地下連續(xù)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(tuán)有限公司，上海 200000）

1 概述

地下連續(xù)墻鋼筋籠起重吊裝安全驗(yàn)算主要涉及的內(nèi)容有設(shè)備選用、吊點(diǎn)位置計(jì)算、主吊把桿長(zhǎng)度驗(yàn)算、吊具強(qiáng)度驗(yàn)算（包括扁擔(dān)上下鋼絲繩、葫蘆、卸扣）、吊點(diǎn)驗(yàn)算、擱置鋼筋驗(yàn)算、吊筋焊接驗(yàn)算、主吊扁擔(dān)驗(yàn)算、擱置扁擔(dān)驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算等[1-4]。從目前的眾多相關(guān)方案和計(jì)算來看，對(duì)起重吊裝的驗(yàn)算還存在諸多問題，尤其是設(shè)備的選型和地基承載力的計(jì)算。此2項(xiàng)都必須針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算，而不是簡(jiǎn)單的通過常規(guī)驗(yàn)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(xiàng)確定了，其余的內(nèi)容可以根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，當(dāng)然也可以進(jìn)行優(yōu)化，但因篇幅有限在此就不再贅述[1][5]。本文主要就設(shè)備選型和地基承載力的計(jì)算要點(diǎn)來進(jìn)行分析，研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況確定兩者的思路，此外通過貝克曼梁法彎沉試驗(yàn)間接驗(yàn)算路面承載力，為此類工程的計(jì)算提供參考。

2 工程概況

紹興地鐵鏡湖站為地鐵1號(hào)線與2號(hào)線的換乘站，現(xiàn)選則1號(hào)線進(jìn)行計(jì)算分析。1號(hào)線車站基坑總長(zhǎng)503.6m，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)外混凝土保護(hù)層70mm），導(dǎo)墻寬度為850mm(導(dǎo)墻采用“┓┏”型現(xiàn)澆鋼筋混凝土?xí)r，導(dǎo)墻的凈距要大于地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)寬度40mm,為方便現(xiàn)場(chǎng)成槽機(jī)型號(hào)的施工，確定為50mm)；1號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻鋼筋籠長(zhǎng)為39.982m，端頭井地下連續(xù)墻鋼筋籠長(zhǎng)為42.62m，對(duì)比計(jì)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(jìn)行驗(yàn)算。因鋼筋籠較重，本工程采用雙機(jī)抬吊的方法起吊鋼筋籠。鋼筋籠加工平臺(tái)設(shè)置于基坑西側(cè)外，尺寸為45m×7m,與地連墻外邊之間設(shè)有8m寬的施工便道。

3 起重設(shè)備的確定

起重吊裝設(shè)備的確定有2種思路，一是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算，來選擇滿足條件的設(shè)備；二是由作業(yè)隊(duì)伍根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)提供設(shè)備型號(hào)及參數(shù)來驗(yàn)算其是否滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。兩者皆滿足最不利工況，驗(yàn)算才能通過，下面就以紹興地鐵鏡湖站1號(hào)線地下連續(xù)墻鋼筋籠的起重吊裝進(jìn)行分析。

3.1 計(jì)算確定設(shè)備

3.1.1 主吊設(shè)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(jī)抬吊時(shí)，主吊為非行走狀態(tài)，安全系數(shù)按0.8計(jì)算，則主吊非行走狀態(tài)時(shí)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(dú)帶載行走，安全行走系數(shù)為0.7，則此時(shí)要求其最大起重量T'＞F/0.7=86.69t。

式中，L1鋼筋籠平臺(tái)寬度；b施工便道寬度；L2導(dǎo)墻寬度；r履帶起重機(jī)前頭至回轉(zhuǎn)軸心的距離。

因r一般大于 3m,則R＞15.35，顯然此工況下對(duì)設(shè)備噸位和把桿長(zhǎng)度的要求很大。通過查起重機(jī)性能表，350t履帶起重機(jī)為滿足此工況下的最小噸位設(shè)備，其r=4.975m,所需最小作業(yè)半徑為17.325m。根據(jù)鋼筋籠長(zhǎng)度和重量，接60m或66m主臂滿足要求，通過驗(yàn)算60m主臂為此型號(hào)起重機(jī)滿足起重吊裝要求的最小主臂長(zhǎng)度，主臂長(zhǎng)度大于66m則履帶起重機(jī)的可操作空間太小，工作半徑擴(kuò)大時(shí)不滿足工況要求，如圖1所示。

