預應力魚腹式梁結構在基坑支護中的應用

中鐵建設集團有限公司華東分公司 上海 201103

1 預應力魚腹式梁結構簡介[1-5]

預應力魚腹式梁結構由型鋼梁、鋼絞線組成，其跨度可以達到60 m以上，其結構如圖1所示。由圖可知在基坑側壓力作用下，預應力魚腹式梁圍檁結構將向基坑內變形，通過對鋼絞線施加預應力，從而使魚腹式梁支撐桿件產生一個反作用力，使作用在魚腹式梁圍檁上的彎矩相應的減少，從而降低魚腹式梁的彎曲變形量，即使預應力魚腹式梁產生了較大抗彎剛度。將預應力魚腹式梁通過專用結點與角撐或對撐梁結構合在一起，便組成了預應力支護系統。

圖1 預應力魚腹式梁支護結構

2 工程應用實例

2.1 工程概況

連云港工業展覽中心位于江蘇省連云港市花果山大道東側、鹽坨西路南側，基坑開挖面積約13 050 m2，圍護總長度約592 m，基坑所處場地平坦，地下管線分布情況不詳。本基坑土±0.00 m相當于黃海高程+4.75 m，場地黃海高程約+3.55 m（相當于－1.20 m）。底板開挖標高為－2.60 m （相當于－7.35 m），實際開挖深度為6.15 m。該處地下水位較高，分布有厚達10 m的淤泥層，支護設計方案經綜合比選后采用預應力PHC管樁+預應力魚腹式梁工具式組合內支撐+局部鋼筋混凝土支撐。

本設計方案中，該基坑采用1 道預應力魚腹式梁工具式組合內支撐工藝，第1道支撐為單拼結構（對撐最大跨度為47 m，魚腹式梁最大跨度為46 m。構件之間均采用10.9級高強螺栓螺母（M24 mm×80 mm）將托座、支撐梁安裝在型鋼立柱上，對撐、角撐、魚腹式梁結構施加預應力后，使用專用工具擰緊全部連接螺栓；工具式組合內支撐（材質均為Q345B）采用固定工廠加工定制的標準件進行現場安裝；牛腿材料為角鋼L90 mm×90 mm×10 mm，由現場焊接。

土方開挖階段遵循“豎向分層、縱向分段、中部拉槽”，“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的總體原則。土方開挖到第1道支撐工作面立即開始安裝第1道工具式鋼支撐，并施加預應力，而后再進行土方的開挖。

2.2 施工工藝流程

預應力魚腹式梁工具式組合內支撐的拼裝施工工藝見圖2。

2.3 型鋼立柱施工

立柱規格采用300 mm×300 mm×10 mm×15 mmH型鋼，總長度12 m，插入坑底以下7.5 m。立柱施工采用機械手工具直插型鋼法，型鋼插入時，如未能對準樁位，應將型鋼拔起重插，若因遇地下障礙物，偏離樁位時，立即將型鋼拔起，清除地下障礙物，將孔回填后，重新放上型鋼，再次插樁。插型鋼時要注意型鋼腹式板的方向，現場技術員根據圖紙設計的立柱樁腹式板方向，在現場用一段30 cm的白灰將腹式板方向標示出來，插型鋼時，使型鋼腹式板和白灰線重合。

圖2 預應力魚腹式梁工具式組合內支撐施工工藝流程

2.4 牛腿施工

牛腿的位置與標高應根據設計圖紙確定。基坑四周閉合邊線上的角鋼牛腿上表面設置應與圍檁H型鋼下表面在同一個水平面，允許高差不大于±2mm。牛腿焊接前須徹底清理連接部位（如預埋件、H型鋼等）不小于200 mm×200 mm范圍內的鐵銹、油污、混凝土殘留物等雜物。焊好的鋼牛腿須保證三處連接部位牢固可靠，有足夠的穩定性，不得出現歪扭、虛焊現象；橫杠水平度誤差要控制在2 mm以內，且其仰角應控制≥90°，且不得超過95°。

牛腿與圍護結構既有鋼件對接過程中，須有測量員全程對牛腿的垂直度、標高、水平度等進行監控（圖3）。

圖3 牛腿、圍檁安裝節點

2.5 基準點設置及拉線定位

圍檁安裝之前須確定軸線基準點，用全站儀或者經緯儀通過坐標計算測設基坑相鄰2 個轉角內側的基點，通過該基點采用拉線的方法進行平面安裝定位。要求實際安裝軸線偏差不得超過±20 mm。定位好之后在牛腿上面作出標記以供圍檁安裝位置控制之用。

基坑內側圍檁單邊定位線需滿足在1 條直線這一基本要求，可在施加預應力后保證外側圍護結構均勻受力。

2.6 圍檁安裝

安裝圍檁應遵循“先長后短，減少接頭數”的原則，優先使用較長圍檁，特別是標準節12 m的構件，以減少接頭數。圍檁隨支撐架設順序逐段吊裝，人工配合吊機將鋼圍檁安放于牛腿支架上，圍檁就位后應檢查鋼牛腿是否因撞擊而松動，如有松動立即補焊加固。圍檁的連接部位和搭接部位必須滿足強度要求，使用高強螺栓緊固連接。

2.7 托座與支撐梁安裝

托座件的安裝務必控制其水平標高，通過角撐、對撐、魚腹式梁的定位標高反推其頂面水平標高，誤差不得超過±5 mm；托座上部標高=支撐結構中心標高（H型鋼規格的1/2+支撐梁規格）。

