大空间盖挖逆作型钢结构建造关键技术

2015-03-16杜运国

铁道勘察 2015年4期

关键词：牛腿福田钢梁

杜运国

(中铁十五局集团有限公司，河南洛阳　471013)

Key Technology of Large Space Excavation for Cover Formed Steel Construction

DU Yunguo

大空间盖挖逆作型钢结构建造关键技术

杜运国

(中铁十五局集团有限公司，河南洛阳471013)

Key Technology of Large Space Excavation for Cover Formed Steel Construction

DU Yunguo

摘要深圳福田综合枢纽站周边环境复杂，采取盖挖逆作法施工，主体结构采取国内少见的钢管柱及纵横型钢梁组合体系。以此工程为依托，介绍盖挖逆作法施工时，型钢结构制造和型钢结构安装关键技术。型钢结构制造质量应从型钢梁下料、型钢梁组立、钢梁的焊接、钢梁矫正、钢梁的拼装、钢梁牛腿制作等关键技术环节进行控制；型钢结构安装质量应从构件就位、钢梁及节点安装、高强螺栓施工、现场焊接等关键工艺进行控制。

关键词盖挖逆作型钢结构关键技术

型钢-混凝土组合结构具有承载力高、刚度大、抗震性能好、构件截面尺寸小、施工快速等诸多优点，常被设计采用。明挖法施工时型钢结构建造技术非常成熟，质量控制有保障。盖挖逆作法主体结构采取型钢混凝土组合体系国内少见。如何高质量、高效率修造型钢结构体系是确保工程成败的关键和核心，值得各位科技工作去研究和探讨。以深圳福田站为例，系统研究梁-柱等关键节点受力性能、制作工艺和接头处理流程。

1工程概况

深圳福田站是国家《中长期铁路网规划》中提出的“北京—武汉—广州—深圳—香港客运专线”在深圳市福田中心区选址设置的车站，是深圳铁路“两主三辅”客运枢纽中最为重要的辅助车站。福田站综合交通枢纽是集国铁、口岸、城际轨道、城市轨道、常规公交、出租车、小汽车等多种交通功能于一体的大型地下综合客运枢纽，是珠三角重要的城际交通枢纽、深圳市重要的轨道交通换乘中心。福田站位于深圳市行政文化中心市民广场下方，基坑长1 023 m，最深32.15 m，最宽78.86 m，为亚洲第一大基坑。周边高层建筑众多，道路交通密集，环境复杂，分五段施工(如图1)，段一、段二、断五采取明挖顺作法，段三、四采取盖挖逆作法。

福田站段三、段四宽约78 m，平均埋深为32 m，车站主体结构最大跨度为21.46 m，顶板覆土3 m，属超大、超宽、超深地下结构，经多轮专家会讨论，最终确定采取盖挖逆作法施工。为满足地下结构安全和受力要求，车站主体结构采取3层5跨现浇型钢混凝土结构。钢管和型钢均采取Q345钢材，其中钢管柱截面尺寸为 1 600×35，柱内浇筑C60高强混凝土。纵横梁采用型钢结构，内置H型钢，如图2。

图1　基坑分段示意

图2　福田站型钢梁柱示意

2盖挖逆作钢管柱施工工艺

在基坑开挖前与其他抗拔桩、临时立柱桩同时施工。成孔后下直径2.8 m钢套筒，清孔合格后下放钢筋笼，灌注混凝土。12h后，将孔内泥浆抽干，按设计高程人工凿除混凝土，安装下定位器，测量放出桩中心十字线；安装上定位器，将整体制作完成的钢管柱吊装入孔，底部采用定位器定位，顶部采用螺旋千斤顶微调，保证上下均符合设计定位要求。

精确定位完成后，灌注钢管混凝土，24 h以后，结构柱周边回填中粗砂及在负一层、负二层高程处灌注1 m厚混凝土。施工流程见图3。

图3　钢管混凝土立柱施工工艺

3型钢结构制造关健技术

3.1　钢梁制造

(1)型钢梁下料

主板材采用火焰切割机两面同时垂直下料，对腹板采用半自动切割机开坡口，坡口面及附近50 mm范围内需打磨，清除割渣及氧化皮等杂物。①下料前必须对钢板的平整度进行检查，翼板、腹板的平面度允许偏差1 mm/m以内，发现超差需矫正；②下料前，对厚板母材焊道中心线两侧各2倍板厚加30 mm的区域内进行超声波探伤检查，母材中不得有裂纹、夹层等缺陷存在；③下料时，必须严格按图下料，切割长度、宽度、焊接坡口符合规范要求。

