深基坑工程裝配式鋼支撐施工技術研究

孫艷濤 喬路正

摘要：基于某深基坑預應力型鋼組合內支撐的工程背景，闡述了鋼支撐設計中設計分析、施加預應力等方面要點。隨后詳細敘述了本工程中鋼支撐安裝、拆除的施工技術及要點。最后從變形控制、施工成本、施工工期這三個方面評估了施工效果。研究結果表明：預應力型鋼組合內支撐施工耗材小，施工中產生的噪聲和污染小，對周邊環境影響較小。裝配式型鋼內支撐施工無需養護，拼裝完成并施加預應力后即完成支撐安裝，擰松螺栓后可直接拆除支撐、吊裝外運，施工工期短；裝配式型鋼內支撐材料回收率高，損耗量少，可重復使用，成本低；對主體結構施工影響小，安全性高。

關鍵詞：深基坑；裝配式；鋼支撐；施工技術

0? ?引言

與混凝土支撐相比，基坑支護工程中采用裝配式型鋼組合內支撐具有很明顯的優勢[1]。裝配式型鋼組合內支撐的型鋼一次購置和加工后可多次重復使用，分攤到每個項目的成本較低，約為混凝土支撐費用的80%左右[2-3]。裝配式型鋼組合內支撐還具有自重輕、安裝與拆除方便、施工速度快、開工期短等優點[4]。本文基于某深基坑預應力型鋼組合內支撐的工程背景，闡述鋼支撐設計中設計分析、施加預應力等方面要點，隨后詳細敘述了本工程中鋼支撐安裝、拆除的施工技術及要點。

1? ?工程概況

1.1? ?基坑概況

新建山東城際鐵路調度指揮中心工程（以下簡稱新調度指揮中心）位于既有調度樓南側，經一路北側，濟南鐵路局1號附屬樓東側，天成路西側。該建筑地上16層，地下2層，結構高度99.5m。本基坑主體基坑大致形狀為方形，基坑面積8216.8m2，長96.3m，寬91.3m，基坑主要開挖深度11.45m，坑內承臺及集水坑位置加深0.6～2.8m。北側外掛車道基坑形狀為長條形，基坑面積242.9m2，長42.2m，寬5.8m，基坑開挖深度為0～5.15m。本工程設二層地下室，±0.00相當于絕對高程32.750m，基坑支護設計自然地坪標高為-1.95m。

1.2? ?周邊環境情況

場地所處地貌為山前沖洪積平原，地形平坦開闊，周邊建筑物密集。基坑西側距離既有濟南鐵路局1號附屬樓基礎最近約1.5m，距離1號附屬樓地上結構最近約2m，距離西側人防地道最近約2.1m。距離南側經一路最近約11.5m，距離東側天成路最近約18.1m，距離北側6號辦公樓擋墻約7.0m，距離6號樓地上結構約8.4m，距離北側人防地道最近約3.1m。坡道基坑距北側6號辦公樓擋墻約0.8m，距離6號樓地上結構約2.1m。

1.3? ?基坑支護設計

主體基坑圍護方案采止水帷幕+灌注樁+兩道組合鋼結構及混凝土組合內支撐，止水帷幕采用800mm@550mm高壓旋噴樁。其中西側采用1000mm@750mm咬合樁，一葷一素布置，上設冠梁。北側采用1000mm@1300mm鉆孔灌注樁。東側及南側采用800mm@1000mm鉆孔灌注樁，冠梁外采用1.5m高放坡。

第一道鋼支撐主截面為400mm×400mm H型鋼，混凝土支撐主撐截面尺寸800mm×800mm。第二道鋼支撐主截面為400mm×400mm H型鋼，混凝土支撐主撐截面尺寸800mm×1000mm。腰梁截面尺寸1000mm×1000mm，臨時立柱樁采用直徑800mm鉆孔灌注樁，鋼結構支撐下設置400mm×400mmH型鋼立柱支撐，混凝土支撐下設440mm×440mm格構式鋼立柱支撐。

北側外掛車道基坑圍護方案采用SMW工法樁+一道鋼支撐，其中水泥土攪拌樁采用Φ850mm@600mm，型鋼采用H700×300型，樁長7～9.5m，鋼支撐采用Φ609鋼管支撐。

