預應力組合式型鋼支撐在軟土富水地區深基坑中的實踐應用

陳美和

（中鐵二十四局集團浙江工程有限公司，浙江杭州 310009）

1 工程概述

1.1 項目總體概況

慈溪市新城河區塊39-C 地塊幼兒園新建工程，主樓為4 層，底層為地下室。采用樁基礎。東臨白河小區，南臨白河小區，西臨規劃道路，北鄰規劃河西路，總建筑面積14826.27m2，其中地上建筑面積8292.47m2，地下建筑面積6533.8m2，為地下停車庫，地下室南側、東側臨近現有淺基礎民居。

1.2 深基坑設計概況

本工程基坑大致呈不規則矩形。矩形東西向寬約77m，南北向寬約98m，開挖深度約為6.25m，周長約325m，面積約6600m2。

1.3 自然條件

（1）水文條件。工程區域雨量充足，多年平均降雨量1272.8mm，最大年降雨量為2177.6mm，最小年降雨770.6mm，平均年徑流總量5.122 億m3，降水高峰月為9 月，平均占年降水量14%。

（2）工程特點與難點。首先，地質條件差。根據地質勘查報告，開挖范圍存在較厚的②層淤泥質粉質黏土，且坑底坐落于④1層軟塑狀的粉質黏土中。施工過程中土體易受擾動，引起較大變形。對基坑自身及周邊環境影響較大。其次，周邊環境復雜。本工程周邊分布有已建小區及多種重要市政管線等，環境條件復雜。尤其基坑東側及南側鄰近3 層淺基礎民房以及天然氣管線，環境保護要求高，變形控制要求嚴[1]。

2 施工方案

2.1 施工方案概述

基坑所處位置緊鄰老舊民房、地基承載力低且富水，結合現場實際地理位置、土質條件、開挖深度、周圍環境等因素本著“安全可靠，經濟合理，技術先進，施工簡便”的原則，本工程豎向圍護采用φ700@900 鉆孔灌注樁+φ650 三軸水泥攪拌樁套打一孔止水帷幕，水平支撐采用裝配式型鋼組合支撐+伺服軸力補償，通過施加預應力，主動控制變形，能夠滿足對周邊環境的保護要求。且安裝拆除過程中不會產生粉塵污染，同時又有效的降低噪音，減少了對周邊居民正常生活的影響。坑內外采用管井降水，在基坑的西北角設置出土口。

圍護樁頂沿基坑設置一圈壓頂梁，壓頂梁為鋼筋混凝土結構，高0.8m，寬0.8m，壓頂梁上部設置一圈混凝土擋墻，擋墻頂標高同地面標高。

2.2 施工總流程

施工總流程如下：場地障礙物清理→鉆孔灌注圍護樁施工→止水帷幕三軸攪拌樁施工→打設降水井→按設計要求卸土開挖溝槽（必要時采取簡單支護）→基坑開挖至一道鋼支撐底層標高，施工一道環梁并設置預應力鋼支撐→澆筑混凝土護坡，設置地表排水系統→逐層開挖至地下室底板墊層底標高，并立即打設底板墊層→承臺、地梁（包括電梯井基礎）挖土→墊層施工→綁扎基礎鋼筋、澆筑基礎混凝土（設置混凝土換撐帶與底板整澆）→向上施工。基坑支護技術方案現場平面如圖1 所示。

圖1 基坑支護技術方案現場平面

3 預應力型鋼組合支撐施工

3.1 工藝流程

技術方案工藝流程如圖2 所示。

圖2 技術方案工藝流程

型鋼組合支撐安裝原則：先主要構件，后次要構，即時形成一個閉合的受力系統并對其進行施加預應力。

型鋼組合支撐體系安裝采用按流水段、分件吊裝的方法，待螺栓緊固后，安裝千斤頂及施加預應力，最后進行輔助固定。

3.2 立柱施工

結合本工程的地質情況及周邊環境，立柱施工采用490 機械手設備施打的方法，打樁時采用水準儀測量控制樁頂標高。

樁的標高應嚴格按設計圖進行控制，嚴禁超送；嚴格控制樁頂標高誤差，立柱樁頂標高誤差允許范圍為-50～0mm，檢查立柱樁頂標高時，數量不得少于10%，且不得少于3 根立柱樁。

3.3 三角托架施工

三角托架焊接前需清理焊接范圍內連接部位的混凝土殘留物、鐵銹、油污等雜物，焊接托架與圍護樁之間的連接鋼板，焊接后，三角托架須保證連接部位牢固可靠[2]，有足夠的穩定，不得出現歪扭、虛焊現象；橫杠長度及水平度滿足使用要求。

3.4 預埋件安裝

此預埋件主要用于后期連接預應力型鋼組合鋼支撐與冠梁，預埋件與冠梁連接的地腳螺栓須擰緊，并與冠梁鋼筋焊接一起，施工中要確保每延米圍檁內預埋螺栓的數量滿足要求，并且位置要精確，嚴禁割斷預埋螺栓。

冠梁混凝土澆筑前模板支立必須位置準確、定位牢固。不得將模板插入預埋件與冠梁之間，形成空隙，影響冠梁受力。

3.5 托座安裝

托座設計如圖3 所示。

圖3 托座設計

3.5.1 標高的控制

水平標高需滿足設計方案的要求，并精確的算出其頂面水平標高，控制誤差不得超0.5cm，相鄰托座的頂面標高差應當小于1cm。

3.5.2 垂直度的控制

在安裝托架時，要對托架的垂直度進行控制，哪怕是因立柱樁偏位引起的垂直度問題，也一定要用鋼板來保證托架的垂直度。如果立柱的標高和位置出現了偏差，可以采用槽道（暫時調節型）將托座與支撐梁連接等措施處理。