(2)型钢梁组立

由于钢梁的截面形式为H形，其组立方式如图4所示。控制要点如下：①母材上不允许有电弧擦伤，定位焊咬边在1 mm以内；②型钢翼板与腹板对接焊缝错开200 mm以上，避免焊缝交叉和焊缝缺陷应力集中；③型钢翼板与腹板之间的组装间隙Δ≤1 mm。

图4　型钢梁组立流程

(3)钢梁的焊接

型钢梁焊接前，在型钢的两端头设置“T”形引弧板及引出板，长度为150 mm，宽度为100 mm，其材质与母材一致；考虑板厚焊接变形及矫正困难，装配时翼板进行反变形，利用撑杆撑住再焊接，见图5。

图5　钢梁焊接控制示意

焊接时需对焊缝进行预热，预热区域在焊道两侧，每侧宽度大于焊件厚度的2倍且不小于100 mm，预热温度为80～120 ℃；先焊收缩量大的部位；焊接过程中平衡加热，使焊接收缩量小；焊缝余高不得超过2 mm。

(4)钢梁矫正

火焰矫正为主，机械矫正为辅。火焰矫正根据加热位置、加热范围、加热顺序进行加热，温度控制在600～800 ℃。组立好H型钢，矫正后的表面应没有有明显的凹面或损伤。

(5)钢梁的拼装

在钢梁翼、腹板上划出各加劲板的定位尺寸线，再将制作好的混凝土板连接板与钢梁进行拼装；拼装完混凝土板连接板后再组装混凝土梁连接板及加劲板；组装完各加劲板后再组装耳板；拼装完后进行自检，自检合格后提交质检人员进行尺寸检验，检验合格后再进行焊接。焊接时应对称施焊，由内而外。

3.2　钢梁牛腿制作

H型钢梁牛腿制作时，先对腹板进行制孔，再将牛腿翼、腹板进行拼装。由于牛腿截面较大，可分成四件小牛腿进行拼装，工艺同H型钢梁组装。

4型钢结构安装关健技术

4.1　构件就位

靠近基坑附近的钢梁、牛腿采用基坑边履带吊直接安装；基坑中间采取50 t履带吊进行钢梁、牛腿吊装就位，见图6。

图6　构件就位

为了确保钢梁能顺利进入地下，在盖板上预留9.6 m×6.8 m洞口，钢梁长度不超过15 m，就位流程如图7所示，就位要点如下：

(1)钢梁采用单点吊装方法，需选择合适的吊点，尽量使其在下落过程中保持合适的角度，为保证下落角度的正确，钢梁一端设置牵引绳进行控制。

图7　构件就位流程

(2)钢梁底端接近地面时，先将下端放置在垫木上，另一端继续向下，直到完全放置到施工层面。

(3)为防止就位过程中钢构件对已有结构造成破坏，预留洞口周围主结构需采取保护措施。

(4)钢构件从洞口放置到施工层后，采用两台叉车将钢梁运输至安装位置进行安装。

4.2　钢梁及节点安装

(1)顶层钢梁节点安装工艺

钢梁与已安装就位的牛腿采用栓焊连接方式，即腹板采用双夹板高强螺栓连接，翼缘采用焊接方式。安装要点如下：

①采用吊车安装时，吊点设置在钢梁1/3分段点处，钢丝绳之间夹角不宜大于60°。

②钢梁安装就位前需测量牛腿间距，与钢梁长度进行比对，有偏差提前进行处理。

③确定好钢梁的安装位置及方向后，使梁平稳就位，与牛腿对准后，用冲钉穿孔作临时就位对中，将梁两端打紧逼正，节点两侧各穿入螺栓临时紧固。

④调节好梁两端的焊接坡口间隙，并用水准仪校正钢梁与牛腿上翼缘的水平度，达到设计和规范规定后，拧紧螺栓。

(2)中层钢梁节点安装工艺

钢柱上节点牛腿及环板分块进行安装，采用汽车吊、履带吊及叉车进行就位。节点牛腿及环板根据其结构形式，节点牛腿及环板分为两块进行组对，如图8所示。

图8　中层节点牛腿及环板安装

(3)地下部分钢梁安装工艺

盖挖段地下钢构件利用汽车吊从预留出土口吊入施工层，然后利用叉车水平运输并安装就位，局部偏差采用码板千斤顶及手拉葫芦进行调整。小型构件采用叉车进行安装，如图9所示。

图9　安装就位示意

4.3　高强螺栓施工

福田站工程钢梁分1 900 mm、1 600 mm、1 000 mm 3种规格；在施工过程中为使螺栓群中所有螺栓均匀受力，初拧、终拧都按一定顺序进行，从螺栓群中心向四周扩散。高强螺栓具体施工顺序如图10所示，施工顺序为1→2→3→4→5→6。

