深基坑預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系施工技術(shù)

何先煒/HE Xian-wei

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000）

在深基坑施工中，為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全，需沿基坑深度方向設(shè)置一層或多層內(nèi)撐結(jié)構(gòu)，以抵抗基坑側(cè)壁壓力，保證地基與基礎(chǔ)施工階段的基坑安全。目前國(guó)內(nèi)最常見的基坑支撐為鋼筋混凝土內(nèi)撐，雖具有剛度大、變形小等優(yōu)點(diǎn)，但其鋼筋混凝土一次性投入使用、混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、破除后產(chǎn)生大量建筑垃圾且污染環(huán)境。

相比鋼筋混凝土支撐，型鋼組合內(nèi)支撐具有平面布置靈活、剛度較大、施工周期短、鋼材可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。但由于跨度大時(shí)型鋼撓度增大、易受彎變形的特點(diǎn)，使其只適用于寬度較窄的基坑。我們?cè)诠こ虒?shí)踐中，通過對(duì)型鋼組合內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力，使其撓度減小、剛度增加，有效解決了型鋼組合內(nèi)支撐在大跨度深基坑中抗撓不足的問題，提高了型鋼的使用效率、擴(kuò)大了支撐的使用范圍。

1 施工技術(shù)原理

型鋼組合內(nèi)支撐是由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)的型鋼構(gòu)件拼裝組合而成，隨著基坑跨度的增加，型鋼水平支撐在自重作用下會(huì)產(chǎn)生一定的撓曲變形。通過對(duì)型鋼內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力，創(chuàng)建新型結(jié)構(gòu)體系，使水平鋼支撐的撓度減小、剛度增加，從而提高型鋼支撐體系的受力性能和安全系數(shù)。有效解決了型鋼組合內(nèi)支撐在大跨度深基坑中抗撓不足的問題，提高了使用效率，擴(kuò)大了使用范圍。

在型鋼內(nèi)支撐未受到基坑側(cè)壁壓力前，通過施加預(yù)應(yīng)力以調(diào)整型鋼支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，使得型鋼內(nèi)支撐在工作期間其內(nèi)部預(yù)應(yīng)力能抵消或削弱部分基坑側(cè)向壓力，以實(shí)現(xiàn)等效平衡荷載的目的。提高基坑支撐體系的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，以充分發(fā)揮型鋼材料的受力性能。

2 技術(shù)適用范圍

預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系可配合灌注樁排樁、型鋼水泥土攪拌樁及地下連續(xù)墻等支護(hù)樁，作為基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一、二、三級(jí)的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，適用范圍廣。

3 工程背景

某商業(yè)、辦公綜合體建筑，位于南京市江北新區(qū)團(tuán)結(jié)路與華富路交叉口。擬建場(chǎng)地屬于長(zhǎng)江漫灘地貌單元，具有地下水位高、泥沙含量大等特點(diǎn)。基坑開挖面積約13 016m2，基坑周長(zhǎng)約577m，基坑開挖深度7m，主樓核心筒區(qū)域開挖深度11m。整個(gè)基坑采用“SMW 工法樁＋預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐”支護(hù)體系，基坑外側(cè)采用單排三軸深攪樁套接施工形成全封閉止水帷幕進(jìn)行止水，基坑內(nèi)部采用一層預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系。

4 施工工藝

4.1 施工工藝流程

鋼筋混凝土壓頂梁及抗剪墩施工→型鋼立柱樁施工→立柱樁托座、托梁安裝→傳力件安裝→型鋼水平內(nèi)支撐安裝→安裝預(yù)應(yīng)力加載裝置→分級(jí)施加預(yù)應(yīng)力→基坑監(jiān)測(cè)→地下室結(jié)構(gòu)及換撐施工→預(yù)應(yīng)力卸載→型鋼組合內(nèi)支撐拆除及回收

4.2 鋼筋混凝土壓頂梁及抗剪墩施工

1）如圖1 所示，壓頂梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沿基坑支護(hù)樁一圈布置，截面尺寸1 400mm×800mm。

圖1 壓頂梁施工

2）型鋼水平內(nèi)支撐通過傳力件與壓頂梁連接，當(dāng)鋼支撐與壓頂梁交角小于90°時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)處受到的剪力最大。施工中可沿受力方向設(shè)置鋼筋混凝土抗剪墩（相當(dāng)于在壓頂梁與傳力件錨固端設(shè)置水平加腋），使該節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生支座反力以抵抗剪切荷載，增大型鋼支撐與支護(hù)樁結(jié)合部的安全系數(shù)，鋼筋混凝土抗剪墩與壓頂梁一體化施工（圖2）。

