綜合管廊深基坑鋼管內(nèi)支撐結構體系施工分析

王根濤

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津300222）

1 工程概況

石家莊匯明路綜合管廊建設工程位于石家莊市西南部，途經(jīng)13條市政道路，下穿4條交通主路。管廊全長6970m，主體為方艙鋼筋混凝土結構。廊體凈寬分為兩種：四艙段15.9m、五艙段19.5m；最小埋深9m，最大埋深13m。主要為市政管線的入地埋設創(chuàng)造先期條件，按不同的艙室劃分功能，主要分為雨水、污水、電力、通信、燃氣等功能區(qū)。在施工上采用明挖順做法，基本工序是：明挖→支護→主體結構→回填→恢復道路。

2 支護結構體系施工

2.1 支護結構的原理與方式

2.1.1 支護結構的受力分析

本工程的支護采用間隔鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐方式。樁間掛網(wǎng)噴射混凝土，形成排樁式圍護墻結構形式。柱式排樁上設冠梁。樁間采用Ф 6@150x150mm網(wǎng)片，噴射10mm速凝混凝土?；迂Q向采用一道或兩道鋼管支撐，形成支護結構的方式來保證基坑的穩(wěn)定。實際施工過程中，主要的受力變化是：均布荷載（土方未開挖）→（鉆孔灌注樁）懸臂受力體系→（架設一道支撐）簡支靜定受力體系→（架設二道支撐）超靜定結構受力體系[1]。如果設計和施工不能有效解決穩(wěn)定性的問題，將會造成樁變形破壞、基坑位移、失穩(wěn)，給施工帶來重大安全隱患。

2.1.2 實際工程中的應用

排樁+鋼支撐的圍護體系能夠應用在平面形狀較為整齊且狹長的基坑當中，而且鋼支撐可以反復使用，有效降低造價費用，在本項目中，除個別區(qū)段外，其余部分的基坑都是在運用排樁+鋼管內(nèi)支撐的圍護結構形式。排樁按設計要求采用Ф 800mm鉆孔灌注樁，間距1.2米，平行于結構兩側布置，樁長依埋深不同，從13.5米到18.5米；施作上采用（旋挖鉆機）機械化施工，輔助以人工挖孔樁；排樁成型后，兩側樁之間采用外徑Ф609mm，壁厚12mm高頻焊管支撐，水平間距3m,并施加一定預應力，形成完整的圍護體系[2]。

2.2 工程施工中的體系劃分

2.2.1 混凝土圍護結構

石家莊地下綜合管廊基坑施工中，由于工序安排不同，可以劃分為兩個體系施工，分別是圍護結構和支撐結構兩種體系，其中的圍護結構主要是由混凝土圍護結構和冠梁兩部分組建而成，而且圍護結構主要是運用鋼筋混凝土排樁，然后創(chuàng)設冠梁。當前基坑的維護體系主要包含擋土體系和止水降水體系。在施作過程當中，基坑圍護結構不僅需要承受土壓力和水壓力，還能起到擋土和擋水的重要作用，有效保障基坑安全。在實際施工中，控水不屬于主要問題，在基坑實際施工中，未發(fā)生因地下水影響施工現(xiàn)象[4]。圍護結構體系做法：鉆孔→吊放鋼筋籠→灌注混凝土→自然養(yǎng)護→（排樁聯(lián)接）冠梁→開挖基坑→噴錨→支撐→主體結構；排樁強度達到能起到圍護作用后，開挖基坑，待排樁裸露后，在裸露排樁間進行噴錨加以固定。起到對土體加固作用。

2.2.2 支撐體系

支撐體系的構成由鋼圍檁+鋼管支撐構成。根據(jù)使用條件的不同，又分為水平支撐和斜支撐兩種。鋼圍檁為雙拼45b,鋼支撐為外徑Ф609mm，壁厚12mm，Q235B高頻焊管。鋼管支撐在施工現(xiàn)場采用螺栓連接拼接而成。鋼管支撐架設和拆除速度較快，施工完成穩(wěn)固后就開始進行下層土方開挖，有效縮減施工周期時間，可單次施加和多次復加預應力對基坑變形加以控制和防范。這一支撐體系主要是根據(jù)鋼管支撐和鋼圍檁等形式進行有效組建。鋼管支撐是整個系統(tǒng)當中最為重要的受力建構；鋼圍檁還能夠通過相互傳遞鋼支撐和圍護墻體之間的內(nèi)力，實現(xiàn)共同的變形現(xiàn)象[5]；實踐表明該體系能有效提升支護整體強度，還可以實現(xiàn)重復利用，是一種既經(jīng)濟又環(huán)保的支護方式。

2.3 鋼支撐的分類與選擇

在當前的鋼支撐體系當中，支撐桿最常使用的材料是熱軋型鋼、H型鋼和鋼管等。其中，熱軋型鋼主要用于開挖規(guī)模較小的基坑，而后兩者常用于深基坑。當前最為常見鋼管支撐尺寸的內(nèi)容見表1。