3.6 支撐安裝

因為角撐安裝有一定角度，所以要將其直接安裝和施加預應力是比較困難的。所以，在安裝角撐之前，必須對其進行預拼接，再對組裝后的支撐的平直度進行檢驗，如果拼接成功，就按照設計的位置將其整體吊裝就位。

在支撐預制拼裝時，各部件之間的連接以高強度螺栓進行連接，并在其前部和后部各預留三絲預留空間。在節點處，如果節點處有多余的間隙，應增加相應的厚度，以避免節點在承受壓力后出現整體偏斜。

3.7 預應力施加

（1）預應力施加原則。預應力的施加，能夠更好地控制基坑變形，減少塑性區影響范圍，保護周邊環境安全[3-4]。結合工程實際，本方案的預應力施加原則：所有支撐全部施加預應力，按照分級、循環原則進行，單個循環工程如圖4 所示。

圖4 單個循環工程

（2）加壓值計算。在各受力部位，按施工圖上各受力部位的受力情況，按每一型鋼一千斤頂的原理，求出各千斤頂的受壓壓力。

各千斤頂的壓力值（P）=作用應力值（F）/千斤頂截面（m2）×千斤頂的數量。

（3）應注意的問題。①緊后安裝的支撐在施加預應力后，相鄰支撐應力在一定程度上減少，需要根據設計要求重新施加預應力進行補償，因此需要安裝支撐連接件。②在基坑坑壁出現水平位移變化速率超過設置警戒值時，應當通過增加預應力控制變形增長。③在增壓過程中，可以通過在千斤頂后加一塊鋼板來調節液壓缸的長度，從而將其控制在允許的范圍內。④支撐的壓力控制不能欠壓，也不能過壓，一定要按照設計圖上規定的軸向壓力來壓。

3.8 構件連接

本工程所用對撐以及角撐均采用標準件組合拼裝，現場采用高強螺栓連接、兩點起吊整體吊裝方案，連接施工需滿足鋼結構施工相關規定。

4 伺服系統與變形監測

4.1 伺服系統

裝配式型鋼組合支撐軸力伺服自動補償系統采用電子計算機、機電一體化、信息計算、可視化監控等多學科融合的高科技手段，可以對支撐軸力進行24h 的實時監控，并通過高精度的傳感器獲取的參數，實時地對支撐軸力進行自動補償，從而實現對基坑變形的控制。

伺服系統加強了過程控制和管理，對施工過程中的監測數據等進行動態監管，控制了施工風險。并將動態信息與移動設備綁定，實現遠程控制、離場操作，實現信息化管理。

本基坑開挖最深處為6.25m，采用1 道型鋼支撐，采用400mm×400mm×13mm×21mm 的H 型鋼，型鋼支撐為單層結構，每拼支撐采用伺服自動補償系統，共計使用伺服系統55 套，與支撐同步安裝。

4.2 變形監測

監測要點如下：①對組合型鋼支撐體系進行了變形監測，并以各桿件軸向力的變化作為監測對象。②桿件軸向力的監控：弦型反力傳感器直接安裝在鋼架結構的受力部位，監控的頻率根據規范要求進行，出現異常時應增加檢測的頻率。③變形監測應從基坑開挖開始直至基坑封底或者底板混凝土滿足強度要求后結束，報警值的控制按照設計文件結合規范計算確定。④現場水平支撐根據檢測單位監測數據，如基坑變形量或鋼支撐的軸達到設計報警值時，再次在鋼支撐加載至設計荷載，同時加大監測頻率，以確保基坑安全。

5 支撐拆除

在拆除預應力型鋼組合內支撐之前，首先要做好可靠的換撐工作，要保證主體結構的底板或中間板以及傳力帶的混凝土強度要符合設計的強度，并且傳力帶和圍護結構的空隙已經按照要求填密實，這樣才能保證拆下鋼支撐后，圍護結構的水平位移能保持在設計要求之內。①拆除順序。預應力型鋼組合內支撐的拆除順序按安裝的逆序進行，其順序如下：變形監測→釋放預應力→拆除角撐→拆除支撐梁→拆除牛腿及立柱。②預應力釋放。支撐拆除前必須對拆除區域某個體系的預應力進行釋放，其單次預應力釋放順序：小角撐→大角撐。

對拆除區域的預應力釋放遵循分級循環釋放的原則，采用3 輪進行預應力釋放，如圖5 所示。

圖5 預應力釋放技術方案

6 結語

通過慈溪市新城河區塊39-C 地塊幼兒園預應力組合式型鋼支撐的施工，對施工時需要注意的問題總結如下：①相鄰立柱之間的橫梁應采用整根型鋼，不得有焊縫。②構件接頭位置設置需符合結構力學原理，防止發生過大的剪切、變形破壞。③支撐上嚴禁堆載，嚴禁挖土機械碰壓支撐系統。④型鋼支撐構件進場后應當經過檢查驗收，確定無變形等質量問題后使用。⑤當監測壓力出現損失時，伺服系統應及時補充預應力。⑥支撐拆除時，先擰松螺栓，再卸載支撐預應力。⑦架設鋼支撐前應先掏挖支撐梁正下方的土方，其他區域土方不得挖除，待鋼支撐梁安裝完畢并施加預應力后方可大面積土方開挖。⑧排水效應會對基坑支護系統的穩定產生較大的影響。對深層土體影響較大[5]，過程中應重視監測。