預應力鋼支撐新型活絡端結構試驗研究

王社江

（蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州 215000）

1 引言

受當前施工工藝限制，深基坑的開挖必將引起周圍地層的地下水位和應力場的改變，導致周圍地層變形[1]。為避免地鐵車站基坑內支撐軸力損失，目前基坑施工通常采用內撐體系對基坑進行支護，使用的鋼支撐普遍采用鋼楔鐵塞緊，以確保支撐軸力[2]。由于采用多塊楔鐵塞緊，每塊楔鐵間不可避免地存在間隙，在后期難免出現由于楔鐵擠密或楔鐵竄出而造成軸力損失。為確保周邊環境安全，如何避免鋼支撐軸力損失是本工程基坑施工的關鍵[3]。

2 工程概況及試驗設計

2.1 工程概況

蘇州軌道交通5 號線工程土建施工V-TS-03 標楓瑞路站位于花苑東路站與楓瑞路交叉口。楓瑞路站為島式站臺車站，車站外包總長度為209 m，標準段結構寬度為19.7 m，端頭井處結構寬度為23.80 m，有效站臺中心里程處底板埋深約為16.984 m。主體結構為地下2 層單柱雙跨閉合框架結構。主體基坑采用地下連續墻圍護結構，共設置4 道支撐，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。

2.2 試驗設計

試驗段最終選定蘇州市軌道交通土建V-TS-03 花苑路站27-34 軸主體結構基坑標準段，該段結構寬度為19.9 m，開挖深度約20.1 m，采用800 mm 厚地下連續墻，墻長35.5 m，豎向設置5 道支撐+1 道換撐，其中，第1 道支撐為鋼筋混凝土支撐，第4 道為φ800 mm 鋼支撐，其余為φ609 mm 鋼支撐；地下連續墻均采用工字鋼接頭。

試驗段區域地層主要組成由上往下分別為：①1 雜填土、③1 黏土、③2 粉質黏土、③3 粉土、④1 粉質黏土、⑤1 粉質黏土，其中第4 層、第5 層開挖土層為約9.5 m 厚的④1 層軟塑狀粉質黏土，主體結構底板持力層為⑤1 層軟塑、局部可塑狀粉質黏土，根據勘察報告顯示，④1 層力學性能較⑤1 更差。試驗段地墻插入比為1∶0.775，墻底坐落于⑤1 層。

試驗段區域北側基坑影響范圍內無建構筑物，南側距基坑圍護結構外邊線約39 m 的睿峰公寓全段分布于試驗區域，該公寓主體為22 層、23 層住宅樓，采用樁長40 m 的預制管樁基礎，沿街為2 層商鋪，采用20 m 的預制管樁基礎。沿基坑長邊走向分布著各類型管線。

其中27～29 軸之間的三幅地墻為傳統工藝段，地墻編號自左向右分別為①、②、③，中間由29～31 軸之間三幅地墻隔開，31～33 軸之間的三幅地墻為新工藝段，地墻編號自左向右分別為④、⑤、⑥。

在兩工藝段的中部位置各設置一個監測斷面，測試內容主要有墻體深層水平位移、支撐軸力、地表沉降等，具體點位及編號如圖1 所示。其中，鋼支撐軸力各選兩個縱斷面作為監測對象，編號為ZL 墻號-1/2 點號-層號，例如，ZL5-1-3 表示第3 道支撐、第5 幅地墻上點號為1 的鋼支撐監測點。

圖1 試驗段設計及編號示意圖

3 新型保載活絡頭結構

本工程使用的新型預應力鎖定鋼支撐，其工藝原理是在舊工藝的基礎上，增加了螺桿、螺母對易產生軸力損失的活絡端進行固定，在鋼支撐施加預應力后、拆除千斤頂前，將螺母調整至遠離支撐端面得一側，并擰緊，確保螺母緊固。即使楔鐵出現松動，仍由螺桿進行支撐，避免了鋼支撐軸力損失。

