預(yù)應(yīng)力鋼支撐新型活絡(luò)端結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

王社江

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215000）

1 引言

受當(dāng)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(yīng)力場的改變，導(dǎo)致周圍地層變形[1]。為避免地鐵車站基坑內(nèi)支撐軸力損失，目前基坑施工通常采用內(nèi)撐體系對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，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(xiàn)由于楔鐵擠密或楔鐵竄出而造成軸力損失。為確保周邊環(huán)境安全，如何避免鋼支撐軸力損失是本工程基坑施工的關(guān)鍵[3]。

2 工程概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

蘇州軌道交通5 號(hào)線工程土建施工V-TS-03 標(biāo)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(tái)車站，車站外包總長度為209 m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)寬度為19.7 m，端頭井處結(jié)構(gòu)寬度為23.80 m，有效站臺(tái)中心里程處底板埋深約為16.984 m。主體結(jié)構(gòu)為地下2 層單柱雙跨閉合框架結(jié)構(gòu)。主體基坑采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，共設(shè)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(jié)構(gòu)基坑標(biāo)準(zhǔn)段，該段結(jié)構(gòu)寬度為19.9 m，開挖深度約20.1 m，采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，墻長35.5 m，豎向設(shè)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(xù)墻均采用工字鋼接頭。

試驗(yàn)段區(qū)域地層主要組成由上往下分別為：①1 雜填土、③1 黏土、③2 粉質(zhì)黏土、③3 粉土、④1 粉質(zhì)黏土、⑤1 粉質(zhì)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(zhì)黏土，主體結(jié)構(gòu)底板持力層為⑤1 層軟塑、局部可塑狀粉質(zhì)黏土，根據(jù)勘察報(bào)告顯示，④1 層力學(xué)性能較⑤1 更差。試驗(yàn)段地墻插入比為1∶0.775，墻底坐落于⑤1 層。

試驗(yàn)段區(qū)域北側(cè)基坑影響范圍內(nèi)無建構(gòu)筑物，南側(cè)距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線約39 m 的睿峰公寓全段分布于試驗(yàn)區(qū)域，該公寓主體為22 層、23 層住宅樓，采用樁長40 m 的預(yù)制管樁基礎(chǔ)，沿街為2 層商鋪，采用20 m 的預(yù)制管樁基礎(chǔ)。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(tǒng)工藝段，地墻編號(hào)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(hào)自左向右分別為④、⑤、⑥。

在兩工藝段的中部位置各設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，測試內(nèi)容主要有墻體深層水平位移、支撐軸力、地表沉降等，具體點(diǎn)位及編號(hào)如圖1 所示。其中，鋼支撐軸力各選兩個(gè)縱斷面作為監(jiān)測對(duì)象，編號(hào)為ZL 墻號(hào)-1/2 點(diǎn)號(hào)-層號(hào)，例如，ZL5-1-3 表示第3 道支撐、第5 幅地墻上點(diǎn)號(hào)為1 的鋼支撐監(jiān)測點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)及編號(hào)示意圖

3 新型保載活絡(luò)頭結(jié)構(gòu)

本工程使用的新型預(yù)應(yīng)力鎖定鋼支撐，其工藝原理是在舊工藝的基礎(chǔ)上，增加了螺桿、螺母對(duì)易產(chǎn)生軸力損失的活絡(luò)端進(jìn)行固定，在鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力后、拆除千斤頂前，將螺母調(diào)整至遠(yuǎn)離支撐端面得一側(cè)，并擰緊，確保螺母緊固。即使楔鐵出現(xiàn)松動(dòng)，仍由螺桿進(jìn)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(gòu)成，如圖2 所示，螺桿外徑為120 mm，絲扣內(nèi)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(shè)置10 個(gè)φ25 mm 孔，便于螺母擰緊。螺桿設(shè)置在外側(cè)，按照320 t 油頂選型設(shè)計(jì)，對(duì)活絡(luò)頭進(jìn)行加強(qiáng)處理，整體外形如圖3所示。

