PBA工法新型钢管柱吊装台车的设计及应用

张 庆

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032)



PBA工法新型钢管柱吊装台车的设计及应用

张 庆

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032)

PBA暗挖地铁车站由于洞内高度受限，无法用吊车作业，钢管柱通常在洞内拱顶预埋或焊接吊钩进行吊装。但受清华大学附中坍塌事件影响，为确保初期支护结构绝对安全，总监办及相关方面禁止采取传统方法施工。为此专门设计并制作一种新型钢管柱吊装台车，通过在16号线玉渊潭东门站施工中的应用，表明台车吊装技术能完全替代传统方法，完全消除对初期支护稳定的影响，避免安全隐患，且台车使用简单高效，节省近1个月工期，确保了施工进度与安全。

玉渊潭东门站; 地铁车站；PBA；钢管柱；洞内吊装；新型台车

0 引言

钢管柱是PBA暗挖地铁车站的重要受力构件，目前施工中较为普遍的钢管柱安装方法，是在导洞顶部预埋吊钩(或后期凿除初期支护焊接)，采用电动葫芦逐节吊装拼接而成的。文献[1-5]提到钢管柱安装但未明确方法；文献[6-9]提及导洞拱顶预埋吊钩进行吊装。相邻标段施工也主要采用传统拱顶吊装。

传统拱顶吊装法对拱顶格栅及初期支护受力存在较大影响，由于设计阶段并未考虑钢管柱吊装所增加集中荷载对初期支护结构的影响，且喷射混凝土的密实度，钢格栅焊接加工质量均难免存在不足，故传统方法存在较大施工风险以及安全隐患，监理方坚决禁用。在玉渊潭东门站施工中，借鉴文献[10-12]的简易三脚门架的经验，根据工程实际情况，设计制作并应用新型钢管柱吊装台车。本文将从钢管柱吊装台车设计、制作及受力验算、钢管柱台车的施工流程等方面进行阐述。

1 工程概况

玉渊潭东门站位于月坛南街与三里河路交叉路口处，跨月坛南街南北向布置在三里河路下方。车站为双层三跨暗挖地下岛式车站，主体采用PBA暗挖法施工，总长256.6 m，总宽21.2 m，岛式站台宽12 m，底板埋深27.86 m，拱顶覆土约11.31 m。

2 吊装方法比选

见表1。

表1 洞内钢管柱吊装方法对比分析

通过对表1各方法的对比分析，可见新型钢管柱吊装台车，对初期支护混凝土及格栅无影响，同时避免了高空作业风险，而且操作简单，进度快，稳定性好，经济适用。

3 钢管柱吊装台车设计、制作及受力验算

3.1 吊装台车结构设计及制作

吊装台车设计尺寸需要综合考虑导洞高度、宽度及结构形式，钢管柱分节长度，孔径及导洞中的位置，横通道高度及宽度等因素。根据本工程特点，钢管柱位于2种断面形式的导洞内，如图1所示，8导洞断面和6导洞断面形式不同，应以6导洞断面确定台车的尺寸大小，方可通用。

(a) 8导洞断面

(b) 6导洞断面

台车尺寸确定后，即选择台车的结构材料，开始台车结构组合设计，进而进行受力分析计算，总体设计思路遵循轻便易用、安全实用的原则。最终确定台车设计形式如图2所示，采用Q235钢材，材料规格型号见表2。

(a) 俯视图

(b) 主视图

(c) 侧视图

吊装台车框架全部采用焊接连接，其余部分用高强度螺栓作法兰式连接。利用台车进行吊装时，150 mm方钢制作的小横梁作为最大直接承载点进行吊装。钢管柱单根最大质量为6.9 t，分节采用葫芦挂钩进行吊装前，应对吊点进行最不利工况承载力计算，满足设计要求后方可应用于吊装施工。

表2 台车主要材料统计表

3.2 台车受力计算

依据钢结构设计规范[13]及钢结构设计手册[14]，在整根钢管柱全部起吊的最不利工况下，对每个受力杆件进行受力分析、荷载传递及安全性验算。

单根钢管柱总质量为6.9 t，合计G=67.62 kN，首先通过2个电动葫芦共同悬吊于150 mm方钢横梁中部。受力分析见图2(b)，由图可知，2Fcos 14°=G，则F=34.85 kN。按照荷载传递路径，逐步进行受力计算。

