可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術研究

劉鑫錦

中鐵隧道勘測設計院有限公司

可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術研究

劉鑫錦

中鐵隧道勘測設計院有限公司

可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術的研究使得鋼筋混凝土支撐系統的專業化發展的程度會更高，對于減少支撐系統鋼筋、混凝土用量，提高工作效率，降低能源消耗、減小勞動強度及環境污染有著非常積極的作用，具有很大的經濟與社會效益。

混凝土支撐；可重復；循環使用

1 引言

隨著人類文明的不斷進步，世界范圍內城市化進程不斷加快，土木工程技術得到了前所未有的發展機遇。建筑業作為國民經濟建設的第一大行業，隨著經濟增長的需要，在未來一段足夠長的時間仍然承擔著巨大的建設生產任務。建筑業的發展也就意味著巨大的資源消耗，作為常規耗材的鋼筋混凝土結構由于自身的優越性，其消耗量必然是相當巨大的，因此在社會發展過程中鋼筋混凝土結構材料也逐漸成為人類文明建設中不可缺少的物質基礎。

20世紀90年代以來，全世界每年建設需消耗約80億立方米的混凝土。據統計，目前，美國每年廢棄混凝土量約為0.6億立方米；德國，每年拆除的廢棄混凝土約為0.12立方米/人；在我國，每年混凝土耗用量大約20～30億立方米，廢棄的建筑垃圾約4200萬立方米，其中34%屬于廢棄混凝土，約1428萬立方米；若按砂石用量占鋼筋混凝土總質量的70%來算，我國每年需要開采約為14～21億立方米的砂石，若按海拔500米的山地進行折算，也就相當于我國每年約有840公頃的山地被夷平，這對資源環境的破壞是不言而喻的，如果不加限制地開采，隨意開采，甚至濫采濫用，這不僅會造成天然骨料短缺，且廢棄混凝土很難進行自我消化，嚴重破壞自然環境和生態平衡。由此引發的環境問題也很明顯，如對耕地的占用、對景觀的破壞、粉塵對環境的污染等。進入21世紀后，人口的不斷增長對各種資源、能源的消耗量不斷增加，資源枯竭、能源危機、環境惡化等問題愈加嚴重。如何減少、利用建筑垃圾，對其進行資源化利用，成為當前混凝土生產、使用技術的新課題和新挑戰。2003年7月，我國在《21世紀初可持續發展行動綱要》中[1]明確提出“在資源保護方面，要合理使用、節約和保護水、土地、能源、森林、草地、礦產、海洋、氣候等資源，提高資源利用率和綜合利用水平”。因此，研究臨時鋼筋混凝土構件的重復循環利用、提高混凝土構件的使用壽命對于減小鋼筋、混凝土用量，降低資源、能源消耗、提高工作效率，減少混凝污染有著非常重要的意義。

鋼筋混凝土結構的主要組成材料有粗骨料、細骨料（砂、石）、膠凝材料以及在鋼筋混凝土結構中起骨架作用的鋼筋等。長期以來，砂石骨料因其來源廣泛、價格低廉，常被認為是取之不盡、用之不竭的原材料，然而從某種意義上講，天然砂、石屬不可再生資源，它們的形成需要漫長的地質年代。混凝土結構的生命周期往往只有幾十年，更有甚者作為臨時結構使用的混凝土可能只有短短的數月甚至數十天，這些臨時結構完成其使用功能后，常常會被拆除，舊混凝土就會被廢棄。

2 工程背景

地鐵車站基坑開挖過程中，作為臨時支護結構的鋼筋混凝土支撐在地鐵車站明挖基坑圍護結構支撐系統中使用相當普遍，然而地鐵車站主體結構施工期一般為6～7個月，因此這種臨時支撐的使用壽命大部分小于6個月，部分支撐的使用壽命甚至不足2個月，即被拆除。由于鋼筋混凝土自身組成材料及其特性，其拆除過程時間長、工作效率低、勞動強度大，產生的建筑垃圾易造成環境污染，尤其在其拆除過程中產生大量的粉塵、噪音對現場工人的身體健康產生危害，嚴重影響周邊局面的生活。迫切需要探求一種能夠既能滿足工程需要又能提高工作效率，減少資源浪費的支撐體系。

3 設計思路

為解決上述問題，本文提出一種可重復循環使用的鋼筋混凝土支撐技術。結合地鐵明挖車站基坑支撐系統設計的要求將本文所述可重復循環使用的支撐分為鋼筋混凝土“米”字型支撐，鋼筋混凝土對撐、斜撐。鋼筋混凝土“米”字型支撐按照不同的基坑寬度分成支撐可重復循環使用段和后澆段兩部分，可重復循環使用段又分為矩形截面可重復循環使用段及“W”形可重復循環使用段。鋼筋混凝土對撐、斜撐則根據地鐵車站基坑標準化設計寬度將矩形截面對撐、斜撐分為數個循環使用段和后澆段。可重復循環使用段支撐在預制場按照基坑支護普遍性要求提前預制。預制鋼筋混凝土支撐循環使用段時考慮與后澆段連接的要求將與后澆段連接的預制段接觸面做特殊槽口處理。基坑圍護結構系統施工時根據設計要求將鋼筋混凝土支撐的可重復循環使用段現場進行拼裝，并預留出相應后澆段。施工支撐后澆段（鋼筋工程、模板工程、混凝土工程），對后澆段混凝土進行養護，待其達到設計強度后進行基坑開挖。當混凝土支撐完成使用功能，對混凝土支撐進行拆除時，僅對支撐后澆部分的混凝土進行拆除，將前期場外預制鋼筋混凝土支撐循環使用段轉運至車站基坑不同部位或者其他圍護結構基坑支護系統中重復循環使用，如圖1。

