基坑預應力H型鋼裝配式組合內支撐施工技術分析

劉洪剛，莊小杰，陳艷梅，周剛，陳烈

(中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100161)

1 引言

在基坑圍護技術方面，多年來我國房建工程一直是以鋼筋混凝土材料為主，工藝落后、耗能大、周期長、成本高，地鐵等市政項目狹長基坑的支護一般采用鋼管支撐，但是其支護的寬度有限，不適用于超大平面基坑的整體支護，近年來我國在引進、消化、創新的基礎上，建立起預應力裝配式H型鋼支撐支護技術體系，完成了從設計到構件預制、施工作業的全產業鏈研發，具有節能環保、綠色施工等顯著優勢，適用于超大、超深基坑的整體式全鋼結構的支護要求。

圖1 預應力H型鋼裝配式組合內支撐效果及實施圖

2 技術特點

①構件定型化，全拼裝施工無需澆筑及養護，主要構件均可循環再利用，基本不會產生建筑垃圾，綠色環保。

②H型鋼組合內支撐體系平面布置形式靈活多變，適用于面積大的深基坑支護，可自由組合，整體性好，支撐效果顯著。

③可根據要求施加預應力，能有效控制基坑變形。

3 工藝原理

基坑預應力H型鋼裝配式組合內支撐體系各構件由H型鋼及鋼板輔材按標準尺寸加工而成，各鋼結構構件通過螺栓安拆即可實現相互連接、裝配、拆卸，工廠加工完成后運送至現場預拼裝，然后通過螺栓連接組裝各鋼構件形成整體的水平內支撐體系，安裝完成后對各支撐梁主動施加預應力，與支護樁共同作用，形成空間布置靈活、整體性好、支撐剛度強的基坑支護體系，支護完成后拆除回收各鋼結構構件再循環利用至下一工程中。

4 關鍵施工技術

4.1 支撐體系設計及安全計算

型鋼組合支撐的穩定驗算、強度及變形計算應滿足現行國家標準《鋼結構設計規范》（GB50017-2017），型鋼組合支撐標準件及非標準件的鋼材牌號不應低于Q345B,其余構件的鋼材牌號不應低于Q235B。構件之間應采用高強螺栓連接，連接強度應滿足支撐的受力要求。型鋼支撐梁預加軸力值不應小于支撐設計軸力的30%，不宜大于75%，具體應結合基坑側壁的變形控制要求及支護結構的內力情況確定，型鋼組合支撐的設計使用期限不應小于基坑支護設計使用期限。

4.1.1 型鋼組合支撐豎向布置設計

支撐的標高設置應利于控制圍護墻的內力與變形，各道支撐豎向凈距以及支撐與坑底的凈距不宜小于3m，支撐與其下的基礎底板或樓板凈距不宜小于0.5m。

4.1.2 型鋼組合支撐平面布置設計

支撐應在同一平面內形成整體，上下各道支撐宜對齊布置，圍檁或壓頂梁上相鄰支撐的水平凈距，對組合圍檁不宜大于8m,對混凝土圍檁或壓頂梁不宜大于10m，對撐端部可設置八字撐，八字撐宜對稱布置，軸線長度不宜大于9m，與壓頂梁、圍檁之間的夾角宜取30°～60°，基坑向內凸出的陽角應設置可靠的雙向約束，支撐立柱宜避開主體結構的梁、柱及承重墻。同一組型鋼支撐梁下立柱與圍檁、相鄰立柱之間間距不宜大于10m，不同方向支撐交匯處應設置立柱，應利于基坑土方開挖、運輸以及主體結構的施工。

4.1.3 結構整體分析應考慮荷載作用

結構整體分析應考慮由圍護墻傳至支撐結構的水平作用力，支撐結構自重及活荷載，還要考慮預加軸力、立柱之間差異沉降產生的作用。當溫度改變引起的支撐結構內力不可忽略時，宜考慮溫度作用。

4.2 牛腿和圍檁安裝

4.2.1 牛腿安裝

使用角鋼制作圍檁三角形牛腿托架，用膨脹螺栓將牛腿固定在圍護樁上，牛腿頂面保持在一個水平面上，要求牢固可靠。

4.2.2 型鋼圍檁安裝

型鋼圍檁設置在圍護墻上的牛腿支承于圍護墻，并通過抗剪連接件與圍護墻連接。鋼圍檁安裝前應先在地面進行預拼接并檢查支撐的平整度，其兩端中心連線的偏差度控制在20mm以內，安裝時利用起重設備整體吊裝到預定位置。

①型鋼組合圍檁應減少拼接節點，拼接位置應避開彎矩較大處，且翼緣處應增加拼接板并采用高強螺栓連接，組合圍檁宜沿基坑周邊連續設置，形成完整的封閉體系；

②基坑土方開挖前，壓頂梁或組合圍檁宜封閉，當不封閉時應在斷開處采取加強措施，確保支撐體系整體性，組合圍檁應設置加勁板，間距不宜大于500mm；

③圍檁與圍護墻之間應通過抗剪連接件連接，二者之間的空隙應采用強度等級不低于C25的細石混凝土填實。

圖2 牛腿和型鋼圍檁安裝

4.3 立柱架設及托座、托梁安裝

4.3.1 立柱架設

豎向立柱通過連接于其上的托座、托梁對型鋼支撐梁起到支撐固定作用，立柱可采用H型鋼柱、格構式鋼立柱、鋼管柱或鋼管混凝土柱等形式，當豎向荷載較大或變形控制要求較高時，宜設置混凝土灌注樁、水泥攪拌樁或高壓旋噴樁等立柱支承樁。

