央企信托—96号成都青白江非标政信

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政信知识：

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    【 关键词】地铁车站 盾构工作井 盖挖逆作 施工工艺   0 引言    地下基坑通常有以下几种施工 方法 : 明挖法、新奥法、浅埋暗挖法、盖挖法、盾构法等

    暗挖法在技术上我国走在世界的前列, 一般在繁华的市区, 不中断 交通 , 减少对城市人民生活的干扰, 特别是在地下水位较深、不需要降水的条件下采用

    明挖法是最常用、 应用 最广泛的一种施工方法, 该法施工简单、安全、快速、造价较低, 但对城市生活干扰大, 限制因素较多

    盖挖法是修建地铁的重要使用方法, 通过合理组织施工及疏导交通可以做到基本上不 影响 交通, 在北京、上海、南京、广州等都有成功的经验, 并逐渐成为我国地下工程施工中重要的施工方法, 但在高水位、饱和的淤泥质粉质粘土层中修建地下深基坑较为少见

    上海地铁 2 号线虹桥临空园区站的主体结构采用明挖顺作法施工, 北盾构井采用盖挖逆作法施工

       1 工程概述    上海地铁 2 号线虹桥临空园区站位于上海市长宁区天山西路南侧, 协和路与淞虹路两路口之间, 车站设计总长为454.954 m, 标准段内净宽为 18.6 m, 车站地下连续墙厚800 mm, 西端头井墙深为 33 m, 标准段墙深为 29.5 m, 东端头墙深为 31 m, 设有 3 个风道和 5 个出入口

    该车站为地下两层双跨单柱框架结构, 岛式车站, 车站埋深 15.195 m( 至站台有效长度中线的底板底)

        北盾构井位于车站北侧 14 轴到 17 轴之间, 为二期工程预留的盾构井

    北盾构井设置在车站标准段上, 向外扩大凸出约 14 m, 因此, 北盾构井围护结构已紧贴施工围档, 围档外就是车辆频繁通行的道路, 而且北盾构井基坑距天山电话分局 4 层楼房很近, 只有 10 m左右

    保护天山电话分局 4层楼房的安全及围挡处道路交通畅通, 是北盾构井施工的重难点

        北盾构井长度约 23 m, 宽度 14 m 左 右 , 开挖 深 度17.2 m

    为了保护天山电话分局, 东西向设置了一道隔断墙,隔断墙南侧结构已完成

    隔断墙以北部分工程量较小, 长度约 22 m, 宽度 5￣9 m, 土方量 2 000 m3, 破除隔断墙钢筋混凝土 220 m3

    施工主要包括土方开挖、支撑, 顶、中、底板及边墙钢筋混凝土结构施工, 盾构钢环安装等

       2 方案确定    虹桥临空园区站北盾构井原设计方案采用明挖顺作施工, 自上而下需要设置 5 道钢支撑

    由于隔断墙厚 600 mm,刚度不大, 且南侧已开挖完成, 并进行了结构施工, 其中隔断墙南侧顶板、中板为预留吊装孔, 不能直接提供支反力

    如采用 5 道钢支撑则支撑效果欠佳, 基坑变形较大, 不利于保护天山电话分局及坑外交通要道的安全稳定

        鉴于此种情况, 经建设单位、设计单位、施工承包商研讨后达成一致意见, 调整原设计方案, 改明挖顺作施工为盖挖逆作施工

    逆作法施工, 其先决条件必须要有支撑顶板、中板载荷的可靠的支承力, 由于北盾构井剩余部分尺寸较小, 四周均已预埋与板相连的接驳器, 同时设置的框架梁与连续墙以接驳器方式连接, 缺损的接驳器由植筋方式补足, 支承顶板和中板的支承力非常可靠, 因此采用盖挖逆作法施工

       3 施工方案    首先将土方包括隔断墙破 除至 顶 板下 10 cm, 施 工10 cm厚的 C20 细石混凝土底模, 仔细抹平抹光, 达到一定强度后, 表面涂刷脱模剂, 然后绑扎钢筋, 进行顶板及顶框架梁浇混凝土, 并喷水养护

    当强度达到 80%￣90%设计强度时,开挖顶板以下土方, 破除顶板以下隔断墙至中板以下 10cm, 同时凿除顶板以下底模; 然后施作中板细石混凝土底模, 涂刷脱模剂, 进行中板及中框架梁施工