圖1 SCC3500A履帶起重機(jī)性能表

隔著導(dǎo)墻作業(yè)履帶起重機(jī)要求的最小工作半徑為15.35m，雖然350t設(shè)備滿足要求，但操作空間的冗余度較小，作業(yè)半徑擴(kuò)大時(shí)，最大起重重量與工況需求的起重重量相差不大；此外，設(shè)備噸位太大增加了對(duì)地基的附加應(yīng)力，對(duì)導(dǎo)墻的穩(wěn)定性也存在安全隱患，因此考慮履帶吊機(jī)過導(dǎo)墻進(jìn)行起重吊裝作業(yè)。為保證導(dǎo)墻的安全，在履帶起重機(jī)行走路線的導(dǎo)墻段之間加設(shè)混凝土支撐，導(dǎo)墻上面鋪設(shè)3cm厚鋼板。

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

顯然過導(dǎo)墻作業(yè)減少了對(duì)設(shè)備噸位和主臂長(zhǎng)度的要求，同時(shí)減小了對(duì)地基的附加應(yīng)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(zhǎng)度通過驗(yàn)算皆吊裝滿足要求，主臂長(zhǎng)度驗(yàn)算主要是考慮起吊時(shí)的防碰撞和起重高度是否滿足鋼筋籠的長(zhǎng)度，在此不另做計(jì)算說明。

圖2 SCC2600A履帶起重機(jī)性能表

3.1.2 副吊設(shè)備的確定

雙機(jī)抬吊時(shí)，副吊主要配合主吊起重，使鋼筋籠從平放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)，最后由主吊將鋼筋籠運(yùn)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(jī)抬吊安全系數(shù)按0.8計(jì)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(jī)性能表，100t履帶起重機(jī)為滿足要求的最小噸位吊機(jī)。副吊站位一般平行于鋼筋籠平臺(tái)，因側(cè)邊軸距小于車頭至回轉(zhuǎn)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(duì)變大，或者說在與鋼筋籠平臺(tái)相同距離的情況下，副吊站位平行于鋼筋籠平臺(tái)，它起吊后的幅度調(diào)整變化相對(duì)較大，可以有效防止起吊后主臂回轉(zhuǎn)時(shí)與鋼筋籠相碰觸。因此副吊的站位相對(duì)靈活，設(shè)備選型主要考慮其最大起吊重量和主臂長(zhǎng)度是否滿足工況要求，當(dāng)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(yè)的順利和安全。

由圖3SCC1000履帶起重機(jī)性能表（圖中同主臂同工作半徑對(duì)應(yīng)的不同最大起重量與設(shè)備的配重有關(guān)，后者配重比前者配重大3t）可知，當(dāng)副吊工作半徑為9m，接39m長(zhǎng)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(jī)性能表

3.2 經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)備

地下連續(xù)墻作業(yè)隊(duì)伍根據(jù)吊裝方案和經(jīng)驗(yàn)提供的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

作業(yè)隊(duì)提供起重設(shè)備參數(shù)表 表1

可以看出由經(jīng)驗(yàn)確定的設(shè)備參數(shù)與計(jì)算得出的設(shè)備參數(shù)基本相同，通過3.1的驗(yàn)算，主、副吊設(shè)備都滿足現(xiàn)場(chǎng)的最不利工況需求。副吊設(shè)備的噸位大于計(jì)算得出的噸位，以大換小是可行的，反之不行，得重新通過驗(yàn)算確認(rèn)。

通過上面的計(jì)算比較，可以得知鋼筋籠吊裝作業(yè)的2種思路各有其優(yōu)缺點(diǎn)。由計(jì)算確定設(shè)備可以得出工況所需的最小設(shè)備參數(shù)，但需對(duì)各種型號(hào)的設(shè)備性能比較熟悉。此外，確定設(shè)備后，需計(jì)算確定其他參數(shù)，工作量相對(duì)較大；由經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)備，僅需對(duì)作業(yè)隊(duì)提供的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，合格就無(wú)需再做驗(yàn)算。

4 地基承載力驗(yàn)算

本施工場(chǎng)地?cái)M定履帶起重機(jī)行走路面為基坑中間道路，也是現(xiàn)狀公路的既有路面，因路面下方存在軟土層，現(xiàn)對(duì)其地基承載力進(jìn)行驗(yàn)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(yīng)力（kPa）；

γ—軟弱下臥層以上各土層的加權(quán)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(jì)算附加應(yīng)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(jù)彈性理論，規(guī)范中的簡(jiǎn)化公式。

③查表法：角點(diǎn)法。

由于路面不能作為剛性基礎(chǔ)進(jìn)行考慮，且路面厚度較小，基礎(chǔ)埋深為零，基礎(chǔ)底面處應(yīng)力值與基底附加應(yīng)力不能考慮為相等，所以不按理論公式進(jìn)行計(jì)算；角點(diǎn)法主要用來計(jì)算均布矩形荷載作用下的地基中的附加應(yīng)力，有其局限性和一定的偏差。因此，本文采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[2]中的應(yīng)力擴(kuò)散角法來計(jì)算土層附加應(yīng)力。