圖2 螺桿、螺母構(gòu)造圖

圖3 新型預(yù)應(yīng)力鎖定活絡(luò)端構(gòu)造圖

4 試驗(yàn)效果分析

4.1 軸力保載效果分析

鋼支撐預(yù)應(yīng)力監(jiān)測值隨時(shí)間關(guān)系如圖4 和圖5 所示，舊工藝段鋼支撐軸力最小值與預(yù)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(yù)應(yīng)力損失上明顯較傳統(tǒng)工藝好，且效果也較穩(wěn)定。

圖4 傳統(tǒng)工藝鋼支撐架設(shè)時(shí)預(yù)應(yīng)力歷時(shí)曲線

圖5 新工藝鋼支撐架設(shè)時(shí)預(yù)應(yīng)力歷時(shí)曲線

鋼支撐軸力基本在預(yù)應(yīng)力施加后2～3 h 內(nèi)快速損失，20 h內(nèi)預(yù)應(yīng)力衰減基本結(jié)束，隨后趨于穩(wěn)定。最后一道支撐預(yù)應(yīng)力損失難以捕捉，受圍護(hù)墻體變形急劇增長，其軸力也將持續(xù)增加，無法準(zhǔn)確監(jiān)測預(yù)應(yīng)力損失情況。

4.2 支撐軸力變化規(guī)律

支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shí)基本是受壓狀態(tài)，自第3 層土方開挖后，構(gòu)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(dá)到最大值；基坑卸載結(jié)束后，隨墊層、底板、主體結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)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(diào)為受壓狀態(tài)?？梢娫诙嗟乐蔚臉秹w圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(gòu)件及端頭鉸接方式，對(duì)基坑整體安全性非常關(guān)鍵。

圖6 傳統(tǒng)工藝支撐軸力歷時(shí)曲線

圖7 新工藝支撐軸力歷時(shí)曲線

各層鋼支撐受力狀態(tài)基本保持隨基坑開挖深度增加其受壓狀態(tài)也在呈波動(dòng)式增長。隨基坑開挖深度不斷增加，新架設(shè)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(xiàn)象使得上部支撐軸力有一個(gè)減小過程，特別是最后一層土方開挖時(shí)，其作用效應(yīng)更加明顯。

4.3 測斜變形規(guī)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(dāng)基坑機(jī)械開挖至基底后，應(yīng)快速開展收土至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并澆筑墊層。此時(shí)墻體變形將在2～3 d 內(nèi)逐漸收斂，直至底板澆筑后最終趨于穩(wěn)定。

圖8 傳統(tǒng)工藝鋼支撐圍護(hù)墻水平位移曲線

圖9 新工藝鋼支撐圍護(hù)墻水平位移曲線

圍護(hù)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(jié)合本項(xiàng)目地層條件，最終最大位移點(diǎn)位于最大開挖面深度下1.0～1.5 m。對(duì)應(yīng)斷面地表最大沉降量為最大測斜量的50%～73%，距圍護(hù)墻頂外邊線約8～10 m。

5 結(jié)論

根據(jù)各階段地墻變形和蠕變變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，新、舊工藝試驗(yàn)段地墻測斜變形在第3 層土方開挖完成時(shí)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(xiàn)，第4層時(shí)差異最大，差別率南北側(cè)分別為23.84%、37.75%，隨后差異逐漸遞減，直至墊層澆筑基本穩(wěn)定后，南北側(cè)分別為18.73%、27.38%，可見新工藝段地墻變形效果好于傳統(tǒng)工藝段，但效果最好還是體現(xiàn)在第4 層土方開挖時(shí)，基坑深度更深時(shí)，效果將下降。

扣除蠕變效應(yīng)影響后，對(duì)控制地墻深層變形效果方面新工藝較舊工藝側(cè)分別優(yōu)于21%和20%，基本上較傳統(tǒng)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(yōu)勢，最終地表最大變形差異分別為21.06%、30.95%。