预应力张弦梁钢支撑在深基坑中的应用研究

王 强 胡晓莲

(江西建工第一建筑有限责任公司 江西南昌 330000)

0 引言

深基坑内支撑体系主要有钢筋混凝土支撑与钢支撑。钢筋混凝土支撑整体性好，承载力高，但钢筋混凝土支撑材料不可重复利用，养护周期长，拆除困难，形成大量建筑垃圾与粉尘等，不符合目前绿色环保、可持续发展的需求。钢支撑体系具有施工方便、可循环利用等特点，但其刚度较小。为克服钢支撑刚度小、变形大等缺点，在钢支撑的基础上，对其施加预应力，为克服钢支撑刚度小、变形大等缺点，基坑出土方便，在深基坑工程中具有广泛的应用前景。本文在工程实例基础上，总结了预应力张弦梁钢支撑体系的施工方法。

1 工程概况

某项目地下室地下两层，占地面积约13 206 m2，支护周长约459 m，开挖深度达到12.6 m,如图1所示。

图1 某项目张弦梁钢支撑现场图

该工程基坑开挖深度较深，基坑边距离用地红线近(地下室边线距离用地红线3.2 m～7.3 m，距离已建建筑最近约14.4 m)，周边环境复杂，存在市政道路及市政管线，对变形较为敏感，环境保护要求较高。另外由于工期紧，为了尽量缩短施工工期，支护结构需具备安拆方便、快捷、有利于基坑出土等特性。在施工前，对张弦梁钢支撑系统与传统的型钢组合钢支撑系统在施工工期和工程造价上进行对比(表1)，最终确定选用工期和造价都占优的张弦梁钢支撑系统。

表1 方案比较

张弦梁钢支撑系统由张弦梁、直撑桁架、斜撑桁架、钢支架等装置组成，如图2～图6所示。整个支撑体系利用张弦梁，将其跨度内所受土压力传递到直撑桁架和斜撑桁架上，直撑桁架和斜撑桁架再将土压力向基坑两边相互抵消。

图2 装配式张弦梁钢支撑系统构造图

图3 张弦梁构件图

图4 直撑桁架构件图

图5 斜撑桁架构件图

图6 钢支架构件图

2 基坑支护施工工序

施工钻孔桩和立柱→施工三轴水泥搅拌桩(然后高喷补强)→开挖至第一道支撑面标高→施工压顶梁和支撑梁→钢支撑部分施加预应力后开挖至第二层支撑工作面，混凝土支撑养护达到设计强度后，开挖至第二层支撑工作面→施工腰梁和第二道支撑→待钢支撑施加预应力，混凝土支撑达到设计强度→开挖至坑底标高→施工垫层和深井→施工筏板基础结构，并浇筑底板传力带→待基础结构达到设计强度后，施工楼板及楼板传力带→楼板及楼板传力带达到设计强度后→逐步拆除第二道支撑和第一道支撑→完成地下室结构→回填土方，向上作业。

3 张弦梁钢支撑工艺流程与关键技术

3.1 张弦梁钢支撑施工工艺流程

施工准备阶段→工厂预制构件→模块拼装→预埋件安装、焊接→整体放线、定位→场地布置、构件进场→支架平台安装→钢支撑模块安装→预应力施加→预应力卸载→钢构件拆除。

3.2 张弦梁钢支撑安装顺序

钢支撑拼装顺序如图7所示，具体描述如下：

图7 钢支撑拼装顺序

(1)拼装左下角模块一角撑部分；

(2)拼装右下角模块二角撑部分；

(3)拼装右下模块三张弦梁；

(4)拼装左下模块四张弦梁；

(5)拼装中间模块五对撑；

(6)拼装右上模块六张弦梁；

(7)拼装左上模块七张弦梁；

(8)拼装左上角模块八角撑部分。

两层之间土方开挖完成，第二层钢支架安装完成后，开始第二道钢支撑拼装。

3.3 预应力施加

采用液压式千斤顶对支护系统施加预应力,预应力施加点如图8所示，图中一层支撑预应力P1 =2500 kN、P2=2000 kN、P3=1000 kN；二层支撑预应力P1=3000 kN、P2=2500 kN、P3=1500 kN。现场预应力施加作业情况如图9所示。