    待中板混凝土强度达到设计强度 80%～90% 时, 开挖中板以下土方, 破除中板以下隔断墙, 同时凿除中板底模; 下挖至底板下 20 cm后,施工底板垫层及底板

    最后施工边墙, 边墙施工顺序为, 先站台层边墙, 安装盾构钢环; 再施工站厅层边墙

       4 施工工艺   4.1 第一分层土方开挖及顶板顶框架梁施工   4.1.1 开挖    采用盖挖逆作法施工, 第一分层土方开挖与明挖顺作相同,即用普通的液压反铲挖掘机由西向东开挖, 渣土从福泉路运出

    机械开挖标高至底模底面以上 20￣30 cm, 下部20￣30 cm采用工人开挖抄平, 准确控制标高

    同时破除隔断墙至底模底面标高

    详见图 1、图 2、图 3、图 4

        由于剩余部分结构中间为盾构吊装孔, 吊装孔部分不需施工底模, 可将吊装孔中间深挖 30￣50 cm, 将四周积水引到中间集水井排出地表

    这样可以将吊装孔周边土体积水排出, 保证四周底模施工时, 基底土体含水量减少, 可以提高土体强度

    如果围护结构渗漏, 必须及时封堵, 防止渗漏水浸泡土体

    施工 C20 细石混凝土底模时, 基底有烂泥, 必须工人铲除, 换填干土或填砂

       4.1.2 底模施工    底模施工包括梁模、边墙模及板底模施作

    底模 C20 细石混凝土厚 8￣10 cm, 表面要求抹平、抹光, 棱角清晰, 尺寸准确

    底模施工完后, 注意保护, 在未硬化前, 不允许人工踩踏

    底模标高误差±1 cm

    底模硬化后, 涂刷脱模剂, 待脱模剂干燥后, 再进行钢筋绑扎, 绑扎钢筋过程中, 尽量减少人工踩踏, 避免损坏脱模剂涂层

       4.1.3 钢筋绑扎    施工方案采用自上而下施作顶板、中板、底板, 最后施工边墙

    边墙先施工站台层, 后施工站厅层

    板、顶钢筋绑扎按设计配筋图布筋

    边墙因分两次施工, 在施工板钢筋时, 顶板下部必须预留边墙及柱钢筋, 预留钢筋必须长短间隔错开排列, 以保证钢筋接头错开距离不小于 500 mm, 短钢筋板下预留长度不小于 400 mm, 长钢筋板下预留长度 1 000 mm

    钢筋规格, 排列间距按设计图要求

    边墙及柱预留钢筋, 按长度要求下好料, 安装时, 在梁槽底部、柱坑底部的模板孔中, 用锤打入土中, 注意控制钢筋垂直度及标高位置

       4.1.4 混凝土浇筑及施工缝防水    顶板、中板、底板混凝土和边墙混凝土由于分次浇捣, 因而, 站台层边墙, 站厅层边墙均存在上下两道水平施工缝, 下部施工缝采用钢板腻子止水带防水, 与明挖顺作方式相同

    上部一道水平施工缝采用膨胀腻子止水条防水

    为了克服上一道水平施工缝接触面混凝土难以充满、难以浇捣的弊端,在顶板、中板边墙部位每隔 1.2￣1.5 m预留 φ120￣150 mm浇捣孔, 上通板上过预留孔浇捣边墙混凝土, 实践证明, 该 方法 能保证上部水平施工缝部位混凝土密实及接缝的严密, 保证防水效果