图10　高强螺栓施工顺序

施工控制要点：

(1)每天班前扭矩扳手预设值必须进行试验测定，严防超拧，并严格做好初柠标记，严防漏拧；高强螺栓的初拧及终拧必须在24 h内完成，初拧和终拧后均要用不同的油漆做出明显标记；降雨后或空气比较潮湿时，不得进行施拧，待节点部位干燥后方可进行。

(2)施工前摩擦面必须清理干净，保证高强螺栓工作时的摩擦系数。高强度螺栓连接摩擦面如在运输中变形或表面擦伤，安装前必须在矫正变形的同时，重新处理摩擦面。

(3)高强度螺栓的连接孔由于制作和安装造成的偏差，采用电动铰刀修整，严禁气割或锥杆锤击扩孔；定期标定扳手的扭矩值，其偏差不大于5%，严格按紧固顺序操作。连接板变形，间隙大，校正处理后再使用。装配面有浮锈、油污，螺栓孔有毛刺、焊瘤等，均需清理干净。

(4)螺栓自由穿入螺孔，不准许强行打入；在安装过程中，注意保护螺栓，不得沾染泥沙等赃物和碰伤螺纹。高强度螺栓连接副的保管时间不超过6个月。当由于停工、缓建等原因，保管周期超过6个月时，若再次使用必须按要求进行扭矩系数试验或紧固轴力试验，检验合格后方可使用。

4.4　现场焊接

现场焊接采用CO2气体保护焊，辅助以手工电弧焊。

(1)总体焊接顺序：根据柱安装定位情况，调整节点牛腿与钢柱及节点牛腿与钢梁之间的焊接间隙，然后根据安装顺序依次进行钢节点牛腿与钢柱、钢梁与节点牛腿的焊接。

(2)节点牛腿与柱接头焊接：对同一钢管柱的环向节点牛腿，宜先焊接节点牛腿间连接焊缝，后焊与钢柱连接焊缝；环向节点牛腿与柱的连接，宜先焊接平焊缝，后焊接立焊缝，环板与钢管柱的平焊缝对称焊接。当板厚较大时，分层轮换进行焊接。

(3)梁-节点牛腿接头焊接：同一支钢梁，先焊一端焊缝，等其冷却后，再焊接另一端；同一支钢梁，先焊下翼板，再焊接上翼板，上下两翼板焊缝的焊接方向相反。当翼板厚度较大时，上下翼缘轮流施焊。焊接完成后，焊缝及热影响区范围内用角向磨光机打磨干净，以备探伤。

(4)焊接变形控制：装配时，根据工艺要求，预留焊接收缩余量，预置焊接反变形；在得到符合要求焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸；在同一构件上焊接时，尽可能采用热量分散，对称分布施焊。采用多层多道焊代替单层焊；双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中性轴对称的焊接顺序；T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。

5结论

(1)型钢-混凝土组合结构以其受力性能、经济效益方面的优越性，成功应用于城市中心区福田车站大型地下空间工程，保证了工程的可靠性。型钢-混凝土组合结构配合整体工程的盖挖逆作实施，有效控制了施工过程中可能引起的周边高层建筑群稳定性畸变，保障了该实施的安全需求。

(2)通过型钢混凝土结构在福田车站的工程应用，形成了适用于城市中心区地下大空间结构的大截面型钢梁(2.5 m×1.4 m)施工技术体系，包括型钢结构制造和型钢结构安装两个方面。

(3)型钢结构制造质量应从型钢梁下料、型钢梁组立、钢梁的焊接、钢梁矫正、钢梁的拼装、钢梁牛腿制作等关键技术环节控制；型钢结构安装质量应从构件就位、钢梁及节点安装、高强螺栓施工、现场焊接等关键工艺控制。

参考文献

[1]JGJ138—2001型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社出版，2001

[2]陈远周.福田站钢管柱-型钢混凝土节点研究[J].建筑结构，2013(3)

[3]谢文利.某超大超深基坑盖挖逆作结构柱脚设计[J].铁道勘测与设计，2010(2)

[4]陈远洲.某超大超深基坑盖挖逆作法施工阶段计算与分析[J].铁道勘测与设计，2010(5)

[5]张思源.天津站交通枢纽盖挖逆作车站受力分析[J].安徽建筑大学学报，2014(4)

[6]郭凯，李乐，齐轩.某地铁车站盖挖逆作工艺下后起钢管柱分节定位安装技术[J]. 施工技术，2014(7)

中图分类号：TU94