深基坑工程裝配式鋼支撐施工技術(shù)研究

孫艷濤 喬路正

摘要：基于某深基坑預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐的工程背景，闡述了鋼支撐設(shè)計中設(shè)計分析、施加預(yù)應(yīng)力等方面要點。隨后詳細(xì)敘述了本工程中鋼支撐安裝、拆除的施工技術(shù)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(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐施工耗材小，施工中產(chǎn)生的噪聲和污染小，對周邊環(huán)境影響較小。裝配式型鋼內(nèi)支撐施工無需養(yǎng)護(hù)，拼裝完成并施加預(yù)應(yīng)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(yùn)，施工工期短；裝配式型鋼內(nèi)支撐材料回收率高，損耗量少，可重復(fù)使用，成本低；對主體結(jié)構(gòu)施工影響小，安全性高。

關(guān)鍵詞：深基坑；裝配式；鋼支撐；施工技術(shù)

0? ?引言

與混凝土支撐相比，基坑支護(hù)工程中采用裝配式型鋼組合內(nèi)支撐具有很明顯的優(yōu)勢[1]。裝配式型鋼組合內(nèi)支撐的型鋼一次購置和加工后可多次重復(fù)使用，分?jǐn)偟矫總€項目的成本較低，約為混凝土支撐費(fèi)用的80%左右[2-3]。裝配式型鋼組合內(nèi)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(yōu)點[4]。本文基于某深基坑預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐的工程背景，闡述鋼支撐設(shè)計中設(shè)計分析、施加預(yù)應(yīng)力等方面要點，隨后詳細(xì)敘述了本工程中鋼支撐安裝、拆除的施工技術(shù)及要點。

1? ?工程概況

1.1? ?基坑概況

新建山東城際鐵路調(diào)度指揮中心工程（以下簡稱新調(diào)度指揮中心）位于既有調(diào)度樓南側(cè)，經(jīng)一路北側(cè)，濟(jì)南鐵路局1號附屬樓東側(cè)，天成路西側(cè)。該建筑地上16層，地下2層，結(jié)構(gòu)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(nèi)承臺及集水坑位置加深0.6～2.8m。北側(cè)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(shè)二層地下室，±0.00相當(dāng)于絕對高程32.750m，基坑支護(hù)設(shè)計自然地坪標(biāo)高為-1.95m。

1.2? ?周邊環(huán)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?；游鱾?cè)距離既有濟(jì)南鐵路局1號附屬樓基礎(chǔ)最近約1.5m，距離1號附屬樓地上結(jié)構(gòu)最近約2m，距離西側(cè)人防地道最近約2.1m。距離南側(cè)經(jīng)一路最近約11.5m，距離東側(cè)天成路最近約18.1m，距離北側(cè)6號辦公樓擋墻約7.0m，距離6號樓地上結(jié)構(gòu)約8.4m，距離北側(cè)人防地道最近約3.1m。坡道基坑距北側(cè)6號辦公樓擋墻約0.8m，距離6號樓地上結(jié)構(gòu)約2.1m。

1.3? ?基坑支護(hù)設(shè)計

主體基坑圍護(hù)方案采止水帷幕+灌注樁+兩道組合鋼結(jié)構(gòu)及混凝土組合內(nèi)支撐，止水帷幕采用800mm@550mm高壓旋噴樁。其中西側(cè)采用1000mm@750mm咬合樁，一葷一素布置，上設(shè)冠梁。北側(cè)采用1000mm@1300mm鉆孔灌注樁。東側(cè)及南側(cè)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(jié)構(gòu)支撐下設(shè)置400mm×400mmH型鋼立柱支撐，混凝土支撐下設(shè)440mm×440mm格構(gòu)式鋼立柱支撐。

北側(cè)外掛車道基坑圍護(hù)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(shè)計研究

2.1? ?設(shè)計分析

裝配式鋼型鋼組合內(nèi)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(zhuǎn)換頭等構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，根據(jù)實際基坑尺寸和形狀進(jìn)行拼裝組合。構(gòu)件通過高強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)共同發(fā)揮抗力作用，以保證基坑的穩(wěn)定性并控制基坑變形。

