預應力型鋼組合支撐在基坑工程中的應用

胡 琦 劉雨冰 謝家文

(1.浙江工業大學建筑工程學院，浙江 杭州 310012; 2.東通巖土科技股份有限公司，浙江 杭州 310022)

1 工程概況

1.1 工程簡介

某工程位于天津市紅橋區紅旗北路與邵公莊大街交口東北側，其四至為東至閘橋北路，南至邵公莊大街，西至紅旗北路，北至紅星美凱龍。項目總建筑面積約為54 000 m2，項目建設住宅3棟，其底部裙房為2層(配建二、配建三)，上托建3棟高層，其中1號、3號樓為22層，2號樓為27層；另外于1號住宅西側建設1棟獨立3層建筑作為配建一，于3號住宅東側建設1棟主體6層局部4層的獨立建筑作為配建四。整個場地內均有2層地下室，埋深約10.00 m。高層住宅擬采用框架剪力墻結構，裙房擬采用框架結構，地下車庫擬采用鋼筋混凝土結構。本工程采用樁基礎。本工程±0.000相當于3.900 m，根據現場及周邊道路標高資料，自然地坪取3.300 m，基礎底板面結構標高大面積-11.300 m，板厚1 100 mm，計算開挖深度10.70 m。

1.2 工程水文地質條件

1.2.1地質條件

場地地處華北平原，屬沖積、海積低平原。擬建場地位于天津市紅橋區紅旗北路與邵公莊大街交口處東北側。場地現主要為綠地，地勢總體較平坦，僅西側局部有所起伏，各孔孔口標高介于3.99 m～3.14 m之間。根據區域地質資料，該場地埋深70.00 m范圍內，地基土按成因年代可分為以下9層，按力學性質可進一步劃分為14個亞層。

場地主要以粉土，粘土，粉質粘土為主，大多呈軟塑或可塑狀態，無明顯層理，且以中壓縮性土質為主。

1.2.2水文條件

勘察期間測得場地地下潛水水位如下：初見水位埋深1.80 m～2.20 m，相當于標高1.46 m～1.33 m。靜止水位埋深1.00 m～1.50 m，相當于標高2.26 m～2.11 m。表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補給，以蒸發形式排泄，水位隨季節有所變化。一般年變幅在0.50 m～1.00 m左右。根據勘察期間地下水位觀測值，并結合勘察院在擬建場地周邊長期地下水位觀測資料及天津地區地下水位變化幅度，本場地抗浮設計水位可按大沽標高3.00 m考慮。

根據周圍場地抽水試驗結果及承壓水觀測井觀測資料，本場地承壓含水層粉土(地層編號⑨2)靜止水位相當于大沽標高0.00 m左右。

根據室內試驗結合各層土性質，埋深30.00 m以上各層土滲透性如下：素填土，微透水；粘土，極微透水；粉質粘土，微透水；粉土，弱透水。

本場地地下水水位較高，無污染土分布。本場地標準凍結深度為0.60 m。

1.2.3不良地質作用

在本工程擬建場地范圍內不良地質作用主要為地面沉降。

由于常年進行地下水的開采，天津市的地面沉降較為嚴重。隨著近年來天津市對地下水開采的控制，地面沉降速率呈減小趨勢，根據區域監測資料顯示，擬建場地區域1985年—2014年累計地面沉降量約為500 mm～700 mm，2014年沉降量約為10 mm。在本工程擬建場地范圍內，除地面沉降外不存在其他影響擬建場地整體穩定性的不良地質作用。

1.2.4特殊性巖土

本場地的特殊性巖土主要為人工填土，全場地均有分布，厚度一般1.40 m～2.80 m，由雜填土(地層編號①1)和素填土(地層編號①2)組成。雜填土結構松散，由石子、磚渣、煤灰渣、廢土組成；素填土軟塑狀態，粉質粘土土質，含石子，土質結構性差。

人工填土填墊年限小于十年且厚度較小，對本次擬建工程基坑開挖及支護影響不大。

2 工藝介紹

2.1 預應力型鋼組合支撐簡介

型鋼組合支撐的每道支撐由多根型鋼組合而成，型鋼翼緣上密布螺栓孔，所有構件均通過高強螺栓連接。同方向型鋼之間架設蓋板和槽鋼構成組合構件(見圖1a))，支撐交匯處用三角件連接，以增強支撐連接處強度(見圖1b))。通過多種構件組合而成的型鋼組合構件整體性良好，完全可以滿足工程安全的需求。

