地下连续墙钢筋笼起重吊装受力分析及地基承载力研究

谢李钊 （中铁二十四局集团有限公司，上海 200000）

1 概述

地下连续墙钢筋笼起重吊装安全验算主要涉及的内容有设备选用、吊点位置计算、主吊把杆长度验算、吊具强度验算（包括扁担上下钢丝绳、葫芦、卸扣）、吊点验算、搁置钢筋验算、吊筋焊接验算、主吊扁担验算、搁置扁担验算、地基承载力验算等[1-4]。从目前的众多相关方案和计算来看，对起重吊装的验算还存在诸多问题，尤其是设备的选型和地基承载力的计算。此2项都必须针对施工现场的最不利工况进行验算，而不是简单的通过常规验算，如最大起重量大于最重钢筋笼的重量、地基承载力满足履带吊行走荷载等。这2项确定了，其余的内容可以根据相关规范进行验算，当然也可以进行优化，但因篇幅有限在此就不再赘述[1][5]。本文主要就设备选型和地基承载力的计算要点来进行分析，研究根据现场实际工况确定两者的思路，此外通过贝克曼梁法弯沉试验间接验算路面承载力，为此类工程的计算提供参考。

2 工程概况

绍兴地铁镜湖站为地铁1号线与2号线的换乘站，现选则1号线进行计算分析。1号线车站基坑总长503.6m，标准段基坑宽22.7m，基坑开挖深度约18.5m，地连墙钢筋笼厚度为660mm（内外混凝土保护层70mm），导墙宽度为850mm(导墙采用“┓┏”型现浇钢筋混凝土时，导墙的净距要大于地下连续墙的设计宽度40mm,为方便现场成槽机型号的施工，确定为50mm)；1号线标准段地下连续墙钢筋笼长为39.982m，端头井地下连续墙钢筋笼长为42.62m，对比计算可知端头井首幅6m宽地连墙钢筋笼笼重最大，为56.68t，选择其进行验算。因钢筋笼较重，本工程采用双机抬吊的方法起吊钢筋笼。钢筋笼加工平台设置于基坑西侧外，尺寸为45m×7m,与地连墙外边之间设有8m宽的施工便道。

3 起重设备的确定

起重吊装设备的确定有2种思路，一是根据现场的实际工况进行计算，来选择满足条件的设备；二是由作业队伍根据施工经验提供设备型号及参数来验算其是否满足现场施工要求。两者皆满足最不利工况，验算才能通过，下面就以绍兴地铁镜湖站1号线地下连续墙钢筋笼的起重吊装进行分析。

3.1 计算确定设备

3.1.1 主吊设备的确定

主吊吊具的重量约4t,钢筋笼重56.68t，则主吊的最大受力F=主吊吊具重量+钢筋笼重量=4+56.68=60.68t。

双机抬吊时，主吊为非行走状态，安全系数按0.8计算，则主吊非行走状态时其最大起重量T＞F/0.8=75.85t。

最不利工况之一是钢筋笼竖直后由主吊单独带载行走，安全行走系数为0.7，则此时要求其最大起重量T'＞F/0.7=86.69t。

式中，L1钢筋笼平台宽度；b施工便道宽度；L2导墙宽度；r履带起重机前头至回转轴心的距离。

因r一般大于 3m,则R＞15.35，显然此工况下对设备吨位和把杆长度的要求很大。通过查起重机性能表，350t履带起重机为满足此工况下的最小吨位设备，其r=4.975m,所需最小作业半径为17.325m。根据钢筋笼长度和重量，接60m或66m主臂满足要求，通过验算60m主臂为此型号起重机满足起重吊装要求的最小主臂长度，主臂长度大于66m则履带起重机的可操作空间太小，工作半径扩大时不满足工况要求，如图1所示。

图1 SCC3500A履带起重机性能表

隔着导墙作业履带起重机要求的最小工作半径为15.35m，虽然350t设备满足要求，但操作空间的冗余度较小，作业半径扩大时，最大起重重量与工况需求的起重重量相差不大；此外，设备吨位太大增加了对地基的附加应力，对导墙的稳定性也存在安全隐患，因此考虑履带吊机过导墙进行起重吊装作业。为保证导墙的安全，在履带起重机行走路线的导墙段之间加设混凝土支撑，导墙上面铺设3cm厚钢板。

过导墙作业主吊与钢筋笼平台距离约5m,此时要求其最小作业半径R=7/2+5+r=8.5+r(m)。通过查起重机性能表，260t履带起重机为满足要求的最小吨位吊机。通过查产品介绍书可知,260t履带起重机r=4.622m,则最小作业半径R=8.5+4.622=13.122m。根据钢筋笼长度，主臂长度选用56m或者59m。由图2（260t履带起重机性能表）可知，在工作半径为13～14m时，其最大起重重量满足主吊非行走状态时的要求：T＞75.85t；带载行走状态时，在工作幅度9m～12m范围内，履带吊机最大起重重量满足要求：T’＞86.69t。

