杜運(yùn)國(guó)

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng)　471013)

Key Technology of Large Space Excavation for Cover Formed Steel Construction

DU Yunguo

大空間蓋挖逆作型鋼結(jié)構(gòu)建造關(guān)鍵技術(shù)

杜運(yùn)國(guó)

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng)471013)

Key Technology of Large Space Excavation for Cover Formed Steel Construction

DU Yunguo

摘要深圳福田綜合樞紐站周邊環(huán)境復(fù)雜，采取蓋挖逆作法施工，主體結(jié)構(gòu)采取國(guó)內(nèi)少見的鋼管柱及縱橫型鋼梁組合體系。以此工程為依托，介紹蓋挖逆作法施工時(shí)，型鋼結(jié)構(gòu)制造和型鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)。型鋼結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量應(yīng)從型鋼梁下料、型鋼梁組立、鋼梁的焊接、鋼梁矯正、鋼梁的拼裝、鋼梁牛腿制作等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制；型鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量應(yīng)從構(gòu)件就位、鋼梁及節(jié)點(diǎn)安裝、高強(qiáng)螺栓施工、現(xiàn)場(chǎng)焊接等關(guān)鍵工藝進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞蓋挖逆作型鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有承載力高、剛度大、抗震性能好、構(gòu)件截面尺寸小、施工快速等諸多優(yōu)點(diǎn)，常被設(shè)計(jì)采用。明挖法施工時(shí)型鋼結(jié)構(gòu)建造技術(shù)非常成熟，質(zhì)量控制有保障。蓋挖逆作法主體結(jié)構(gòu)采取型鋼混凝土組合體系國(guó)內(nèi)少見。如何高質(zhì)量、高效率修造型鋼結(jié)構(gòu)體系是確保工程成敗的關(guān)鍵和核心，值得各位科技工作去研究和探討。以深圳福田站為例，系統(tǒng)研究梁-柱等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力性能、制作工藝和接頭處理流程。

1工程概況

深圳福田站是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中提出的“北京—武漢—廣州—深圳—香港客運(yùn)專線”在深圳市福田中心區(qū)選址設(shè)置的車站，是深圳鐵路“兩主三輔”客運(yùn)樞紐中最為重要的輔助車站。福田站綜合交通樞紐是集國(guó)鐵、口岸、城際軌道、城市軌道、常規(guī)公交、出租車、小汽車等多種交通功能于一體的大型地下綜合客運(yùn)樞紐，是珠三角重要的城際交通樞紐、深圳市重要的軌道交通換乘中心。福田站位于深圳市行政文化中心市民廣場(chǎng)下方，基坑長(zhǎng)1 023 m，最深32.15 m，最寬78.86 m，為亞洲第一大基坑。周邊高層建筑眾多，道路交通密集，環(huán)境復(fù)雜，分五段施工(如圖1)，段一、段二、斷五采取明挖順作法，段三、四采取蓋挖逆作法。

福田站段三、段四寬約78 m，平均埋深為32 m，車站主體結(jié)構(gòu)最大跨度為21.46 m，頂板覆土3 m，屬超大、超寬、超深地下結(jié)構(gòu)，經(jīng)多輪專家會(huì)討論，最終確定采取蓋挖逆作法施工。為滿足地下結(jié)構(gòu)安全和受力要求，車站主體結(jié)構(gòu)采取3層5跨現(xiàn)澆型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管和型鋼均采取Q345鋼材，其中鋼管柱截面尺寸為 1 600×35，柱內(nèi)澆筑C60高強(qiáng)混凝土?？v橫梁采用型鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)置H型鋼，如圖2。

圖1　基坑分段示意

圖2　福田站型鋼梁柱示意

2蓋挖逆作鋼管柱施工工藝

在基坑開挖前與其他抗拔樁、臨時(shí)立柱樁同時(shí)施工。成孔后下直徑2.8 m鋼套筒，清孔合格后下放鋼筋籠，灌注混凝土。12h后，將孔內(nèi)泥漿抽干，按設(shè)計(jì)高程人工鑿除混凝土，安裝下定位器，測(cè)量放出樁中心十字線；安裝上定位器，將整體制作完成的鋼管柱吊裝入孔，底部采用定位器定位，頂部采用螺旋千斤頂微調(diào)，保證上下均符合設(shè)計(jì)定位要求。