支撐與壓頂梁或腰梁之間使用圍檁連接，鋼腰梁依托在與支護樁焊接的角鋼牛腿上。圍檁可以通過預埋件與壓頂梁連接，也可通過型鋼傳力件與支護樁連接，這樣的連接形式形成了較強的節點連接強度。各構件間連接方式如圖1c)，圖1d)所示。

2.2 施工工藝

深化設計→施工準備→測量定位→H型鋼立柱樁施工→開挖冠梁及牛腿土方→冠梁施工→焊接牛腿及傳力件連接板(與灌注樁主筋焊接)→牛腿安裝→安裝第1道圍檁→焊接傳力件→安裝第2道圍檁→安裝托座件及橫梁→安裝支撐梁→預應力施加→基坑土方開挖→基坑開挖結束→施工澆筑混凝土墊層、底板、側墻、頂板及混凝土換撐→地下室結構、頂板、側墻及混凝土換撐強度達到設計強度→拆除組合型鋼支撐。

2.3 施工步驟

主要施工步驟如下：

1)場地平整完后，根據圖紙立柱的定位，在儀器指揮下用機械手進行立柱的安插。

2)安放擱置圍檁的牛腿，綁扎壓頂梁鋼筋，隨后根據圖紙要求，在第1道圍檁上進行預埋螺桿的安裝和第1道圍檁的拼裝。完畢后開始澆筑混凝土，構件之間的連接通過螺栓連接。

3)安裝托座件，并在托座件上安放橫梁。接下來進行第2道圍檁、三角件、角度調節件、加壓件、型鋼支撐的安裝。

4)支撐安裝完成后，先焊接軸力檢測應變計，后用油壓千斤頂按設計要求進行加壓。在整個工程施工過程中，自動化軸力監測系統進行監測。

5)隨著大底板混凝土的澆筑焊接，在立柱相對標高處的止水鋼片也一并澆筑。混凝土強度達到要求，支撐開始拆除。首先，先用油壓千斤頂進行卸壓，然后逐步拆除第二層型鋼組合上蓋板、槽鋼等。

6)待頂板澆筑完成，并達到設計強度，拆除第一道型鋼組合支撐，并拆除托座件，割除立柱和牛腿，然后回填土方。拆除后，殘料統一整理，并運出現場，回收倉庫。

3 基坑圍護方案及施工要求

3.1 基坑圍護方案

本工程有以下特點：

1)本場地地基土分布總體較均勻穩定，除地面沉降外場地及周邊不存在影響場地整體穩定性的不良地質作用；

2)本次擬建場地內整體有2層地下室，開挖面積較大，基坑開挖邊界西側距離現有建筑(千陽里)8.5 m，北側距離紅星美凱龍家居裝飾城12.5 m，南側距離邵公莊大街10 m，東側距離閘橋北路18 m，基坑周圍環境相對較復雜，基坑開挖時應采取一定的支護、止水及降水措施；

3)本場地地下水靜止水位埋深較淺，應做好降水工作，將水位降至基坑底1.00 m以下；

4)基坑輪廓表現為狹長形長條，基坑輪廓長213.08 m，寬30.8 m，坑內含數個陰角，形式較為復雜，對支撐圍護水平有較高要求，見圖2。

根據以上特點進行基坑支撐系統設計：

本工程地下室2層，基坑開挖深度深10.70 m，結合周邊場地情況，基坑采用咬合鉆孔灌注樁加二道預應力型鋼組合式支撐的支護形式，工法樁兼做止水帷幕，坑底部分區域采用水泥攪拌樁加固。結合基坑的平面形狀，采用了角撐結合八字撐的平面形式。內支撐標準件采用H350×350×12×19型鋼(Q345)，鋼圍檁采用雙拼H400×400×13×21型鋼(Q345)，立柱樁采用H300×300×10×15(Q235)。基坑剖面圖見圖3。

結合基坑的平面形狀，采用了角撐結合對撐的支撐平面形式，局部區域布置反拱。支撐的受力合理，基坑中留出了較大的挖土空間。這種支撐系統具有如下幾個特點：

1)支撐桿件受力明確，可有效控制圍護體的側向變形；

2)由于支撐間距大，故挖土施工方便；

3)圍護樁受力合理，節省工程造價；

4)可有效控制淺層位移。

3.2 施工要求

基坑工程施工前應首先進行場地普查及修整。主要查明地基淺層障礙物的種類、分布及深度，場地內外管網分布情況。對已埋設在基坑范圍內的管線應及時移走，以保證管線設施的正常使用及基坑施工的順利進行。

