大跨度不規(guī)則端頭井鋼斜撐施工技術(shù)研究

李秋霜 湯 宇

(中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

作為城市地鐵的重要組成部分——端頭井基坑，其支撐體系即受到彎矩和剪力及軸向力作用。一般情況下，因端頭井沒有拐角，常通過在基坑內(nèi)設(shè)置密集的水平斜向鋼支撐，以對撐形式限制基坑變形。然而，不規(guī)則敞口式端頭井，由于基坑深度大及拐角的存在，鋼圍檁斜撐段與直撐段標高不一致，未形成連續(xù)整體，其受剪力傳遞荷載不連續(xù)，造成不規(guī)則端頭井鋼支撐受力情況復(fù)雜，架設(shè)難度大。若施工不當(dāng)，很容易造成基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警，甚至因基坑變形過度而造成基坑坍塌。所以，掌握大跨度不規(guī)則端頭井鋼支撐體系質(zhì)量控制重點和施工技術(shù)格外重要。

1 工程概況

1.1 項目概況

廈門軌道交通3/4號線雙滬站～空港經(jīng)濟區(qū)站區(qū)間共建段，全長約293 m，為矩形結(jié)構(gòu)，頂板覆土約0.5 m～5.8 m，結(jié)構(gòu)寬度32.73 m～48.16 m，基坑深約7.62 m～15.94 m，基坑圍護形式為地連墻+內(nèi)支撐體系，采用明挖順筑法施工。其中端頭段為3/4號線雙線雙向盾構(gòu)始發(fā)井，基坑跨度大，由三道支撐體系組成，其中第一道為800 mm×1000 mm混凝土支撐；第二、三道均為鋼支撐，如圖1所示。

圖1 敞口式端頭井鋼支撐布置圖

1.2 鋼支撐體系布置

該項目鋼支撐體系由內(nèi)支撐與豎向支撐兩部分組成，基坑內(nèi)支撐中，平面標準段采用一道直撐對頂，在敞口式端頭井處則采用斜向?qū)巍Ｆ渲卸祟^井設(shè)計如下：①因深度大，設(shè)置兩道鋼斜撐，且斜撐段與直撐段標高不一致，鋼圍檁不連續(xù)。②采用φ800 mm，t=16 mm鋼支撐，鋼管端頭分活動端與固定端兩種形式，兩者同一水平面內(nèi)交錯布置，間距3 m。

豎向支撐由灌注混凝土立柱樁和鋼立柱(形式為角鋼格構(gòu)柱、H型鋼連梁以及角鋼剪刀撐等)一體化施工完成，其主要功能是作為大跨度鋼支撐的豎向承重結(jié)構(gòu)，并保證鋼支撐的縱向穩(wěn)定，加強鋼支撐體系的空間剛度，如圖2所示。

圖2 敞口式端頭井鋼支撐剖面圖

2 端頭井鋼支撐施工及預(yù)加軸力分析

2.1 基坑變形機理

研究表明，敞口式端頭井基坑變形原因，存在土方開挖、外部荷載作用、地下水位變化等因素影響。但根本原因在于基坑開挖，導(dǎo)致端頭三面圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)失去原有土壓力，而外側(cè)承受的主動土壓力不變，在內(nèi)外壓力差的作用下，產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)變形[1]。

故設(shè)計單位在端頭井鋼圍檁支撐節(jié)點處加設(shè)三角盒子，改變鋼支撐受力方向，又通過在基坑格構(gòu)柱上搭設(shè)的鋼系梁抱箍固定鋼支撐，實現(xiàn)了端頭井三面圍護結(jié)構(gòu)兩兩対撐，有效解決了基坑內(nèi)外土壓力不平衡的問題。

然而，設(shè)計單位往往忽視該支護形式為斜向受力的問題。由于鋼支撐是以斜向頂撐于鋼圍檁上，其受到基坑外土壓力作用時，產(chǎn)生的軸向反作用力N作用在鋼圍檁上，又可分解為水平分力F1及豎向分力F2。其中豎向分力F2與基坑外土壓力相互抵消，防止基坑出現(xiàn)變形，屬于基坑穩(wěn)定力；而水平分力F1因平行作用于鋼圍檁上，屬于剪切力，易使鋼圍檁產(chǎn)生水平滑移，造成基坑支撐內(nèi)力失衡，如圖3所示。

