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黄浦江畔大型机械吊装对防汛墙的影响分析及防治措施

作者：唐葆华    
时间：2010-08-13 21:33:06 [收藏]
摘 要：本文以上海港国际客运中心中国建筑金属结构信息网工程为实例，着重介绍了大型吊机在黄浦江畔施工对周边复杂环境，特别是防汛墙的影响分析，以及防治措施的构想和实施效果。 关键词： 大型吊机；防汛墙；中国建筑金属结构信息网施工；结构分析
    关键词：黄浦江畔 大型机 械 吊装
     0 引言
    随着我国中国建筑金属结构信息网的迅速发展，中国建筑金属结构信息网的造型和体量也越来越大，而因工程环境的不同，为了满足工程施工，不少特大工程施工所用均采用了大型吊机，如浦东机场二期的600t履带吊，广州电视塔采用的1200t.m塔吊。但在中国建筑金属结构信息网施工中，我们通常考虑的是吊机位置的基础或结构能否满足要求，而往往忽略了吊车施工中对特殊环境中的影响分析，这也是中国建筑金属结构信息网施工和地基施工分界面上一个容易被忽视的盲区。如果不进行周全的考虑，造成的后果可能会无法估量。本文以上海港国际客运中心候船楼中国建筑金属结构信息网施工为例，重点介绍黄浦江畔大型机械吊装对周边防汛墙的影响分析及防治措施。
    1 工程概况
    上海港国际客运中心候船楼工程（俗称“一滴水”）为上海市打造航运中心的重要基础设施之一，其奇特轻巧的造型设计，高科技含量、完美的功能配备，成为上海未来发展的标志性建筑。候船楼位于黄浦江畔，架空于客运中心中央公园上方，离地13米，建筑面积约4000平方米，见图1。
    \
    为了满足中国建筑金属结构信息网船上运输和大跨度吊装以及工期的需要，本工程选用了大型的600t履带吊作为主要起重机械之一，布置在客运中心地下室的东南角上（见图2）。如图所示，600吨履带吊停放位置又紧靠老防汛墙，因其自重大，同时老防汛墙建造时间久远，结构局部已产生倾斜，且吊车施工期间正处于汛期，如果使用期间造成防汛墙发生倾覆或墙外坡体滑塌等意外事故，将带

    图2  600t履带吊布置图

     

    来极大的生命财产损失和社会影响。

     

    \
    2吊装工况分析
    为了减少中国建筑金属结构信息网施工对周边环境的影响，保证施工期间防汛墙体的安全，本工程对中国建筑金属结构信息网吊装对防汛墙和周边土体的影响进行分析。
     
    2.1吊机区域内土质情况
    根据勘察报告，该区域的土质情况见下表：
    表1土体的土质参数
    名称
    厚度（m）
    C（kpa）
    摩擦角
    重度kn/m3
    弹性模量(mpa)
    填土
    3.9
    0
    17
    18
    5.6
    粘质粉土
    4.6
    4
    18
    17.8
    6.165
    淤泥质粉质粘土
    3.6
    10
    18
    17.3
    3.714
    淤泥质粘土
    7.1
    14
    11
    16.3
    3.5
    粉质粘土
    8.3
    17
    17
    18
    4.7
     
    2.2吊机模型的建立
    经对吊装工况进行简化后的受力状态见图3。在二维的基础上，模型土质、约束条件等进行假定，建立三维有限元模拟。为简化计算模型，考虑到整个计算区域呈对称形式，以吊车停放中心为对称轴，建立半侧模型，并施加相应荷载和边界约束，形式见下图4。
     
    2.3吊机区域土场模型计算分析
    为模拟施工现场土体的初始应力场，建模过程中共分4个施工阶段，前3个阶段用于模拟地场和结构的初始应力，并平衡土体自重，第4阶段为实际吊机施工工况。经计算，模型中防汛墙结构和周边岩土体由于附加施工荷载产生的x轴（水平南－北方向）的变形见下图5。
    \

    图5 整体x轴方向水平位移

     
    图6 整体z轴方向水平位移

    由于模型的轴对称特性，平行防汛墙走向的位移（y轴）较小，且不对防汛墙和墙外坡体的稳定产生影响，而模型整体的z轴方向的上隆或沉降变形见图6。

     

