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带地下室建筑地面预筑弹性顶托微差下沉施工技术研究

作者:张琨  发布:2015/9/11  浏览:
单位:中建三局集团有限公司技术中心

摘 要:介绍了一种带地下室多高层建筑地面预筑、弹性顶托、微差下沉施工方法,简称“预筑落成法”,即地下室在地面预筑,利用在建结构自身作为基坑支护,使用弹性顶托装置实现建筑物微差下沉,将建筑物均匀下沉至预定标高后,与工程桩嵌固。该方法避免了临时支护结构,实现上下同步施工,缩短工期。

研究背景

目前,带地下室房屋建造基本遵循地下工程、地上结构、装修工程的施工顺序。地下工程包括基坑支护、土方开挖、地下结构施工等,一般采用传统的大开挖、复合喷锚、桩锚体系、内支撑体系以及逆作法等。传统施工方法的弊端是工期长、环境影响大,特别是临时支护结构使用后被废弃或拆除,资源浪费大。且施工过程中受天气、周边环境影响,安全风险不可忽视。

基于改变地下室施工过程中的诸多不确定因素对工期、环境以及造价的影响,参考沉井沉箱施工原理,利用在建结构自身作为基坑支护,提出一种创新绿色房屋建造方法——地面预筑、弹性顶托、微差下沉施工技术,简称“预筑落成法”。该技术研究及下沉工艺试验依托中建钢构武汉蔡甸职工宿舍楼。

总体思路

 

原理示意

该技术基本原理为:地下室地面预筑,通过特殊技术实现整体下沉,在下沉过程中,地上结构同步施工,即实现上下同步施工,节约工期。技术原理如图1所示,具体步骤分解如下。

1)步骤1

利用地下室底板基础梁(底板先不浇筑)形成水平网格结构;在工程桩和水平网格结构之间设置可周转拆卸的临时顶托桩,形成“工程桩+顶托桩+网格结构”的承托体系。

2)步骤2

地下室在地面预筑,同时继续施工上部结构。

3)步骤3

结合具体情况进行土方开挖后,在临时顶托桩和水平网格承托之间置换弹性下沉装置,交替微差下沉。

4)步骤4

最终将建筑物均匀下移至预定标高,与工程桩嵌固。

关键技术研究及应用

3.1承托体系设计

研究承托体系设计主要解决上部建筑与工程桩之间传力与下沉的难题。主要由工程桩、临时顶托桩、水平网格结构组成,如图2所示。确保地下室及上部结构的荷载,安全均匀传力至工程桩,同时为整体弹性下沉创造条件。

 

承托体系

本次试验中采用了2种临时顶托桩,第1种是钢筋混凝土临时顶托桩,预先在桩身内部设置劈裂孔、浇筑孔和分段钢板,便于对钢筋混凝土桩身的定向分段劈裂。第2种是可重复利用、可带载分段拆除的组合钢桩。通过合理的纵横向分段设计,可轻松实现拼装及带载分段拆除。网格结构利用地下室底板基础梁,底板先不浇筑混凝土,待沉降到位后浇筑底板。基础梁设计可根据工程需要单独复核计算,确保满足安全要求。

3.2可升降的弹性顶托装置设计与试验

可升降的弹性顶托装置,由碟簧箱和液压千斤顶组成(见图3),具体可根据工程需要单独设计。碟簧箱设计选用具有承载力大、安装空间小及组合使用方便等特点的碟形弹簧进行组合设计,采用叠合及对合的方式制得承载力为30006000kN、极限位移为2040mm的负荷大、体积小的弹性装置。并通过不断的承载力试验,不断完善设计方案,确保工程安全。

 

弹性顶托装置

千斤顶选用单作用自锁式液压千斤顶,适用于需长时间支撑重物的工况,除去油压时仍可支持重物,而且安全可靠,方便工人操作,避免因误操作带来的人为破坏。此外,选择双作用自锁千斤顶配合下沉操作。

3.3便于拆卸的临时顶托桩施工技术研究

3.3.1组合钢桩设计与试验

为满足下沉施工操作的方便,同时最大限度地实现可重复使用,设计了组合钢桩。通过纵横向分段、预留浇筑孔、连接法兰内置、吊装孔等设计,即使组合钢桩具有良好的整体性、稳定性以及连接处传力的可靠性,又便于吊装、拆除及浇筑混凝土等操作。前期预加工了1组试验桩,对其承载力进行试验,同时对拆卸操作进行验证,积累设计经验,如图4所示。

3.3.2钢筋混凝土劈裂桩设计与试验

考虑组合钢桩一次性投入大,本次试验拟采用钢筋混凝土劈裂桩进行试验(见图5)。钢筋混凝土劈裂桩根据下沉工况并结合高性能液压劈裂机的技术参数进行设计,设计主要解决两个方面的问题:①需要对临时顶托的钢筋混凝土桩进行特殊设计,即通过合理设置预埋件、劈裂孔、隔离钢板等,实现钢筋混凝土顶托桩后期下沉需要的精细化分割。②结合液压劈裂设备使用的要求,通过预埋劈裂孔,布置劈裂枪,确保利用液压动力将混凝土按事先设计的位置精确分开。

 

组合钢桩试验

 