精確定位完成后，灌注鋼管混凝土，24 h以后，結(jié)構(gòu)柱周邊回填中粗砂及在負(fù)一層、負(fù)二層高程處灌注1 m厚混凝土。施工流程見圖3。

圖3　鋼管混凝土立柱施工工藝

3型鋼結(jié)構(gòu)制造關(guān)健技術(shù)

3.1　鋼梁制造

(1)型鋼梁下料

主板材采用火焰切割機(jī)兩面同時(shí)垂直下料，對(duì)腹板采用半自動(dòng)切割機(jī)開坡口，坡口面及附近50 mm范圍內(nèi)需打磨，清除割渣及氧化皮等雜物。①下料前必須對(duì)鋼板的平整度進(jìn)行檢查，翼板、腹板的平面度允許偏差1 mm/m以內(nèi)，發(fā)現(xiàn)超差需矯正；②下料前，對(duì)厚板母材焊道中心線兩側(cè)各2倍板厚加30 mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行超聲波探傷檢查，母材中不得有裂紋、夾層等缺陷存在；③下料時(shí)，必須嚴(yán)格按圖下料，切割長(zhǎng)度、寬度、焊接坡口符合規(guī)范要求。

(2)型鋼梁組立

由于鋼梁的截面形式為H形，其組立方式如圖4所示?？刂埔c(diǎn)如下：①母材上不允許有電弧擦傷，定位焊咬邊在1 mm以內(nèi)；②型鋼翼板與腹板對(duì)接焊縫錯(cuò)開200 mm以上，避免焊縫交叉和焊縫缺陷應(yīng)力集中；③型鋼翼板與腹板之間的組裝間隙Δ≤1 mm。

圖4　型鋼梁組立流程

(3)鋼梁的焊接

型鋼梁焊接前，在型鋼的兩端頭設(shè)置“T”形引弧板及引出板，長(zhǎng)度為150 mm，寬度為100 mm，其材質(zhì)與母材一致；考慮板厚焊接變形及矯正困難，裝配時(shí)翼板進(jìn)行反變形，利用撐桿撐住再焊接，見圖5。

圖5　鋼梁焊接控制示意

焊接時(shí)需對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱區(qū)域在焊道兩側(cè)，每側(cè)寬度大于焊件厚度的2倍且不小于100 mm， 預(yù)熱溫度為80～120 ℃；先焊收縮量大的部位；焊接過(guò)程中平衡加熱，使焊接收縮量??；焊縫余高不得超過(guò)2 mm。

(4)鋼梁矯正

火焰矯正為主，機(jī)械矯正為輔?；鹧娉C正根據(jù)加熱位置、加熱范圍、加熱順序進(jìn)行加熱，溫度控制在600～800 ℃。組立好H型鋼，矯正后的表面應(yīng)沒有有明顯的凹面或損傷。

(5)鋼梁的拼裝

在鋼梁翼、腹板上劃出各加勁板的定位尺寸線，再將制作好的混凝土板連接板與鋼梁進(jìn)行拼裝；拼裝完混凝土板連接板后再組裝混凝土梁連接板及加勁板；組裝完各加勁板后再組裝耳板；拼裝完后進(jìn)行自檢，自檢合格后提交質(zhì)檢人員進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行焊接。焊接時(shí)應(yīng)對(duì)稱施焊，由內(nèi)而外。

3.2　鋼梁牛腿制作

H型鋼梁牛腿制作時(shí)，先對(duì)腹板進(jìn)行制孔，再將牛腿翼、腹板進(jìn)行拼裝。由于牛腿截面較大，可分成四件小牛腿進(jìn)行拼裝，工藝同H型鋼梁組裝。

4型鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)健技術(shù)

4.1　構(gòu)件就位

靠近基坑附近的鋼梁、牛腿采用基坑邊履帶吊直接安裝；基坑中間采取50 t履帶吊進(jìn)行鋼梁、牛腿吊裝就位，見圖6。

圖6　構(gòu)件就位

為了確保鋼梁能順利進(jìn)入地下，在蓋板上預(yù)留9.6 m×6.8 m洞口，鋼梁長(zhǎng)度不超過(guò)15 m，就位流程如圖7所示，就位要點(diǎn)如下：

(1)鋼梁采用單點(diǎn)吊裝方法，需選擇合適的吊點(diǎn)，盡量使其在下落過(guò)程中保持合適的角度，為保證下落角度的正確，鋼梁一端設(shè)置牽引繩進(jìn)行控制。

