深基坑鋼結(jié)構(gòu)支撐施工過程研究

楊沐霖 陳 鵬 王 聰 董俊杰 任澄宇

（中國建筑第八工程局有限公司，上海200240）

1 概述

基坑支撐施工流程一般為先施工圍護(hù)體系，再施工支撐體系，隨后進(jìn)行土方開挖，修筑結(jié)構(gòu)體系，形成地下空間。鋼筋混凝土支撐體系施工周期、養(yǎng)護(hù)周期長，施工緩慢，施工精度差，應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)小，基坑開挖周期長、變形大，對周邊環(huán)境影響較大。因此，采用施工安裝便捷、施工周期短，對應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)敏感，對周邊環(huán)境影響小的鋼結(jié)構(gòu)支撐在保護(hù)要求、變形控制要求高的區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用變得十分必要。

小東門街道616、735 街坊項(xiàng)目B 區(qū)位于上海市黃浦區(qū)外灘南段，占地面積12760m2，基坑開挖深度15.6m。

（1）工程位于上海黃浦區(qū)，是上海市的重要窗口，地塊周邊環(huán)境復(fù)雜，同時(shí)存在歷史保護(hù)建筑- 商船會(huì)館、軌道交通4 號(hào)線事故段、中山南路地下通道、南浦大橋引橋、地下管線等大量保護(hù)對象，環(huán)境保護(hù)和文明施工要求很高，施工難度大。

（2）靠近地鐵側(cè)基坑施工，基坑施工需保證地鐵的正常運(yùn)營，并保證施工的安全性和工期因素。

（3）基坑開挖深度較大，承壓水對基坑開挖的穩(wěn)定性影響較大；且基坑外側(cè)距離地鐵4 號(hào)線、交通道路和南浦大橋較近，周邊水位的變化對周圍道路、管線、地鐵會(huì)有一定的不利影響。

（4）基坑?xùn)|側(cè)緊貼運(yùn)營中的地鐵4 號(hào)線，距離事故段較近，北側(cè)鄰近保護(hù)性建筑商船會(huì)館，對地下連續(xù)墻施工期變形控制要求高，給施工帶來較大施工難度。

圖1 連接處應(yīng)力云圖

2 鋼結(jié)構(gòu)角撐模型論述

與圍檁連接處通過螺栓、連接板與型鋼連接，工程施工前為能夠準(zhǔn)確了解鋼結(jié)構(gòu)支撐對基坑變形的能力，通過軟件建模分析，發(fā)現(xiàn)型鋼與鋼管連接處當(dāng)力不斷的施加時(shí)，力不能夠有效傳遞，從而造成應(yīng)力達(dá)到承載力極限狀態(tài)，對基坑安全穩(wěn)定造成嚴(yán)重威脅。分析原因?yàn)閳A鋼管內(nèi)，圓鋼管與型鋼截面存在錯(cuò)臺(tái)，截面變化處存在巨大剪切力，力不能得到傳遞，未傳遞到圍檁。下圖中型鋼與鋼管連接處紅色部分應(yīng)力達(dá)到承載極限，對基坑安全造成嚴(yán)重威脅，具體情況如圖1 所示。

3 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)選型及優(yōu)化

針對上述型鋼與鋼管連接處應(yīng)力達(dá)到承載極限情況，通過在圓鋼管內(nèi)增加十字鋼板，使鋼管上的力通過十字鋼板傳遞到型鋼的腹板和中部加勁肋上，實(shí)現(xiàn)了力更好的傳遞。力主要通過十字鋼板側(cè)面焊接處傳遞，增加封頭板，通過圓形封頭板將力平均，分配至十字鋼板端部及側(cè)面，使受力更加均衡，從而使承載力提升。通過以上措施，使原來達(dá)到承載力極限的部位受力降低，實(shí)現(xiàn)了力更好的傳遞，極大地提高了節(jié)點(diǎn)的極限承載力，效果較為明顯，從而進(jìn)一步保證基坑的變形。如圖2 所示。

4 施工步驟及方法

4.1 材料檢驗(yàn)

基坑開挖前，準(zhǔn)備足夠數(shù)量的鋼管支撐材料。鋼管支撐進(jìn)場后嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對鋼管材料質(zhì)量認(rèn)真檢查，符合要求后，方可使用。

4.2 鋼管支撐拼裝

為減少基坑無支撐暴露時(shí)間，基坑開挖時(shí)，應(yīng)先將開挖位置所需支撐拼裝完成，以縮短每循環(huán)支撐施工時(shí)間。

支撐鋼管連接：支撐鋼管間采用高強(qiáng)螺栓連接，在用螺栓連接時(shí)，要求對稱用力，防止出現(xiàn)鋼管支撐偏心受力。

支撐拼裝長度：支撐拼裝長度根據(jù)基坑寬度、支撐活動(dòng)端行程等參數(shù)綜合考慮，一般支撐拼裝長度比實(shí)際所需長度要短15cm 左右。

4.3 測量放線、支撐定位

挖土完成后，立即組織專職人員按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行測量放線和支撐定位工作，要求支撐定位允許偏差為：3cm（水平位置偏差），2cm（高度偏差）。

4.4 吊裝鋼管支撐就位

鋼圍檁吊裝就位后，立即組織鋼管支撐吊裝就位。鋼管支撐吊裝設(shè)備采用50 噸履帶吊機(jī)，為防止吊裝過程中鋼管支撐因晃動(dòng)而出現(xiàn)吊裝安全事故，同樣在鋼管支撐兩端系安全纜風(fēng)繩，在專職指揮及牽引下平穩(wěn)吊裝就位。

