广州地铁陈头岗车辆基地钢结构施工安全风险防控应用研究

2022-02-15王晓雨

科技与创新 2022年3期

王晓雨

（中铁二局集团建筑有限公司，四川成都610031）

中国的基础经济和科学技术在多年来持续保持有效发展，特别对地方基础建设的关注和投资不断加大，各大城市的地铁建设很好地把握了发展机遇。作为一线城市的广州市，分别从政府层面正确管控导向、提倡“四新”驱动、集中产业优势和促进合作共赢等方面定位了广州地铁建设和发展的总体规划。余林峰等[1]对异型钢结构施工安全提出了安全验算、过程控制的具体措施，袁陶等[2]对建筑钢结构施工安全技术进行了分析。本文通过陈头岗车辆基地在施工时，应用钢结构施工时预控和现场安全管控方法，重点在钢结构制作、运输、吊装、防腐、防锈等过程中，通过安全验算、监控量测、多层协控、计算机辅助等多方位管控技术集成，达到了对车辆基地楼板等主体结构各方位、全范围、及时有效的过程风险管控，实现了具有国内先进水平的大规模钢结构施工对主体机构保护的创新，有效推动了中国地铁施工向科学化、数据化、智慧化的发展。

1 工程概况

广州地铁22号线的陈头岗车辆基地综合体项目工程总建筑面积约210724m2（含地上车库），总楼栋数为10栋，总体布置如图1所示。项目涉及钢结构施工的为6#、7#、10#~12#楼，地上建筑面积约98897m2，其结构标高17.8～23.6m处有钢柱及劲性梁安装，劲性梁梁端支撑于柱中工字形小钢骨，钢梁最大跨度为19m，钢梁截面尺寸为H1500-22-16×100。本工程对接焊缝为一级，防腐涂料采用环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆、聚氨酯面漆，钢柱耐火极限为3h，采用厚型防火涂料。根据工程实际情况，在钢结构施工过程中，采取措施保证主体结构稳定和各工序作业安全是实现项目安全管理的目标的关键。

图1 项目整体概况图

2 自然条件及周边情况

2.1 地形地貌

拟建场地为地铁盖板，周边属于珠江三角洲冲积平原地貌，场地较为平坦，其地表标高多在5.20～7.60m，现状以停车场施工场地为主。周边场地现状为盖板下地铁施工场地，周边有农田和苗圃。

2.2 水文地质

本场地处番禺区石北围深涌排涝片区，位于大石水道东南侧1km处。与本工程有关的河涌有东涌和深涌，东涌位于库房区与咽喉区交界处，宽约9m，水深1.5～2m，深涌及其分支分别位于出入段线设计终点处及出洞口处，宽7～13m，水深1.5～2m。

2.3 其他情况

场地周边多为停车场施工场地，西北侧为广珠动车所和大石水道，工程周边环境与工程相互影响较大，破坏后果较严重，周边环境风险等级为三级。且现场的墙柱已经施工完成，钢结构采用随车吊运输和汽车吊就位，将受到限制并可能对其他工序施工生产带来很大影响。

3 风险描述

3.1 风险描述

陈头岗车辆基地的6#、7#、10#~12#进行钢结构施工的楼层混凝土厚度为0.2m，最重的单根钢结构组合为15.23t，钢结构典型构造形式如图2所示，在采用随车吊对钢结构进行转运情况下，随车吊质量为25t，专项受力计算明确楼板的等效均布活荷载为30kN/m2，根据PKPM软件进行模拟计算，钢结构模拟计算图如图3所示。施工时对楼板增加的等效均布活荷载为32.3kN/m2，大于楼板允许荷载30kN/m2，如不进行深化设计，将无法满足需要，危及主体结构安全。

图2 钢结构典型构造形式

图3 钢结构模拟计算图

3.2 风险分析

陈头岗车辆基地由于既有道路及主体结构楼板荷载限制，钢构件不能按照现场安全尺寸整体运输和安装。在采用随车吊转运过程中会产生震动，在安装过程中会对楼板产生影响，包括对既有主体结构增加荷载导致产生变形。在钢结构进场、转运和就位过程中，行车道路荷载、最小转弯半径、坡度、宽度和高度、作业面积等也对钢结构施工安全造成影响。同时高处作业、焊接的火灾预控、机械施工等也可能造成人员伤害。