圖3 鋼斜撐與鋼圍檁受力分析簡圖

此外，施工階段，因受材料、設(shè)備、人員技術(shù)水平、質(zhì)量監(jiān)管強度等因素的影響，鋼支撐架設(shè)難免存在鋼圍檁連接和鋼支撐架設(shè)不規(guī)范現(xiàn)象。

因此，對于不規(guī)則端頭井鋼斜撐，設(shè)計階段應(yīng)針對水平力F1增加有效的抗剪切滑移措施；施工階段應(yīng)強化過程質(zhì)量管控，明確監(jiān)管重點，避免因施工不規(guī)范及支撐軸力過大導(dǎo)致整個支撐體系變形失效。

2.2 鋼支撐預(yù)加軸力消散成因分析

根據(jù)鋼材輕質(zhì)、高強、具彈塑性等材料特性，設(shè)計通過預(yù)先給鋼支撐施加一定軸力，來抵抗基坑側(cè)向土壓力，可以起到抑制基坑變形的作用[2]。然而，實際施工過程中，常常出現(xiàn)鋼支撐預(yù)加軸力消散過快的情況，尤其是端頭井斜撐處問題較為明顯。下文以雙空區(qū)間端頭井斜撐范圍內(nèi)，若干鋼支撐預(yù)加軸力損失情況為例，分析鋼支撐預(yù)加軸力消散原因。

該項目敞口式端頭井由于跨度大、不規(guī)則等因素，造成鋼支撐受力變形較為復(fù)雜，同時鋼斜撐吊裝工序相較標準直撐段繁瑣，施工質(zhì)量控制難度大，直接造成鋼斜撐預(yù)加軸力過快消散的問題較為突出。經(jīng)分析，常見原因如下：

(1)地連墻成槽、澆筑階段，因質(zhì)量管控不力，導(dǎo)致地連墻背土側(cè)出現(xiàn)鼓包、凹凸不平等質(zhì)量問題，如圖4所示。加之基坑開挖過程中缺陷處理不到位，導(dǎo)致鋼圍檁架設(shè)后與地連墻之間未密貼，出現(xiàn)較大空隙，成為鋼支撐預(yù)加軸力消散的主要原因[2]。

圖4 地連墻背土側(cè)出現(xiàn)鼓包、凹凸不平等質(zhì)量問題

(2)端頭井斜撐段由于鋼支撐并非垂直作用在鋼圍檁上，鋼圍檁即受到彎矩和剪力作用，同時受到軸向力作用，易出現(xiàn)鋼圍檁偏移、鋼支撐偏位的情況，造成軸力消散。

(3)鋼支撐預(yù)加軸力時，存在一次加壓到位的情況，未嚴格按照設(shè)計要求分級施加[3]。單次加壓過大，會造成鋼支撐連接法蘭盤錯位、鋼圍檁及附加鋼板被頂變形，在千斤頂卸載后，導(dǎo)致預(yù)加軸力消散。

(4)鋼支撐體系安裝架設(shè)過程中質(zhì)量控制不達標，造成鋼支撐體系受力不規(guī)范，影響鋼支撐軸力施加。總結(jié)施工過程，主要存在以下問題：①三角托架與地連墻間、地連墻與鋼圍檁間、鋼圍檁與鋼支撐間均出現(xiàn)較大空隙，嚴重影響鋼支撐體系的荷載傳遞。②由于現(xiàn)場托架及鋼圍檁水平面標高控制不到位、連接板未焊接牢固，常出現(xiàn)鋼圍檁及三角盒子下垂的情況，導(dǎo)致鋼支撐偏心受壓問題嚴重。③鋼楔塊未配套成對使用，調(diào)節(jié)塊加工尺寸、鋼支撐活動端與固定端掛籃尺寸未根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，極易出現(xiàn)局部集中受力的不合理狀況。

3 鋼斜撐施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 托架、鋼圍檁安裝

針對三角托架及鋼圍檁，施工中應(yīng)注意以下幾點：

(1)托架安裝間距應(yīng)按照設(shè)計要求布置，所用膨脹螺絲錨入地連墻的深度必須滿足設(shè)計要求。此外，鋼圍檁之間、鋼圍檁與掛板之間連接可使用手工電弧焊，焊條應(yīng)采用E43系列及以上。