       4.2 第二分层土方开挖及中板中框架梁施工    第二分层土方开挖, 必须在顶板( 梁) 的强度达到设计强度的 80%～90% 后, 才能进行

    首先在吊装预留孔中, 用伸缩臂或长臂挖掘机, 下挖 1.8 m左右, 预留吊装孔四周土方用工人铲到吊装孔中, 以便于挖机直接将土挖到地面装车

    开挖顶板以下土方时, 同时要破除顶板下的底模, 底模悬空长度不能超过 1 m, 防止底模脱落砸伤人员, 确保安全

    先开挖 1.8 m高度, 目的是便于人工脱底模

    脱底模钢钎应加工成扁凿, 防止脱模时, 凿坏顶板混凝土

    底模破除后, 再往下开挖至中板以下 10 cm左右, 施作中板底模

    应说明的是, 在土方开挖时, 尽量作到同步破除隔断墙 , 加快施工进度

    为了排除底部积水, 吊装孔中多挖深 30￣50cm

    中板下底模施工, 钢筋绑扎, 混凝土浇捣及施工缝防水方式同顶板

       4.3 第三分层土方开挖及底板施工    当中板混凝土强度达到设计强度 80% ～90% 时, 开挖第三分层土方, 第三分层土方开挖、垫层和底板施工同第二分层

       4.4 边墙施工    底板施工完以后, 强度达到 1.2 MPa 以上, 即可施工站台层边墙, 安装盾构钢环

    站台层边墙完成后, 再施工站厅层边墙

    边墙施工采用钢模 900 mm×1 500 mm, 对拉螺栓φ14 mm

    对拉螺栓用三角铁片与连续墙主筋焊接, 焊接必须牢固可靠, 严格检查

    边墙钢筋及柱钢筋接长采用电渣压力焊

    边墙钢筋与板下预留钢筋连接时, 采用焊接或绑扎, 绑扎搭接长度必须达到规范锚固长度

        边墙混凝土浇捣是施工的关键

    要振捣好, 保证混凝土密实

    采取如下施工方法:    ( 1) 站台层边墙相对较高, 约 7 m

    先立下部模板, 立至距中板 1 m左右, 在中板下浇注混凝土和进行振捣, 确保下部混凝土振捣密实

        ( 2) 下部混凝土浇完, 迅速将上部的模板立好对拉螺栓固定, 再从中板预留的浇注孔中, 将混凝土浇入, 并进行振捣, 这样利用 0.7 m高的混凝土压力差将施工缝充满、密贴

    要求周密组织, 模板工足够, 能尽快将上部模板立好, 在下部混凝土初凝之前, 浇捣上部混凝土

    站厅层边墙施工方法与站台层相同

       5 施工关键措施    ( 1) 基坑距天山电话分局 4 层楼较近, 在施工期间, 加强对电话分局 4 层房屋监测, 加密频率

        ( 2) 基坑紧贴围挡, 围挡外就是主要 交通 道路, 车辆很多, 如果车辆碰撞围挡, 围挡就会砸入基坑内, 发生安全事故

    为此, 在紧贴基础的围挡上, 悬挂警示灯光信号及彩灯,以提醒驾车司机小心

        ( 3) 加快施工进度, 快挖快施工层板结构, 减小基坑形变, 保护电话分局房屋安全

        ( 4) 连续墙预埋的板、梁钢筋接驳器, 缺损的必须植筋补足

        ( 5) 在挖掘机作业范围内, 严禁在其下方进行混凝土破除或其他作业

        ( 6) 北盾构井边墙未施工前, 北盾构井的顶板、中板严禁堆载

        ( 7) 破除隔断墙, 盾构孔部分梁、板处于悬挑状态

    因此,必须在破除前, 将悬挑部分梁板用脚手架顶紧顶牢

        ( 8) 及时做好施工记录和技术资料填写

       6 结束语    上海 2号线地铁虹桥临空园区站北盾构工作井是地铁车站在软土地区首次采用盖挖逆作法施工, 该盾构工作井于 2005 年 3 月中旬开始施工, 2005 年 5 月中旬完成全部施工, 施工周期为 1 个半月, 节省了施工周期, 施工期间没有 影响 周围的道路交通、房屋等建筑物, 工程质量优良, 受到了各方面的好评

     在城市桥梁中往往受到青睐而成为城市的标志性建筑，目前仍在向更大跨径、更大规模的方向发展，应用区域和范围也在不断扩大

    但是，近些年来由于主客观原因导致了一些中、下承式拱桥发生坍塌事故，造成了严重的人员伤亡和经济损失

    采用ANSYS有限元程序，建立该下承式钢管混凝土拱桥的空间有限元计算模型， 　　分析不同吊杆损伤对桥梁自振特性的影响，计算结果表明，吊杆损伤对该拱桥的自振频率影响较大，吊杆损伤导致桥梁竖向和扭转自振频率降低

    计算结果可为桥梁使用阶段的健康检测和维护提供参考

     　　关键词：拱桥；有限元法；自振；吊杆； 　　1引言 　　中、下承式拱桥建筑造型极佳，在城市桥梁中往往受到青睐而成为城 　　市的标志性建筑，目前仍在向更大跨径、更大规模的方向发展，应用区域和范围也在不断扩大

