裝配式預應力鋼支撐基坑支護施工技術

中國路橋工程有限責任公司，北京 100011

傳統鋼支撐強度大，可以重復利用，但對于大型基坑，鋼支撐材料布置密度高，對土方開挖施工安排和安全性要求較高。鑒于此，裝配式預應力鋼支撐應運而生（見圖1）。標準化構件的應用可以滿足不同現場環境的要求，無須現場加工，顯著節省了施工空間，改善了施工條件，便于土方開挖，縮短了工期。材料的循環利用率高，促進了建筑行業的可持續發展。

圖1 裝配式預應力鋼支撐現場效果圖

1 工程概況

該基坑支護工程，主要用于興建一條長0.5km的地下車行隧道以及相關的行人路、街道照明、交通輔助設施、排水系統、污水系統、水管、環境美化和附屬工程。

基坑開挖前，在基坑中部打入工字鋼作支撐中柱，通過縱向鋼材與裝配式鋼支撐連接，增強穩定性和強度，達到增大支撐間距的目的，便于土方開挖。土方開挖采用分區、豎向分層開挖的方式，土方開挖至每一層支撐面后立即用螺栓連接安裝裝配式鋼支撐，并施加預應力，由第三方獨立查驗機構驗收合格并出具合格證書后方可開挖至下一支撐面。開挖至基坑底設計標高澆筑墊層時，進行隧道結構施工，待隧道結構強度達到設計強度并逐層回填后，依次拆除鋼支撐。隧道結構完成后，土方回填至指定標高，完成道路工程及管線施工。

2 裝配式預應力鋼支撐構造

該裝配式預應力鋼支撐加工滿足規范《the Structural Use of Steelwork in Buildings》（BS EN 10025:2004），主要包括一對工字鋼通過螺栓與槽鋼和角鋼連接。施工人員根據現場實際開挖情況采用定制長度生產鋼支撐，并最終在現場進行組裝（見圖2），工字梁型號包括101kg/m、125kg/m、155kg/m、174kg/m、195kg/m、235kg/m、313kg/m 以及381kg/m。此外，在施加預荷載以及基坑轉角位，通過生產特殊的構件以滿足施工要求。所有連接和誤差均應滿足《National Structural Steelwork Specification》（BCSA）。

圖2 裝配式預應力鋼支撐構件示意圖（單位：mm）

3 裝配式預應力鋼支撐基坑支護施工流程

3.1 基坑開挖前工序

在基坑開挖之前，施工人員需要安裝監測點，得到初始讀數以觀測施工過程中深層水平位移以及周邊地下管線或建筑物沉降等。打入基坑工字鋼中柱及進行鋼板樁施工，當遇到有地下管線而無法進行鋼板樁施工時，在兩邊鋼板樁之間焊接10～12mm厚的橫向鋼板作為擋土板，每開挖至最多1m深便要焊接擋土板以確保基坑穩定及安全性。由于該基坑面積較大，需要通過抽水試驗觀察抽水對承壓水引起的水位變化特征。隨后進行降水井施工，利用鉆機定位鉆孔、洗井下泵，布置排水路線及電纜電路。

3.2 基坑開挖及鋼支撐安裝

該基坑采用縱向分層開挖，開挖至每一層鋼支撐底200mm處停止開挖并將其作為工作面。對于托座位置，施工人員可以進行30°坡度的局部開挖以安裝圍檁或縱向鋼材托座，托座焊接于鋼板樁或中柱之上，焊接質量需要通過香港所認可實驗機構的無損試驗。安裝圍檁、縱向鋼材并通過螺栓安裝裝配式鋼支撐構件。施工人員將螺栓擰緊后需要利用扭力扳手進行檢查并做記錄。在圍檁與鋼板樁之間的縫隙中澆筑填充混凝土，當混凝土強度達到30MPa后才可以對鋼支撐施加預應力，并利用液壓千斤頂對鋼支撐施加預荷載，以滿足設計要求。

3.3 鋼支撐預壓

將液壓千斤頂放入鋼支撐構件中（見圖3），壓力機將會顯示施加的預荷載，先施加設計荷載的50%，2min內繼續施加剩余荷載。達到設計荷載后，等待5min觀察壓力計的變化情況，之后施加額外荷載（應小于115%），并在縫隙之中插入墊片的同時重新檢查擰緊螺栓。基坑轉角的斜支撐應等同一支撐層的所有橫向鋼支撐預壓完成后，再成對進行預加載。預壓記錄由各方簽字并提交。

圖3 裝配式鋼支撐預應力施工

4 裝配式預應力鋼支撐基坑支護的主要控制點

4.1 鋼支撐構件滿刻度荷載試驗

在鋼支撐構件運往現場安裝前，需要進行荷載試驗，以得到構件最大承載力、破壞模式、應力分布、荷載變形等參數，并確定材料再次利用的強度和安全性。為了達到該試驗目的，支撐系統構件需加載至破壞。

4.2 焊接質量控制

對于基坑支護施工中的焊接，需要由香港所認可的實驗機構進行無損焊接測試，焊接測試的頻率應滿足《Code of Practice for the Structural Use of Steel 2011》（Buildings Department）。對于角焊縫，應進行100%目視檢查、10%磁粉或磁性滲透檢查；對于對接焊縫，應進行100%目視檢查、100%磁粉或磁性滲透檢查以及100%超聲波測試，以確保焊接質量，焊接測試報告需要提交給獨立檢查工程師作為參考，并出具每一層支護系統的可靠性證書，才可繼續進行開挖工作。

4.3 支護系統安裝

鋼板樁和工字鋼基坑中柱需要嚴格控制垂直度，且應進行交叉檢查，鋼板樁鎖扣嚴密，并做好量測記錄，確保插入深度不小于設計深度。開挖過程應分層分段開挖，嚴禁超挖，挖斗不得碰撞鋼板樁。為確保基坑穩定性，應嚴格控制各個支撐構件的安裝標高，精準放線，將支撐標高及水平位置于現場清晰標出，遵循設計標高要求，誤差不得大于5mm。托梁間隔不得大于設計間隔。鋼支撐吊裝采用90t和100t履帶起重機，在吊裝前用鐵板焊接于支撐兩端作定位限制器。各個構件安裝時應確保螺旋緊固，定期檢查，做好記錄。預壓所用儀器設備應定期標定，按照設計荷載及時間要求進行預壓，對預壓結果應做好記錄及存檔。

5 結束語

裝配式預應力鋼支撐構件標準化可嚴格控制構件質量，且全部采用螺栓連接，安裝及拆除時間快，節省了工期，避免了煩瑣的現場工序以及潛在危險動作，并減少了對環境的污染。裝配式鋼支撐構件可以根據現場施工條件進行加工生產，可以更好地契合施工場地及不同施工方案。鋼支撐本身的剛度大、形變小，施加預應力后可以減少基坑變形，增加基坑穩定性。此外，鋼支撐構件在拆除之后可以二次利用，節省工程造價，隨著工程企業對于工期管理及成本控制的日益重視，裝配式預應力鋼支撐在深基坑支護中的應用會越來越廣泛。