預應力張弦梁鋼支撐在深基坑中的應用研究

王 強 胡曉蓮

(江西建工第一建筑有限責任公司 江西南昌 330000)

0 引言

深基坑內支撐體系主要有鋼筋混凝土支撐與鋼支撐。鋼筋混凝土支撐整體性好，承載力高，但鋼筋混凝土支撐材料不可重復利用，養護周期長，拆除困難，形成大量建筑垃圾與粉塵等，不符合目前綠色環保、可持續發展的需求。鋼支撐體系具有施工方便、可循環利用等特點，但其剛度較小。為克服鋼支撐剛度小、變形大等缺點，在鋼支撐的基礎上，對其施加預應力，為克服鋼支撐剛度小、變形大等缺點，基坑出土方便，在深基坑工程中具有廣泛的應用前景。本文在工程實例基礎上，總結了預應力張弦梁鋼支撐體系的施工方法。

1 工程概況

某項目地下室地下兩層，占地面積約13 206 m2，支護周長約459 m，開挖深度達到12.6 m,如圖1所示。

圖1 某項目張弦梁鋼支撐現場圖

該工程基坑開挖深度較深，基坑邊距離用地紅線近(地下室邊線距離用地紅線3.2 m～7.3 m，距離已建建筑最近約14.4 m)，周邊環境復雜，存在市政道路及市政管線，對變形較為敏感，環境保護要求較高。另外由于工期緊，為了盡量縮短施工工期，支護結構需具備安拆方便、快捷、有利于基坑出土等特性。在施工前，對張弦梁鋼支撐系統與傳統的型鋼組合鋼支撐系統在施工工期和工程造價上進行對比(表1)，最終確定選用工期和造價都占優的張弦梁鋼支撐系統。

表1 方案比較

張弦梁鋼支撐系統由張弦梁、直撐桁架、斜撐桁架、鋼支架等裝置組成，如圖2～圖6所示。整個支撐體系利用張弦梁，將其跨度內所受土壓力傳遞到直撐桁架和斜撐桁架上，直撐桁架和斜撐桁架再將土壓力向基坑兩邊相互抵消。

圖2 裝配式張弦梁鋼支撐系統構造圖

圖3 張弦梁構件圖

圖4 直撐桁架構件圖

圖5 斜撐桁架構件圖

圖6 鋼支架構件圖

2 基坑支護施工工序

施工鉆孔樁和立柱→施工三軸水泥攪拌樁(然后高噴補強)→開挖至第一道支撐面標高→施工壓頂梁和支撐梁→鋼支撐部分施加預應力后開挖至第二層支撐工作面，混凝土支撐養護達到設計強度后，開挖至第二層支撐工作面→施工腰梁和第二道支撐→待鋼支撐施加預應力，混凝土支撐達到設計強度→開挖至坑底標高→施工墊層和深井→施工筏板基礎結構，并澆筑底板傳力帶→待基礎結構達到設計強度后，施工樓板及樓板傳力帶→樓板及樓板傳力帶達到設計強度后→逐步拆除第二道支撐和第一道支撐→完成地下室結構→回填土方，向上作業。

3 張弦梁鋼支撐工藝流程與關鍵技術

3.1 張弦梁鋼支撐施工工藝流程

施工準備階段→工廠預制構件→模塊拼裝→預埋件安裝、焊接→整體放線、定位→場地布置、構件進場→支架平臺安裝→鋼支撐模塊安裝→預應力施加→預應力卸載→鋼構件拆除。

3.2 張弦梁鋼支撐安裝順序

鋼支撐拼裝順序如圖7所示，具體描述如下：

圖7 鋼支撐拼裝順序

(1)拼裝左下角模塊一角撐部分；

(2)拼裝右下角模塊二角撐部分；

(3)拼裝右下模塊三張弦梁；

(4)拼裝左下模塊四張弦梁；

(5)拼裝中間模塊五對撐；

(6)拼裝右上模塊六張弦梁；

(7)拼裝左上模塊七張弦梁；

(8)拼裝左上角模塊八角撐部分。

兩層之間土方開挖完成，第二層鋼支架安裝完成后，開始第二道鋼支撐拼裝。

3.3 預應力施加

采用液壓式千斤頂對支護系統施加預應力,預應力施加點如圖8所示，圖中一層支撐預應力P1 =2500 kN、P2=2000 kN、P3=1000 kN；二層支撐預應力P1=3000 kN、P2=2500 kN、P3=1500 kN。現場預應力施加作業情況如圖9所示。