    但是，近些年来由于主客观原因导致了一些中、下承式拱桥发生坍塌事故，造成了严重的人员伤亡和经济损失

    中、下承式拱桥主要由拱肋、桥面系及吊杆系3部分组成，其中吊杆系不但是主要的传力(承力)构件，也是易损构件，中、下承式拱桥的断桥与垮塌事故大多与吊杆的健康状态有关，吊杆的损伤会引起吊杆拉伸刚度的变化，而拱桥桥面系可视为由吊杆弹性支承于拱肋上的一个超静定结构，部分吊杆刚度的变化必然会引起中、下承式拱桥自振特性的变化【1】，因此，可以根据中、下承式拱桥自振特性的实测值相对其健康档案中的标准值之变化，来对中、下承式拱桥的健康状况进行诊断与评估

    对中、下承式拱桥健康状态做出正确判断的关键一步是了解吊杆损伤后桥梁自振特性的变化，为中、下承式拱桥的健康检测与诊断提供详实资料

    基于此，本文探讨吊杆损伤对下承式钢管混凝土拱桥自振特性的影响

     　　2桥梁结构计算有限元建模 　　某大桥主桥为下承式钢管混凝土系杆拱桥，共有8跨，双向8车道，上下行分离，单幅桥面净宽21m，每跨桥墩中心距100m，计算跨径95.5m，矢跨比1/4.5，拱轴线采用悬链线，拱轴系数1.347

    拱肋采用2根φ1100mm×16mm焊接钢管，之间采用2块厚16mm腹板焊接形成高2.4m、宽1m的双哑铃形主拱肋，拱肋钢管内浇注C5O混凝土，支座与第1根吊杆间的拱肋腹腔内浇注C5O混凝土，其余部分腹腔不浇注混凝土

    系杆梁采用宽2.0m、高2.75m的预应力混凝土箱梁，横梁采用预应力工字形组合梁，梁高2.2m，间距7.1m，两端与预应力混凝土箱形截面系杆梁整浇在一起，系杆梁通过吊杆悬吊在钢管混凝土拱肋上

    每跨设12对吊杆，吊杆采用91φ7镀锌钢丝

    桥面采用预制Ⅱ形道板，上铺80mm厚钢筋混凝土现浇铺装层

    上部结构通过盆式橡胶支座支承于钢筋混凝土墩身上

    2个平行肋拱间设置2道“K撑”和1道“一字撑”

     　　为分析该主桥单幅单跨的自振特性，采用有限元软件ANSYS建模

    该桥的拱肋与横撑虽采用双哑铃形截面，但根据文献【2】试验结果，其横截面基本满足平截面假定，计算时可对其进行相应简化，用通过双哑铃形截面形心的梁单元模拟

    根据计算经验【3-6】，系杆梁、横梁、拱肋和横撑等构件均采用空间梁单元(BEAM4)进行离散；吊杆采用只承受拉力的空间杆单元(LINK1O)模拟；将预制钢筋混凝土Ⅱ形道板离散为2种单元，把板肋看作桥面系的纵梁，用空间梁单元(BEAM4)模拟，而板肋之间的桥面板用板壳单元(SHELL63)模拟，桥梁空间有限元计算模型见图1

    计算模型节点总数为1002个，单元总数2O12个，其中空间梁单元1064个，空间杆单元24个，空间板壳单元924个

    桥梁边界条件按一端铰支，另一端滑动处理

    计算采用的材料常数根据桥梁相关规范确定

    拱肋钢管混凝土以混凝土及钢材的实际用量计算其平均密度值，拱肋截面刚度EA、EI根据文献【7】所推荐的公式计算确定

     　　3计算结果及其分析 　　桥梁结构的自振特性主要包括自振频率和振型等，它们是进行桥梁结构动力分析的重要参数和桥梁抗震设计的基础，在桥梁鉴定和验收规范中对桥梁的竖向和横向自振频率的限值均有一定的规定，正确计算桥梁结构的自振特性对桥梁结构的正常维护也具有十分重要的意义