圖1 可重復循環使用的鋼筋混凝土支撐結構圖

①支撐與冠梁（圍檁）后澆段，②支撐“W”形循環使用段，③支撐合攏段，④支撐矩形截面循環使用段，⑤冠梁（圍檁）。

4 實施過程

圖2 可重復循環使用的鋼筋混凝土支撐拆解圖

根據圖1所述可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術是將基坑支護工程中的混凝土支撐分為預制可重復循環使用段②、④和施工現場后澆段①、③。可重復循環使用段根據支撐截面形式不同又分為②支撐“W”形循環使用段及④支撐矩形截面循環使用段。可重復循環使用段在支撐工程施工之前在預制場按照標準件制作完成，并混凝土強度達設計要求。待支撐施工時把已經預制完成的可重復循環使用段②、④在施工現場吊裝到位，并預留可重復循環支撐段②、④之間的支撐合攏段以及可重復循環支撐段②、④與⑤冠梁（圍檁）的后澆段，按照可重復循環支撐段預留的鋼筋接駁系統施工各后澆段鋼筋、模板工程，澆筑后澆段混凝土并養護。依此方法施工其余混凝土支撐，待后澆段混凝土支撐達到設計強度后進行基坑開挖，重復循環上述作業過程完成基坑支護系統中混凝土支撐施工。當混凝土支撐完成使用功能需要拆除時，僅對支撐后澆段和支撐合攏段部位的混凝土進行拆除，將前期場外預制混凝土支撐循環使用段轉運至基坑不同部位或者其他圍護結構基坑支護系統中重復循環使用。

可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術中混凝土支撐可重復循環使用段制作②、④采用場外預制成型，為避免②、④鋼筋搭接接頭面積百分率超過規范要求和端頭部位混凝土在①、③拆除時發生破壞影響其重復循環使用，在混凝土支撐可重復循環使用段②、④制作時將其各端頭與后澆段①、③接觸斷面設計成企口狀，并在端頭預埋不小于20mm厚鋼板，在預埋鋼板上根據預制段受力鋼筋數量開洞并在洞內埋設鋼套筒，將預制段鋼筋與鋼套筒連接，并為后澆段和支撐合攏段鋼筋預留鋼筋接駁。在預埋鋼板非預留鋼筋接駁部位焊接一定數量的鋼筋，以增加可重復循環使用段制作②、④和后澆段①、③混凝土之間的拉接力。

可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術中混凝土支撐合攏段③長度可根據混凝土支撐可重復循環使用段②、④長度適當調節，但包含混凝土支撐可重復循環使用段兩端企口在內的混凝土支撐合攏段③長度不應小于1500mm，其中每個企口段長度為500mm。后澆段鋼筋與支撐可重復循環使用段鋼筋通過企口部位鋼板預留的鋼筋接駁器相接，鋼筋數量同支撐可重復循環使用段鋼筋數量。后澆段混凝土采用與支撐可重復循環使用段同等級不收縮混凝土或者微膨脹混凝土澆筑，減小后澆段混凝土收縮對支撐造成的影響。

可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術中混凝土支撐包含混凝土“米”字形支撐，對撐及支撐桁架的可重復循環使用，其中混凝土支撐截面矩形寬度為300mm～1500mm，截面高度為400mm～3000mm。為方便鋼筋混凝土支撐的吊設，在可重復循環使用鋼筋混凝土支撐頂面預埋一定數量的吊鉤，并根據支撐循環使用次數在支撐邊角部位預埋角鋼對混凝土支撐進行保護，增加重復循環使用數量。

可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術中混凝土支撐預制段兩端預埋鋼板上非預留鋼筋接駁部位焊接的鋼筋采用HRB400級鋼筋，直徑不小于18mm，梅花形布設，間距為150mm～200mm，鋼筋長度不小于250mm。用于增加后澆混凝土與混凝土支撐可重復循環使用段的粘結力。

5 小結

本文提出的可重復循環使用鋼筋混凝土支撐技術解決了目前國內地鐵明挖車站基坑圍護結構支撐系統中傳統鋼筋混凝土支撐現場澆筑，當其影響車站主體結構施工時進行拆除，鋼筋混凝土支撐只作為臨時支撐結構一次性使用不可重復循環利用的問題。使得鋼筋混凝土支撐可以重復循環使用，有效的減小了支撐系統的鋼筋混凝土用量，提高了鋼筋混凝土支撐施工的工作效率，減小了作業工人勞動強度，降低了能源消耗、環境污染等。本文所提出的技術方法在支撐開挖面不規則需要設置桁架支撐的部位也適用，后續將加強可重復循環使用鋼筋混凝土支撐與重復使用混凝土或鋼立柱連接部位的研究。

[1]全國推進可持續發展戰略領導小組辦公室.中國21世紀初可持續發展行動綱要[J].湖北省人民政府公報,2003(4).