预应力鱼腹式梁结构在基坑支护中的应用

中铁建设集团有限公司华东分公司 上海 201103

1 预应力鱼腹式梁结构简介[1-5]

预应力鱼腹式梁结构由型钢梁、钢绞线组成，其跨度可以达到60 m以上，其结构如图1所示。由图可知在基坑侧压力作用下，预应力鱼腹式梁围檩结构将向基坑内变形，通过对钢绞线施加预应力，从而使鱼腹式梁支撑杆件产生一个反作用力，使作用在鱼腹式梁围檩上的弯矩相应的减少，从而降低鱼腹式梁的弯曲变形量，即使预应力鱼腹式梁产生了较大抗弯刚度。将预应力鱼腹式梁通过专用结点与角撑或对撑梁结构合在一起，便组成了预应力支护系统。

图1 预应力鱼腹式梁支护结构

2 工程应用实例

2.1 工程概况

连云港工业展览中心位于江苏省连云港市花果山大道东侧、盐坨西路南侧，基坑开挖面积约13 050 m2，围护总长度约592 m，基坑所处场地平坦，地下管线分布情况不详。本基坑土±0.00 m相当于黄海高程+4.75 m，场地黄海高程约+3.55 m（相当于－1.20 m）。底板开挖标高为－2.60 m （相当于－7.35 m），实际开挖深度为6.15 m。该处地下水位较高，分布有厚达10 m的淤泥层，支护设计方案经综合比选后采用预应力PHC管桩+预应力鱼腹式梁工具式组合内支撑+局部钢筋混凝土支撑。

本设计方案中，该基坑采用1 道预应力鱼腹式梁工具式组合内支撑工艺，第1道支撑为单拼结构（对撑最大跨度为47 m，鱼腹式梁最大跨度为46 m。构件之间均采用10.9级高强螺栓螺母（M24 mm×80 mm）将托座、支撑梁安装在型钢立柱上，对撑、角撑、鱼腹式梁结构施加预应力后，使用专用工具拧紧全部连接螺栓；工具式组合内支撑（材质均为Q345B）采用固定工厂加工定制的标准件进行现场安装；牛腿材料为角钢L90 mm×90 mm×10 mm，由现场焊接。

土方开挖阶段遵循“竖向分层、纵向分段、中部拉槽”，“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的总体原则。土方开挖到第1道支撑工作面立即开始安装第1道工具式钢支撑，并施加预应力，而后再进行土方的开挖。

2.2 施工工艺流程

预应力鱼腹式梁工具式组合内支撑的拼装施工工艺见图2。

2.3 型钢立柱施工

立柱规格采用300 mm×300 mm×10 mm×15 mmH型钢，总长度12 m，插入坑底以下7.5 m。立柱施工采用机械手工具直插型钢法，型钢插入时，如未能对准桩位，应将型钢拔起重插，若因遇地下障碍物，偏离桩位时，立即将型钢拔起，清除地下障碍物，将孔回填后，重新放上型钢，再次插桩。插型钢时要注意型钢腹式板的方向，现场技术员根据图纸设计的立柱桩腹式板方向，在现场用一段30 cm的白灰将腹式板方向标示出来，插型钢时，使型钢腹式板和白灰线重合。

图2 预应力鱼腹式梁工具式组合内支撑施工工艺流程

2.4 牛腿施工

牛腿的位置与标高应根据设计图纸确定。基坑四周闭合边线上的角钢牛腿上表面设置应与围檩H型钢下表面在同一个水平面，允许高差不大于±2mm。牛腿焊接前须彻底清理连接部位（如预埋件、H型钢等）不小于200 mm×200 mm范围内的铁锈、油污、混凝土残留物等杂物。焊好的钢牛腿须保证三处连接部位牢固可靠，有足够的稳定性，不得出现歪扭、虚焊现象；横杠水平度误差要控制在2 mm以内，且其仰角应控制≥90°，且不得超过95°。

牛腿与围护结构既有钢件对接过程中，须有测量员全程对牛腿的垂直度、标高、水平度等进行监控（图3）。

图3 牛腿、围檩安装节点

2.5 基准点设置及拉线定位

围檩安装之前须确定轴线基准点，用全站仪或者经纬仪通过坐标计算测设基坑相邻2 个转角内侧的基点，通过该基点采用拉线的方法进行平面安装定位。要求实际安装轴线偏差不得超过±20 mm。定位好之后在牛腿上面作出标记以供围檩安装位置控制之用。

基坑内侧围檩单边定位线需满足在1 条直线这一基本要求，可在施加预应力后保证外侧围护结构均匀受力。

2.6 围檩安装

安装围檩应遵循“先长后短，减少接头数”的原则，优先使用较长围檩，特别是标准节12 m的构件，以减少接头数。围檩随支撑架设顺序逐段吊装，人工配合吊机将钢围檩安放于牛腿支架上，围檩就位后应检查钢牛腿是否因撞击而松动，如有松动立即补焊加固。围檩的连接部位和搭接部位必须满足强度要求，使用高强螺栓紧固连接。

2.7 托座与支撑梁安装

托座件的安装务必控制其水平标高，通过角撑、对撑、鱼腹式梁的定位标高反推其顶面水平标高，误差不得超过±5 mm；托座上部标高=支撑结构中心标高（H型钢规格的1/2+支撑梁规格）。