劈裂桩设计与试验

为了验证钢筋混凝土劈裂桩设计以及液压劈裂枪劈裂效果,前期对特殊要求的钢筋混凝土进行模拟浇筑,同时对桩身劈裂进行试验,不断找出试验过程中的问题,并积累桩身设计经验,以满足后续工程应用的需求。

3.4弹性微差下沉工况研究

主体结构封顶,期间同时完成土方开挖、自锁式液压千斤顶、大承载力碟簧箱、吊装设备的加工制作以及结构动态监测系统安装等试验配套工作。该技术土方开挖工艺应该是随着结构下沉不断掏挖地下室内部土方,为下沉创造操作空间。本次试验为提高工效,采用一次性将土方开挖到位后,开始下沉工作。整体下沉技术分为3个阶段:置换、弹性微差下沉、嵌固。

3.4.1置换阶段

首先对钢筋混凝土桩身预留顶部空隙的一侧进行劈裂,或者对组合钢桩进行拆除,安装调节垫片及自锁液压千斤顶,千斤顶顶出实现受力转换后,将另一侧桩身拆除,让弹性顶托装置承载结构受力。按上述方法依次完成各点置换(见图6)。全部工程桩完成置换后,实现上部建筑全部通过顶托装置传力至下部工程桩。此时,建筑物犹如落在一张“弹簧床”上。

 

顶托装置置换

依托工程情况,在上部结构和土方施工完成后,先对钢筋混凝土桩身预留顶部空隙的一侧进行劈裂,逐根完成临时混凝土顶托桩的劈裂、吊装设备安装、大吨位碟簧箱和自锁千斤顶的安装。历时1个月,整个建筑31根桩基的弹性顶托装置全部安装就位。使得上部结构荷载由原来的临时顶托桩全部转换到31个“碟簧箱+千斤顶”组成的弹性装置上,传递到下部工程桩,实现结构受力转换。

3.4.2微差下沉阶段

试验项目计划整体下沉3m,根据千斤顶行程250mm,划分为12个阶段。每个阶段的下沉总量为250mm

每个阶段内的下沉采取弹性微差下沉技术,依次对每个支点采用液压千斤顶自锁螺母控制技术,设定微差下沉量为10mm,由于“弹簧床”的作用,每一个支点的微小下沉,临近点受力在碟簧箱的调解下随之变化,实现分摊受力,并减小各支点之间的相对位移,避免刚性支撑对建筑整体性的破坏。一个微差循环后实现建筑整体下沉10mm,每个阶段250mm下沉总量,共分25个微差循环完成。

每个阶段下沉完毕后需要采用双作用千斤顶配合下移弹性顶托装置,根据置换阶段的施工顺序,依次拆卸或劈裂下部桩身,将弹性顶托装置下移250mm,进行下一个下沉阶段的操作,如图7所示。总体来说,整体下沉3m,节奏分12个阶段,每个阶段内分25个微差循环,依次进行,直至结构下沉到预定标高。

3.4.3嵌固

当建筑物下沉至设计标高后,采用十字钢柱与底板预先设置的锚板及工程桩锚筋进行焊接连接,然后浇筑地下室底板进行嵌固。

 

建筑整体下沉

3.5安全控制与动态监测技术

为保证该项目试验成功,研发团队自始至终把安全放在第1位,主要从3个方面确保:①对结构体系整体进行计算分析,对每一个环节做到心中有数;②对相关技术展开独立的反复试验改进;③对下沉过程全面展开动态实施监控系统。

3.5.1计算与分析

前期主要配合设计院做好结构承托体系的深化设计以及相关安全复核工作,根据施工设计图建立整个结构的有限元模型,针对不同弹簧系数、不同下沉顺序及不同下沉量等条件,分析计算结构的响应及安全性,为项目整体试验实施做好理论计算的支持。

3.5.2结构动态实时监控

在实际下沉过程中,安装结构动态实时监测监控系统,实现自动监测、自动分析、自动预警功能,如图8所示。主要监控的内容有:水平度/垂直度监测、下沉装置的位移/承载力监测、网格结构上每两个点的位移差监测、其他辅助监测。

 

结构动态监测系统

1)水平度/垂直度监测通过智能静力水准仪监测结构的水平度,可准确反映0.1mm的水平度变化;倾角传感器垂直度,准确监测结构0.01°的倾斜量。

2)下沉装置的位移/承载力监测光纤光栅式位移传感器监测位移变化,准确监测碟簧箱0.2mm的位移,迅速反映出每一支点的受力情况,防止局部受力过大产生破坏。

3)网格结构上每两个点的位移差监测利用智能静力水准仪,可及时测量顶托装置上网格结构每两个点的位移差,及时发现某个点的不利沉降对结构的破坏。

结语

该技术创新主要体现在以下几个方面:①工期效益改变了传统的施工工序,上下同步施工,消除了基坑施工的不可预见性,天气对施工的影响程度降到最低,极大地缩短工期。②环保效益避免了临时支撑造成的资源浪费;避免了大开挖产生的噪声、粉尘污染,绿色环保。③经济效益临时顶托装置以及下沉装置可重复使用,取消基坑支护以及缩短工期等方面,降低造价。

该技术是由中建三局集团有限公司技术中心自主研发的具有核心知识产权的新型绿色施工方法。截至目前,已获授权专利5项。由于采用非常规的施工方法,带来很多传统技术和施工管理方面需要协调解决。中建三局将不断完善后续其他关键技术的研究与应用,以期全面推广应用。

转自:《施工技术》

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