预应力组合式型钢支撑在软土富水地区深基坑中的实践应用

陈美和

（中铁二十四局集团浙江工程有限公司，浙江杭州 310009）

1 工程概述

1.1 项目总体概况

慈溪市新城河区块39-C 地块幼儿园新建工程，主楼为4 层，底层为地下室。采用桩基础。东临白河小区，南临白河小区，西临规划道路，北邻规划河西路，总建筑面积14826.27m2，其中地上建筑面积8292.47m2，地下建筑面积6533.8m2，为地下停车库，地下室南侧、东侧临近现有浅基础民居。

1.2 深基坑设计概况

本工程基坑大致呈不规则矩形。矩形东西向宽约77m，南北向宽约98m，开挖深度约为6.25m，周长约325m，面积约6600m2。

1.3 自然条件

（1）水文条件。工程区域雨量充足，多年平均降雨量1272.8mm，最大年降雨量为2177.6mm，最小年降雨770.6mm，平均年径流总量5.122 亿m3，降水高峰月为9 月，平均占年降水量14%。

（2）工程特点与难点。首先，地质条件差。根据地质勘查报告，开挖范围存在较厚的②层淤泥质粉质黏土，且坑底坐落于④1层软塑状的粉质黏土中。施工过程中土体易受扰动，引起较大变形。对基坑自身及周边环境影响较大。其次，周边环境复杂。本工程周边分布有已建小区及多种重要市政管线等，环境条件复杂。尤其基坑东侧及南侧邻近3 层浅基础民房以及天然气管线，环境保护要求高，变形控制要求严[1]。

2 施工方案

2.1 施工方案概述

基坑所处位置紧邻老旧民房、地基承载力低且富水，结合现场实际地理位置、土质条件、开挖深度、周围环境等因素本着“安全可靠，经济合理，技术先进，施工简便”的原则，本工程竖向围护采用φ700@900 钻孔灌注桩+φ650 三轴水泥搅拌桩套打一孔止水帷幕，水平支撑采用装配式型钢组合支撑+伺服轴力补偿，通过施加预应力，主动控制变形，能够满足对周边环境的保护要求。且安装拆除过程中不会产生粉尘污染，同时又有效的降低噪音，减少了对周边居民正常生活的影响。坑内外采用管井降水，在基坑的西北角设置出土口。

围护桩顶沿基坑设置一圈压顶梁，压顶梁为钢筋混凝土结构，高0.8m，宽0.8m，压顶梁上部设置一圈混凝土挡墙，挡墙顶标高同地面标高。

2.2 施工总流程

施工总流程如下：场地障碍物清理→钻孔灌注围护桩施工→止水帷幕三轴搅拌桩施工→打设降水井→按设计要求卸土开挖沟槽（必要时采取简单支护）→基坑开挖至一道钢支撑底层标高，施工一道环梁并设置预应力钢支撑→浇筑混凝土护坡，设置地表排水系统→逐层开挖至地下室底板垫层底标高，并立即打设底板垫层→承台、地梁（包括电梯井基础）挖土→垫层施工→绑扎基础钢筋、浇筑基础混凝土（设置混凝土换撑带与底板整浇）→向上施工。基坑支护技术方案现场平面如图1 所示。

图1 基坑支护技术方案现场平面

3 预应力型钢组合支撑施工

3.1 工艺流程

技术方案工艺流程如图2 所示。

图2 技术方案工艺流程

型钢组合支撑安装原则：先主要构件，后次要构，即时形成一个闭合的受力系统并对其进行施加预应力。

型钢组合支撑体系安装采用按流水段、分件吊装的方法，待螺栓紧固后，安装千斤顶及施加预应力，最后进行辅助固定。

3.2 立柱施工

结合本工程的地质情况及周边环境，立柱施工采用490 机械手设备施打的方法，打桩时采用水准仪测量控制桩顶标高。

桩的标高应严格按设计图进行控制，严禁超送；严格控制桩顶标高误差，立柱桩顶标高误差允许范围为-50～0mm，检查立柱桩顶标高时，数量不得少于10%，且不得少于3 根立柱桩。

3.3 三角托架施工

三角托架焊接前需清理焊接范围内连接部位的混凝土残留物、铁锈、油污等杂物，焊接托架与围护桩之间的连接钢板，焊接后，三角托架须保证连接部位牢固可靠[2]，有足够的稳定，不得出现歪扭、虚焊现象；横杠长度及水平度满足使用要求。

3.4 预埋件安装

此预埋件主要用于后期连接预应力型钢组合钢支撑与冠梁，预埋件与冠梁连接的地脚螺栓须拧紧，并与冠梁钢筋焊接一起，施工中要确保每延米围檩内预埋螺栓的数量满足要求，并且位置要精确，严禁割断预埋螺栓。

冠梁混凝土浇筑前模板支立必须位置准确、定位牢固。不得将模板插入预埋件与冠梁之间，形成空隙，影响冠梁受力。

3.5 托座安装

托座设计如图3 所示。

图3 托座设计

3.5.1 标高的控制

水平标高需满足设计方案的要求，并精确的算出其顶面水平标高，控制误差不得超0.5cm，相邻托座的顶面标高差应当小于1cm。

3.5.2 垂直度的控制

在安装托架时，要对托架的垂直度进行控制，哪怕是因立柱桩偏位引起的垂直度问题，也一定要用钢板来保证托架的垂直度。如果立柱的标高和位置出现了偏差，可以采用槽道（暂时调节型）将托座与支撑梁连接等措施处理。