下述计算过程中，f为钢材的强度设计值，[ω]为挠度允许值，均按照钢结构设计规范取值。

3.2.1 方钢计算(150 mm，t=8 mm)

150 mm方钢承受跨中集中荷载为F=34.85 kN。

边长150 mm，t=8 mm方钢截面参数W=161.5 cm3，

σ=M/W= 0.25×34.85 kN×1.641 m/161.5 cm3=

88.5 N/mm2

ω=Fl3/(48EI)=34.85 kN×(1.641 m)3/(48×2．05×105N/mm2×15 319 338.67 mm4)=1.02 mm<[ω]=l/400=4.1 mm。

3.2.2 工字钢Ⅰ(20a)计算

工字钢承受由方钢传递的2个集中荷载以及方钢的自重，F2=F/2+G(方钢)=17.4 kN+1.69 kN=19.09 kN。

20工字钢,截面参数为W=237 cm3，I=2 370 cm4，

σ=M/W= 19.09 kN×450 mm/237 cm3= 36.25

N/mm2

ω=Fa/(24EI)×(3l2-4a2)=19.09 kN×0.45 m/(24×2．05×105N/mm2×23 700 000 mm4)×[3×(2 120 mm)2-4×(450 mm)2]=0.934 mm<[ω]=l/400=5.3 mm。

3.2.3 工字钢Ⅱ(20a)计算

工字钢Ⅱ承受由工字钢Ⅰ传递的2个集中荷载以及工字钢Ⅰ的自重。

F3=F2+G(工字钢Ⅰ)=19.09 kN+0.29 kN=19.38 kN。

20工字钢,截面参数为W=237 cm3,I=2 370 cm4，

σ=M/W= 19.38 kN×280 mm/237 cm3= 22.90

N/mm2

ω=Fa/(24EI)×(3l2-4a2)=19.38 kN×0.28 m/(24×2．05×105N/mm2×23 700 000 mm4)×[3×(2 200 mm)2-4×(280 mm)2]=0.661 mm<[ω]=l/400=5.5 mm。

3.2.4 立柱钢管计算(φ159 mm，t=5 mm)