①立柱的加工、運輸、堆放應控制平直度，采取有效措施控制立柱的定位、垂直度及轉向偏差；

②立柱宜避開主體結構的梁、柱及承重墻，立柱的設置應利于基坑土方開挖、運輸以及主體結構的施工，同一組型鋼支撐梁下立柱與圍檁、相鄰立柱之間間距不宜大于10m，不同方向支撐交匯處應設置立柱；

③立柱周圍土方應均勻對稱開挖，立柱在穿越主體結構底板范圍內應設置可靠的止水措施。

④立柱的不均勻沉降或較大隆起、不對稱開挖或施工機械碰撞導致立柱傾斜、彎折都可能對支撐體系產生較不利的影響。立柱間設置剪刀撐可大大提高立柱的抗側移剛度。

4.3.2 托座、托梁安裝

托座是設置在立柱上，用于支托托梁上的支撐構件重量和建立支撐與立柱之間連接的鋼構件。托梁是設置在立柱之間支承型鋼支撐梁的鋼構件。立柱架設完成后安裝托座，托座通過高強螺栓連接于立柱一側，托座與立柱的連接應控制標高和水平度，托座安裝完成后再架設托梁，托梁與托座之間均應采用螺栓連接，螺栓數量應通過計算確定，托梁與托座之間的連接螺栓不應少于4M24。

圖3 托座、托梁安裝

4.4 型鋼支撐梁安裝

型鋼支撐梁是圍護墻的水平內支撐，常用形式包括對撐、角撐和八字撐。型鋼組合支撐標準件及非標準件的鋼材牌號不應低于Q345B,其余構件的鋼材牌號不應低于Q235B。支撐梁固定于托梁之上，托梁與型鋼支撐梁各肢型鋼之間均采用螺栓連接。型鋼支撐梁的上翼緣設置蓋板，下翼緣宜設置系桿，且蓋板或系桿的位置宜上下對應，蓋板應與各肢型鋼梁垂直設置，系桿與各肢型鋼梁斜交設置。

4.4.1 型鋼支撐梁的拼接

型鋼支撐梁宜減少拼接節點，當采用多根型鋼組合時，拼接點宜相互錯開，錯開長度不宜小于1m，拼接位置宜設置在立柱和托梁附近。

4.4.2 型鋼支撐梁與圍檁的連接

①型鋼支撐梁與圍檁斜交時應在交接處設置三角傳力件。連接處的圍檁應設置加勁板，加勁板間距不應大于500mm，加勁板的厚度應由計算確定且不小于10mm。

②型鋼組合支撐節點較多，對剪力和彎矩敏感，宜充分發揮鋼材截面材料強度抵抗壓力。若型鋼圍檁未形成封閉受力體系，節點將承受剪力，尤其是在角撐與圍檁斜交區域，可能導致高強螺栓剪斷。型鋼支撐梁與圍檁斜交時，不可由高強螺栓直接承受剪力，應設置專門傳力構件。

4.4.3 型鋼支撐梁與立柱的連接

①支撐梁固定于托梁之上，托梁和托座對型鋼支撐梁在側向和豎向形成有效約束。

②托梁與型鋼支撐梁各肢型鋼之間均采用螺栓連接，螺栓數量應通過計算確定，托梁與型鋼支撐梁各肢型鋼之間的連接螺栓不應少于2M24。

4.4.4 蓋板和系桿

①型鋼支撐梁的上翼緣應設置蓋板，下翼緣宜設置系桿，且蓋板或系桿的位置宜上下對應，蓋板或系桿沿支撐長度方向的間距應符合規范要求，且不宜大于5m。在對撐、角撐拼接節點處及靠近預應力裝置位置宜設置蓋板；

②系桿與型鋼支撐梁斜交的角度宜為30°～60°，每肢型鋼與系桿之間的連接螺栓數量不應少于兩個。

4.4.5 高強螺栓的使用

安裝完成后，對整個鋼支撐的標高、軸線進行校驗，安裝精度誤差控制在10mm以內，校驗完成后，方可進行螺栓終擰。高強螺栓經檢測合格后方能使用，高強螺栓緊固應分兩次進行，初擰扭矩值為終擰的50%～70%，型鋼支撐構件之間的連接螺栓的緊固扭矩不宜小于105N·m。

圖4 型鋼支撐梁安裝圖

5 結語

基坑預應力H型鋼裝配式組合內支撐采用工廠預制的標準化構件現場裝配而成，可以確保深度、跨度較大及鄰近已建工程情況下的基坑工程的穩定，達到安全、質量雙優。預應力H型鋼裝配式組合內支撐體系取代了傳統鋼筋混凝土水平的梁、柱內支撐，采用每噸鋼材可替換2 m3～2.5m3混凝土，每替換1m3混凝土可產生直接經濟效益700～1000元，節省工期20%～25%。H型鋼裝配式組合內支撐可完全回收，重復使用壽命超過20年，充分節約原材料的同時實現了地下工程綠色施工，具有廣泛的推廣應用價值。