基于数值模拟的超深地下连续墙特重型钢筋笼动态吊装技术研究

付小兵 李海鸿 袁 果 阚保忠 苏静华 包 辉

云南建投第六建设有限公司 云南 昆明 650299

随着我国经济的快速增长，高层建筑、特殊用途建筑及地下交通设施等的建设越来越多，基坑开挖深度也越来越深，因此给施工提出了更高的要求。

地下连续墙因兼具截水、防渗、承重等多种作用，且具有施工振动小、整体刚度强等特点[1-3]，被广泛应用于埋深较大的基础施工中。

对于一般的地下连续墙，现有施工技术已较为先进，但超深地下连续墙施工难度仍然较大，尤其是特重型钢筋笼吊装施工[4-5]。因此，加强对超深地下连续墙特重型钢筋笼吊装技术的研究，对超深基础施工具有重大意义。

鉴于现在超深基础施工较多，对地下连续墙钢筋笼吊装技术已有众多学者进行过研究。

王志华等[6]就超大型地下连续墙钢筋笼吊装过程，采用数值模拟及现场试验的研究手段，确定了施工过程中最不利的情况。

张紫月等[7]进行了仿真研究，证明整体吊装的可行性，确定了施工过程中最危险的情况。

李少利[8]研究了超深地下连续墙钢筋笼制作工艺与吊装技术。

刘聪等[9]对钢筋笼吊装过程的关键点进行验算研究，确定了施工最佳点。

石姣姣等[10]建立有限元模型，研究不同数量纵向桁架的钢筋笼在不同吊装角度下的力学性能，得出了最优施工方案。

虽然现有地下连续墙钢筋笼吊装技术研究较为丰富，但对于“一幅两笼”模式的钢筋笼吊装研究较少。因此，本文以昆明市第十四水质净化厂建设工程为研究背景，采用数值模拟研究方法对超深地下连续墙特重型钢筋笼吊装技术的应用进行研究，为工程提供施工技术参考，指导工程施工。

1 工程概况

昆明市第十四水质净化厂建设工程为新建全地下式的水质净化厂，总设计规模为20.0万 m3/d，分期建设，一期土建规模为20.0万 m3/d，设备规模为10.0万 m3/d。基坑面积70 000 m2，长边长465 m，短边长198 m，基坑深度7.8～17.9 m（局部落深29.4 m），基坑总周长约1 340 m，采用支护桩＋预应力锚索支护体系，局部采用地下连续墙支护。

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其中，进水泵房围护结构采用厚1 200 mm地下连续墙＋钢筋混凝土内支撑支护和锚索的支护形式，通过对槽段进行合理划分，使每幅槽段尽可能地均匀，且满足设备模数要求，槽段长度应控制在6 m左右。地下连续墙共计20幅，其中“一”字形钢筋笼16幅、“L”形钢筋笼4幅，地下连续墙墙高分44.25 m和68.00 m这2种，幅宽5.10～6.00 m，单幅钢筋笼长度分为44.25 m和68.00 m，根据地质情况，地下连续墙嵌入基底下深度22.8～42.1 m。钢筋笼质量最大为120 t，属于特重型钢筋笼，国内少有此类工程经验可借鉴。

2 工程重难点

2.1 吊装工程重难点

1）本工程钢筋笼质量较大，最重的钢筋笼质量为120 t（含辅助纵横向桁架筋及吊筋）。云南常规设备租赁市场缺少特大型起重设备，若从外省租赁设备则对工期影响较大，且费用较高，使吊装方案的选择具有局限性。

2）钢筋笼本身质量大，作为钢筋笼支撑的纵横向桁架筋及附加筋也多凭借现场经验进行设置，缺乏理论依据，在起吊过程中钢筋笼内力受动荷载的影响，焊接点容易出现拉裂和断裂问题。

2.2 吊装方案的选择

调研当地起重设备租赁市场，考虑设备从省外进场时间、场地地基承载力及租赁费，决定将长68 m的钢筋笼进行分节、分幅施工，从而降低单幅钢筋笼的起重量。选择1台CC1400（250 t）和1台SCC2500（250 t）履带式起重机进行钢筋笼双机抬吊，一次成槽，分笼吊装入槽，整体浇筑成形。为满足成槽机及重型车辆的行走要求，地下连续墙井内及周边位置全部硬化成施工重型车道，在薄弱位置再铺设厚30 mm钢板以加强地面承载力。

3 钢筋笼动态吊装数值模拟分析

3.1 钢筋笼动态吊装模型建立

本工程对长68 m的钢筋笼采用分节、“一幅两笼”的形式吊装，上节钢筋笼长44 m，下节钢筋笼长24 m，标准幅宽一半的钢筋笼整体质量为72.69 t（含H型钢），上节44 m钢筋笼质量为49.44 t，分上下、左右共计4次完成钢筋笼吊装。钢筋笼上下加密区采用焊接，非加密区采用直螺纹套筒连接，钢筋采用并筋形式。以上节44 m段钢筋笼吊装构建三维模型进行吊装过程模拟计算，其中，主吊横向设置3排吊点，纵向设置2排吊点；副吊横向设置3排吊点，纵向设置2排吊点（图1、图2）。各吊点设置如下：1.0 m＋10.0 m＋8.0 m＋7.0 m＋8.0 m＋8.0 m＋2.0 m。

图1 钢筋笼吊点纵断面

图2 钢筋笼吊点

3.2 钢筋笼动态吊装数值模拟结果分析

主要对钢筋笼从水平吊装到竖向吊装的整个过程进行模拟分析，计算其应力及位移变形。从钢筋笼吊装的整个过程中，选取4个典型的计算受力模型。

以上述工程实例中的地下连续墙钢筋笼吊装施工为模拟对象，根据施工经验进行钢筋笼吊点及纵横向桁架筋的设置，分析起吊过程中在0°、30°、60°、90°这4种起吊角度下钢筋笼各个节点位置的受力及位移变化情况（图3、图4）。