圖8 鋼支撐液壓千斤頂預應力施加點分布圖

圖9 預應力施加現場圖

3.4 基坑土方開挖

鋼支撐預應力施加完畢后，基坑土方開挖。基坑土方采用由南到北盆式開挖，基坑中應留道路。為了盡可能使支護結構均勻受力，減少變形，需遵循分層、分塊、均衡、對稱的挖土原則開挖至設計標高，每層挖土厚度不宜超過2 m，每段長度不超過20 m。邊開挖邊實時監測位移控制點位移變化，實時調整千斤頂，使位移在允許范圍，并測定相應的內力變化。需特別注意，基坑內壁3 m范圍土方開挖時，千斤頂與冠(腰)梁間二次灌漿須達到C35砼同等強度。基坑土方開挖順序如圖10所示。

圖10 基坑土方開挖順序圖

3.5 基坑監測

基坑內設置了位移監測控制點和內力監測控制點，施工過程中實時監測基坑位移變化，保證施工過程中基坑最大位移在30 mm范圍內。監測點布置如圖11所示。基坑及支護結構監測報警值如表2所示。

圖11 基坑監測平面布置圖

表2 基坑及支護結構監測報警值

當基坑監測出現上述預警值或出現下述情形時，應立即進行危險報警，并對支護結構和周邊環境的保護對象采取應急措施：

(1)監測數據達到監測報警值的80%；

(2)基坑支護結構或周邊土體的位移值突然明顯增大,或基坑出現流沙、管涌、隆起、陷落、或較嚴重滲漏等；

(3)周邊地面出現較嚴重的突發裂縫或危害結構的變形裂縫；

(4)根據當地工程經驗判斷，出現其他必須進行危險報警的情況；

(5)周邊管線變形突然明顯增長或出現裂縫、泄漏等[1]。

該工程根據第三方監測結果顯示，基坑周邊水平位移最大累計變化量為21.1 mm(預警值30 mm)，豎向位移最大累計變化量為13.2 mm(預警值30 mm)，深層水平位移最大累計變化量為18.8 mm(預警值30 mm)，立柱沉降最大累計變化量為17.3 mm(預警值30 mm)。上述數據表明，本基坑使用情況良好，均未達到監測預警值。說明預應力張弦梁鋼支撐系統在深基坑支護的應用較為安全可靠[2]。

3.6 換撐與拆撐

(1)換撐與拆撐條件

在地下室頂板樓板施工完畢并能提供剛度后，開始換撐工作，待傳力體施工完養護至滿足設計要求后方能拆撐。拆除時要特別注意保證軸力的安全卸載，避免應力突變對圍護結構、主體結構產生負面影響。另外，避免鋼支撐吊運過程中墜落而導致安全和質量事故。綜合考慮，鋼支撐拆除需滿足如下條件：

①換撐構件達到設計要求強度，即可拆除鋼支撐。

②接到《鋼支撐拆除通知》或相關書面文件。

③具備鋼支撐拆除的施工操作面和通道。

④后澆帶處理完畢。

換撐前需對地下室底板、中板及頂板的后澆帶設置傳力帶，傳力帶設置位置與后澆帶兩側柱子中線重合，傳力帶采用32b#工字鋼，兩端通過封頭板預埋在后澆帶中，需在后澆帶兩側混凝土澆筑前預埋好，澆筑時避免移位。

(2)換撐與拆撐的施工流程

先施工底板基礎結構，并澆筑底板傳力帶→待基礎結構達到設計強度后，施工樓板及樓板傳力帶→樓板及樓板傳力帶達到設計強度后→逐步拆除第二道支撐和第一道支撐。

(3)換撐結構的施工與相鄰結構同時進行，與常規混凝土結構施工方法相同。

(4)鋼支撐拆除順序

拆除支撐系統時，應對稱拆除，先拆除張弦梁，再拆除中間的直撐桁架，最后拆除角上的斜撐桁架。

(5)鋼支撐拆除具體分為以下幾個步驟

①吊車駐點場地清理、平整。吊車進場前勘察路線、路面，軟土路面需要提前鋪設石子、鋼板。

②使用千斤頂或鑿除支撐一側的二次灌漿層，釋放鋼支撐內力。

③采用塔吊拆除腹桿、張弦梁等重量較輕的小構件。

④將主撐綴板螺栓解開，把主撐拆成零散元件，采用吊車裝車運走。

⑤如現場無法滿足吊車停靠，則需塔吊配合拆除構件。如果構件重量超出塔吊起重范圍，則加密腳手架上叉車，或吊車進行拆除。

4 結語

綜上所述，預應力張弦梁鋼支撐是一項用于地下空間開挖的新型綠色深基坑支護技術。與傳統混凝土支撐相比，其體系簡單，安拆方便、快捷，可顯著縮短施工工期。同時，該支撐系統的鋼材構件可回收重復使用，節省施工成本，具有很好的經濟效益[3]。該系統不產生建筑垃圾，具有節能環保、技術先進、經濟合理、確保質量等特點，極具推廣價值。