大跨度不規則端頭井鋼斜撐施工技術研究

李秋霜 湯 宇

(中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

作為城市地鐵的重要組成部分——端頭井基坑，其支撐體系即受到彎矩和剪力及軸向力作用。一般情況下，因端頭井沒有拐角，常通過在基坑內設置密集的水平斜向鋼支撐，以對撐形式限制基坑變形。然而，不規則敞口式端頭井，由于基坑深度大及拐角的存在，鋼圍檁斜撐段與直撐段標高不一致，未形成連續整體，其受剪力傳遞荷載不連續，造成不規則端頭井鋼支撐受力情況復雜，架設難度大。若施工不當，很容易造成基坑監測數據預警，甚至因基坑變形過度而造成基坑坍塌。所以，掌握大跨度不規則端頭井鋼支撐體系質量控制重點和施工技術格外重要。

1 工程概況

1.1 項目概況

廈門軌道交通3/4號線雙滬站～空港經濟區站區間共建段，全長約293 m，為矩形結構，頂板覆土約0.5 m～5.8 m，結構寬度32.73 m～48.16 m，基坑深約7.62 m～15.94 m，基坑圍護形式為地連墻+內支撐體系，采用明挖順筑法施工。其中端頭段為3/4號線雙線雙向盾構始發井，基坑跨度大，由三道支撐體系組成，其中第一道為800 mm×1000 mm混凝土支撐；第二、三道均為鋼支撐，如圖1所示。

圖1 敞口式端頭井鋼支撐布置圖

1.2 鋼支撐體系布置

該項目鋼支撐體系由內支撐與豎向支撐兩部分組成，基坑內支撐中，平面標準段采用一道直撐對頂，在敞口式端頭井處則采用斜向對撐。其中端頭井設計如下：①因深度大，設置兩道鋼斜撐，且斜撐段與直撐段標高不一致，鋼圍檁不連續。②采用φ800 mm，t=16 mm鋼支撐，鋼管端頭分活動端與固定端兩種形式，兩者同一水平面內交錯布置，間距3 m。

豎向支撐由灌注混凝土立柱樁和鋼立柱(形式為角鋼格構柱、H型鋼連梁以及角鋼剪刀撐等)一體化施工完成，其主要功能是作為大跨度鋼支撐的豎向承重結構，并保證鋼支撐的縱向穩定，加強鋼支撐體系的空間剛度，如圖2所示。

圖2 敞口式端頭井鋼支撐剖面圖

2 端頭井鋼支撐施工及預加軸力分析

2.1 基坑變形機理

研究表明，敞口式端頭井基坑變形原因，存在土方開挖、外部荷載作用、地下水位變化等因素影響。但根本原因在于基坑開挖，導致端頭三面圍護結構內側失去原有土壓力，而外側承受的主動土壓力不變，在內外壓力差的作用下，產生向基坑內側變形[1]。

故設計單位在端頭井鋼圍檁支撐節點處加設三角盒子，改變鋼支撐受力方向，又通過在基坑格構柱上搭設的鋼系梁抱箍固定鋼支撐，實現了端頭井三面圍護結構兩兩対撐，有效解決了基坑內外土壓力不平衡的問題。

然而，設計單位往往忽視該支護形式為斜向受力的問題。由于鋼支撐是以斜向頂撐于鋼圍檁上，其受到基坑外土壓力作用時，產生的軸向反作用力N作用在鋼圍檁上，又可分解為水平分力F1及豎向分力F2。其中豎向分力F2與基坑外土壓力相互抵消，防止基坑出現變形，屬于基坑穩定力；而水平分力F1因平行作用于鋼圍檁上，屬于剪切力，易使鋼圍檁產生水平滑移，造成基坑支撐內力失衡，如圖3所示。

圖3 鋼斜撐與鋼圍檁受力分析簡圖

此外，施工階段，因受材料、設備、人員技術水平、質量監管強度等因素的影響，鋼支撐架設難免存在鋼圍檁連接和鋼支撐架設不規范現象。

因此，對于不規則端頭井鋼斜撐，設計階段應針對水平力F1增加有效的抗剪切滑移措施；施工階段應強化過程質量管控，明確監管重點，避免因施工不規范及支撐軸力過大導致整個支撐體系變形失效。

2.2 鋼支撐預加軸力消散成因分析

根據鋼材輕質、高強、具彈塑性等材料特性，設計通過預先給鋼支撐施加一定軸力，來抵抗基坑側向土壓力，可以起到抑制基坑變形的作用[2]。然而，實際施工過程中，常常出現鋼支撐預加軸力消散過快的情況，尤其是端頭井斜撐處問題較為明顯。下文以雙空區間端頭井斜撐范圍內，若干鋼支撐預加軸力損失情況為例，分析鋼支撐預加軸力消散原因。