圖2 增加十字鋼板后連接處應(yīng)力云圖

4.5 施加預(yù)應(yīng)力

鋼支撐安裝結(jié)束必須按設(shè)計(jì)要求及時(shí)對支撐施加預(yù)應(yīng)力，以形成一個(gè)整體穩(wěn)定的圍護(hù)支撐系統(tǒng)。

4.6 支撐軸力復(fù)加

如圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移超過警戒值時(shí)，可適量復(fù)加支撐軸力以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

鋼支撐預(yù)應(yīng)力復(fù)加依據(jù)以監(jiān)測反饋信息為主，以人工檢查為輔。

監(jiān)測數(shù)據(jù)檢查：監(jiān)測數(shù)據(jù)檢查的目的是了解支撐軸力變化情況及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，并根據(jù)監(jiān)測反饋信息提交項(xiàng)目部討論，決定是否采取復(fù)加軸力措施。

人工檢查：人工檢查的目的是了解鋼支撐的松動(dòng)情況。以榔頭敲擊無軸力器的鋼支撐活絡(luò)頭塞鐵，視其松動(dòng)與否決定是否復(fù)加預(yù)應(yīng)力。

復(fù)加支撐軸力前，應(yīng)在復(fù)加支撐軸力的位置預(yù)先搭設(shè)腳手架。

5 支撐施工時(shí)空效應(yīng)控制

本工程地理位置特殊，如何確?；影踩爸苓叚h(huán)境安全是本工程施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)。而確保基坑安全的措施除了圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，地基加固及降水效果、科學(xué)合理的挖土方案外，基坑支撐體系的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量同樣不可忽視。根據(jù)相關(guān)深基坑及周邊城市類似深基坑施工經(jīng)驗(yàn)，基坑支撐（鋼管支撐）體系的施工質(zhì)量除了支撐本身的安裝質(zhì)量外，其施工的時(shí)空效應(yīng)控制同樣不可忽視，施工單位擬通過縮短支撐安裝時(shí)間以縮短基坑開挖無支撐總暴露時(shí)間。

6 常見問題及防治措施

（1）支撐連接螺栓在施加預(yù)應(yīng)力后出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

防治措施：

在支撐預(yù)應(yīng)力施加完成后，派專人檢查并復(fù)擰。

（2）支撐活絡(luò)頭出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象。

防治措施：

a.加強(qiáng)材料進(jìn)場檢查驗(yàn)收，杜絕不合格支撐活絡(luò)頭投入使用。b.通過合理拼裝支撐，控制活絡(luò)頭伸長量在15cm 以內(nèi)，防止活絡(luò)頭伸長量過大而引起支撐歪斜現(xiàn)象出現(xiàn)。c.采用填縫、調(diào)平等措施確保支撐接觸面平整，防止支撐頭偏心受力。

（3）支撐預(yù)應(yīng)力損失。

防治措施：

a.支撐軸力施加階段，當(dāng)油泵車油壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求后需持荷穩(wěn)壓1 分鐘再楔入鋼楔，鋼楔楔入完成后再卸壓退頂。b.當(dāng)出現(xiàn)支撐預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及總包指令及時(shí)復(fù)加軸力。

7 保障措施

7.1 鋼支撐安裝按設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)交底要求進(jìn)行，現(xiàn)場丈量復(fù)核實(shí)際長度尺寸，并按鋼支撐的編號(hào)圖吊裝登記。鋼支撐吊裝到位后，進(jìn)行水平度的調(diào)整，檢查各連接焊接點(diǎn)和螺栓是否緊固可靠，并由監(jiān)理人員監(jiān)督進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，形成完整的鋼支撐系統(tǒng)。

7.2 鋼支撐安裝必須直順無彎曲，接頭必須緊密牢固，與連續(xù)墻的接觸處除有足夠的強(qiáng)度與鋼度外，還需與支撐端頭密貼，若鋼支撐端頭與連續(xù)墻間有間隙須用細(xì)石混凝土填實(shí)。

7.3 鋼支撐安裝必須確保支撐端頭與圍護(hù)結(jié)構(gòu)均勻接觸，安裝支撐的徑向軸線偏心度必須控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

7.4 土方開挖過程中，派專責(zé)技術(shù)人員駐工地夜間值班監(jiān)護(hù)。如圍護(hù)支撐變形或連接點(diǎn)出現(xiàn)裂縫，必須立即加固補(bǔ)焊，同時(shí)采取相應(yīng)措施，確保基坑的安全。

7.5 鋼支撐施工必須堅(jiān)持“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，對已撐好的鋼支撐進(jìn)行嚴(yán)格的保護(hù)，不準(zhǔn)在鋼支撐上面堆物，不得受到任何壓力。如挖機(jī)須通過，應(yīng)先復(fù)土，并鋪設(shè)路基箱，嚴(yán)禁各種機(jī)械在支撐上行走或停留操作，挖機(jī)在挖土過程中不得碰撞鋼支撐。

7.6 鋼支撐安裝完畢，驗(yàn)收合格后，再進(jìn)行挖土施工。

8 結(jié)論

本文針對深基坑鋼結(jié)構(gòu)支撐施工過程進(jìn)行了概述，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工過程分別進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬研究。本文結(jié)論如下：

（1）針對鋼結(jié)構(gòu)支撐節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行理論分析和計(jì)算，通過數(shù)值模擬分析確定合理的節(jié)點(diǎn)形式，確保施工過程的安全性，加快施工進(jìn)度，控制基坑變形，完善施工各項(xiàng)措施。

（2）總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)支撐施工過程中的關(guān)鍵工序，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，加強(qiáng)加載及開挖過程關(guān)鍵部位監(jiān)測，保證桿件應(yīng)力和變形等均滿足要求，這表明本文的支撐施工方案對施工具有指導(dǎo)意義。

（3）本文鋼結(jié)構(gòu)支撐施工方案和計(jì)算方法可為類似工程提供參考。