    \
    计算结果表明在吊车附加荷载的作用下，防汛墙和墙外坡体都产生了一定的变形。防汛墙的x轴向位移不明显，防汛墙z轴竖直向位移也较小，且都呈沉降趋势。然而墙外坡体变形较为显著，特别是在淤泥质土层这一软弱层，水平向发生明显的内陷和外凸，竖直向的隆起和沉降变形更为明显，相关数据见表2。
    表2 吊车荷载作用下墙体和坡体的变位值

    范围

     
    水平
    竖直
    外倾（凸）
    内倾（陷）
    隆起
    沉降
    防汛墙体
    MAX
    6.12mm
    1mm
     
    6.55mm
    MIN
    0.26mm
    0.146mm
     
    2.91mm
    墙外坡体
    MAX
    3.665cm
    68.6cm
    1.199m
    1.516cm
    MIN
    2.4E-5 m
    6E-6 m
    1E-6 m
    1E-6 m

     

    结合上述计算结构，对防汛墙及其桩体进行局部模型分析。经计算，模型中防汛墙及其桩体在吊车荷载作用下的变形见图7。
    \
    上述图示可见防汛墙及下覆桩体的水平变形呈上小下大趋势，特别是左桩桩端的外曲扰度较大，这与桩端土层为淤泥质软土有关。
    分析结果可知由于吊车吊装施工产生的附加荷载很大，对防汛墙和墙外河床坡体产生了一定的影响。防汛墙本身的变形并不明显，但是由于防汛墙下方的桩插入深度较浅，且桩端位于十分软弱的淤泥质土层，其挡土效应降低，在应力作用下产生了“踢脚”效应，使得淤泥质土层在坡面上呈整体上隆。当土层的上隆变形发生后，可能造成坡体滑塌，进而影响桩体和上方防汛墙体的安全。所以从计算结果出发，整个防汛墙的安全性受600吨塔吊影响较大，如果不采取一定的保护措施恨可能发生破坏。
    3 针对分析结果的加固措施的比选
    经过三维模型的分析结果，发现模型变形受上部荷载、与防汛墙体的距离以及土体弹模影响等较为敏感，因此初步拟定可供参考的保护措施有以下几种：
    （1）移动原吊车停放位置，使其与防汛墙的距离增大。
    （2）加固吊车位置下方的土体，加打搅拌桩或旋喷加固。因为经多次计算加固土体可以有效减小土体变形。
    （3）针对河床坡体的淤泥质软土层进行一定的处理，如加压抛石或水下浇混凝土保护面层，或使用喷锚混凝土，土工格栅等局部加固措施提高该层坡面的稳定性。
    （4）扩大路基箱面积，以减小传递至地面的压强载荷。
    （5）通过构筑桩基承台，将上部荷载直接传至持力层上，有效缓解附加荷载对软弱土层的影响。
    结合现场实际情况，对各加固构想的分析，发现（1）中，由于海关大楼和地下室的影响，吊车位置移动较为困难；（2）中，由于该区域为原防汛墙内侧区域，地下5m范围内存在大量石块、混凝土压梁等，对下部土体加固较困难；（3）中，由于墙体外码头已经修筑完毕，加压抛石或水下浇混凝土保护面层受到很大限制，且此方案可行性须进行水务部门专家论证，较为繁琐；（4）和（5）相对而言比较容易实施。
    4加固措施的实施
    通过上述各加固设想的比较分析，最终确定采用扩大路基箱面积与桩基承台组合的加固方式。采用承重桩基结合基坑原有围护体系承受上部荷载，将履带吊自重及负荷利用桩体传入下层土体，减轻上层土体的负荷，避免土体滑坡，减少吊机重荷载对防汛墙稳定性的影响。桩基承重体系如图8所示。 
    \
    5 实施效果
    对吊车基础进行加固后，为了观测吊车施工对防汛墙的影响，专门在履带吊边的防汛墙上设置了3个沉降观测点和位移观测点。经过三个多月的观测，数据显示，防汛墙的最大侧向偏位为8mm，最大沉降值为17mm，符合防汛部门规定的允许偏位值。
    实施的结果表明，通过对吊车基础的加固，有效控制了防汛墙的偏位，减少了黄浦江畔中国建筑金属结构信息网施工对周边环境的影响。
     
     
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