图8 钢支撑液压千斤顶预应力施加点分布图

图9 预应力施加现场图

3.4 基坑土方开挖

钢支撑预应力施加完毕后，基坑土方开挖。基坑土方采用由南到北盆式开挖，基坑中应留道路。为了尽可能使支护结构均匀受力，减少变形，需遵循分层、分块、均衡、对称的挖土原则开挖至设计标高，每层挖土厚度不宜超过2 m，每段长度不超过20 m。边开挖边实时监测位移控制点位移变化，实时调整千斤顶，使位移在允许范围，并测定相应的内力变化。需特别注意，基坑内壁3 m范围土方开挖时，千斤顶与冠(腰)梁间二次灌浆须达到C35砼同等强度。基坑土方开挖顺序如图10所示。

图10 基坑土方开挖顺序图

3.5 基坑监测

基坑内设置了位移监测控制点和内力监测控制点，施工过程中实时监测基坑位移变化，保证施工过程中基坑最大位移在30 mm范围内。监测点布置如图11所示。基坑及支护结构监测报警值如表2所示。

图11 基坑监测平面布置图

表2 基坑及支护结构监测报警值

当基坑监测出现上述预警值或出现下述情形时，应立即进行危险报警，并对支护结构和周边环境的保护对象采取应急措施：

(1)监测数据达到监测报警值的80%；

(2)基坑支护结构或周边土体的位移值突然明显增大,或基坑出现流沙、管涌、隆起、陷落、或较严重渗漏等；

(3)周边地面出现较严重的突发裂缝或危害结构的变形裂缝；

(4)根据当地工程经验判断，出现其他必须进行危险报警的情况；

(5)周边管线变形突然明显增长或出现裂缝、泄漏等[1]。

该工程根据第三方监测结果显示，基坑周边水平位移最大累计变化量为21.1 mm(预警值30 mm)，竖向位移最大累计变化量为13.2 mm(预警值30 mm)，深层水平位移最大累计变化量为18.8 mm(预警值30 mm)，立柱沉降最大累计变化量为17.3 mm(预警值30 mm)。上述数据表明，本基坑使用情况良好，均未达到监测预警值。说明预应力张弦梁钢支撑系统在深基坑支护的应用较为安全可靠[2]。

3.6 换撑与拆撑

(1)换撑与拆撑条件

在地下室顶板楼板施工完毕并能提供刚度后，开始换撑工作，待传力体施工完养护至满足设计要求后方能拆撑。拆除时要特别注意保证轴力的安全卸载，避免应力突变对围护结构、主体结构产生负面影响。另外，避免钢支撑吊运过程中坠落而导致安全和质量事故。综合考虑，钢支撑拆除需满足如下条件：

①换撑构件达到设计要求强度，即可拆除钢支撑。

②接到《钢支撑拆除通知》或相关书面文件。

③具备钢支撑拆除的施工操作面和通道。

④后浇带处理完毕。

换撑前需对地下室底板、中板及顶板的后浇带设置传力带，传力带设置位置与后浇带两侧柱子中线重合，传力带采用32b#工字钢，两端通过封头板预埋在后浇带中，需在后浇带两侧混凝土浇筑前预埋好，浇筑时避免移位。

(2)换撑与拆撑的施工流程

先施工底板基础结构，并浇筑底板传力带→待基础结构达到设计强度后，施工楼板及楼板传力带→楼板及楼板传力带达到设计强度后→逐步拆除第二道支撑和第一道支撑。

(3)换撑结构的施工与相邻结构同时进行，与常规混凝土结构施工方法相同。

(4)钢支撑拆除顺序

拆除支撑系统时，应对称拆除，先拆除张弦梁，再拆除中间的直撑桁架，最后拆除角上的斜撑桁架。

(5)钢支撑拆除具体分为以下几个步骤

①吊车驻点场地清理、平整。吊车进场前勘察路线、路面，软土路面需要提前铺设石子、钢板。

②使用千斤顶或凿除支撑一侧的二次灌浆层，释放钢支撑内力。

③采用塔吊拆除腹杆、张弦梁等重量较轻的小构件。

④将主撑缀板螺栓解开，把主撑拆成零散元件，采用吊车装车运走。

⑤如现场无法满足吊车停靠，则需塔吊配合拆除构件。如果构件重量超出塔吊起重范围，则加密脚手架上叉车，或吊车进行拆除。

4 结语

综上所述，预应力张弦梁钢支撑是一项用于地下空间开挖的新型绿色深基坑支护技术。与传统混凝土支撑相比，其体系简单，安拆方便、快捷，可显著缩短施工工期。同时，该支撑系统的钢材构件可回收重复使用，节省施工成本，具有很好的经济效益[3]。该系统不产生建筑垃圾，具有节能环保、技术先进、经济合理、确保质量等特点，极具推广价值。