該項目敞口式端頭井由于跨度大、不規則等因素，造成鋼支撐受力變形較為復雜，同時鋼斜撐吊裝工序相較標準直撐段繁瑣，施工質量控制難度大，直接造成鋼斜撐預加軸力過快消散的問題較為突出。經分析，常見原因如下：

(1)地連墻成槽、澆筑階段，因質量管控不力，導致地連墻背土側出現鼓包、凹凸不平等質量問題，如圖4所示。加之基坑開挖過程中缺陷處理不到位，導致鋼圍檁架設后與地連墻之間未密貼，出現較大空隙，成為鋼支撐預加軸力消散的主要原因[2]。

圖4 地連墻背土側出現鼓包、凹凸不平等質量問題

(2)端頭井斜撐段由于鋼支撐并非垂直作用在鋼圍檁上，鋼圍檁即受到彎矩和剪力作用，同時受到軸向力作用，易出現鋼圍檁偏移、鋼支撐偏位的情況，造成軸力消散。

(3)鋼支撐預加軸力時，存在一次加壓到位的情況，未嚴格按照設計要求分級施加[3]。單次加壓過大，會造成鋼支撐連接法蘭盤錯位、鋼圍檁及附加鋼板被頂變形，在千斤頂卸載后，導致預加軸力消散。

(4)鋼支撐體系安裝架設過程中質量控制不達標，造成鋼支撐體系受力不規范，影響鋼支撐軸力施加。總結施工過程，主要存在以下問題：①三角托架與地連墻間、地連墻與鋼圍檁間、鋼圍檁與鋼支撐間均出現較大空隙，嚴重影響鋼支撐體系的荷載傳遞。②由于現場托架及鋼圍檁水平面標高控制不到位、連接板未焊接牢固，常出現鋼圍檁及三角盒子下垂的情況，導致鋼支撐偏心受壓問題嚴重。③鋼楔塊未配套成對使用，調節塊加工尺寸、鋼支撐活動端與固定端掛籃尺寸未根據現場結構進行調整，極易出現局部集中受力的不合理狀況。

3 鋼斜撐施工關鍵技術

3.1 托架、鋼圍檁安裝

針對三角托架及鋼圍檁，施工中應注意以下幾點：

(1)托架安裝間距應按照設計要求布置，所用膨脹螺絲錨入地連墻的深度必須滿足設計要求。此外，鋼圍檁之間、鋼圍檁與掛板之間連接可使用手工電弧焊，焊條應采用E43系列及以上。

(2)現場技術人員應嚴格控制基坑開挖深度，確定好支撐中心標高、鋼圍檁邊線、三角托架及支撐掛板的位置關系。現場開挖深度在考慮施工作業面及安全因素的前提下，一般控制在鋼支撐設計中心標高下1 m，嚴禁超挖。

(3)為了確保鋼支撐體系的力學穩定性，避免出現局部集中受力及偏心受壓等情況的發生，對于圍檁轉角處、圍檁與掛板、圍檁與地連墻間及托架架撐后出現的空隙，應在較大空隙處填塞鋼性材料，并對鋼圍檁背后采用C20細石混凝土填充密實，如圖5所示。

圖5 圍檁背后空隙較大處填塞鋼性材料并用細石混凝土填充密實

(4)針對鋼圍檁采用C20細石混凝土填縫后，因架撐受力填縫開裂的問題，為保證圍檁與圍護結構密貼，可使用高強無收縮灌漿料及時填縫補強，如圖6所示。

圖6 圍檁背后裂縫采用高強無收縮灌漿料填充補強

(5)施工時鋼楔塊應配套成對使用，調節塊加工尺寸、鋼支撐活動端與固定端掛籃尺寸，應根據現場結構進行調整，避免出現局部集中受力的不合理狀況。

3.2 鋼支撐吊裝及加固措施

由于端頭井鋼支撐鋼性構件(鋼支撐、鋼圍檁、托架、預埋鋼板、三角盒子、格構柱、工鋼、槽鋼等)連接處較多，基坑跨度大，因此應格外注意焊接質量，采取相應加固措施，防止鋼支撐出現偏位、脫落。此外，端頭井處基坑深度一般較大，水平及豎向均有多道支撐，存在底部鋼支撐架設過程中吊車吊點不足，吊裝空間狹小等問題。對此，可參照以下幾點開展施工：

(1)開工前注意對作業人員交底，電焊工應憑證上崗，依據圖紙設計要求及有關規范，嚴格控制焊接質量。鋼支撐拼裝前，需對管節逐根檢查，并進行試拼裝，不同管節之間用高強螺栓連接，螺栓應交錯緊固，確保鋼支撐拼裝質量。吊裝施工時，吊點的選擇應采用兩點起吊，吊點位置宜設置在距構件端部0.21L，即以0.21乘以構件的全長。