表1 常用鋼管支撐尺寸、規(guī)格統(tǒng)計表

2.4 鋼支撐的連接拼裝

鋼支撐在施工現(xiàn)場由不同長度的鋼管拼接而成，拼接方式主要有焊接和螺栓連接兩種。焊接在施工現(xiàn)場受條件限制，質(zhì)量不易保證；所以一般采用高強螺栓連接。在運用高強螺栓裝配時，采用兩次擰緊法，一次初擰、二次終擰。其中初擰是通過用扳手進行擰緊，而且扭矩值不能小于終擰扭矩值的30%；而進行終擰的時候，需要借助于扭矩測力器進行擰緊。還要根據(jù)我國GB50205-2001《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》B.0.3節(jié)當中規(guī)定的內(nèi)容，計算扭矩值。

本工程中，高強螺栓采用8.8S級的M20螺栓，規(guī)格為M20×120mm。

2.5 鋼支撐的施工

2.5.1 鋼支撐在安裝之前的準備工作

為能夠有效確保鋼支撐的平直，需要在進行安裝鋼支撐時，先使用測量儀器定位，并在測量過程中及時標記鋼支撐安裝位置。支撐上的法蘭螺栓應采用對角或按等分的順序扳緊。

2.5.2 鋼支撐的安裝

在支撐桿拼裝檢查合格之后，將其用吊車吊運到安裝位置，也可運用兩點起吊的方式把支撐運送到相關位置當中，然后在使用單點起吊的方式，有效確保支撐安裝過程的安全性。

吊運完成后，將液壓千斤頂放入活絡頭頂壓位置，準備為鋼支撐施加預應力。施加預加軸力時應注意保持兩個千斤頂對稱同步進行。為確保支撐安全，一般按30%→50%→70%→100%分階段施加，直至滿足設計要求[3]。

2.5.3 預加軸力回歸方程

標定好的千斤頂與壓力表的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 張拉千斤頂與壓力表校定記錄表

根據(jù)標稱好的液壓千斤頂與油泵壓力表的讀數(shù)關系曲線，建立回歸方程

其中P為壓力表讀數(shù)，單位MPa；N為力值，單位kN。

2.5.4 實際施加軸力

根據(jù)設計要求，在不同埋深地段施加預加軸力各不相同。依據(jù)不同類型斷面要求，通過對設計軸力反算出需要施加的預應力，舉例如表3所示。

根據(jù)現(xiàn)場安裝試驗，經(jīng)計算后確認第一道支撐軸力298.63kN,第二道支撐軸力348.35kN。依據(jù)P=-1.803 5+0.032 0×N公式；反算出壓力表讀數(shù)為P1=-1.803 5+0.032×298.36=7.753MPa；P2=-1.803 5+0.032×348.35=9.343 5MPa；

表3 管廊支撐設計數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

實際施工時可簡略為：P1=7.8MPa，P2=9.4MPa。

2.5.5 支撐安裝時的注意事項：

1）支撐安裝應遵循“先撐后挖，限時支撐”的原則，有效減少由于基坑沒有形成支撐體系時在外暴露的時間。

2）在進行支撐裝置安裝過程中，應該盡可能減少復雜的鋼結構構成，或與其他已安裝完的支撐產(chǎn)生碰撞，有效提升基坑的安全性能。

3）在基坑進行挖掘時，要充分做好隨挖和隨撐的工作內(nèi)容，并且還要及時地在支撐位置挖出后，快速地安置鋼支撐，并且還需要及時根據(jù)設計值內(nèi)容開始施加預應力。

4）在施工的過程當中，還需要針對施工現(xiàn)場做好充分的檢測工作，根據(jù)所檢測出來的結果，及時發(fā)現(xiàn)異常問題并采取相對應的措施。

5）在已經(jīng)施加支撐預應力前后每一個12h之間都要加大、加密監(jiān)視頻率，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)預應力遭受損失的時候，及時復加預應力至設計值。

6）在施工當中要對第一道鋼支撐兩端設置懸吊索具，避免由于鋼支撐移動脫落從而影響基坑施工安全[6]。

7）采用千斤頂施加預應力之前，要到有相關資質(zhì)的檢測單位標定，施加預應力達到設計值后，必須用鋼楔塊塞緊活絡頭間隙后才能拆除千斤頂。

8）已經(jīng)架好的支撐上，嚴禁人員進行行走，一旦發(fā)現(xiàn)撓度增大，或者是鋼楔松動等現(xiàn)象，就需要及時采取加固措施。

9）要有效確保鋼支撐架設后不出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，軸力方向垂直是關鍵。所以，鋼支撐架設前，一定要嚴格控制好支撐端頭托架標高，確保鋼支撐各支點在同一水平線上[7]。

3 結束語

結合后期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析見表4及圖1所示測點軸力變化時程曲線圖，由此可以得出如下結論：

1）外部環(huán)境變化，對鋼支撐預應力損失有著較為嚴重的影響，而且大部分的損失率一般為首次施加預應力的10%～50%，預應力較大的支撐損失率也相對較大。

2）鋼支撐的應力變化，基本上趨于線性，可按彈性桿件進行定量分析。

3）為確保基坑安全，鋼支撐安裝和拆卸過程應按設計要求按步驟施工。

表4 支撐變形監(jiān)測記錄表

圖1 測點軸力變化時程曲線