上述各种不利因素单一或组合都有可能造成楼板损坏和人员伤亡，影响主体结构质量或发生安全生产事故，这将造成不可挽回的损失和严重不良的社会影响，所以应提前策划，采取针对措施以降低相关风险。

4 相关准备工作

4.1 确定主体结构原状

经建设单位委托的第三方监测单位对6#、7#、10#～12#楼进行钢结构施工的主体机构进行测量，固化原始状态基本数据，以便在钢结构施工过程中进行监控，以及在施工后进行比对。通过数据化的监控量测，以落实相关技术和安全专项措施，编制应急预案，从各维度降低钢结构施工过程对主体结构的影响。

4.2 计算与结果分析

4.2.1 相关参数

25t汽车吊的左右轮距为2410mm，汽车吊行驶状态自重约26.4t，车长宽为12.38m、2.5m。第1～3轴中相邻轴距分别为4025mm、1350mm；第一轴自重为6.53t，第二、三轴自重为19.87t。在空车状态下，均由6个轮子（每侧3个）承重；作业状态下构件从15.23t经过优化设计调整为最大配重9.2t，由4个支腿承重。

4.2.2 作业情况

25t汽车吊拟采用空车行驶就位，在楼面上行驶时，在临时通道范围内满铺设20mm厚钢板。在工作状态下，拟在每个支腿下双层铺设3根尺寸为0.2m×0.2m×2m的枕木。

4.2.3 等效活荷载工况计算

主要的工况为空车于楼板面上行驶和在装好配重进行吊装时，对楼板面的影响最大，现按照2种工况进行楼面等效均布活荷载计算。计算按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》中附录C进行复核。

4.2.3.1 空车行驶

空车自重为26.4t，则一轴每个轮压为3.27t，二、三轴每个轮压为4.97t，板跨按行驶范围内的最大跨度6.9m计算。

按最不利荷载的情况下，跨中弯矩为：49.7×6.9/4=85.73kN·m。

局部分布荷载作用下板的有效分布宽度b：按实际情况，楼板厚度为0.2m，单侧车轮宽取btx=50mm，作用面积长取bty=400mm。

等效均布活荷载：qe=8mmax/bl2=8/b=8×85.73/（5.66×6.9×6.9）=2.55kN/m2<12kN/m2，符合要求。

4.2.3.2 工作状态

在工作状态下，主要质量包括车重26.4t，经过PKPM软件安全验算，确定最大吊重为9.2t，则总重35.6t，每个支腿下双层铺设3根尺寸为0.2m×0.2m×2m的枕木。

在工作荷载下，各支腿最大荷载：支腿1、2荷载约为13.56t，支腿3、4荷载约为22.04t。

跨中弯矩为：110.2×2.85/4=78.52kN·m。

局部分布荷载作用下板的有效分布宽度b：按实际情况，楼板厚度为0.2m，枕木高度为0.4m，枕木截面面积为0.6m×2m。

等效均布活荷载为：8/b=8×78.52/（4.08×2.85×2.85）=18.95kN/m2<30kN/m2，符合要求。

经过以上计算，在行车范围内和工作状态下，对楼面增加的活荷载均满足要求。

4.3 深化设计及施工准备

4.3.1 深化设计

针对楼板受力，对构件在制作、运输和安装过程中所需的构造措施进行验算，在保证钢结构节点满足设计要求和楼板结构安全的前提下，保证钢构件在制作、运输和安装过程中的安全性。同时通过深化设计，对杆件和节点进行构造的施工优化，使杆件和节点在实际的加工制作和安装过程中能够变得更加合理，提高加工效率和加工、安装精度。

依据吊装设备选型和安装方法进行合理的分节（分段），确定构件吊装时所需的吊耳、临时连接板、临时变形加固结构等，符合现场安装条件的合理的节点形式、焊缝形式等，吊装临时安全措施所需增加的连接板、螺栓孔等。

4.3.2 施工准备

施工中的结构预调值始终是一个动态的调整过程，部分结构预调整（即制作预调整值）将在施工详图设计和构件加工阶段进行，使结构阶段性完成状态符合结构分析时要求的初始位形。