托座件的安装要求严格控制垂直度，即使H型钢立柱发生偏位，托座务必要通过加垫钢板达到垂直要求。假如立柱的标高定位发生偏差时，可以用槽钢代替托座（临时调整方式）与支撑梁进行连接，需在支撑梁和原托座上使用氧气乙炔现场开孔时，注意控制孔径大小，避免受力后螺栓出现滑脱；另外，立柱与托座连接螺栓的安装方向需要保持一致。

安装后的托座件须与型钢立柱桩紧固牢靠，摩擦型高强螺栓的扭矩需达到规定要求（图4）。

图4 立柱托座安装

预应力施加完成之后，施工人员务必检查确保支撑横梁与角撑、对撑、鱼腹式梁的有效连接；尤其是角撑和对撑须用高强螺栓进行紧固，以提高预应力支撑体系的整体刚度。

2.8 角撑安装

角撑与围檩之间有夹角，不易直接安装并施加预应力。每道角撑安装前应先在地面进行预拼接并检查预拼后支撑的顺直度，拼接支撑两头（含千斤顶及TO构件）中心线的偏心度控制在2 cm之内，经检查合格后按部位进行整体吊装就位。

角撑预拼过程中，将WA构件、专用千斤顶、TO构件等通过高强螺栓连接牢固，另专用千斤顶的十字锁扣须设置在正中间，即前后各留3 丝的余地，以便于拆除时预应力的卸除。

2.9 鱼腹式梁安装

本工程鱼腹式梁按跨度分为14 m、17 m、36 m、46 m这4 种规格，其安装工艺基本相同。

鱼腹式梁安装应按照设计跨度在地面进行预拼，螺栓紧固务必达到设计及规范要求。鱼腹式梁预拼完成后整体起吊摆放在支撑牛腿上，支撑起吊后两端由人工牵引，确保支撑整体稳定。

2.10 对撑安装

对撑安装应在地面进行预拼，严格控制支撑平面的平直度，拼接支撑两头中心线的偏心度控制在±2 mm以内。对撑就位时要采用两点或四点吊装，吊点宜控制在离端部0.2L处。

对撑两端安装就位后的标高差不大于20 mm及整个对撑长度的1/600。对撑整体挠曲度控制不大于跨度的1/1 000。

对撑与对撑的水平轴线偏差不大于30 mm，其与钢围檩的夹角须确保达到设计要求，避免造成失稳。

2.11 预应力施加

装配式支撑的各构件布置完后施加预应力的顺序为：检查各部件螺栓的连接是否紧固，传力件与围护体系的连接状态→对撑加压→角撑加压→钢绞线加压。

（a）钢绞线安装时要左右对称。

（b）张拉钢绞线时，检查张拉部位和连接部位（传力件焊接处和螺栓连接处）后再行施工。

（c）钢绞线张拉时要逐根进行，采用分批超张拉的方式，避免部分张拉不到位，一定要形成整体并均匀受力。

（d）钢绞线的张拉首先张拉30%，收紧钢绞线，之后张拉70%，稳定后再加载至100%荷载，即0→30%（收紧钢绞线）→70%→115%设计预应力值，以保证整个鱼腹式梁钢束张拉完毕后满足设计规定张拉锁定值（超张拉15%）。按照3 次循环张拉的原则继续张拉中间一层和最上层的钢绞线。每层张拉结束后待稳定15～20 min后再进行下一步骤。

（e）钢绞线张拉时钢绞线的伸长率、预应力、钢绞线张拉器以及特殊情况等要记录并存档。

2.12 变形监测

工具式支撑系统的变形监测一般与基坑监测同步进行，监测内容有整体相对水平位移、构件轴力变化。具体见图5。

3 施工注意事项

3.1 钢围檩吊装

钢围檩起吊时钢柱根部必须垫实，尽量做到回转扶直，根部不拖，起吊回转过程中应注意避免同其它已吊好的构件或围护结构等相碰撞，吊索保持一定的有效高度。

起吊过程中拉好缆风绳，确保顺利就位。就位后严格检查平整度，以求切实起到传递力的作用，尽可能避免偏心。

图5 鱼腹式梁安装完成情况

3.2 角撑、对撑及鱼腹式梁吊装

本工程角撑、对撑和鱼腹式梁均采用标准件组合拼装，现场安装采用两点起吊，就位后先用冲钉将螺栓孔眼卡紧，穿入安装螺栓，安装螺栓数量不得少于螺栓总数的1/3。严禁直接使用高强螺栓代替安装螺栓。安装螺栓时严禁任意扩孔，连接面必须平整。

3.3 支撑体系的保护

在整个预应力鱼腹式梁工具式组合内支撑安装完成，预应力施加结束之后，支撑系统的保护至关重要。在基坑内容易引起施工机械碰触的型钢立柱、鱼腹式梁结构、对撑及角撑上设置明显的警示标示，另外在出土通道周围张贴反光警示带，目的是提示交叉施工单位或者相邻施工工序的作业人员重点注意，避免对支撑系统发生碰撞和损坏，从而保障整个支护体系的稳定和安全。

4 结语

工程实践表明：预应力鱼腹式梁支撑结构具有施工速度快、安全和占用空间小等优点，在满足支护结构强度、刚度要求下可最大限度地减少空间占用，降低对后续工程的施工影响，且可重复利用，有着较好的综合经济效益。