4.1 軟土地基承載力計(jì)算

因主吊噸位遠(yuǎn)大于副吊，所以主要考慮主吊對(duì)地基承載力的影響。1號(hào)線采用260t吊車履帶壓力（吊機(jī)重約260t），履帶尺寸為 9.15m×1.2m，載荷系數(shù)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(zhì)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(jìn)行驗(yàn)算。土層厚度為21.5m，地面標(biāo)高為5.52，土層頂部接觸面標(biāo)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(biāo)高：3.22，重度：18.5kN/m3；①2 素填土，底部標(biāo)高：2.52，重度：18kN/m3。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 軟土地基承載力計(jì)算簡(jiǎn)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(quán)平均重度γ=12.38kN/m3；混凝土中的應(yīng)力擴(kuò)散角為45。,則b=1.2+2×0.2tan45。=1.6m。

土層中擴(kuò)散角θ根據(jù)表2來確定。

地基壓力擴(kuò)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(shí)取θ=0。，必要時(shí)，宜由試驗(yàn)確定；z/b＞0.5時(shí)θ值不變；z/b在0.25與0.5之間可插值使用。

③1-2淤泥質(zhì)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(zhì)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(yīng)力，γ0為路面的加權(quán)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(jì)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(duì)應(yīng)表 表4

[fa]=[fa0]+γ1d

γ1為基底以上土層加權(quán)平均重度，因?yàn)槁访媛裆顬?，所以[fa]=[fa0]。

③1-2淤泥質(zhì)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(yè)要求，現(xiàn)鋪上3cm后鋼板對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。

鋼板寬度為l=6m,將其視為剛性基礎(chǔ)，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(shí)路面的附加應(yīng)力p=0.168×1.2×1000/6=33.6kPa

又瀝青混凝土中應(yīng)力擴(kuò)散角為45。，b=6+2×0.2=6.4m，則：

又z/b=2.8/6.4=0.44，根據(jù)表2使用內(nèi)插值法可以確定擴(kuò)散角θ=19。。

因此鋪設(shè)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(yàn)算

本工程最不利工況出現(xiàn)在履帶吊回轉(zhuǎn)主臂鋼筋籠下槽時(shí)，此時(shí)鋼筋籠處于履帶吊側(cè)邊，可能由于路面不平，出現(xiàn)履帶吊單邊受力的情況。

此時(shí)路面的附加應(yīng)力p=0.168×1.2×2×1000/6=67.2kPa

又瀝青混凝土中應(yīng)力擴(kuò)散角為45。，b=6+2×0.2=6.4m，則：

又z/b=2.8/6.4=0.44，根據(jù)表2使用內(nèi)插值法可以確定擴(kuò)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(xiàn)場(chǎng)路面的坡度為百分之二，傾角為1.2。左右，履帶起重機(jī)出現(xiàn)單邊受力的概率較小，但為了防止路面破壞和不平導(dǎo)致出現(xiàn)此情況，現(xiàn)場(chǎng)要加強(qiáng)安全管理，對(duì)路面出現(xiàn)破壞和不平的情況，要及時(shí)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(yè)的安全。

4.3 路面承載力驗(yàn)算

路面承載力無(wú)法直接測(cè)得，采用貝克曼梁法測(cè)得路面的回彈彎沉值來推算路面承載力是否滿足作業(yè)要求。

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）[6]附錄 C：回彈彎沉值的計(jì)算，可以得知路面彎沉值與路面回彈的關(guān)系式為：

式中：l0：路面彎沉值；

E0：路面回彈模量；

根據(jù)彎沉檢測(cè)結(jié)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(jì)算已知1號(hào)線履帶吊吊裝作業(yè)時(shí)路面的最大應(yīng)力為0.168MPa，則履帶吊作業(yè)時(shí)引起的路面回彈應(yīng)變?yōu)?/p>

ε=(0.168/365)×1000=0.46mm。

根據(jù)回彈彎沉檢測(cè)報(bào)告可知，檢測(cè)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTJ E60-2008）[7]可知在后軸標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，輪胎充氣壓力0.7MPa時(shí)，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑為21.3cm，則彎沉試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)汽車對(duì)路面的應(yīng)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(yīng)力，大于履帶吊作業(yè)時(shí)的最大接地應(yīng)力0.168MPa，所以履帶吊作業(yè)引起的變形0.46mm也在合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

①提出確定起重吊裝設(shè)備的2種思路，基于實(shí)際工程的最不利工況分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，比較了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，為鋼筋籠起重吊裝工程提供借鑒；

②根據(jù)施工場(chǎng)地情況選擇應(yīng)力擴(kuò)散角法來進(jìn)行地基承載力的計(jì)算，針對(duì)地基承載力不夠的情況，提出了安全技術(shù)措施，針對(duì)最不利工況的計(jì)算結(jié)果，提出了施工現(xiàn)場(chǎng)安全保證措施；

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