同时根据钢构件长度调整，对土建专业所需的钢筋接驳器、需穿过钢筋的孔眼施工电梯与钢结构的连接板件等进行统筹考虑，调整配置。

5 施工阶段具体防控措施

5.1 钢构件存放及转运

在外围施工道路旁设置一个钢构件堆场，堆场尺寸为18m×17m，堆场四周采用定型化防护围挡，在靠施工区域方向留出施工道路方便车辆进出。构件堆场坚实平整，在场地基层采用混凝土硬化，并从中间向两边设排水坡度，避免基层出现积水。为防止钢梁倾覆、锈蚀和污染，堆放时钢梁下面使用16#工字钢设置堆场架，堆场架离地高度为160mm，间距1500mm。本工程计划使用540m16#工字钢作为钢梁堆放支架，钢构件堆放场地及支架如图4所示。

图4 钢构件堆放场地及支架图

5.2 道路运输及沉降缝保护

考虑混凝土成品保护及车辆行驶安全，需要在车辆行驶线路上满铺20mm厚的钢板。经过测量，由钢构件堆场至钢结构安装区域距离为800m，需要规格为2200mm×9500mm×16mm的钢板85张，钢板硬化区域示意图如图5所示。

图5 钢板硬化区域示意图

根据现场施工情况，在车辆行驶路线上有6个500mm高的沉降缝反坎，车辆无法顺利运行，需要制作反坎保护栈桥。栈桥制作安装先在硬化混凝土结构上利用M12×166化学锚栓及200mm×200mm×20mm的预埋板进行定位，然后采用16#工字钢施作立柱并进行底层结构安装，再进行斜撑及坡道面层结构安装，最后铺设20mm厚的钢板，节点采用焊接，对接焊缝等级为一级，其他焊缝为三级，反坎保护栈桥示意图如图6所示。

图6 反坎保护栈桥示意图

5.3 钢构件安装

由于钢梁跨度大，截面大，中间无支撑，为保证钢梁顺利安装及防止钢梁发生侧翻，在模板支撑架搭设之前，需设置钢梁支撑胎架，本工程使用现场的塔吊进行胎架辅助制作与安装，胎架下部采用16#工字钢焊接形成主体结构，上部使用L80×6角钢与钢梁焊接。胎架长1.836m，宽1.836m，高5.65m，支撑胎架示意图如图7所示。

图7 支撑胎架示意图

钢构件在工厂加工预先设置设置吊耳作为吊点，吊点设置在梁端L/3处。吊装前，提前对钢梁的编号、定位轴线、方向、标高、长度、截面尺寸特别是连接节点、螺孔直径及位置以及节点板表面质量等进行全面复验。钢梁就位时，及时夹好连接板，对孔洞有少许偏差的接头应用冲钉配合调整跨间距，然后用安装螺栓拧紧。安装螺栓数量按规范要求不得少于该节点螺栓总数的30%，且不得少于2个，钢构件吊装示意图如图8所示。

图8 钢构件吊装示意图

5.4 钢构件安装过程监测

在钢构件安装过程中，结合贺明涛[3]提出钢结构施工的安全管理要点，分别对周边混泥土结构特别是楼板的沉降和变形、墙体的倾斜以及变形等进行监控量测，与原始数值在时间和空间上进行对比。通过过程监测显示，各主体结构变形稳定。在作业结束时，采用裂纹观测镜对混凝土表面进行了仔细观察，未出现新裂纹，也未使原收缩裂纹扩大现象，表明与采用计算成果与实际相符。

6 相关工序安全保证保护措施

6.1 焊接作业安全管理措施

焊接作业前进行专项方案的编制和交底，所有焊工必须持特种作业人员有效证件，经项目“三级教育”培训合格后上岗。确保焊接作业周边规整清洁，无易燃易爆物品，按照“1211”原则，即采用1把焊枪，配置2名人员（施焊人员和看火人员），1个灭火器，1个水桶，焊接作业后必须对周边环境进行检查，在确认无火灾隐患后，方可离开现场，保证不发生火灾及爆炸事故。

6.2 用电安全管理措施

施工现场按照规范要求严格做到“三级用电”和“两级防护”，采用三相五线制和一机一闸管理。每日由持证电工对现场用电线路和设备进行巡视，对漏电保护器按规定进行试验检测。现场使用的开关箱采用工业插头。开关箱10min不使用时进行锁闭，避免出现非专业人员操作的现象。在进行维修时，必须由电工断电，将各级配电箱钥匙随身携带，并挂“正在维修，严禁合闸”警示标志，确保现场临时用电安全。

