設計要求施加預應力,完成安裝,如圖8所示。

圖8 吊裝短節鋼支撐Fig.8 Continue lifting the short steel support

3 蓋板下門式起重機結構剛度驗算

3.1 懸掛軌道結構及材料參數

懸掛式軌道主梁采用焊接一體式桁架結構,如圖9所示。橫斷面方向為三角形支撐體系,主梁寬80cm,高80cm,下方安裝電機軌道,為一高30cm的工字鋼。

圖9 門式起重機軌道主梁結構Fig.9 The structure of the main beam of the track of gantry crane

主梁截面幾何參數如表1所示。根據截面等效后的參數,能夠對懸掛式軌道主梁進行受力分析。

表1 截面幾何參數Table 1 Cross-section geometric parameters

3.2 主梁剛度驗算

F移=Pl3/48EIx=0.24mm

(1)

式中:F移為葫蘆自重+吊重作用下的撓度;P為葫蘆自重+吊重,P=115 000N;l為跨度,l=4 000mm;E為彈性模量,E=206 000N/mm2;Ix為慣性矩。

F自=5ql4/384EIx=0.01mm

(2)

式中:F自為單主梁自重下的撓度;q為單主梁自重/跨度,q=2N/mm。

F=F移+F自=0.25mm

(3)

經計算,主梁剛度符合要求。

3.3 軌道梁強度驗算

針對吊裝軌道梁,按照最不利工況借助ABAQUS有限元軟件進行強度驗算,分析軌道梁應力,軌道梁采用Q235鋼,屈服強度fy為235MPa,抗拉、壓強度設計值f為215MPa。荷載按照剛度驗算中采用電動葫蘆自重及吊重共115kN,作用于軌道梁中心,軌道梁與蓋板下縱向導軌連接點間距為4m。軌道梁應力云圖如圖10所示,結果表明,當吊裝點位于軌道梁中心時,最大軸向應力位于梁頂兩側連接點,分別達到180MPa以及-140MPa的拉壓應力,但小于軌道梁的抗拉和抗壓強度設計值。圖10b表明,最不利條件下,軌道梁最大主應力達到200MPa,小于屈服強度,因此軌道梁強度符合要求。

圖10 軌道梁應力云圖(單位:MPa)Fig.10 Stress cloud map of track beam(unit:MPa)

3.4 軌道梁兩側吊桿強度驗算

吊裝葫蘆系統按12t計(其中葫蘆自重+吊重=11.5t),則作用于單側門式起重機軌道的集中力為60kN。軌道梁兩側分別通過2根直徑為16mm的帶螺紋鋼桿與縱向導軌傳動裝置連接,鋼桿材質為Q235鋼,分別安裝于懸掛梁翼緣處。因此單根吊桿承重30kN,吊桿軸向應力為150MPa,小于抗拉強度(215MPa),吊桿強度滿足設計要求。

4 風險分析及應急處理措施

4.1 軌道失穩

在吊裝過程,一旦發現軌道振顫、晃動等失穩現象,應立即停止作業,疏散周邊人員,設置警戒隔離帶。同時立即制定合理的處置方案,對軌道預埋件、連接件等進行認真檢查,看預埋件、連接件有無脫落等問題,查找出原因后,采取補焊等措施進行加固處理,確保軌道穩定。

4.2 門式起重機脫軌

在吊裝過程中若出現門式起重機可能脫軌的現象,應當立即檢查門式起重機與軌道結合是否密實,軌道是否存在錯臺、偏心,安裝是否存在失誤,人員操作是否有誤等問題。同時施工過程中加強量測、確保軌道的安裝精度;施工中對軌道的間距、標高嚴格控制,反復測量,確保軌道的標高和間距均在規范要求范圍之內。

4.3 掛鉤松脫

吊鉤作為起重機起升機構的重要組成部分,存在潛在風險,包括在操作過程中脫落。影響掛鉤脫落的因素主要包括:持續使用提升機吊鉤可能導致材料疲勞,維護不足或不規范導致缺陷、腐蝕或磨損;超過起重機的額定承載能力導致吊鉤拉傷變形或故障。對應的預防措施包括定期檢查和維護,整合負載監控系統,規范起重機操作員和維護人員的培訓。

4.4 物體打擊

當發生物體打擊事故后,盡可能不要移動患者,盡量當場施救。重點對顱腦損傷、胸部骨折和出血進行處理。發生物體打擊事故后,應馬上組織搶救傷者,首先觀察傷者的受傷情況、部位、傷害性質,如傷員發生休克,應先處理休克。遇呼吸、心跳停止者,應立即進行人工呼吸,胸外心臟擠壓。處于休克狀態的傷員要讓其安靜、保暖、平臥、少動,并將下肢抬高約20°左右,盡快送醫院進行搶救治療。

若處在不宜施工的場所,必須將患者搬運到能夠安全施救的地方,搬運時應觀察患者呼吸和臉色變化,若發生脊柱骨折,應避免彎曲、扭動患者的頸部和身體,不要接觸患者的傷口,要使患者身體放松,盡量將患者放到擔架或平板上進行搬運。

4.5 機械傷害

發生機械傷害事故后,現場人員保持冷靜,迅速對受傷人員進行檢查。急救檢查先看神志、呼吸,接著摸脈搏、聽心跳,再查瞳孔,有條件者測血壓。檢查局部有無創傷、出血、骨折、畸形等變化,根據傷者的情況,有針對性地采取人工呼吸、心臟擠壓、止血、包扎、固定等臨時應急措施。

檢修機械必須嚴格執行斷電掛禁止合閘警示牌和設專人監護的制度。機械斷電后,必須確認其慣性運轉已徹底消除后才可進行工作。機械檢修完畢,試運轉前,必須對現場進行細致檢查,確認機械部位人員全部撤離才可取牌合閘。人手直接頻繁接觸的機械,必須有完好緊急制動裝置,該制動按鈕位置必須使操作者在機械作業活動范圍內隨時可觸及到;機械設備各傳動部位必須有可靠防護裝置;各入孔、投料口、螺旋輸送機等部位必須有蓋板、護欄和警示牌。

5 結語

1)本文針對半鋪蓋系統下深基坑鋼支撐的吊裝施工進行研究,設計了一種蓋板下門式起重機吊裝技術。該工藝能夠解決蓋挖法深基坑施工過程中鋼支撐吊裝時凈空不足的問題,并提出了具體的施工技術要點。

2)針對可能發生的軌道失穩、門式起重機脫軌、物體打擊、機械傷害等風險,提出了對應的應急處理措施,確保了吊裝施工過程中的安全性。