深基坑預應力型鋼組合內支撐結構體系施工技術

何先煒/HE Xian-wei

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518000）

在深基坑施工中，為保證支護結構及周邊環境安全，需沿基坑深度方向設置一層或多層內撐結構，以抵抗基坑側壁壓力，保證地基與基礎施工階段的基坑安全。目前國內最常見的基坑支撐為鋼筋混凝土內撐，雖具有剛度大、變形小等優點，但其鋼筋混凝土一次性投入使用、混凝土養護時間長、破除后產生大量建筑垃圾且污染環境。

相比鋼筋混凝土支撐，型鋼組合內支撐具有平面布置靈活、剛度較大、施工周期短、鋼材可循環利用等優點。但由于跨度大時型鋼撓度增大、易受彎變形的特點，使其只適用于寬度較窄的基坑。我們在工程實踐中，通過對型鋼組合內支撐施加預應力，使其撓度減小、剛度增加，有效解決了型鋼組合內支撐在大跨度深基坑中抗撓不足的問題，提高了型鋼的使用效率、擴大了支撐的使用范圍。

1 施工技術原理

型鋼組合內支撐是由多個標準及非標準的型鋼構件拼裝組合而成，隨著基坑跨度的增加，型鋼水平支撐在自重作用下會產生一定的撓曲變形。通過對型鋼內支撐施加預應力，創建新型結構體系，使水平鋼支撐的撓度減小、剛度增加，從而提高型鋼支撐體系的受力性能和安全系數。有效解決了型鋼組合內支撐在大跨度深基坑中抗撓不足的問題，提高了使用效率，擴大了使用范圍。

在型鋼內支撐未受到基坑側壁壓力前，通過施加預應力以調整型鋼支撐結構的內力分布，使得型鋼內支撐在工作期間其內部預應力能抵消或削弱部分基坑側向壓力，以實現等效平衡荷載的目的。提高基坑支撐體系的強度、剛度及穩定性，以充分發揮型鋼材料的受力性能。

2 技術適用范圍

預應力型鋼組合內支撐結構體系可配合灌注樁排樁、型鋼水泥土攪拌樁及地下連續墻等支護樁，作為基坑側壁安全等級為一、二、三級的深基坑支護結構，適用范圍廣。

3 工程背景

某商業、辦公綜合體建筑，位于南京市江北新區團結路與華富路交叉口。擬建場地屬于長江漫灘地貌單元，具有地下水位高、泥沙含量大等特點。基坑開挖面積約13 016m2，基坑周長約577m，基坑開挖深度7m，主樓核心筒區域開挖深度11m。整個基坑采用“SMW 工法樁＋預應力型鋼組合內支撐”支護體系，基坑外側采用單排三軸深攪樁套接施工形成全封閉止水帷幕進行止水，基坑內部采用一層預應力型鋼組合內支撐結構體系。

4 施工工藝

4.1 施工工藝流程

鋼筋混凝土壓頂梁及抗剪墩施工→型鋼立柱樁施工→立柱樁托座、托梁安裝→傳力件安裝→型鋼水平內支撐安裝→安裝預應力加載裝置→分級施加預應力→基坑監測→地下室結構及換撐施工→預應力卸載→型鋼組合內支撐拆除及回收

4.2 鋼筋混凝土壓頂梁及抗剪墩施工

1）如圖1 所示，壓頂梁采用現澆鋼筋混凝土結構，沿基坑支護樁一圈布置，截面尺寸1 400mm×800mm。

圖1 壓頂梁施工

2）型鋼水平內支撐通過傳力件與壓頂梁連接，當鋼支撐與壓頂梁交角小于90°時，連接節點處受到的剪力最大。施工中可沿受力方向設置鋼筋混凝土抗剪墩（相當于在壓頂梁與傳力件錨固端設置水平加腋），使該節點處產生支座反力以抵抗剪切荷載，增大型鋼支撐與支護樁結合部的安全系數，鋼筋混凝土抗剪墩與壓頂梁一體化施工（圖2）。

圖2 抗剪墩配筋受力方向

3）壓頂梁鋼筋綁扎完成后，將連接傳力件的螺栓預埋件點焊在壓頂梁鋼筋上，再澆筑壓頂梁混凝土，混凝土強度等級C35。

4.3 型鋼立柱樁施工、托座件安裝

1）根據設計圖紙和場區控制線，用全站儀對立柱樁進行定位并灑灰線做好標記，立柱樁施工前再對其坐標位置進行復核。立柱樁宜采用靜壓法施工，可采用機械手將型鋼立柱插入土層中，插入過程中使用全站儀對立柱垂直度進行控制。立柱樁垂直度允許偏差≤0.5%，定位偏差控制在50mm 以內，樁頂標高允許誤差±30mm。

2）當基坑較深、立柱樁懸臂端過長時，可通過設置剪刀撐以提高立柱樁的抗側移剛度。

3）托座、橫梁采用H300×300×10×15型鋼，立柱樁與托座、托座與橫梁之間通過M24×80 高強螺栓連接。

4.4 型鋼水平內支撐安裝

1）如圖3、圖4所示，在跨度為113.3×72.5m 的平面規則的矩形深基坑平面布置一層型鋼組合內支撐，基坑四角分別各設置3 道角撐（A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3，D-1、D-2、D-3）；基坑長邊方向的中垂線位置設置一道中間對稱（E-1）。

