受限空間內(nèi)異形深大基坑中鋼支撐應用技術

王彥明

(中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東 濟南 250002)

1 工程概況

濟南黃河隧道工程位于濟南市天橋區(qū)濟濼路與濼安路交叉口北側(cè)，為共軌合建段隧道，上部三車道公路，下部為規(guī)劃M2線地鐵和綜合管廊。明挖合建段匝道段基坑長150.069 m，寬47.46 m～30.7 m，深27.78 m～32.54 m，基坑底整體呈南高北低形態(tài)，圍護結構地連墻厚度為1.2 m，長度為43.23 m～47.54 m。基坑安全等級為一級，中部三排600 mm×600 mm格構柱，局部4排～5排共107根，格構柱橫向間距約7 m。基坑兩側(cè)頂部設置兩處縱向蓋板厚度400 mm，中部設置一處橫向棧橋，蓋板棧橋下均設置下梁。支撐設計由6層過渡到7層，其中3層為鋼支撐，鋼支撐分φ609 mm和φ800 mm兩種，支撐長度34.7 m～45.9 m，支撐與圍檁斜交80°～87°不等。棧橋上方有一處凈空11 m 110 kV高壓線，支撐架設作業(yè)面受限[1](見圖1)。

2 工程地質(zhì)及水文條件

根據(jù)地勘資料，地層自上而下依次為:①路基填土及路面層;②亞砂土、亞黏土相變層;③亞黏土、黏土層;④亞黏土、黏土，含姜石及姜石混黏性土透鏡體;⑤亞黏土、亞黏土混砂、亞黏土含姜石、砂相變層，含姜石、砂，分布不均;⑥黏土、亞黏土，夾中砂及中粗砂薄層;⑦黏土混姜石、卵礫，亞砂土、礫砂、中粗砂、亞黏土相變層;⑧中粗砂混黏土，硬塑，夾薄層亞砂土。

工程區(qū)地下水主要分布在第四系地層中，地下水類型為孔隙潛水，水位埋深0.94 m～11.31 m，相應高程22.50 m～23.95 m。含水層主要為粉土、粉砂層。地下水補給來源主要為大氣降水及河水，孔隙潛水排泄以蒸發(fā)及開采、側(cè)向徑流為主。

3 施工準備

施工準備主要包含：技術準備(方案、開工報告、安全技術交底、人員培訓、施工流水段劃分等)、機械進場準備(100 t吊車、隨車吊、小型挖掘機、液壓千斤頂)、材料進場準備(鋼支撐、鋼圍檁、三角托架、膨脹螺栓、角鋼)、資質(zhì)報審等。

4 施工工藝

施工準備→測量放樣→三角托架，圍檁安裝→格構柱牛腿、橫梁安裝→鋼支撐預拼裝→鋼支撐吊裝→鋼支撐安裝→鋼抱箍安裝→施加預應力→格構柱剪刀撐安裝。

本文著重從施工中遇到的重難點問題、對基坑變形產(chǎn)生較大影響的工序進行分析，對產(chǎn)生的原因進行簡單分析，介紹采取的解決措施。

4.1 施工重難點

相比于常規(guī)基坑施工，本基坑存在顯著的特點是：

1)相比于傳統(tǒng)基坑，異形深大基坑受力更加復雜。支撐加載完成，支撐受壓力，隨著基坑向下開挖，部分支撐軸力出現(xiàn)減小現(xiàn)象。原因分析：混凝土支撐起主要受力作用，從監(jiān)測數(shù)據(jù)看地連墻上部出現(xiàn)向外傾斜。

2)基坑跨度大，為黃河下游在建最大最深的明挖隧道，被譽為“萬里黃河第一隧”，基坑寬度最大達47.54 m，超長鋼支撐柔性大，變形大，控制鋼支撐的變形是關鍵。

3)基坑寬度較大，為施工方便，設置兩處蓋板，一處棧橋，蓋板棧橋下吊車垂直起吊不能將鋼支撐直接架設到位。

4)隧道中部設置一處出入隧道匝道，該處圍護結構由外八字變化為內(nèi)八字，結構相比常規(guī)基坑較為復雜，保證鋼支撐的架設質(zhì)量是施工中控制的關鍵。