圖7　構(gòu)件就位流程

(2)鋼梁底端接近地面時(shí)，先將下端放置在墊木上，另一端繼續(xù)向下，直到完全放置到施工層面。

(3)為防止就位過(guò)程中鋼構(gòu)件對(duì)已有結(jié)構(gòu)造成破壞，預(yù)留洞口周圍主結(jié)構(gòu)需采取保護(hù)措施。

(4)鋼構(gòu)件從洞口放置到施工層后，采用兩臺(tái)叉車將鋼梁運(yùn)輸至安裝位置進(jìn)行安裝。

4.2　鋼梁及節(jié)點(diǎn)安裝

(1)頂層鋼梁節(jié)點(diǎn)安裝工藝

鋼梁與已安裝就位的牛腿采用栓焊連接方式，即腹板采用雙夾板高強(qiáng)螺栓連接，翼緣采用焊接方式。安裝要點(diǎn)如下：

①采用吊車安裝時(shí)，吊點(diǎn)設(shè)置在鋼梁1/3分段點(diǎn)處，鋼絲繩之間夾角不宜大于60°。

②鋼梁安裝就位前需測(cè)量牛腿間距，與鋼梁長(zhǎng)度進(jìn)行比對(duì)，有偏差提前進(jìn)行處理。

③確定好鋼梁的安裝位置及方向后，使梁平穩(wěn)就位，與牛腿對(duì)準(zhǔn)后，用沖釘穿孔作臨時(shí)就位對(duì)中，將梁兩端打緊逼正，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)各穿入螺栓臨時(shí)緊固。

④調(diào)節(jié)好梁兩端的焊接坡口間隙，并用水準(zhǔn)儀校正鋼梁與牛腿上翼緣的水平度，達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范規(guī)定后，擰緊螺栓。

(2)中層鋼梁節(jié)點(diǎn)安裝工藝

鋼柱上節(jié)點(diǎn)牛腿及環(huán)板分塊進(jìn)行安裝，采用汽車吊、履帶吊及叉車進(jìn)行就位。節(jié)點(diǎn)牛腿及環(huán)板根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，節(jié)點(diǎn)牛腿及環(huán)板分為兩塊進(jìn)行組對(duì)，如圖8所示。

圖8　中層節(jié)點(diǎn)牛腿及環(huán)板安裝

(3)地下部分鋼梁安裝工藝

蓋挖段地下鋼構(gòu)件利用汽車吊從預(yù)留出土口吊入施工層，然后利用叉車水平運(yùn)輸并安裝就位，局部偏差采用碼板千斤頂及手拉葫蘆進(jìn)行調(diào)整。小型構(gòu)件采用叉車進(jìn)行安裝，如圖9所示。

圖9　安裝就位示意

4.3　高強(qiáng)螺栓施工

福田站工程鋼梁分1 900 mm、1 600 mm、1 000 mm 3種規(guī)格；在施工過(guò)程中為使螺栓群中所有螺栓均勻受力，初擰、終擰都按一定順序進(jìn)行，從螺栓群中心向四周擴(kuò)散。高強(qiáng)螺栓具體施工順序如圖10所示，施工順序?yàn)?→2→3→4→5→6。

圖10　高強(qiáng)螺栓施工順序

施工控制要點(diǎn)：

(1)每天班前扭矩扳手預(yù)設(shè)值必須進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，嚴(yán)防超擰，并嚴(yán)格做好初檸標(biāo)記，嚴(yán)防漏擰；高強(qiáng)螺栓的初擰及終擰必須在24 h內(nèi)完成，初擰和終擰后均要用不同的油漆做出明顯標(biāo)記；降雨后或空氣比較潮濕時(shí)，不得進(jìn)行施擰，待節(jié)點(diǎn)部位干燥后方可進(jìn)行。

(2)施工前摩擦面必須清理干凈，保證高強(qiáng)螺栓工作時(shí)的摩擦系數(shù)。高強(qiáng)度螺栓連接摩擦面如在運(yùn)輸中變形或表面擦傷，安裝前必須在矯正變形的同時(shí)，重新處理摩擦面。