圖3 預應力型鋼組合內支撐平面布置

圖4 型鋼內支撐安裝

2）每道水平鋼支撐由多個標準型鋼構件組成，型鋼翼緣上密布螺栓孔，各構件通過高強螺栓連接。每道水平鋼支撐兩端中心線的偏心誤差控制在20mm 以內，兩端的標高差≤20mm 且不得超過水平鋼支撐跨度的1／600。

4.5 安裝預應力加載裝置

1）預應力裝置安裝的數量及位置：當型鋼水平內支撐跨度≤30m 時，在水平鋼支撐一端安裝1 個預應力裝置；當型鋼水平內支撐跨度在30～60m 時，在水平鋼支撐中部安裝1 個預應力裝置；當型鋼水平內支撐跨度＞60m 時，在水平鋼支撐兩端各安裝1 個預應力裝置。

2）在角撐（A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3，D-1、D-2、D-3）及中間對稱（E-1）的中部位置各安裝預應力加載裝置，加載裝置由加載橫梁、預應力保力盒、液壓千斤頂、鋼墊片組成。

4.6 分級施加預應力

1）預應力應遵循“對稱、同步、分級”的原則進行施加。各液壓千斤頂同步工作，預應力分級施壓，依次為總預應力的20%、50%、30%，第一級壓力加載完成并保持壓力穩定10min 后再進行下一級施壓。預應力施加達到設計值并保證壓力穩定平衡后，方可鎖定千斤頂。預應力加載值統計如表1 所示。

表1 預應力加載值統計

2）加壓后，在預應力保力盒與支撐梁結合處出現的縫隙中加塞鋼墊片，并將所有松動的螺栓進行緊固，最后等到支撐受力穩定后取出千斤頂，并對型鋼支撐進行軸力監測。

3）型鋼組合內支撐的軸力監測采用全自動連續監測系統，在軸力較大處或者起到控制作用的水平鋼支撐上安裝軸力監測傳感器，利用頻率讀數儀進行讀數并記錄歸檔。預應力施加和卸壓期間，軸力監測頻率為2 次／h 以上。

4.7 基坑監測

型鋼支撐安裝期間：該期間由于型鋼支撐組裝，未形成閉合受力體系，支護體系處于懸臂狀態，需要重點監測。型鋼支撐受力期間：該期間基坑正處于施工階段，支撐軸力不斷變化，需要重點監測。型鋼支撐拆除期間：該期間基坑受力變形情況復雜，需要重點監測。

4.8 地下室結構及換撐施工

1）換撐原理：將地下室樓板部分延長至支護樁側壁作為傳力帶，后澆帶位置采用工字鋼等作為傳力帶，基坑側壁壓力通過傳力帶傳遞到樓板結構，最終傳遞到對面的支護樁，使對稱兩邊的應力相互抵消，從而保證基坑側壁的穩定性。

2）換撐流程：基礎底板換撐施工→負一層底板換撐施工→拆除第一層型鋼組合內支撐。

3）基礎底板換撐：基礎底板混凝土澆筑時，整個基坑內的混凝土需滿堂澆筑到支護柱邊，基礎底板后澆帶位置設置傳力型鋼（18#工字鋼@2000）。

4）負一層底板換撐：負一層底板與支護樁之間設置厚度及配筋同負一層梁板的2m 寬換撐塊結構，樓板后澆帶位置設置傳力型鋼（18#工字鋼@2000）。

5）負一層底板強度等級達到80%設計強度方可進行卸壓，達到100%設計強度方可拆撐。

4.9 預應力卸載

1）型鋼組合內支撐拆除前應先釋放預應力，釋放過程中對型鋼支撐進行變形監測。

2）預應力釋放遵循“對稱、同步、分級”原則，每級預應力釋放后應觀察30min，并檢查型鋼支撐及基坑周邊變形情況，如有異常應立即停止卸壓并糾偏整改。

3）預應力釋放時，先用液壓千斤頂頂開加載橫梁，取出鋼墊片再卸除保力盒，然后松開千斤頂，最后依次松動高強螺栓拆除構件。

4.10 型鋼組合內支撐拆除及回收

先拆除中間對撐，再拆除角撐。拆撐順序按照：支撐蓋板、系桿→型鋼水平內支撐→傳力件、型鋼圍檁→型鋼托梁、托座→型鋼立柱樁，依次拆除各支撐構件。拆除的構件集中堆放回收至廠家，對于標準型鋼構件可重復利用。

5 經濟效益分析

本工程基坑內支撐采用“SMW 工法樁+預應力型鋼組合支撐結構體系”與原設計的“SMW工法樁+鋼筋混凝土支撐結構”進行成本對比分析，實際施工中采用的預應力型鋼組合內支撐結構體系施工費用約157 萬元，若采用原設計的鋼筋混凝土支撐則需要花費成本約345 萬元。僅從造價方面分析直接節省費用約為188 萬元，充分體現了預應力型鋼組合支撐在深基坑支護中的經濟優越性。

6 結語

預應力型鋼組合內支撐結構體系作為一種新技術，其滿足工廠標準化加工、現場裝配式施工，機械化程度高、施工速度快可有效節約工期；型鋼截面尺寸較小，通過合理的布局設計可提供較大的基坑作業空間；基坑結束后，各型鋼構建可回收利用，對環境殘留小，滿足資源循環利用和綠色施工的要求。

預應力型鋼組合內支撐結構體系可以與SMW工法、TRD 工法、灌注樁排樁及地下連續墻等懸臂支護結構配合使用，共同組合作為基坑側壁安全等級為一、二、三級的深基坑支護工程。