装配式预应力钢支撑基坑支护施工技术

中国路桥工程有限责任公司，北京 100011

传统钢支撑强度大，可以重复利用，但对于大型基坑，钢支撑材料布置密度高，对土方开挖施工安排和安全性要求较高。鉴于此，装配式预应力钢支撑应运而生（见图1）。标准化构件的应用可以满足不同现场环境的要求，无须现场加工，显著节省了施工空间，改善了施工条件，便于土方开挖，缩短了工期。材料的循环利用率高，促进了建筑行业的可持续发展。

图1 装配式预应力钢支撑现场效果图

1 工程概况

该基坑支护工程，主要用于兴建一条长0.5km的地下车行隧道以及相关的行人路、街道照明、交通辅助设施、排水系统、污水系统、水管、环境美化和附属工程。

基坑开挖前，在基坑中部打入工字钢作支撑中柱，通过纵向钢材与装配式钢支撑连接，增强稳定性和强度，达到增大支撑间距的目的，便于土方开挖。土方开挖采用分区、竖向分层开挖的方式，土方开挖至每一层支撑面后立即用螺栓连接安装装配式钢支撑，并施加预应力，由第三方独立查验机构验收合格并出具合格证书后方可开挖至下一支撑面。开挖至基坑底设计标高浇筑垫层时，进行隧道结构施工，待隧道结构强度达到设计强度并逐层回填后，依次拆除钢支撑。隧道结构完成后，土方回填至指定标高，完成道路工程及管线施工。

2 装配式预应力钢支撑构造

该装配式预应力钢支撑加工满足规范《the Structural Use of Steelwork in Buildings》（BS EN 10025:2004），主要包括一对工字钢通过螺栓与槽钢和角钢连接。施工人员根据现场实际开挖情况采用定制长度生产钢支撑，并最终在现场进行组装（见图2），工字梁型号包括101kg/m、125kg/m、155kg/m、174kg/m、195kg/m、235kg/m、313kg/m 以及381kg/m。此外，在施加预荷载以及基坑转角位，通过生产特殊的构件以满足施工要求。所有连接和误差均应满足《National Structural Steelwork Specification》（BCSA）。

图2 装配式预应力钢支撑构件示意图（单位：mm）

3 装配式预应力钢支撑基坑支护施工流程

3.1 基坑开挖前工序

在基坑开挖之前，施工人员需要安装监测点，得到初始读数以观测施工过程中深层水平位移以及周边地下管线或建筑物沉降等。打入基坑工字钢中柱及进行钢板桩施工，当遇到有地下管线而无法进行钢板桩施工时，在两边钢板桩之间焊接10～12mm厚的横向钢板作为挡土板，每开挖至最多1m深便要焊接挡土板以确保基坑稳定及安全性。由于该基坑面积较大，需要通过抽水试验观察抽水对承压水引起的水位变化特征。随后进行降水井施工，利用钻机定位钻孔、洗井下泵，布置排水路线及电缆电路。

3.2 基坑开挖及钢支撑安装

该基坑采用纵向分层开挖，开挖至每一层钢支撑底200mm处停止开挖并将其作为工作面。对于托座位置，施工人员可以进行30°坡度的局部开挖以安装围檩或纵向钢材托座，托座焊接于钢板桩或中柱之上，焊接质量需要通过香港所认可实验机构的无损试验。安装围檩、纵向钢材并通过螺栓安装装配式钢支撑构件。施工人员将螺栓拧紧后需要利用扭力扳手进行检查并做记录。在围檩与钢板桩之间的缝隙中浇筑填充混凝土，当混凝土强度达到30MPa后才可以对钢支撑施加预应力，并利用液压千斤顶对钢支撑施加预荷载，以满足设计要求。

3.3 钢支撑预压

将液压千斤顶放入钢支撑构件中（见图3），压力机将会显示施加的预荷载，先施加设计荷载的50%，2min内继续施加剩余荷载。达到设计荷载后，等待5min观察压力计的变化情况，之后施加额外荷载（应小于115%），并在缝隙之中插入垫片的同时重新检查拧紧螺栓。基坑转角的斜支撑应等同一支撑层的所有横向钢支撑预压完成后，再成对进行预加载。预压记录由各方签字并提交。

图3 装配式钢支撑预应力施工

4 装配式预应力钢支撑基坑支护的主要控制点

4.1 钢支撑构件满刻度荷载试验

在钢支撑构件运往现场安装前，需要进行荷载试验，以得到构件最大承载力、破坏模式、应力分布、荷载变形等参数，并确定材料再次利用的强度和安全性。为了达到该试验目的，支撑系统构件需加载至破坏。

4.2 焊接质量控制

对于基坑支护施工中的焊接，需要由香港所认可的实验机构进行无损焊接测试，焊接测试的频率应满足《Code of Practice for the Structural Use of Steel 2011》（Buildings Department）。对于角焊缝，应进行100%目视检查、10%磁粉或磁性渗透检查；对于对接焊缝，应进行100%目视检查、100%磁粉或磁性渗透检查以及100%超声波测试，以确保焊接质量，焊接测试报告需要提交给独立检查工程师作为参考，并出具每一层支护系统的可靠性证书，才可继续进行开挖工作。

4.3 支护系统安装

钢板桩和工字钢基坑中柱需要严格控制垂直度，且应进行交叉检查，钢板桩锁扣严密，并做好量测记录，确保插入深度不小于设计深度。开挖过程应分层分段开挖，严禁超挖，挖斗不得碰撞钢板桩。为确保基坑稳定性，应严格控制各个支撑构件的安装标高，精准放线，将支撑标高及水平位置于现场清晰标出，遵循设计标高要求，误差不得大于5mm。托梁间隔不得大于设计间隔。钢支撑吊装采用90t和100t履带起重机，在吊装前用铁板焊接于支撑两端作定位限制器。各个构件安装时应确保螺旋紧固，定期检查，做好记录。预压所用仪器设备应定期标定，按照设计荷载及时间要求进行预压，对预压结果应做好记录及存档。

5 结束语

装配式预应力钢支撑构件标准化可严格控制构件质量，且全部采用螺栓连接，安装及拆除时间快，节省了工期，避免了烦琐的现场工序以及潜在危险动作，并减少了对环境的污染。装配式钢支撑构件可以根据现场施工条件进行加工生产，可以更好地契合施工场地及不同施工方案。钢支撑本身的刚度大、形变小，施加预应力后可以减少基坑变形，增加基坑稳定性。此外，钢支撑构件在拆除之后可以二次利用，节省工程造价，随着工程企业对于工期管理及成本控制的日益重视，装配式预应力钢支撑在深基坑支护中的应用会越来越广泛。