显然过导墙作业减少了对设备吨位和主臂长度的要求，同时减小了对地基的附加应力，提高了起重吊装的可操作空间及安全性。此外，56m及59m的主臂长度通过验算皆吊装满足要求，主臂长度验算主要是考虑起吊时的防碰撞和起重高度是否满足钢筋笼的长度，在此不另做计算说明。

图2 SCC2600A履带起重机性能表

3.1.2 副吊设备的确定

双机抬吊时，副吊主要配合主吊起重，使钢筋笼从平放状态逐渐转到竖直状态，最后由主吊将钢筋笼运至槽段处下放。在此过程中，副吊的最大受力不超过钢筋笼重的60%。双机抬吊安全系数按0.8计算，副吊吊具重量约为2t，则副吊的最大起重重量T＞(56.68×0.6+2)/0.8=45t。通过查起重机性能表，100t履带起重机为满足要求的最小吨位吊机。副吊站位一般平行于钢筋笼平台，因侧边轴距小于车头至回转中心的距离，在相同工作半径的条件下，与钢筋笼的距离可以相对变大，或者说在与钢筋笼平台相同距离的情况下，副吊站位平行于钢筋笼平台，它起吊后的幅度调整变化相对较大，可以有效防止起吊后主臂回转时与钢筋笼相碰触。因此副吊的站位相对灵活，设备选型主要考虑其最大起吊重量和主臂长度是否满足工况要求，当然副吊的站位也要与主吊的站位相配合，必须能保证起重吊装作业的顺利和安全。

由图3SCC1000履带起重机性能表（图中同主臂同工作半径对应的不同最大起重量与设备的配重有关，后者配重比前者配重大3t）可知，当副吊工作半径为9m，接39m长主臂满足工况要求：最大起重重量T＞45t，如果增加配重3t,工作半径可增大至10m。

图3 SCC1000履带起重机性能表

3.2 经验确定设备

地下连续墙作业队伍根据吊装方案和经验提供的设备参数如表1所示。

作业队提供起重设备参数表 表1

可以看出由经验确定的设备参数与计算得出的设备参数基本相同，通过3.1的验算，主、副吊设备都满足现场的最不利工况需求。副吊设备的吨位大于计算得出的吨位，以大换小是可行的，反之不行，得重新通过验算确认。

通过上面的计算比较，可以得知钢筋笼吊装作业的2种思路各有其优缺点。由计算确定设备可以得出工况所需的最小设备参数，但需对各种型号的设备性能比较熟悉。此外，确定设备后，需计算确定其他参数，工作量相对较大；由经验确定设备，仅需对作业队提供的设备参数进行验算，合格就无需再做验算。

4 地基承载力验算

本施工场地拟定履带起重机行走路面为基坑中间道路，也是现状公路的既有路面，因路面下方存在软土层，现对其地基承载力进行验算。

软土地基承载力需满足公式：

式中：σz—软弱下卧层顶面处的附加应力（kPa）；

γ—软弱下卧层以上各土层的加权平均重度（kN/m3）；

z—路面底部至软土层顶面的距离（m）；

[fa]—软弱下卧层的地基承载力容许值；

计算附加应力σz的方法有以下几种。

①理论公式：布辛奈斯克(Boussinesq)公式、太沙基公式等。

②根据弹性理论，规范中的简化公式。

③查表法：角点法。

由于路面不能作为刚性基础进行考虑，且路面厚度较小，基础埋深为零，基础底面处应力值与基底附加应力不能考虑为相等，所以不按理论公式进行计算；角点法主要用来计算均布矩形荷载作用下的地基中的附加应力，有其局限性和一定的偏差。因此，本文采用《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[2]中的应力扩散角法来计算土层附加应力。

4.1 软土地基承载力计算

因主吊吨位远大于副吊，所以主要考虑主吊对地基承载力的影响。1号线采用260t吊车履带压力（吊机重约260t），履带尺寸为 9.15m×1.2m，载荷系数为1.15，则地面所受最大压力为：

Q=（自重+钢筋笼和吊具总重）/履带面积

=（260t+60.18）×1.15×10/9.15×1.2×2×1000=0.168MPa

选取离路面最近的土层③1-2淤泥质粘土（位于轴线1-26，地勘孔SX1S07XD25，钻孔位置处于解放大道中间）进行验算。土层厚度为21.5m，地面标高为5.52，土层顶部接触面标高为2.52,地下水位为路面以下1.2m。上部土层分别为：①1碎石填土，底部标高：3.22，重度：18.5kN/m3；①2 素填土，底部标高：2.52，重度：18kN/m3。计算简图如图4所示。