    根据大桥主桥的实际特点，分8种工况计算了该桥的自振特性(注：上游方向拱肋为外侧，吊杆编号用D表示，下游方向为内侧，吊杆编号用d表示)：工况1，桥梁完好状态；工况2，去除外侧1/4跨位置处吊杆(去除D3、D10吊杆)；工况3，去除外侧跨中位置处吊杆(去除D6、D7吊杆)；工况4，去除对称1/4跨位置处吊杆(去除D3、d3吊杆)；工况5，去除对称跨中位置处吊杆(去除D6、d6吊杆)；工况6，去除斜对称1/4跨位置处吊杆(去除D3、dl0吊杆)；工况7，去除斜对称跨中位置处吊杆(去除D6、d7吊杆)；工况8，去除外侧1/4跨位置处1根吊杆(去除D3吊杆)

     　　在结构自振特性分析中，一般情况下结构前几阶自振频率和振型起控制作用，所以，只需求结构的前几阶自振频率和振型，本文计算了该桥梁前1O阶自振特性

    表1列出了桥梁完好状态吊杆没有损伤工况下的自振频率和振型特征，表2列出了吊杆损伤工况下的自振频率，及其相对于工况1频率的变化率D(百分比)，D：(本工况自振频率计算值一对应工况1自振频率计算值)／对应工况1自振频率计算值

    图2、图3给出了工况8所对应的桥梁部分振型

     　　表1桥梁完好状态下的自振频率及振型特征　 　　表2各工况吊杆损伤状态下桥梁的自振频率f及变化率D 　　振型 　　根据以上7种吊杆损伤工况计算得到的自振频率计算结果可以看出：对于该拱桥，吊杆损伤对该桥低阶自振频率影响较小，而对第4阶、第8阶自振频率影响相对较大，这2阶振型分别是以桥梁的竖向振动和扭转振动为主，其他各阶自振频率变化较小

    由于吊杆是构成该类桥型整体刚度特别是竖向和扭转刚度的重要组成部分，因此，吊杆损伤对该桥的竖向振动和扭转振动影响较大

    从吊杆损伤各工况前10阶自振频率计算结果可以看出，跨中吊杆损伤比1/4跨处吊杆损伤对该桥的自振频率影响大

    吊杆的损伤对桥梁横向自振频率影响较小

     　　4结论与建议 　　本文根据某大桥主桥的实际特点，分8种工况计算了该桥的自振特性，分析了多种吊杆损伤工况下该桥的自振频率变化规律，计算结果表明： 　　(1)吊杆的损伤对该拱桥竖向和扭转振动的自振频率影响较大，拱桥吊杆的损伤将导致桥梁竖向和扭转振动自振频率的降低，可见吊杆的完好对整桥的安全性至关重要； 　　(2)吊杆的损伤对桥梁横向振动频率影响较小，计算结果符合物理概念

     　　根据实测的桥梁自振频率值与桥梁健康状态下对应量的变化，再结合其他吊杆损伤检测技术，可综合判别出中、下承式拱桥吊杆的工作状态，这样可节约桥梁常规检测时间和内容，便于桥梁养护

    建议在布置传感器时，考虑吊杆损伤对中、下承式拱桥振动频率的影响，来优化布置传感器，使有限测点的传感器布点最优，否则有些吊杆损伤引起的桥梁振动特性的变化不能被测试得到

    　　 　　参考文献： 　　【1】殷学纲，姚建军.中(下)承式拱桥的吊索损伤对吊索系静张力的影响 　　【J】．中国公路学报，2004，(1)：45—48． 　　【2】盛叶，陈宝春．钢管混凝土哑铃型梁试验【J】．哈尔滨工业大学学报， 　　2003，35(增刊)：248—251． 　　【3】陈淮，王艳，董建华，等．康复钢管混凝土拱桥振动特性分析【J】．世 　　界地震工程，2003，19(4)：51～56． 　　【4】陈淮，朱倩，葛素娟，等．韩江北桥主桥动力特性研究【J】．铁道科学 　　与工程学报，2005，2(5)：28～31． 　　【5】陈淮，申哲会，胡锋，等．斜靠式拱桥动力特性研究【J】．郑州大学学 　　报(工科版)，2005，26(4)：25～28． 　　【6】葛素娟，陈淮．考虑吊杆损伤的拱桥稳定性分析【J】．世界桥梁，2006， 　　(3)：38—41． 　　【7】王景波，韩丽艳，关键．钢管混凝土拱桥拱肋刚度取值【J】．黑龙江工 　　程学院学报，2003，17(1)

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