(2)由于端頭井基坑跨度較大，為保證鋼支撐的穩定性，可通過增設鋼系梁，并將其連接在格構柱上，有效降低鋼支撐的跨中撓度。待鋼支撐架設到位后，采用φ14的防墜鋼絲繩將鋼支撐與圍護結構上的膨脹螺栓連接，并在鋼系梁處增設抱箍固定，防止因施工不當造成鋼支撐脫落的危險，如圖7所示。

圖7 鋼系梁處增設抱箍固定

(3)針對端頭井支撐密集，底部鋼支撐吊點不足，作業面有限的問題，可采取由內至外、分段吊裝的方法，通過在冠梁及格構柱上設置多個滑輪，于吊點富余處用吊車或以手拉葫蘆方式進行提拉起吊，配合小型挖機定位，逐道拼裝。

3.3 端頭井鋼斜撐抗剪措施

在標準段，鋼支撐垂直作用在鋼圍檁上時，鋼圍檁沒有軸向力，其在跨中或支點位置受最大彎矩和剪力作用。然而在端頭井處，鋼支撐并非垂直作用在鋼圍檁上，鋼圍檁即受到彎矩和剪力作用，同時受到軸向力作用，此時應采取有效抗剪措施，防止鋼支撐滑移錯位，預加軸力失效。

對此，設計圖紙中通常在鋼圍檁銜接處腹板及翼緣采用鋼板連接，令鋼圍檁間形成連續整體，使端頭井處鋼支撐內軸力與基坑側壁土面間的摩擦力平衡，阻止鋼支撐產生滑移。但實際施工中，鋼圍檁間往往存在連續的一定空隙。因此，綜合考慮設計及施工現狀，根據現場施工經驗，增加以下抗剪措施：

(1)定制加工三角盒子

因斜撐與鋼圍檁呈斜交關系，有一定交角，存在平行于鋼圍檁長度方向的分力，極有可能造成鋼圍檁后移，此時可按設計角度在斜撐對應處的鋼圍檁上定制加工三角盒子，如圖8所示，確保鋼支撐與受力面成垂直關系，然后進行支撐安裝作業，其安裝方法與直撐相同[4]。

圖8 定制加工三角盒子

(2)預埋鋼板

為增強單根鋼圍檁抗剪強度，該項目在地連墻端頭井施工階段于鋼圍檁架設位置預先埋設尺寸為1 m×1 m的鋼板，鋼板間距控制3 m內。隨著基坑開挖，及時鑿出預埋鋼板，將其與鋼圍檁通過2 cm厚通長鋼板和加設的三角加勁鋼板焊接牢固，為單根鋼圍檁提供一定抗剪強度，如圖9所示。

圖9 預埋鋼板與鋼圍檁焊接牢固

(3)設置抗剪墩

在每道斜撐鋼圍檁外邊緣，加設一道混凝土抗剪墩，抗剪墩水平中心線與鋼圍檁工字鋼水平中心線重合，通過抗剪墩有效抑制鋼圍檁的整體水平偏移。施工時，一般待斜撐最外側鋼圍檁架設完成后，先在地連墻表面清理出抗剪墩位置，隨后及時鑿毛、植筋(植筋采用A級膠)，澆筑采用C35強度混凝土。抗剪墩平面圖，如圖10所示。

圖10 抗剪墩與圍護結構連接大樣

3.4 其它避免軸力消散措施

(1)采取三檢制度嚴把施工質量，在地連墻成槽、基坑開挖及鋼支撐架設等施工階段，加強過程管控。三檢制即中交集團提出的自檢、復檢、專檢相結合的質量監管制度。在每道施工工序完成后，均由施工班組先行自檢，自檢合格后報由現場技術員進行復檢，復檢完成后通知項目專業質檢工程師進行專檢，待專檢合格方可進入下一道施工工序。實踐結果表明，嚴格落實三檢制度，可有效規范施工作業，提升施工過程質量，提高架撐效率。

(2)鋼支撐加壓時間應根據設計工況條件進行選擇，避開每日氣溫最高或最低時。加壓過程中，千斤頂預加軸力需分3次施加，每次加壓后均應停止5～10 min觀察軸力變化情況，由50%～80%～110%依次加壓到位。

(3)對端頭井斜撐段鋼圍檁易偏移、鋼支撐加壓后出現撓曲變形問題，應采取措施，加強監測。預加軸力前，通過在鋼圍檁及鋼支撐上布設反光貼，如圖11所示，便于加壓后監測鋼支撐體系變形情況。一旦發覺監測點出現較大偏位，可及時采取補強措施，重新加壓。

圖11 鋼圍檁上布設監測反光貼

4 結論

本文以雙空區間明挖暗埋段鋼支撐施工實例為背景，對大跨度不規則端頭井鋼支撐支護體系進行了探討，按照《地下鐵道工程施工及質量驗收標準[兩冊]》[5](GB/T 50299-2018)驗收規定，明確了敞口式端頭井鋼支撐施工過程中各個環節的關鍵質量措施，為相關工程提供參考依據。