2.2? ?材料選擇

型鋼截面宜優(yōu)先選擇熱軋H型鋼，為提高型鋼的周轉(zhuǎn)性能、現(xiàn)場拼裝性能，型鋼組合支撐系統(tǒng)的構(gòu)件宜加工為標(biāo)準(zhǔn)件。型鋼標(biāo)準(zhǔn)件截面宜采用H350×350或H400×400型鋼，型鋼腹板及翼緣不應(yīng)小于10mm。

2.3? ?對撐與角撐設(shè)計

對撐、角撐、八字撐桿件可采用單根H型標(biāo)準(zhǔn)件、雙H型鋼組成的十字形截面或H型標(biāo)準(zhǔn)件組合構(gòu)件，腰梁可采用單根H型標(biāo)準(zhǔn)件、H型標(biāo)準(zhǔn)件組合構(gòu)件。根據(jù)構(gòu)件計算長度、彎矩設(shè)計值、構(gòu)件截面面積因素進(jìn)行控制。對撐與角撐組合構(gòu)件中，單根支撐桿件的穩(wěn)定性驗算根據(jù)型鋼軸力設(shè)計值、桿件長細(xì)比、型鋼截面面積進(jìn)行計算。對撐、角撐構(gòu)件的預(yù)加軸向壓力取值，應(yīng)與彈性支點法計算時預(yù)加力取值相匹配，且預(yù)加軸向壓力值不宜過大，一般取設(shè)計值的60%～80%為宜。預(yù)加軸向壓力取值應(yīng)考慮對撐、角撐的構(gòu)件的受力能力以及周圍土體環(huán)境的形變。

2.4? ?施加預(yù)應(yīng)力

施加預(yù)應(yīng)力的大小關(guān)系到支撐穩(wěn)定性、開挖時引起的土體剪應(yīng)力、支撐與圍檁件的施工空隙等。適宜的預(yù)應(yīng)力可以改善墻體的受力條件，有效控制基坑變形，增強(qiáng)基坑邊坡的穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力過小則起到的作用有限，過大則會導(dǎo)致坑外土體發(fā)生隆起現(xiàn)象。型鋼支撐預(yù)壓力值，應(yīng)結(jié)合基坑側(cè)壁的變形要求及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況確定，不應(yīng)小于支撐設(shè)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(jié)合支護(hù)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(yán)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(yè)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(jié)構(gòu)的豎向支撐構(gòu)件，由L90×10角鋼焊接而成，與支護(hù)樁主筋相連。沿水平方向間距3.6m設(shè)置。安裝支撐牛腿時，首先鑿除支護(hù)樁15cm×15cm鋼筋保護(hù)層，然后將組成牛腿的角鋼與支護(hù)樁主筋焊接，焊接為雙面滿焊。最后用C30噴射混凝土，將保護(hù)層補(bǔ)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(qiáng)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(jī)吊放，西、北兩側(cè)鋼圍檁采用挖掘機(jī)吊放。圍檁安裝之前須確定安裝控制線，用全站儀通過坐標(biāo)計算測設(shè)基坑相鄰兩個轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)的基點，通過該基點采用掛線的方法進(jìn)行平面安裝定位。

3.1.3? ?托座、橫梁的安裝

托座構(gòu)件與格構(gòu)柱采用螺栓或焊接相連，用于承托橫梁。橫梁與對應(yīng)的兩個格構(gòu)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(wù)必控制其水平標(biāo)高，通過角撐、對撐、H型鋼的定位標(biāo)高反推其頂面水平標(biāo)高，托座面標(biāo)高=支撐結(jié)構(gòu)中心標(biāo)高-（支撐件高度的1/2+橫梁高度）。應(yīng)確保相應(yīng)道支撐的橫梁面標(biāo)高在同一平面上托座面標(biāo)高偏差不的大于±2mm。各型鋼立柱的托座面標(biāo)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(yù)先開設(shè)Φ28螺栓孔，用于型鋼與其他構(gòu)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(yīng)力。鋼支撐支撐中間設(shè)置保力盒，用于預(yù)應(yīng)力保持。組合支撐上部蓋設(shè)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(yù)應(yīng)力的施加