鎖定裝置采用兩套由C45 圓鋼加工而成的螺桿以及螺母構成，如圖2 所示，螺桿外徑為120 mm，絲扣內徑為102.68 mm，長度為650 mm，絲牙長度為470 mm。螺母外徑為190 mm，上部設置10 個φ25 mm 孔，便于螺母擰緊。螺桿設置在外側，按照320 t 油頂選型設計，對活絡頭進行加強處理，整體外形如圖3所示。

圖2 螺桿、螺母構造圖

圖3 新型預應力鎖定活絡端構造圖

4 試驗效果分析

4.1 軸力保載效果分析

鋼支撐預應力監測值隨時間關系如圖4 和圖5 所示，舊工藝段鋼支撐軸力最小值與預加軸力占比為64.68%～90.66%，均值為78.34%，新工藝段基本在92.42%以上，可見新工藝段在控制預應力損失上明顯較傳統工藝好，且效果也較穩定。

圖4 傳統工藝鋼支撐架設時預應力歷時曲線

圖5 新工藝鋼支撐架設時預應力歷時曲線

鋼支撐軸力基本在預應力施加后2～3 h 內快速損失，20 h內預應力衰減基本結束，隨后趨于穩定。最后一道支撐預應力損失難以捕捉，受圍護墻體變形急劇增長，其軸力也將持續增加，無法準確監測預應力損失情況。

4.2 支撐軸力變化規律

支撐軸力監測數據如圖6 和圖7 所示，第1 道混凝土支撐軸力在初期第1 層、第2 層土方開挖時基本是受壓狀態，自第3 層土方開挖后，構件收拉作用將越加明顯，基坑開挖深度至最深后其收拉作用將達到最大值；基坑卸載結束后，隨墊層、底板、主體結構等結構荷載增長使基底壓力回升，第一道混凝土支撐軸力開始逐步回調為受壓狀態。可見在多道支撐的樁墻體圍護結構形式的深基坑工程中，首道支撐形式選擇具有抗拉作用的構件及端頭鉸接方式，對基坑整體安全性非常關鍵。

圖6 傳統工藝支撐軸力歷時曲線

圖7 新工藝支撐軸力歷時曲線

各層鋼支撐受力狀態基本保持隨基坑開挖深度增加其受壓狀態也在呈波動式增長。隨基坑開挖深度不斷增加，新架設的鋼支撐因開挖面以下墻體變形快速增長，其軸力也將急劇增加；但正因這種現象使得上部支撐軸力有一個減小過程，特別是最后一層土方開挖時，其作用效應更加明顯。

4.3 測斜變形規律

墻體水平位移曲線如圖8 和圖9 所示，基坑第3 層土方開挖后地墻深層水平位移變形呈階梯式增長，尤其是第4、第5 層土方開挖后變形增長幅度較大。當基坑機械開挖至基底后，應快速開展收土至設計標高，并澆筑墊層。此時墻體變形將在2～3 d 內逐漸收斂，直至底板澆筑后最終趨于穩定。

圖8 傳統工藝鋼支撐圍護墻水平位移曲線

圖9 新工藝鋼支撐圍護墻水平位移曲線

圍護墻體最大測斜變形位置也是隨基坑開挖深度的增加而下降，結合本項目地層條件，最終最大位移點位于最大開挖面深度下1.0～1.5 m。對應斷面地表最大沉降量為最大測斜量的50%～73%，距圍護墻頂外邊線約8～10 m。

5 結論

根據各階段地墻變形和蠕變變形統計結果可知，新、舊工藝試驗段地墻測斜變形在第3 層土方開挖完成時差異不明顯。自第4 層土方開挖開始，地墻變形控制效果開始顯現，第4層時差異最大，差別率南北側分別為23.84%、37.75%，隨后差異逐漸遞減，直至墊層澆筑基本穩定后，南北側分別為18.73%、27.38%，可見新工藝段地墻變形效果好于傳統工藝段，但效果最好還是體現在第4 層土方開挖時，基坑深度更深時，效果將下降。

扣除蠕變效應影響后，對控制地墻深層變形效果方面新工藝較舊工藝側分別優于21%和20%，基本上較傳統工藝段地墻最大水平位移量少1/5。

此外，新工藝段控制地表變形方面較舊工藝段也具有明顯優勢，最終地表最大變形差異分別為21.06%、30.95%。