圖2 抗剪墩配筋受力方向

3）壓頂梁鋼筋綁扎完成后，將連接傳力件的螺栓預(yù)埋件點(diǎn)焊在壓頂梁鋼筋上，再澆筑壓頂梁混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。

4.3 型鋼立柱樁施工、托座件安裝

1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和場(chǎng)區(qū)控制線，用全站儀對(duì)立柱樁進(jìn)行定位并灑灰線做好標(biāo)記，立柱樁施工前再對(duì)其坐標(biāo)位置進(jìn)行復(fù)核。立柱樁宜采用靜壓法施工，可采用機(jī)械手將型鋼立柱插入土層中，插入過程中使用全站儀對(duì)立柱垂直度進(jìn)行控制。立柱樁垂直度允許偏差≤0.5%，定位偏差控制在50mm 以內(nèi)，樁頂標(biāo)高允許誤差±30mm。

2）當(dāng)基坑較深、立柱樁懸臂端過長(zhǎng)時(shí)，可通過設(shè)置剪刀撐以提高立柱樁的抗側(cè)移剛度。

3）托座、橫梁采用H300×300×10×15型鋼，立柱樁與托座、托座與橫梁之間通過M24×80 高強(qiáng)螺栓連接。

4.4 型鋼水平內(nèi)支撐安裝

1）如圖3、圖4所示，在跨度為113.3×72.5m 的平面規(guī)則的矩形深基坑平面布置一層型鋼組合內(nèi)支撐，基坑四角分別各設(shè)置3 道角撐（A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3，D-1、D-2、D-3）；基坑長(zhǎng)邊方向的中垂線位置設(shè)置一道中間對(duì)稱（E-1）。

圖3 預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐平面布置

圖4 型鋼內(nèi)支撐安裝

2）每道水平鋼支撐由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型鋼構(gòu)件組成，型鋼翼緣上密布螺栓孔，各構(gòu)件通過高強(qiáng)螺栓連接。每道水平鋼支撐兩端中心線的偏心誤差控制在20mm 以內(nèi)，兩端的標(biāo)高差≤20mm 且不得超過水平鋼支撐跨度的1／600。

4.5 安裝預(yù)應(yīng)力加載裝置

1）預(yù)應(yīng)力裝置安裝的數(shù)量及位置：當(dāng)型鋼水平內(nèi)支撐跨度≤30m 時(shí)，在水平鋼支撐一端安裝1 個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置；當(dāng)型鋼水平內(nèi)支撐跨度在30～60m 時(shí)，在水平鋼支撐中部安裝1 個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置；當(dāng)型鋼水平內(nèi)支撐跨度＞60m 時(shí)，在水平鋼支撐兩端各安裝1 個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置。

2）在角撐（A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3，D-1、D-2、D-3）及中間對(duì)稱（E-1）的中部位置各安裝預(yù)應(yīng)力加載裝置，加載裝置由加載橫梁、預(yù)應(yīng)力保力盒、液壓千斤頂、鋼墊片組成。

4.6 分級(jí)施加預(yù)應(yīng)力

1）預(yù)應(yīng)力應(yīng)遵循“對(duì)稱、同步、分級(jí)”的原則進(jìn)行施加。各液壓千斤頂同步工作，預(yù)應(yīng)力分級(jí)施壓，依次為總預(yù)應(yīng)力的20%、50%、30%，第一級(jí)壓力加載完成并保持壓力穩(wěn)定10min 后再進(jìn)行下一級(jí)施壓。預(yù)應(yīng)力施加達(dá)到設(shè)計(jì)值并保證壓力穩(wěn)定平衡后，方可鎖定千斤頂。預(yù)應(yīng)力加載值統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 預(yù)應(yīng)力加載值統(tǒng)計(jì)

2）加壓后，在預(yù)應(yīng)力保力盒與支撐梁結(jié)合處出現(xiàn)的縫隙中加塞鋼墊片，并將所有松動(dòng)的螺栓進(jìn)行緊固，最后等到支撐受力穩(wěn)定后取出千斤頂，并對(duì)型鋼支撐進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)。