6.3 高处作业安全管理措施

严格督促现场作业人员佩戴“三宝”，在结构柱体上每2m设置挂点，栓挂“生命绳”，挂点严禁用作他用。在高处作业面下方设置水平安全网，其质量满足规定，如发生人员失足掉落，可以确保人员安全，同时可以兼作截落高处掉落的杂物兜网，防止物体打击。在无法进行安全带保护的作业面，采用作业台架的方式进行，作业台架周边设置临边防护，严禁人员无防护进行高处作业。

6.4 支撑胎架拆除安全管理措施

现场管理人员和施工作业人员应经过技术交底，在进行拆除作业时按安全操作规程严格执行。在钢结构安装完成，且混凝土达到设计强度后，经监控量测变形稳定，由项目总工核查，下发拆除令。现场安全员、施工员、技术员全程盯控。支撑胎架拆除采用整体卸载法，通过控制千斤顶的行程，实现支撑点的位置逐步下降。每次卸载下降后结构静置5min，以观察结构变形状态，确保安全后进行下步操作，相关工作循环到拆除完成。

7 监测方案

钢结构安装和支撑胎架拆除具有较大的危险性，在现场作业时，应对起重吊装支点、钢构件扰度和安装稳定性、焊接后应力变化、主体结构变形等进行全面监测，特别是应对称重楼板进行周密监控，当发现出现异常情况时，必须停止当前工作，查找原因，消除隐患后方可恢复作业，保证施工作业安全。

8 安全文明施工

8.1 施工噪声控制

在施工时，应遵守国家和广州市关于噪声控制的相关规定，对各工序产生噪声进行识别，做好提前部署，把施工时产生噪声较大的工序尽量分配到白天进行，降低对周边群众正常生活的影响。

8.2 施工粉尘控制

在施工出入口设置洗车池，施工现场道路安排专人定期进行清扫，保证路面感觉整洁，同时设置喷淋系统，定时进行洒水，控制扬尘。

8.3 安全防范措施

在进行钢结构施工作业区域设置安全警示标志，提示无关人员不得靠近和穿行。设置人员专用通道，保证“人机分开”。持续开展日常警示，对安全意识进行不断提升，以更好地做到安全生产。专业工程师对现场关键工序和隐蔽工程进行指导，严禁“三违”行为的发生。

9 应急管理

9.1 应急处置原则

为保证现场施工作业发生突发情况时能采取针对性的应急措施，根据陈头岗车辆基地钢结构施工特点，现场按照明确指挥、分清职责、响应迅速、有效运转的原则，制定了陈头岗车辆基地钢结构施工专项应急预案。

9.2 主要应急措施

根据钢结构安装风险辨识和评价，在施工时可能导致荷载集中造成主体结构破坏、起重设备倾覆、钢构件安装时失稳、人员高处坠落或物体打击、支撑胎架拆除垮塌等事故。本文主要对可能导致荷载集中造成主体结构破坏时的应急处置措施。

发生紧急情况时马上停止现场起重作业和钢构件安装，撤离所有作业人员，设置警戒区域，防止无关人员进入。立即通知建设、设计、监理等相关单位，及时监控相关情况的发展，抢险和加固必须按照既定预案进行。

当钢构件安装时出现明显变形时，可采用“灯笼架”对钢结构进行支撑。“灯笼架”底部设置可以分散压力的水平底座，其与钢构件之间的缝隙采用木楔进行塞实顶紧。如钢结构出现失稳可能造成连锁伤害时，必须扩大区域停止整栋楼面各项施工，将人员撤离至安全区域，并将现场情况按规定报相关单位和部门。

10 施工效果

陈头岗车辆基地钢结构施工用时137d，提前13d完成节点工期。主体机构和附属道路未发生损坏，没有发生各类安全事故和事件。受到了地方主管部门和建设单位的高度认可。

本工程成功采用了钢结构制安风险分析、安全计算分析、钢结构深化设计和制作等管控组合措施，该组合措施对场地受限的区域进行钢结构施工具有较大的借鉴意义。现阶段除在地铁项目进行推广外，还在房建、市政、铁路车站等其他项目进行了使用，在其他涉及类似情况的工程项目也具有很好的发展，具有良好的推广应用潜力，项目推进过程及完工概况如图9所示。