图4 软土地基承载力计算简图

d（路面厚度）=0.2m；z=2.8m；考虑地下水位下土层的浮重度，可以算得软土顶面至路面底部土层的加权平均重度γ=12.38kN/m3；混凝土中的应力扩散角为45。,则b=1.2+2×0.2tan45。=1.6m。

土层中扩散角θ根据表2来确定。

地基压力扩散角θ 表2

表中，Es1为上层土压缩模量，Es2为下层土压缩模量；z/b＜0.25时取θ=0。，必要时，宜由试验确定；z/b＞0.5时θ值不变；z/b在0.25与0.5之间可插值使用。

③1-2淤泥质粘土上层土为①2素填土，压缩模量Es1为8.6MPa；下层土为④1粉质粘土，压缩模量Es2为5.0MPa。则Es1/Es2=1.72,又z/b=2.8/1.6=1.75＞0.5,则θ=23。。

式中：p0为路面底部应力，γ0为路面的加权平均重度。

软土地基承载力基本容许值 [fa0]按表3确定，然后按下式计算修正后的地基承载力容许值[fa]。

软土地基承载力基本容许值[fa0] 表3

路面弯沉值和回弹模量对应表 表4

[fa]=[fa0]+γ1d

γ1为基底以上土层加权平均重度，因为路面埋深为0，所以[fa]=[fa0]。

③1-2淤泥质粘土的含水量为49.8% ，[fa0]=70,则：

[fa]=[fa0]=70kPa＜σz+γz=87.2kPa

所以软土地基承载力不能满足作业要求，现铺上3cm后钢板对其进行验算。

钢板宽度为l=6m,将其视为刚性基础，上部局部均布荷载通过钢板传递到路面，路面均布荷载宽度等于钢板宽度。

此时路面的附加应力p=0.168×1.2×1000/6=33.6kPa

又沥青混凝土中应力扩散角为45。，b=6+2×0.2=6.4m，则：

又z/b=2.8/6.4=0.44，根据表2使用内插值法可以确定扩散角θ=19。。

因此铺设3cm厚钢板后，软土地基承载力满足要求。

4.2 最不利工况地基承载力验算

本工程最不利工况出现在履带吊回转主臂钢筋笼下槽时，此时钢筋笼处于履带吊侧边，可能由于路面不平，出现履带吊单边受力的情况。

此时路面的附加应力p=0.168×1.2×2×1000/6=67.2kPa

又沥青混凝土中应力扩散角为45。，b=6+2×0.2=6.4m，则：

又z/b=2.8/6.4=0.44，根据表2使用内插值法可以确定扩散角θ=19。。

可以得知最不利工况下，软土地基承载力不满足要求。虽然现场路面的坡度为百分之二，倾角为1.2。左右，履带起重机出现单边受力的概率较小，但为了防止路面破坏和不平导致出现此情况，现场要加强安全管理，对路面出现破坏和不平的情况，要及时用碎石填平，保持履带吊行走路面平整，保证钢筋笼起重吊装作业的安全。

4.3 路面承载力验算

路面承载力无法直接测得，采用贝克曼梁法测得路面的回弹弯沉值来推算路面承载力是否满足作业要求。

根据《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）[6]附录 C：回弹弯沉值的计算，可以得知路面弯沉值与路面回弹的关系式为：

式中：l0：路面弯沉值；

E0：路面回弹模量；

根据弯沉检测结果换算得出路面的回弹模量如表4所示。

可以得出镜湖站路面的回弹模量平均值为365MPa，通过计算已知1号线履带吊吊装作业时路面的最大应力为0.168MPa，则履带吊作业时引起的路面回弹应变为

ε=(0.168/365)×1000=0.46mm。

根据回弹弯沉检测报告可知，检测使用的汽车后轴重100kN,轮胎气压为0.7MPa,由《公路工程路基路面现场测试规程》（JTJ E60-2008）[7]可知在后轴标准轴载100kN，轮胎充气压力0.7MPa时，单轮传压面当量圆直径为21.3cm，则弯沉试验时检测汽车对路面的应力为：100×10/4×(1/4)×π×（21.3）2=0.7MPa,显然汽车轮胎压力等于其接地应力，大于履带吊作业时的最大接地应力0.168MPa，所以履带吊作业引起的变形0.46mm也在合理范围之内。

5 结论

①提出确定起重吊装设备的2种思路，基于实际工程的最不利工况分别对其进行计算分析，比较了两者的优缺点，为钢筋笼起重吊装工程提供借鉴；

②根据施工场地情况选择应力扩散角法来进行地基承载力的计算，针对地基承载力不够的情况，提出了安全技术措施，针对最不利工况的计算结果，提出了施工现场安全保证措施；

③提出通过贝克曼梁法间接验算路面承载力的方法，在无法直接测得路面承载力的情况下，此方法快捷便利。