(2)現(xiàn)場技術(shù)人員應(yīng)嚴格控制基坑開挖深度，確定好支撐中心標高、鋼圍檁邊線、三角托架及支撐掛板的位置關(guān)系。現(xiàn)場開挖深度在考慮施工作業(yè)面及安全因素的前提下，一般控制在鋼支撐設(shè)計中心標高下1 m，嚴禁超挖。

(3)為了確保鋼支撐體系的力學(xué)穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)局部集中受力及偏心受壓等情況的發(fā)生，對于圍檁轉(zhuǎn)角處、圍檁與掛板、圍檁與地連墻間及托架架撐后出現(xiàn)的空隙，應(yīng)在較大空隙處填塞鋼性材料，并對鋼圍檁背后采用C20細石混凝土填充密實，如圖5所示。

圖5 圍檁背后空隙較大處填塞鋼性材料并用細石混凝土填充密實

(4)針對鋼圍檁采用C20細石混凝土填縫后，因架撐受力填縫開裂的問題，為保證圍檁與圍護結(jié)構(gòu)密貼，可使用高強無收縮灌漿料及時填縫補強，如圖6所示。

圖6 圍檁背后裂縫采用高強無收縮灌漿料填充補強

(5)施工時鋼楔塊應(yīng)配套成對使用，調(diào)節(jié)塊加工尺寸、鋼支撐活動端與固定端掛籃尺寸，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，避免出現(xiàn)局部集中受力的不合理狀況。

3.2 鋼支撐吊裝及加固措施

由于端頭井鋼支撐鋼性構(gòu)件(鋼支撐、鋼圍檁、托架、預(yù)埋鋼板、三角盒子、格構(gòu)柱、工鋼、槽鋼等)連接處較多，基坑跨度大，因此應(yīng)格外注意焊接質(zhì)量，采取相應(yīng)加固措施，防止鋼支撐出現(xiàn)偏位、脫落。此外，端頭井處基坑深度一般較大，水平及豎向均有多道支撐，存在底部鋼支撐架設(shè)過程中吊車吊點不足，吊裝空間狹小等問題。對此，可參照以下幾點開展施工：

(1)開工前注意對作業(yè)人員交底，電焊工應(yīng)憑證上崗，依據(jù)圖紙設(shè)計要求及有關(guān)規(guī)范，嚴格控制焊接質(zhì)量。鋼支撐拼裝前，需對管節(jié)逐根檢查，并進行試拼裝，不同管節(jié)之間用高強螺栓連接，螺栓應(yīng)交錯緊固，確保鋼支撐拼裝質(zhì)量。吊裝施工時，吊點的選擇應(yīng)采用兩點起吊，吊點位置宜設(shè)置在距構(gòu)件端部0.21L，即以0.21乘以構(gòu)件的全長。

(2)由于端頭井基坑跨度較大，為保證鋼支撐的穩(wěn)定性，可通過增設(shè)鋼系梁，并將其連接在格構(gòu)柱上，有效降低鋼支撐的跨中撓度。待鋼支撐架設(shè)到位后，采用φ14的防墜鋼絲繩將鋼支撐與圍護結(jié)構(gòu)上的膨脹螺栓連接，并在鋼系梁處增設(shè)抱箍固定，防止因施工不當(dāng)造成鋼支撐脫落的危險，如圖7所示。

圖7 鋼系梁處增設(shè)抱箍固定

(3)針對端頭井支撐密集，底部鋼支撐吊點不足，作業(yè)面有限的問題，可采取由內(nèi)至外、分段吊裝的方法，通過在冠梁及格構(gòu)柱上設(shè)置多個滑輪，于吊點富余處用吊車或以手拉葫蘆方式進行提拉起吊，配合小型挖機定位，逐道拼裝。

3.3 端頭井鋼斜撐抗剪措施

在標準段，鋼支撐垂直作用在鋼圍檁上時，鋼圍檁沒有軸向力，其在跨中或支點位置受最大彎矩和剪力作用。然而在端頭井處，鋼支撐并非垂直作用在鋼圍檁上，鋼圍檁即受到彎矩和剪力作用，同時受到軸向力作用，此時應(yīng)采取有效抗剪措施，防止鋼支撐滑移錯位，預(yù)加軸力失效。

