承插型盘扣式桁架替换钢支撑在地铁车站基坑中的应用

白 东

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300000)

受基坑支护体系的限制,换撑技术在实践中应用不多,但由于其作用的独特,实际施工过程中往往能取得较好的效果,特别适用于规模较大的内支撑型深基坑支护工程中。深基坑工程中所说的换撑,指在特别的条件下采用一定的技术措施来逐步取代发挥临时支撑作用的内支撑体系,从而保证临时性内支撑拆除后,工程能安全保质地继续进行。在内支撑型深基坑工程施工过程中支撑拆除是广泛存在的一个施工过程,即采用换撑技术解决支护由于内支撑拆除所导致的稳定问题,使基坑支护在新的条件下重新建立平衡[1],但是钢支撑换撑无论在明挖车站或者在盖挖车站中都存在施工难度大、周期长、拆除困难等难题。本文以天津地铁8号线马场道站工程为背景,针对车站情况,采用承插型盘扣式桁架作为内支撑,顺利解决了普通钢支撑拆装复杂、施工难度大的问题,为类似工程提供参考。

1 工程概况及钢换撑施工问题

1.1 工程简介

马场道站位于永安道与马场道交口东南象限,沿永安道东西向布置,为8号线中间站,为地下三层岛式站台车站,站台宽度13 m,车站起讫历程左DK23+660.291-左DK23+850.513、中心里程左DK23+748.028,车站长度190.2 m,标准宽度22.5 m。车站共设2组风亭、4个出入口,其中C号出入口预留。车站采用明挖顺作法施工。

根据原设计基坑内支撑要求,车站负三层侧墙箱体结构强度达到100%后,在第五道支撑下施作换撑。标准段换撑间距4.0～4.8 m,中间里程～小里程标准段距底板高度4.4 m。钢支撑结构如图1所示。

1.2 车站钢换撑支架施工难题

(1)钢支撑需要架设在结构板的满堂支架上,施工不当就会扰动脚手架产生碰撞引发架体失稳。

(2)已经安装完成的倒撑区域极易影响满堂支架的正常布局,对后续施工形成较大的风险。

(3)中板施工完成后空间狭小,因钢支撑自重大、长度长的施工特性,拆除作业十分困难。

2 承插式盘扣式桁架替换方案

桁架模型采用盘扣钢管拼装而成,采用市场上常用的∅60 mm盘扣立杆作为纵向水平顶杆,∅48 mm盘扣水平杆作为环向杆件,进行桁架的组装;并根据支撑反力计算出应架设的桁架数量;测量人员放出设计轴线,进行桁架布置,使桁架轴线与支撑轴线位置一致;整体吊装完成后两侧顶紧。具体实施步骤如下:

(1)选用∅60 mm盘扣立杆作为纵向水平顶杆、∅48 mm盘扣水平杆作为环向杆件,沿纵向水平顶杆方向每1.5 m设置一道封闭式的环向杆件,桁架四周设置0.6 m的专用斜杆,形成整体性较好且刚度相对较大的盘扣桁架。桁架具体结构如图2、图3所示。格构式桁架水平支撑中间部分与满堂架体立杆,采用扣件连接,增加多点约束。马场道站标准段架体总长度20 700 mm。

图2 桁架装配纵剖面(单位:mm)

图3 桁架装配横剖面(单位:mm)

(2)测量定位,确保架体轴心位置与支撑位置一致,如图4、图5所示

图4 换撑平面

(3)进行架体吊装,安装完成后两侧由4根水平调节支托与侧墙顶紧(如图6所示),换撑桁架纵向水平顶杆接头应错开。

图5 换撑剖面

图6 钢管桁架与侧墙顶紧节点

3 桁架设计计算

3.1 整体稳定性计算

3.1.1 桁架截面的力学特性

桁架的截面尺寸为:0.6 m×0.6 m;主肢选用∅60.3 mm×3.2 mm钢管,材质为Q355;缀条选用∅48.3 mm×2.5 mm钢管,材质为Q235。

依据《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》(JGJ/T 231—2021)可知,主肢的截面力学参数为:截面面积A0=571 mm2;惯性矩Ix0=Iy0=231 000 mm4;回转半径i=20.1 mm;缀条截面面积A1=357 mm2;重心距Z0=0。

3.1.2 钢管桁架的长细比计算

(1)桁架主肢的长细比计算公式为:

式中:H为桁架的总计算长度,取20.7 m;I为桁架的截面惯性矩;A0为1个主肢的截面面积。经计算得:λx=λy=68.846。

(3)根据对换桁架的长细比,查表得桁架的整体稳定性系数为0.710。

当采用8榀桁架时[2]:最大承载力N≤φA×[f]=8×0.71×4×571 mm2×300 N/mm2=3 891 kN>3 417 kN(依据设计图纸要求,标准段最大轴力设计值683.4 kN/m,标准段最大间距5 m,故最大轴力为3 417 kN) ,故满足要求。式中:[f]为极限强度,取值300 N/mm2。