4.2 超寬基坑鋼支撐變形控制

超長支撐拼接控制，施工之前先對支撐拼接劃分，盡量減少支撐拼接，鋼支撐選用的優(yōu)先級6 m>4 m>3 m>2 m>1 m>0.5 m>0.3 m>0.2 m。通過減少拼接能有效保證鋼支撐的順直度。拼接時采用拉線或者測量的方式對鋼支撐進行檢查，防止架設完成后支撐不順直。鋼支撐采用帶雙墊片的高強螺栓連接，加壓后安排專人復擰，詳見表1。

表1 明挖第二段第二層(Φ609)鋼支撐拼接劃分表

按照設計要求基坑最大寬度47.54 m處直徑φ800 mm 鋼支撐加載需要到300 kN，500 kN，按照工程經(jīng)驗鋼支撐長細比大，加載軸力無法達到設計值。基坑內(nèi)設計有三排格構柱用于支撐混凝土支撐、混凝土蓋板，格構柱之間采用鋼連梁、鋼剪刀撐連接，以保證支撐體系穩(wěn)定。支撐架設時考慮充分利用格構柱，設置Φ25鋼筋抱箍將鋼支撐與格構柱之間的鋼連梁可靠連接，縮小鋼支撐的長細比，減少鋼支撐的變形。當支撐長度大于40 m時，采用角鋼抱箍替代Φ25鋼筋抱箍，對鋼支撐進行加強，見圖2。

4.3 異形段基坑鋼支撐架設

隧道中部兩側(cè)設置出入隧道匝道，該處圍護結構由外八字變化為內(nèi)八字，結構相比常規(guī)基坑受力更為復雜，鋼支撐架設質(zhì)量要求較高。圍護結構變化，鋼支撐長度、鋼支撐與圍檁夾角變化。施工開始需要統(tǒng)計出不同鋼支撐長度、角度和數(shù)量，根據(jù)統(tǒng)計表進行鋼支撐組合、鋼墊箱加工。為防止鋼支撐安裝錯誤，需要對鋼支撐、鋼墊箱進行編號，支撐安裝時，按照編號試裝鋼墊箱，支撐能夠和鋼墊箱密貼才能進行正式安裝并加載[2-3]，鋼墊箱安裝見圖3。鋼圍檁安裝需要設置防滑裝置，防止圍檁受力出現(xiàn)滑移，鋼圍檁之間需焊接連接，保證圍檁形成整體，增加抗滑移能力。

4.4 蓋板棧橋下鋼支撐架設技術

該區(qū)段設計有兩處縱向混凝土現(xiàn)澆蓋板，蓋板寬度為12.5 m～5.3 m。吊車垂直起吊無法將鋼圍檁和支撐安裝到位。在蓋板施工時候預留φ200 mm間距2 m吊裝孔洞，用于鋼支撐、圍檁吊裝。吊車通過吊裝孔吊裝鋼支撐、圍檁，基坑內(nèi)配置一臺小挖機用于調(diào)整支撐縱橫向移動，通過吊車和小挖機的配合吊裝，支撐實現(xiàn)吊裝就位。施工前需要規(guī)劃好支撐架設的順序，以免施工順序不當造成機械施工空間不足，造成后續(xù)支撐無法施工的窘迫局面。鋼圍檁架設后，圍檁背后與地連墻之間空隙采用早強混凝土進行填塞，保證圍檁背后填塞密實受力均勻，避免地連墻或鋼圍檁應力集中受到破壞。

4.5 低凈空高壓線下鋼支撐架設

110 kV線下低凈空高壓線距離地面僅11 m，安全距離5 m，可操作空間剩余6 m。為保證高壓線下施工安全，東西方向拉設絕緣主繩，主繩通過施工區(qū)域固定在兩側(cè)直徑300 mm的鋼立柱上，南北方向拉結網(wǎng)格繩，掛設警示小彩旗。通過施工空間的管控，有效杜絕越線施工情況。吊裝機械采用100 t汽車吊，提前做好吊裝桿的出臂長度限位，作業(yè)臂長12 m，作業(yè)幅度不超過9 m。吊裝作業(yè)專人指揮控制吊裝姿態(tài)，吊裝最大重量不超過5.1 t。對于吊裝無法達到的部位，采用小挖機配合人工安裝。