對此，設(shè)計圖紙中通常在鋼圍檁銜接處腹板及翼緣采用鋼板連接，令鋼圍檁間形成連續(xù)整體，使端頭井處鋼支撐內(nèi)軸力與基坑側(cè)壁土面間的摩擦力平衡，阻止鋼支撐產(chǎn)生滑移。但實際施工中，鋼圍檁間往往存在連續(xù)的一定空隙。因此，綜合考慮設(shè)計及施工現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，增加以下抗剪措施：

(1)定制加工三角盒子

因斜撐與鋼圍檁呈斜交關(guān)系，有一定交角，存在平行于鋼圍檁長度方向的分力，極有可能造成鋼圍檁后移，此時可按設(shè)計角度在斜撐對應(yīng)處的鋼圍檁上定制加工三角盒子，如圖8所示，確保鋼支撐與受力面成垂直關(guān)系，然后進行支撐安裝作業(yè)，其安裝方法與直撐相同[4]。

圖8 定制加工三角盒子

(2)預(yù)埋鋼板

為增強單根鋼圍檁抗剪強度，該項目在地連墻端頭井施工階段于鋼圍檁架設(shè)位置預(yù)先埋設(shè)尺寸為1 m×1 m的鋼板，鋼板間距控制3 m內(nèi)。隨著基坑開挖，及時鑿出預(yù)埋鋼板，將其與鋼圍檁通過2 cm厚通長鋼板和加設(shè)的三角加勁鋼板焊接牢固，為單根鋼圍檁提供一定抗剪強度，如圖9所示。

圖9 預(yù)埋鋼板與鋼圍檁焊接牢固

(3)設(shè)置抗剪墩

在每道斜撐鋼圍檁外邊緣，加設(shè)一道混凝土抗剪墩，抗剪墩水平中心線與鋼圍檁工字鋼水平中心線重合，通過抗剪墩有效抑制鋼圍檁的整體水平偏移。施工時，一般待斜撐最外側(cè)鋼圍檁架設(shè)完成后，先在地連墻表面清理出抗剪墩位置，隨后及時鑿毛、植筋(植筋采用A級膠)，澆筑采用C35強度混凝土。抗剪墩平面圖，如圖10所示。

圖10 抗剪墩與圍護結(jié)構(gòu)連接大樣

3.4 其它避免軸力消散措施

(1)采取三檢制度嚴把施工質(zhì)量，在地連墻成槽、基坑開挖及鋼支撐架設(shè)等施工階段，加強過程管控。三檢制即中交集團提出的自檢、復(fù)檢、專檢相結(jié)合的質(zhì)量監(jiān)管制度。在每道施工工序完成后，均由施工班組先行自檢，自檢合格后報由現(xiàn)場技術(shù)員進行復(fù)檢，復(fù)檢完成后通知項目專業(yè)質(zhì)檢工程師進行專檢，待專檢合格方可進入下一道施工工序。實踐結(jié)果表明，嚴格落實三檢制度，可有效規(guī)范施工作業(yè)，提升施工過程質(zhì)量，提高架撐效率。

(2)鋼支撐加壓時間應(yīng)根據(jù)設(shè)計工況條件進行選擇，避開每日氣溫最高或最低時。加壓過程中，千斤頂預(yù)加軸力需分3次施加，每次加壓后均應(yīng)停止5～10 min觀察軸力變化情況，由50%～80%～110%依次加壓到位。

(3)對端頭井斜撐段鋼圍檁易偏移、鋼支撐加壓后出現(xiàn)撓曲變形問題，應(yīng)采取措施，加強監(jiān)測。預(yù)加軸力前，通過在鋼圍檁及鋼支撐上布設(shè)反光貼，如圖11所示，便于加壓后監(jiān)測鋼支撐體系變形情況。一旦發(fā)覺監(jiān)測點出現(xiàn)較大偏位，可及時采取補強措施，重新加壓。

圖11 鋼圍檁上布設(shè)監(jiān)測反光貼

4 結(jié)論

本文以雙空區(qū)間明挖暗埋段鋼支撐施工實例為背景，對大跨度不規(guī)則端頭井鋼支撐支護體系進行了探討，按照《地下鐵道工程施工及質(zhì)量驗收標準[兩冊]》[5](GB/T 50299-2018)驗收規(guī)定，明確了敞口式端頭井鋼支撐施工過程中各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵質(zhì)量措施，為相關(guān)工程提供參考依據(jù)。