每道型鋼支撐完整完畢后，應(yīng)在24h內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力應(yīng)分級施加，依次為總量的20%、50%、30%。施加預(yù)應(yīng)力時應(yīng)檢查每個節(jié)點連接情況，并做好記錄。第一次預(yù)應(yīng)力施加與第二次預(yù)應(yīng)力施加間隔時間為5min，第二次預(yù)應(yīng)力施加與第三次預(yù)應(yīng)力施加間隔時間為10min。用千斤頂撐開兩端加強(qiáng)型加壓件后，在保力盒與加強(qiáng)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(hù)樁間的換撐混凝土→施工負(fù)二層地下室外墻及負(fù)二層樓板及外墻防水，回填負(fù)二層范圍毛石混凝土→混凝土達(dá)到設(shè)計要求后拆除型鋼支撐，切除型鋼立柱→施工負(fù)一層地下室結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后級配碎石回填至設(shè)計標(biāo)高。

3.2.2? ?分級卸力

拆除時，避免瞬間預(yù)應(yīng)力釋放過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部變形、開裂。分三級卸力，每級預(yù)應(yīng)力釋放后宜觀察30min，并檢查節(jié)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(dāng)加力頂緊，然后取出型鋼，千斤頂逐步卸力，停置30min后繼續(xù)，然后再取出型鋼，直至結(jié)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(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，基坑開挖后會存在向基坑內(nèi)變形的情況，鋼支撐安裝并施加壓預(yù)應(yīng)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(nèi)變形，抵消了預(yù)應(yīng)力施加產(chǎn)生的向外位移，但基坑總體變形可控，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4.2? ?成本節(jié)約情況

本工程采用裝配式型鋼內(nèi)支撐，主材以型鋼租賃為主，型鋼內(nèi)支撐材料回收率高，損耗量少，在經(jīng)過矯正以后可以多次重復(fù)使用，分?jǐn)偟矫總€項目的成本較低，與混凝土支撐相比可節(jié)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(nèi)支撐施工無需養(yǎng)護(hù)，拼裝完成并施加預(yù)應(yīng)力后即可進(jìn)行下一層的土方開挖。裝配式型鋼內(nèi)支撐還可以分區(qū)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(yùn)，可分區(qū)分段拆除，有利于縮短拆除工期。

5? ?結(jié)束語

本文基于某深基坑預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐的工程背景，闡述了鋼支撐設(shè)計中設(shè)計分析、施加預(yù)應(yīng)力等方面要點。隨后詳細(xì)敘述了本工程中鋼支撐安裝、拆除的施工技術(shù)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(jié)論：

施工時不需要耗費(fèi)大量的木材、鋼筋、混凝土和水，使用時直接從工廠運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，施工中產(chǎn)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(nèi)支撐施工無需養(yǎng)護(hù)，拼裝完成并施加預(yù)應(yīng)力后即完成支撐安裝，并可進(jìn)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(yùn)，與混凝土支撐相比可縮短工期1/3以上。

裝配式型鋼內(nèi)支撐材料回收率高，損耗量少，在經(jīng)過矯正以后可以多次重復(fù)使用，分?jǐn)偟矫總€項目的成本較低，約為混凝土支撐費(fèi)用的80%。

對支撐內(nèi)力及位移變化實時監(jiān)測可知，基坑變形可控。在內(nèi)力或變形大時，可靈活增加支撐，土方開挖方便，對主體結(jié)構(gòu)施工影響小。裝配式型鋼支撐安裝完角撐，施加預(yù)應(yīng)力后可對角撐區(qū)域土方開挖。安裝完支撐桿件，施加預(yù)應(yīng)力后可對水平撐區(qū)域土方開挖，受限相對較小。

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