4.6 鋼墊板的應用

1)鋼支撐軸力監(jiān)測采用軸力計，軸力計直徑為0.2 m。為減小圍檁變形，保證基坑安全，軸力計與圍檁之間設置500 mm×500 mm×80 mm鋼墊板分散應力，如圖4所示。

2)鋼墊板的計算。已知軸力計截面為0.2 m圓形，墊板尺寸500 mm×500 mm×80 mm，Q235鋼。圍檁鋼板厚度20 mm，掛板厚度20 mm。

圍檁鋼板可按簡支跨計算，根據(jù)施工情況一般面板均擱置在H型鋼上，故可按簡支跨一種情況進行計算，取b=0.1 m單位鋼板寬度為計算單元。受力模型見圖5。

W=bh2/6=100×40×40/6=26 667 mm3。

I=bh3/12=100×40×40×40/12=533 333 mm4。

鋼支撐紅色預警最大值為2 955.8 kN，按照3 000 kN考慮，圍檁與軸力計之間設置20 mm厚掛板時。

q=9 554.1 kN/m。

Mmax=212.85 kN·m=212 850 000 N·mm。

σ=γ0×Mmax/W=1.1×212 850 000/26 667=

8 779.5 N/mm2≤[f]=205 N/mm2。

只采用20 mm厚掛板時不滿足要求。

采用500 mm×500 mm×80 mm厚鋼板時，

q=1 200 kN/m。

Mmax=37.5 kN·m=37 500 000 N·mm。

W=bh2/6=100×120×120/6=240 000 mm3。

強度σ=γ0×Mmax/W=1.1×37 500 000/240 000=171 N/mm2≤[f]=205 N/mm2。

滿足要求。

撓度ν=5ql4/(384EI)=0.194 mm≤[ν]=500/400=1.25 mm。

采用500 mm×500 mm×80 mm鋼板時滿足要求。

4.7 安全質(zhì)量控制要點

1)鋼支撐吊裝需專職司索工指揮，基坑內(nèi)外各設置一名，無司索工指揮嚴禁作業(yè)。

2)鋼支撐架設順直、支撐連接牢固。鋼支撐架設完成專人對順直度進行檢查，鋼支撐連接采用高強螺栓以正反的方式連接，加雙墊片，確保螺栓擰緊。

3)鋼支撐設置防墜鋼絲繩，防止基坑開挖支撐墜落，加強軸力監(jiān)測，軸力損失及時補加軸力。

4)鋼圍檁之間需可靠連接，采用附加焊接鋼板的形式進行連接，采用滿焊，焊接牢固。

5)鋼筋抱箍、鋼板抱箍在加載過程中出現(xiàn)斷裂、變形的情況時及時補加抱箍，保證支撐變形在控制范圍內(nèi)。

6)斜撐與圍檁相接處斜面采用鋼墊板，并檢查鋼墊板是否與支撐角度相匹配，如不匹配及時更換，嚴禁采用小鋼板塞焊。

7)圍檁安裝前需對地連墻墻面進行整平，圍檁安裝完成后，圍檁背后采用細石混凝土填充密實，回填材料要滿足強度要求，防止圍檁不均勻受力變形。圍檁下部設置三腳架，上部設置花籃螺栓，采用上拉下托的方式，防止開挖過程中支撐松動圍檁墜落[4]。

5 技術效果說明

通過調(diào)整不同條件下鋼支撐及鋼墊板架設安裝技術，結合鋼支撐受力分析、變形控制、受力演算，確保了鋼支撐在施工過程中受力均勻、整體穩(wěn)定，解決了濟南黃河隧道項目受限空間內(nèi)異形深大基坑中超長鋼支撐的柔性大、變形大、支撐軸力損失的問題，有效預防了圍護結構上部位移造成的基坑周邊土體失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 結語

伴隨各地主城區(qū)用地日趨緊張，全國各地均面臨著受限空間內(nèi)異形深大基坑工程施工技術難題，較傳統(tǒng)基坑支護措施受限空間內(nèi)異形深大基坑對鋼支撐施工應用技術提出了更高的技術要求。通過濟南黃河隧道工程對鋼支撐在受限空間內(nèi)異形深大基坑中的應用，有效控制了異形段支撐架設質(zhì)量，控制基坑沉降量，保證基坑的安全，為受限空間內(nèi)異型深大基坑工程中鋼支撐施工提供了借鑒。