2? ?鋼支撐設計研究

2.1? ?設計分析

裝配式鋼型鋼組合內支撐是由型鋼對撐、型鋼角撐、型鋼腰梁、型鋼托架、型鋼立柱、型鋼綴板、型鋼三角件轉換頭等構成的支撐體系，支撐體系所有材料均為型鋼，在工廠加工制作成標準構件，根據實際基坑尺寸和形狀進行拼裝組合。構件通過高強螺栓連接成整體支撐體系。對型鋼支撐施加軸向壓力，使支撐體系與基坑圍護結構共同發揮抗力作用，以保證基坑的穩定性并控制基坑變形。

2.2? ?材料選擇

型鋼截面宜優先選擇熱軋H型鋼，為提高型鋼的周轉性能、現場拼裝性能，型鋼組合支撐系統的構件宜加工為標準件。型鋼標準件截面宜采用H350×350或H400×400型鋼，型鋼腹板及翼緣不應小于10mm。

2.3? ?對撐與角撐設計

對撐、角撐、八字撐桿件可采用單根H型標準件、雙H型鋼組成的十字形截面或H型標準件組合構件，腰梁可采用單根H型標準件、H型標準件組合構件。根據構件計算長度、彎矩設計值、構件截面面積因素進行控制。對撐與角撐組合構件中，單根支撐桿件的穩定性驗算根據型鋼軸力設計值、桿件長細比、型鋼截面面積進行計算。對撐、角撐構件的預加軸向壓力取值，應與彈性支點法計算時預加力取值相匹配，且預加軸向壓力值不宜過大，一般取設計值的60%～80%為宜。預加軸向壓力取值應考慮對撐、角撐的構件的受力能力以及周圍土體環境的形變。

2.4? ?施加預應力

施加預應力的大小關系到支撐穩定性、開挖時引起的土體剪應力、支撐與圍檁件的施工空隙等。適宜的預應力可以改善墻體的受力條件，有效控制基坑變形，增強基坑邊坡的穩定性。預應力過小則起到的作用有限，過大則會導致坑外土體發生隆起現象。型鋼支撐預壓力值，應結合基坑側壁的變形要求及支護結構的內力情況確定，不應小于支撐設計軸力的30%，不宜大于75%。

3? ?施工控制要點

3.1? ?鋼支撐安裝

結合支護圖紙和土方開挖順序，遵循“豎向分層、縱向分段、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的總體原則。型鋼組合支撐體系的安裝與拆除，采用按分段安裝、分段加壓、分段交付使用、分段拆除的流水作業方式，具體施工工藝流程如圖1所示。

3.1.1? ?牛腿支架的安裝

牛腿支架是支撐圍檁結構的豎向支撐構件，由L90×10角鋼焊接而成，與支護樁主筋相連。沿水平方向間距3.6m設置。安裝支撐牛腿時，首先鑿除支護樁15cm×15cm鋼筋保護層，然后將組成牛腿的角鋼與支護樁主筋焊接，焊接為雙面滿焊。最后用C30噴射混凝土，將保護層補齊。

3.1.2? ?型鋼圍檁的安裝

鋼圍檁為雙H400×400型鋼組合使用，型鋼間使用高強螺栓連接。安裝完成牛腿支架，驗收合格后，吊放鋼圍檁。鋼圍檁采用汽車起重機吊放，西、北兩側鋼圍檁采用挖掘機吊放。圍檁安裝之前須確定安裝控制線，用全站儀通過坐標計算測設基坑相鄰兩個轉角內側的基點，通過該基點采用掛線的方法進行平面安裝定位。

3.1.3? ?托座、橫梁的安裝

托座構件與格構柱采用螺栓或焊接相連，用于承托橫梁。橫梁與對應的兩個格構柱的托座采用螺栓相連，用于承托組合鋼支撐，為組合鋼支撐提供豎向支撐力，保證支撐的整體剛性。托座件的安裝務必控制其水平標高，通過角撐、對撐、H型鋼的定位標高反推其頂面水平標高，托座面標高=支撐結構中心標高-（支撐件高度的1/2+橫梁高度）。應確保相應道支撐的橫梁面標高在同一平面上托座面標高偏差不的大于±2mm。各型鋼立柱的托座面標高偏差不得超過5mm。

3.1.4? ?型鋼組合支撐梁的安裝

本工程組合鋼支撐采用350×350×12×19H型鋼，型鋼兩翼緣預先開設Φ28螺栓孔，用于型鋼與其他構件的連接。型鋼與鋼圍檁采用定制三角組合支撐件連接，并確保支撐與連接件為軸向傳遞應力。鋼支撐支撐中間設置保力盒，用于預應力保持。組合支撐上部蓋設連接蓋板、連接槽鋼，使多榀鋼支撐組合為一個整體。