托座件的安裝要求嚴格控制垂直度，即使H型鋼立柱發生偏位，托座務必要通過加墊鋼板達到垂直要求。假如立柱的標高定位發生偏差時，可以用槽鋼代替托座（臨時調整方式）與支撐梁進行連接，需在支撐梁和原托座上使用氧氣乙炔現場開孔時，注意控制孔徑大小，避免受力后螺栓出現滑脫；另外，立柱與托座連接螺栓的安裝方向需要保持一致。

安裝后的托座件須與型鋼立柱樁緊固牢靠，摩擦型高強螺栓的扭矩需達到規定要求（圖4）。

圖4 立柱托座安裝

預應力施加完成之后，施工人員務必檢查確保支撐橫梁與角撐、對撐、魚腹式梁的有效連接；尤其是角撐和對撐須用高強螺栓進行緊固，以提高預應力支撐體系的整體剛度。

2.8 角撐安裝

角撐與圍檁之間有夾角，不易直接安裝并施加預應力。每道角撐安裝前應先在地面進行預拼接并檢查預拼后支撐的順直度，拼接支撐兩頭（含千斤頂及TO構件）中心線的偏心度控制在2 cm之內，經檢查合格后按部位進行整體吊裝就位。

角撐預拼過程中，將WA構件、專用千斤頂、TO構件等通過高強螺栓連接牢固，另專用千斤頂的十字鎖扣須設置在正中間，即前后各留3 絲的余地，以便于拆除時預應力的卸除。

2.9 魚腹式梁安裝

本工程魚腹式梁按跨度分為14 m、17 m、36 m、46 m這4 種規格，其安裝工藝基本相同。

魚腹式梁安裝應按照設計跨度在地面進行預拼，螺栓緊固務必達到設計及規范要求。魚腹式梁預拼完成后整體起吊擺放在支撐牛腿上，支撐起吊后兩端由人工牽引，確保支撐整體穩定。

2.10 對撐安裝

對撐安裝應在地面進行預拼，嚴格控制支撐平面的平直度，拼接支撐兩頭中心線的偏心度控制在±2 mm以內。對撐就位時要采用兩點或四點吊裝，吊點宜控制在離端部0.2L處。

對撐兩端安裝就位后的標高差不大于20 mm及整個對撐長度的1/600。對撐整體撓曲度控制不大于跨度的1/1 000。

對撐與對撐的水平軸線偏差不大于30 mm，其與鋼圍檁的夾角須確保達到設計要求，避免造成失穩。

2.11 預應力施加

裝配式支撐的各構件布置完后施加預應力的順序為：檢查各部件螺栓的連接是否緊固，傳力件與圍護體系的連接狀態→對撐加壓→角撐加壓→鋼絞線加壓。

（a）鋼絞線安裝時要左右對稱。

（b）張拉鋼絞線時，檢查張拉部位和連接部位（傳力件焊接處和螺栓連接處）后再行施工。

（c）鋼絞線張拉時要逐根進行，采用分批超張拉的方式，避免部分張拉不到位，一定要形成整體并均勻受力。

（d）鋼絞線的張拉首先張拉30%，收緊鋼絞線，之后張拉70%，穩定后再加載至100%荷載，即0→30%（收緊鋼絞線）→70%→115%設計預應力值，以保證整個魚腹式梁鋼束張拉完畢后滿足設計規定張拉鎖定值（超張拉15%）。按照3 次循環張拉的原則繼續張拉中間一層和最上層的鋼絞線。每層張拉結束后待穩定15～20 min后再進行下一步驟。

（e）鋼絞線張拉時鋼絞線的伸長率、預應力、鋼絞線張拉器以及特殊情況等要記錄并存檔。

2.12 變形監測

工具式支撐系統的變形監測一般與基坑監測同步進行，監測內容有整體相對水平位移、構件軸力變化。具體見圖5。

3 施工注意事項

3.1 鋼圍檁吊裝

鋼圍檁起吊時鋼柱根部必須墊實，盡量做到回轉扶直，根部不拖，起吊回轉過程中應注意避免同其它已吊好的構件或圍護結構等相碰撞，吊索保持一定的有效高度。

起吊過程中拉好纜風繩，確保順利就位。就位后嚴格檢查平整度，以求切實起到傳遞力的作用，盡可能避免偏心。

圖5 魚腹式梁安裝完成情況

3.2 角撐、對撐及魚腹式梁吊裝

本工程角撐、對撐和魚腹式梁均采用標準件組合拼裝，現場安裝采用兩點起吊，就位后先用沖釘將螺栓孔眼卡緊，穿入安裝螺栓，安裝螺栓數量不得少于螺栓總數的1/3。嚴禁直接使用高強螺栓代替安裝螺栓。安裝螺栓時嚴禁任意擴孔，連接面必須平整。

3.3 支撐體系的保護

在整個預應力魚腹式梁工具式組合內支撐安裝完成，預應力施加結束之后，支撐系統的保護至關重要。在基坑內容易引起施工機械碰觸的型鋼立柱、魚腹式梁結構、對撐及角撐上設置明顯的警示標示，另外在出土通道周圍張貼反光警示帶，目的是提示交叉施工單位或者相鄰施工工序的作業人員重點注意，避免對支撐系統發生碰撞和損壞，從而保障整個支護體系的穩定和安全。

4 結語

工程實踐表明：預應力魚腹式梁支撐結構具有施工速度快、安全和占用空間小等優點，在滿足支護結構強度、剛度要求下可最大限度地減少空間占用，降低對后續工程的施工影響，且可重復利用，有著較好的綜合經濟效益。