基坑工程施工應按如下順序進行：

1)施工SMW工法樁、鉆孔樁。并埋設測斜管，水位管。

2)大面積挖土至壓頂梁底，施工混凝土壓頂梁，并安裝型鋼支撐。混凝土壓頂梁養護至設計強度的80%后，對型鋼支撐施加預應力。

3)進行下一層土方開挖，挖土至坑底。挖土至基坑底標高24 h內須施工好素混凝土墊層，坑底標高以上30 cm及地梁、承臺等局部深處采用人工修土。

4)施工相應范圍的基礎底板以及基礎底板與圍護樁之間的底板傳力帶。

5)待底板及傳力帶達到設計強度后，拆除水平內支撐。

周邊支撐、對撐均形成整體后，方可開挖下一層土方。對撐形成后應在對撐指定范圍內覆土大于30 cm，并鋪設路基板后才能通行車輛。

土方開挖的基底標高應結合地下室結施圖進行，當結施圖與基護剖面圖中所示的基底標高有出入時，以結施圖為準，并應及時通知業主和圍護設計人員。在基坑開挖及整個地下室施工過程中，應嚴密觀察圍護體各部位有無滲漏現象，如有，則必須立即采取有效措施堵漏。內支撐(除指定區域外)上嚴禁堆載。塔吊等施工設備應另行設置基礎。

基坑周圍10 m范圍內，地面超載不得大于20 kPa。出土口范圍地面超載不大于45 kPa。型鋼組合式支撐頂部除指定區域外，嚴禁任何形式的堆載，施工過程中挖土機械嚴禁碰撞支撐的型鋼立柱。

4 工程跟蹤結果

1)2017年3月13日，立柱開始施工，共86顆立柱。

2)2017年3月18日，開始圍檁安裝的施工。

3)2017年3月21日，東邊第一個對撐上下兩道、第二個對撐上道已安裝完成，基坑最大變形發生于東側角撐與第一個對撐之間，位移為15 mm。該區域已開挖到設計坑底。

4)2017年3月24日，立柱全部施工完畢，東邊圍檁已安裝局部。該段期間出土受天津降雨影響。

5)2017年3月31日，第一道圍檁內層已全部貫通，外層剩余不到100 m。

6)2017年4月7日，東邊第二道角撐已安裝完成。該段時間施工進度受天津霧霾影響。

7)2017年4月14日，東西兩側角撐、第一道對撐均已安裝完成，發揮作用，第二道支撐東側角撐安裝完成，發揮作用，東側開挖土方將近設計坑底，基坑變形發生于東側角撐與第一個對撐之間，位移為11 mm。

8)2017年5月5日，東面完成四道上下兩層對撐，西面完成上下兩道對撐。東面角撐區域底板墊層完成。位移最大處13 mm。

9)2017年5月26日，支撐已經全部安裝完畢。

10)2017年7月28日，全部支撐拆除完畢，型鋼材料裝車撤場。

基坑內支撐體系僅使用不到5個月便完成建立和拆除，與傳統常用鋼筋混凝土支撐體系縮短近30%的工期。在整個工程施工階段，基坑變形穩定，基坑各項變形指標均未超過規范及設計要求，基坑安全可控。

5 結語

相比鋼筋混凝土支撐，型鋼拼接支撐具有組裝拆除快速、剛度好、對支撐立柱的承載力要求低等明顯優點，而且與SMW工法樁的連接更為方便。相比鋼管支撐，型鋼組合式支撐采用高強螺栓連接，節點連接更加可靠。此外，型鋼組合支撐隨挖隨撐，隨撐隨挖的特點，施工受氣候條件影響不大，可全天候施工，比傳統鋼筋混凝土支撐方案通常節約工期30%～50%，意味著節約時間、減少成本、占據市場主動、減少對環境影響。在支撐拆除過程中未產生建筑垃圾，也未造成揚塵及噪聲污染，同時，拆除后的組合型鋼支撐可在后續項目中重復利用，有效地節約了施工成本，相比傳統支撐節約15%～20%。論文通過詳細介紹型鋼組合支撐的施工工藝、施工步驟和施工要點，并結合其作為支撐體系在天津商品房建設工程中的成功應用，在解決深基坑施工對縮短工期的問題上提供了新的思路和方法。