(3)高強(qiáng)度螺栓的連接孔由于制作和安裝造成的偏差，采用電動(dòng)鉸刀修整，嚴(yán)禁氣割或錐桿錘擊擴(kuò)孔；定期標(biāo)定扳手的扭矩值，其偏差不大于5%，嚴(yán)格按緊固順序操作。連接板變形，間隙大，校正處理后再使用。裝配面有浮銹、油污，螺栓孔有毛刺、焊瘤等，均需清理干凈。

(4)螺栓自由穿入螺孔，不準(zhǔn)許強(qiáng)行打入；在安裝過(guò)程中，注意保護(hù)螺栓，不得沾染泥沙等贓物和碰傷螺紋。高強(qiáng)度螺栓連接副的保管時(shí)間不超過(guò)6個(gè)月。當(dāng)由于停工、緩建等原因，保管周期超過(guò)6個(gè)月時(shí)，若再次使用必須按要求進(jìn)行扭矩系數(shù)試驗(yàn)或緊固軸力試驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可使用。

4.4　現(xiàn)場(chǎng)焊接

現(xiàn)場(chǎng)焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，輔助以手工電弧焊。

(1)總體焊接順序：根據(jù)柱安裝定位情況，調(diào)整節(jié)點(diǎn)牛腿與鋼柱及節(jié)點(diǎn)牛腿與鋼梁之間的焊接間隙，然后根據(jù)安裝順序依次進(jìn)行鋼節(jié)點(diǎn)牛腿與鋼柱、鋼梁與節(jié)點(diǎn)牛腿的焊接。

(2)節(jié)點(diǎn)牛腿與柱接頭焊接：對(duì)同一鋼管柱的環(huán)向節(jié)點(diǎn)牛腿，宜先焊接節(jié)點(diǎn)牛腿間連接焊縫，后焊與鋼柱連接焊縫；環(huán)向節(jié)點(diǎn)牛腿與柱的連接，宜先焊接平焊縫，后焊接立焊縫，環(huán)板與鋼管柱的平焊縫對(duì)稱焊接。當(dāng)板厚較大時(shí)，分層輪換進(jìn)行焊接。

(3)梁-節(jié)點(diǎn)牛腿接頭焊接：同一支鋼梁，先焊一端焊縫，等其冷卻后，再焊接另一端；同一支鋼梁，先焊下翼板，再焊接上翼板，上下兩翼板焊縫的焊接方向相反。當(dāng)翼板厚度較大時(shí)，上下翼緣輪流施焊。焊接完成后，焊縫及熱影響區(qū)范圍內(nèi)用角向磨光機(jī)打磨干凈，以備探傷。

(4)焊接變形控制：裝配時(shí)，根據(jù)工藝要求，預(yù)留焊接收縮余量，預(yù)置焊接反變形；在得到符合要求焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸；在同一構(gòu)件上焊接時(shí)，盡可能采用熱量分散，對(duì)稱分布施焊。采用多層多道焊代替單層焊；雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對(duì)稱坡口，并在多層焊時(shí)采用與構(gòu)件中性軸對(duì)稱的焊接順序；T形接頭板厚較大時(shí)采用開坡口角對(duì)接焊縫。

5結(jié)論

(1)型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)以其受力性能、經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)越性，成功應(yīng)用于城市中心區(qū)福田車站大型地下空間工程，保證了工程的可靠性。型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)配合整體工程的蓋挖逆作實(shí)施，有效控制了施工過(guò)程中可能引起的周邊高層建筑群穩(wěn)定性畸變，保障了該實(shí)施的安全需求。

(2)通過(guò)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在福田車站的工程應(yīng)用，形成了適用于城市中心區(qū)地下大空間結(jié)構(gòu)的大截面型鋼梁(2.5 m×1.4 m)施工技術(shù)體系，包括型鋼結(jié)構(gòu)制造和型鋼結(jié)構(gòu)安裝兩個(gè)方面。

(3)型鋼結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量應(yīng)從型鋼梁下料、型鋼梁組立、鋼梁的焊接、鋼梁矯正、鋼梁的拼裝、鋼梁牛腿制作等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)控制；型鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量應(yīng)從構(gòu)件就位、鋼梁及節(jié)點(diǎn)安裝、高強(qiáng)螺栓施工、現(xiàn)場(chǎng)焊接等關(guān)鍵工藝控制。

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中圖分類號(hào)：TU94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0093-05

作者簡(jiǎn)介：杜運(yùn)國(guó)(1976—)，男，2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建工程專業(yè)，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-05-21