图3 钢筋笼吊装过程整体应力变化

图4 钢筋笼吊装过程整体位移变化

4 施工工艺流程

基于超深地下连续墙特重型钢筋笼动态吊装过程数值模拟仿真计算结果，考虑特重型钢筋笼由于自身质量及结构特点，在吊装过程中必须严格按照施工工艺流程及相关规范进行施工。施工工艺流程为：成槽作业→垂直度检测、清槽，钢筋笼制作、验收，起吊准备→下节钢筋笼吊装→钢筋笼拼装完成→钢筋笼下放就位→钢筋笼吊装结束。

4.1 钢筋笼制作及加固

通过钢筋笼动态吊装数值模拟结果分析，钢筋笼起吊角度为30°时，钢筋笼受力和变形最大位置为起吊点，该位置需特别进行加强处理。起吊点位置设置纵横向加强筋，吊环为φ40 mm圆钢且与地下连续墙主筋焊接，以提高钢筋笼整体稳定性。

1）标准幅槽段钢筋笼加固。每幅钢筋笼各水平吊点均设置在主筋上，对于标准幅槽段，地下连续墙钢筋笼每个吊点采用1根φ40 mm的“U”形圆钢与地下连续墙主筋焊接，主吊吊点下部设置φ40 mm的“U”形圆钢吊环搁置扁担。地下连续墙槽口段设置4根φ40 mm圆钢，在地下连续墙垂直就位后作为吊放主筋，笼头设置φ40 mm的“U”形圆钢搁置扁担，具体布置如图5所示。

图5 标准幅槽段钢筋笼加固布置

2）转角幅槽段钢筋笼加固。由于转角幅钢筋笼横向吊点与平笼布置有区别，对转角幅钢筋笼除设置纵横向起吊桁架、吊点及剪刀撑之外，另要增设钢筋笼内侧斜撑杆进行加强，以防止钢筋笼在空中翻转角度时发生变形。“L”形钢筋笼吊装加固示意如图6所示。

图6 “L”形钢筋笼吊装加固示意

4.2 空载试验及静载试吊

吊装前检查限位器是否灵敏可靠，起升机构各运动部件是否灵活，同时了解钢丝绳在卷筒上的排列情况；机体向左、右回转360°；前进、后退行驶各15 m。确认合格后方可进行静载试吊，带载后离地200～300 mm，静止约10 min，重物与地面距离应保持不变。

4.3 动负荷试验

静载试吊后，在离地200～300 mm的位置，吊钩起落各3次，来回行走15 m各2次，全程回转各2次。制动时检查吊钩是否有溜钩现象，验证制动时整机的稳定性。

4.4 正式吊装施工准备

吊车在试吊正常后，在钢筋笼正式吊装前，做好以下准备工作：

1）清除吊装线路范围内的地面、空中障碍物，地面沟、坑采用钢板覆盖。

2）槽段轴线和标高经检验符合设计要求。

3）工程施工所需的构件、零配件、工具等的数量、规格齐备。

4）做好吊装作业范围内的交通组织和安全警戒工作。

4.5 吊装施工

根据设计方案及数值计算结果，钢筋笼吊放采用双机抬吊，空中回直。单节地下连续墙钢筋笼整体自重达72.69 t，现场以1台CC1400（250 t）履带式起重机作为主吊机，1台SCC2500（250 t）履带式起重机作为副吊机。起吊时必须使吊钩中心与钢筋笼重心相重合，保证起吊平衡。

1）CC1400吊机起钩，根据下节钢筋笼尾部与地面的距离，随时指挥副吊机配合起钩。

2）下节钢筋笼吊起后，CC1400吊机向左（或向右）侧旋转，250 t吊机顺转至合适位置，让下节钢筋笼垂直于地面。

3）指挥起重工卸除下节钢筋笼上250 t吊机的起吊点卸甲，然后远离起吊作业范围。

4）指挥CC1400吊机行走至地下连续墙槽位附近，吊机行走应平稳，下节钢筋笼上应拉牵引绳，定位、吊放钢筋笼入槽。

5）钢筋笼下放至主吊吊点附近，插入梢棒，临时支撑钢筋笼，将主吊吊点切换至笼顶吊筋。

6）钢筋笼整体下放到位后抄平，插入梢棒，临时支撑钢筋笼，下节钢筋笼下放过程结束，按照以上步骤吊装上节钢筋笼，并拼装、下放至指定标高。

4.6 吊装结果

采用“一幅两笼”的模式完成钢筋笼制作、吊装、入槽，可提高钢筋笼下槽拼装的质量，减少对大型设备和基础的依赖，省内设备即可满足吊装安全和起重量的要求。同时，通过受力分析，对薄弱环节及受力较大处进行焊接加强，大大提高了安全性，对以往吊装纵横向桁架钢筋进行适当优化，减少了钢筋用量，使钢筋笼吊装施工安全可靠、经济合理。

5 结语

在昆明市第十四水质净化厂建设工程的进水泵房位置，20幅地下连续墙施工时未发生坍孔、散笼等质量事故。采用新的方法对钢筋笼进行拆分，通过上下幅、左右幅在空中对接的方式，减少每次起重量，既保障了起重吊装过程中的安全，又不影响工期。完成后的地下连续墙墙面平整，接缝咬合良好，无渗漏情况，且减少了超大型设备的使用。通过科技创新和工艺革新，保证了施工的顺利进行。研究成果可为国内外类似超深地下连续墙特重型钢筋笼的吊装施工积累了宝贵经验，具有一定的借鉴意义。