3.1.5? ?預應力的施加

每道型鋼支撐完整完畢后，應在24h內施加預應力。預應力應分級施加，依次為總量的20%、50%、30%。施加預應力時應檢查每個節點連接情況，并做好記錄。第一次預應力施加與第二次預應力施加間隔時間為5min，第二次預應力施加與第三次預應力施加間隔時間為10min。用千斤頂撐開兩端加強型加壓件后，在保力盒與加強型加壓件之間的空隙塞E型鋼板。

3.2? ?鋼支撐拆除

拆除原則如下：先換撐，后拆；先連系撐，后承力撐；先角撐，后對撐；立柱最后切割。每道支撐的拆除順序如圖2所示。

3.2.1? ?拆除工藝

施工地下室墊層、承臺、底板，并澆筑底板與支護樁間的換撐混凝土→施工負二層地下室外墻及負二層樓板及外墻防水，回填負二層范圍毛石混凝土→混凝土達到設計要求后拆除型鋼支撐，切除型鋼立柱→施工負一層地下室結構，混凝土強度達到設計要求后級配碎石回填至設計標高。

3.2.2? ?分級卸力

拆除時，避免瞬間預應力釋放過大而導致結構局部變形、開裂。分三級卸力，每級預應力釋放后宜觀察30min，并檢查節點變化及基坑周邊變形期刊。每級卸力時，采用千斤頂支頂并適當加力頂緊，然后取出型鋼，千斤頂逐步卸力，停置30min后繼續，然后再取出型鋼，直至結束。

3.3? ?支撐桿件拆除

支撐桿件拆除流程如下：分級卸力→蓋板、系桿、拉梁拆除→型鋼支撐梁拆除→型鋼圍檁及支座拆除→牛腿、橫梁拆除→托座件拆除→立柱拆除。

4? ?施工效果

4.1? ?變形控制情況

從監測數據進行分析可知，基坑開挖后會存在向基坑內變形的情況，鋼支撐安裝并施加壓預應力后，基坑有向外變形的趨勢。隨著基坑開挖深度的加深，基坑又重新向內變形，抵消了預應力施加產生的向外位移，但基坑總體變形可控，均在規范要求范圍內。

4.2? ?成本節約情況

本工程采用裝配式型鋼內支撐，主材以型鋼租賃為主，型鋼內支撐材料回收率高，損耗量少，在經過矯正以后可以多次重復使用，分攤到每個項目的成本較低，與混凝土支撐相比可節約成本20%左右。

4.3? ?工期縮短情況

與混凝土支撐相比，裝配式型鋼內支撐施工無需養護，拼裝完成并施加預應力后即可進行下一層的土方開挖。裝配式型鋼內支撐還可以分區分片開挖，有利于縮短工期。支撐拆除時，擰松螺栓后可直接拆除、吊裝外運，可分區分段拆除，有利于縮短拆除工期。

5? ?結束語

本文基于某深基坑預應力型鋼組合內支撐的工程背景，闡述了鋼支撐設計中設計分析、施加預應力等方面要點。隨后詳細敘述了本工程中鋼支撐安裝、拆除的施工技術及要點。最后從變形控制、施工成本、施工工期等方面評估了施工效果，得到如下結論：

施工時不需要耗費大量的木材、鋼筋、混凝土和水，使用時直接從工廠運至施工現場進行拼裝，施工中產生的噪聲、空氣污染、水污染、固體廢棄物污染均較小，工廠化加工，精度高，廢棄材料少。

相較于混凝土支撐，裝配式型鋼內支撐施工無需養護，拼裝完成并施加預應力后即完成支撐安裝，并可進行下一步施工工序的施工。支撐拆除時，擰松螺栓后可直接拆除、吊裝外運，與混凝土支撐相比可縮短工期1/3以上。

裝配式型鋼內支撐材料回收率高，損耗量少，在經過矯正以后可以多次重復使用，分攤到每個項目的成本較低，約為混凝土支撐費用的80%。

對支撐內力及位移變化實時監測可知，基坑變形可控。在內力或變形大時，可靈活增加支撐，土方開挖方便，對主體結構施工影響小。裝配式型鋼支撐安裝完角撐，施加預應力后可對角撐區域土方開挖。安裝完支撐桿件，施加預應力后可對水平撐區域土方開挖，受限相對較小。

參考文獻

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