钢管立柱承受由工字钢Ⅱ传递的集中荷载及工字钢Ⅱ的重量。

F4=F3+G(工字钢Ⅱ)=19.38 kN+0.37 kN=19.75 kN，直径159 mm，壁厚t=5 mm钢管截面参数如下：

查表得φ=0.149,则

N/(φA)=19 750 N/(0.149×19 767.085 mm2)=

6.71 N/mm2

综上计算，各构件强度、刚度及稳定性均满足吊装要求，由计算结果可知，台车满足材料及规范要求，并且每个构件均有较大的安全系数储备。

3.2.5 有限元计算分析

参照钢结构计算相关规范，以最大受力状态即整根钢管柱全部起吊时的最不利工况进行验算。

在横梁中部固定悬挂电动葫芦，简化为跨中受集中荷载的简支梁进行验算。利用吊装台架进行吊装，小横梁中部作为吊点，进行吊装。

整根钢管柱起吊时为台车吊装钢管柱过程的最不利工况，此时采用有限元分析软件MIDAS建立实体模型，设置边界条件，进行新型台车受力分析计算。

根据有限元计算结果，支架结构最不利工况下最大变形及强度均满足材料及规范要求，整体稳定。

3.2.6 结论

通过规范计算、有限元软件分析2种方法进行受力分析，结果表明，台车受力和变形符合台车本身材料要求的，也符合规范要求，设计是科学的、合理的、适用的。

4 钢管柱台车法施工流程

4.1 施工流程

成孔验收—孔内钢筋笼绑扎—移动台车对位—钢管柱下井—叉车运输到孔位—吊带绑扎—双电动葫芦吊装—测量定位—紧固螺栓连接—管外填砂—管内浇筑混凝土。

4.2 钢管柱吊装步骤

1)钢管柱吊装下井后，进入横通道，采用叉车插入钢管柱内将第1节钢管柱经过通道及导洞运送至待安装孔位。

2)就位后叉车缓慢将钢管柱送入台车下方，工人采用绑带将管口上部绑扎牢固，绑带末端挂在电葫芦吊钩上，缓慢提升，使得绑带绷紧绑牢。

3)双电动葫芦，同步缓慢提升，同时叉车缓慢向前送入，直至钢管柱完全垂直，这时叉车缓慢退出。

4)为了防止钢管柱底端脱离叉车出现较大摆动，在钢管柱吊起过程中，随着钢管柱逐渐抬升，叉车缓慢向前至孔口处后，待钢管柱垂直后，方可撤出叉车。

5)叉车撤出后，然后继续缓慢抬升钢管柱30 cm左右，停止提升。

6)人工辅助调整钢管柱使其在空中处于自然铅垂状态，对准孔位缓慢下放钢管柱，直至第1节钢管柱顶端法兰到达孔口位置，停止下放。

7)用Ⅰ20工字钢井字架搭设在孔口，卡在钢管柱法兰下缘处，固定牢固，松开绑带，完成第1节钢管柱吊装。

8)按照前述方法吊装第2节钢管柱至孔口与第1节法兰螺栓对接固定。

9)起吊第1节和第2节钢管柱，松开工字钢井字架，继续下放至第2节钢管柱法兰到达孔口，工字钢井字架固定牢固。

10)按照前述步骤操作，直至第4节钢管柱螺栓连接完成。

11)起吊整根钢管柱，缓慢下降至底法兰预留连接螺栓位置，人工辅助进行对位，对位准确，钢管柱落地。

12)进行垂直度，水平位置的精确测量复核，满足要求后紧固地脚螺栓固定牢固。

13)最后管外填砂，管内灌注混凝土。

14)移动台车至下一孔位，进行下一根钢管的安装。

5 应用效果

在玉渊潭东门站施工中成功地应用该新型台车完成了全部76根钢管柱的吊装任务，操作简单，易于操作和熟练应用，较传统吊装方法缩短26 d工期，且施工全过程未发生安全事故。台车使用中安全稳定可靠，未发生损坏及维修情况，达到了预期目的，得到了设计和施工人员的认可和肯定。现场台车施工应用实例如图3所示。

(a) 钢管柱吊装过程

6 结论与讨论

1)在导洞内采用新型吊装台车进行钢管柱吊装，有效避免导洞拱部安装吊钩进行吊装对初期支护钢格栅及混凝土的影响，消除垮塌隐患，确保施工安全，保证结构稳定。

2)能够节省破除初期支护混凝土焊接吊钩，以及在拱顶反复装卸电动葫芦的工序，加快了施工进度，节约近1/4的工期，同时避免了高空作业风险。

3)该新型吊装台架作为一种简单实用的导洞内钢管柱吊装方法，在PBA地铁车站工程中具有较高的实用价值。

4)台车结构简单，制作容易，且能够循环周转，在类似工程中再次利用，总体制作和使用成本低，利用效率高。

5)在后期使用中增加构造杆件提升其整体刚度和稳定性，确保坚固耐用。

6)还需在行走系统方面进行优化改进，增加行走轮或者其他措施，使其更加简便易用。

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Design and Application of A New Steel Pipe Column Hoisting Trolley to PBA Mined Stations

ZHANG Qing

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.of12thBureauGroupofChinaRailway，Taiyuan030032，Shanxi,China)

Due to the height limit in tunnel of PBA mined Metro station,the steel pipe column hoisting trolley can not be used.The pre-embedded steel pipe column and welding hoisting method are prohibited so as to guarantee the safety of primary support.The application of a new steel pipe column hoisting trolley to Yuyuantan East Station shows that the above-mentioned trolley is easy and high-efficient,and can guarantee the safety of primary support.

Yuyuantan East Station; Metro station; PBA; steel pipe column; hosting in pilot tunnel; new trolley

2016-06-15;

2016-07-20

中铁十二局集团第二工程有限公司科研计划项目(2014[08])

张庆(1984—)，男，山西太原人，2011年毕业于河南理工大学，岩土工程专业，硕士，工程师，从事城市地铁及隧道工程技术管理及研究工作。E-mail：zhangqingqijin@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.018

U 45

A

1672-741X(2016)10-1277-05