3.2 局部稳定性验算

钢管桁架标准步距l为1 500 mm。钢管类型:∅60.3 mm×3.2 mm;钢管截面积A=571 mm2,回转半径i=20.1 mm。杆长细比λ=l/i=74.627,查表得φ=0.672。则每组横杆最大承载力N≤φA×[f]=0.672×4×571 mm2×300 N/m2=460.45 kN,小于围护结构设计图给定的3 417 kN。

当采用8榀桁架时:则每组横杆最大承载力N≤8×460.45 kN=3 683.6 kN>3 417 kN,故满足要求。

3.3 变形计算

3.3.1 轴向压缩变形

根据设计给定的轴力,架体最大应力为[σ]=3 417 kN /(0.710×4×571 mm2×8)=263.4 N/mm2。立杆应变ε=[σ]/E=1.279×10-3。E为弹性模量,取值2.06×105MPa。桁架整体变形=ε×20.7 m=26.5 mm,小于地连墙容许变形值30 mm。

3.3.2 自重挠度计算

立杆自重为193.68 N/m;水平杆自重为44.90 N/m;竖向斜杆自重为73.86 N/m,合计为312.44 N/m,考虑扣件节点自重乘以1.1系数,则最终桁架自重为343.7 N/m。保守考虑根据简支梁跨中挠度计算公式δ=5ql4/(384EI)=18.9 mm,小于l/300=69 mm,满足要求。

3.4 顶托承载力验算

根据现场承插型盘扣式桁架可调托座试验结果,可调托座在加载到140 kN情况下未发生破坏。标准段承载力=140 kN×4×8=4 480 kN>3 417 kN,满足要求。

4 盘扣式桁架内支撑组装施工

4.1 桁架组装施工

钢管桁架采用在地面上拼接成型、整体吊装的方式进行安装,地面组装时组装顺序为:底主横杆→底小横杆→底斜杆→两侧小横杆→顶主横杆→两侧斜杆→顶横杆→顶斜杆。

地面组装相关要求同主体结构支撑体系相关施工要求。

4.2 桁架内支撑吊装

盘扣式桁架采用四点吊装下井,吊点设置于主节点上,正式吊装前应进行试吊,吊装过程中,下方桁架区域人员应均已撤离,待桁架距已搭设完成的桁架0.5 m后再上人进行调整。

4.3 桁架安装

钢管桁架应在侧墙混凝土达到设计要求后安装,支撑桁架应放置于支撑架中部,桁架中心间距4.5 m(最大间距5.0 m)设置1榀,下部采用扣件与桁架横杆进行连接,上部采用钢管系杆进行连接。桁架中心距离底板4.4 m,立杆两侧端部采用∅48 mm钢管进行整体连接,有效缩短支撑架长度,增加局部稳定性。桁架安装固定方式见图7、图8。保证措施:

图7 支撑桁架安装纵剖面

图8 8榀支撑桁架拼装

(1)施工过程中必须严格按照设计要求的施工顺序进行,做到随拆随支,尽量减小结构空置时间。

(2)施工前对操作人员组织安排技术安全交底会议,明确施工技术及安全要求,检查操作人员的特殊工种证书,必须做到人证合一[3]。

4.4 桁架拆除

对顶桁架与中板支撑架体同时进行拆除。

5 实施效果

马场道盘扣式脚手架桁架组合替代钢支撑换撑顺利完成,弯矩、剪力与钢支撑基本相同,围护结构受力及变形满足要求。车站围护结构深层水平位移、桩顶位移等监测数值正常,周边建筑物沉降及位移均在允许范围之内。

6 结论与建议

计算模型中长细比计算时按墙到墙满宽长度取值,实际施工时钢管桁架与架体采用扣件间隔连接增加多点约束,轴心受压稳定系数φ值增大。桁架架体两端及每隔4.5～6.0 m两侧,竖向杆采用交叉连接加强抗扭刚度。组合支架替代钢支撑时需注意:①组合支架数量较多,同时需避开结构柱、中立柱,故需适当的增加组合支架的数量以满足受力需求;②组合支架相对刚度较小,需与满堂支架多点连接,增加整体稳定性。

随着基坑深度的加深,地下三层以下车站的换撑所承受的基坑侧压力也逐步增大,所需要设置的钢管桁架榀数也在逐步增加。因为基坑换撑位置通常空间并不充裕,由钢管桁架提供的集中支撑力需要变换布置形式,将集中支撑力替换为均布支撑力,故此需要进一步研究。