3）型鋼組合內(nèi)支撐的軸力監(jiān)測(cè)采用全自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在軸力較大處或者起到控制作用的水平鋼支撐上安裝軸力監(jiān)測(cè)傳感器，利用頻率讀數(shù)儀進(jìn)行讀數(shù)并記錄歸檔。預(yù)應(yīng)力施加和卸壓期間，軸力監(jiān)測(cè)頻率為2 次／h 以上。

4.7 基坑監(jiān)測(cè)

型鋼支撐安裝期間：該期間由于型鋼支撐組裝，未形成閉合受力體系，支護(hù)體系處于懸臂狀態(tài)，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。型鋼支撐受力期間：該期間基坑正處于施工階段，支撐軸力不斷變化，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。型鋼支撐拆除期間：該期間基坑受力變形情況復(fù)雜，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4.8 地下室結(jié)構(gòu)及換撐施工

1）換撐原理：將地下室樓板部分延長(zhǎng)至支護(hù)樁側(cè)壁作為傳力帶，后澆帶位置采用工字鋼等作為傳力帶，基坑側(cè)壁壓力通過傳力帶傳遞到樓板結(jié)構(gòu)，最終傳遞到對(duì)面的支護(hù)樁，使對(duì)稱兩邊的應(yīng)力相互抵消，從而保證基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性。

2）換撐流程：基礎(chǔ)底板換撐施工→負(fù)一層底板換撐施工→拆除第一層型鋼組合內(nèi)支撐。

3）基礎(chǔ)底板換撐：基礎(chǔ)底板混凝土澆筑時(shí)，整個(gè)基坑內(nèi)的混凝土需滿堂澆筑到支護(hù)柱邊，基礎(chǔ)底板后澆帶位置設(shè)置傳力型鋼（18#工字鋼@2000）。

4）負(fù)一層底板換撐：負(fù)一層底板與支護(hù)樁之間設(shè)置厚度及配筋同負(fù)一層梁板的2m 寬換撐塊結(jié)構(gòu)，樓板后澆帶位置設(shè)置傳力型鋼（18#工字鋼@2000）。

5）負(fù)一層底板強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可進(jìn)行卸壓，達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可拆撐。

4.9 預(yù)應(yīng)力卸載

1）型鋼組合內(nèi)支撐拆除前應(yīng)先釋放預(yù)應(yīng)力，釋放過程中對(duì)型鋼支撐進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

2）預(yù)應(yīng)力釋放遵循“對(duì)稱、同步、分級(jí)”原則，每級(jí)預(yù)應(yīng)力釋放后應(yīng)觀察30min，并檢查型鋼支撐及基坑周邊變形情況，如有異常應(yīng)立即停止卸壓并糾偏整改。

3）預(yù)應(yīng)力釋放時(shí)，先用液壓千斤頂頂開加載橫梁，取出鋼墊片再卸除保力盒，然后松開千斤頂，最后依次松動(dòng)高強(qiáng)螺栓拆除構(gòu)件。

4.10 型鋼組合內(nèi)支撐拆除及回收

先拆除中間對(duì)撐，再拆除角撐。拆撐順序按照：支撐蓋板、系桿→型鋼水平內(nèi)支撐→傳力件、型鋼圍檁→型鋼托梁、托座→型鋼立柱樁，依次拆除各支撐構(gòu)件。拆除的構(gòu)件集中堆放回收至廠家，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)型鋼構(gòu)件可重復(fù)利用。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

本工程基坑內(nèi)支撐采用“SMW 工法樁+預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐結(jié)構(gòu)體系”與原設(shè)計(jì)的“SMW工法樁+鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)”進(jìn)行成本對(duì)比分析，實(shí)際施工中采用的預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系施工費(fèi)用約157 萬(wàn)元，若采用原設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土支撐則需要花費(fèi)成本約345 萬(wàn)元。僅從造價(jià)方面分析直接節(jié)省費(fèi)用約為188 萬(wàn)元，充分體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐在深基坑支護(hù)中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

6 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系作為一種新技術(shù)，其滿足工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工、現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工，機(jī)械化程度高、施工速度快可有效節(jié)約工期；型鋼截面尺寸較小，通過合理的布局設(shè)計(jì)可提供較大的基坑作業(yè)空間；基坑結(jié)束后，各型鋼構(gòu)建可回收利用，對(duì)環(huán)境殘留小，滿足資源循環(huán)利用和綠色施工的要求。

預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系可以與SMW工法、TRD 工法、灌注樁排樁及地下連續(xù)墻等懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)配合使用，共同組合作為基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一、二、三級(jí)的深基坑支護(hù)工程。