3.6 支撑安装

因为角撑安装有一定角度，所以要将其直接安装和施加预应力是比较困难的。所以，在安装角撑之前，必须对其进行预拼接，再对组装后的支撑的平直度进行检验，如果拼接成功，就按照设计的位置将其整体吊装就位。

在支撑预制拼装时，各部件之间的连接以高强度螺栓进行连接，并在其前部和后部各预留三丝预留空间。在节点处，如果节点处有多余的间隙，应增加相应的厚度，以避免节点在承受压力后出现整体偏斜。

3.7 预应力施加

（1）预应力施加原则。预应力的施加，能够更好地控制基坑变形，减少塑性区影响范围，保护周边环境安全[3-4]。结合工程实际，本方案的预应力施加原则：所有支撑全部施加预应力，按照分级、循环原则进行，单个循环工程如图4 所示。

图4 单个循环工程

（2）加压值计算。在各受力部位，按施工图上各受力部位的受力情况，按每一型钢一千斤顶的原理，求出各千斤顶的受压压力。

各千斤顶的压力值（P）=作用应力值（F）/千斤顶截面（m2）×千斤顶的数量。

（3）应注意的问题。①紧后安装的支撑在施加预应力后，相邻支撑应力在一定程度上减少，需要根据设计要求重新施加预应力进行补偿，因此需要安装支撑连接件。②在基坑坑壁出现水平位移变化速率超过设置警戒值时，应当通过增加预应力控制变形增长。③在增压过程中，可以通过在千斤顶后加一块钢板来调节液压缸的长度，从而将其控制在允许的范围内。④支撑的压力控制不能欠压，也不能过压，一定要按照设计图上规定的轴向压力来压。

3.8 构件连接

本工程所用对撑以及角撑均采用标准件组合拼装，现场采用高强螺栓连接、两点起吊整体吊装方案，连接施工需满足钢结构施工相关规定。

4 伺服系统与变形监测

4.1 伺服系统

装配式型钢组合支撑轴力伺服自动补偿系统采用电子计算机、机电一体化、信息计算、可视化监控等多学科融合的高科技手段，可以对支撑轴力进行24h 的实时监控，并通过高精度的传感器获取的参数，实时地对支撑轴力进行自动补偿，从而实现对基坑变形的控制。

伺服系统加强了过程控制和管理，对施工过程中的监测数据等进行动态监管，控制了施工风险。并将动态信息与移动设备绑定，实现远程控制、离场操作，实现信息化管理。

本基坑开挖最深处为6.25m，采用1 道型钢支撑，采用400mm×400mm×13mm×21mm 的H 型钢，型钢支撑为单层结构，每拼支撑采用伺服自动补偿系统，共计使用伺服系统55 套，与支撑同步安装。

4.2 变形监测

监测要点如下：①对组合型钢支撑体系进行了变形监测，并以各杆件轴向力的变化作为监测对象。②杆件轴向力的监控：弦型反力传感器直接安装在钢架结构的受力部位，监控的频率根据规范要求进行，出现异常时应增加检测的频率。③变形监测应从基坑开挖开始直至基坑封底或者底板混凝土满足强度要求后结束，报警值的控制按照设计文件结合规范计算确定。④现场水平支撑根据检测单位监测数据，如基坑变形量或钢支撑的轴达到设计报警值时，再次在钢支撑加载至设计荷载，同时加大监测频率，以确保基坑安全。

5 支撑拆除

在拆除预应力型钢组合内支撑之前，首先要做好可靠的换撑工作，要保证主体结构的底板或中间板以及传力带的混凝土强度要符合设计的强度，并且传力带和围护结构的空隙已经按照要求填密实，这样才能保证拆下钢支撑后，围护结构的水平位移能保持在设计要求之内。①拆除顺序。预应力型钢组合内支撑的拆除顺序按安装的逆序进行，其顺序如下：变形监测→释放预应力→拆除角撑→拆除支撑梁→拆除牛腿及立柱。②预应力释放。支撑拆除前必须对拆除区域某个体系的预应力进行释放，其单次预应力释放顺序：小角撑→大角撑。

对拆除区域的预应力释放遵循分级循环释放的原则，采用3 轮进行预应力释放，如图5 所示。

图5 预应力释放技术方案

6 结语

通过慈溪市新城河区块39-C 地块幼儿园预应力组合式型钢支撑的施工，对施工时需要注意的问题总结如下：①相邻立柱之间的横梁应采用整根型钢，不得有焊缝。②构件接头位置设置需符合结构力学原理，防止发生过大的剪切、变形破坏。③支撑上严禁堆载，严禁挖土机械碰压支撑系统。④型钢支撑构件进场后应当经过检查验收，确定无变形等质量问题后使用。⑤当监测压力出现损失时，伺服系统应及时补充预应力。⑥支撑拆除时，先拧松螺栓，再卸载支撑预应力。⑦架设钢支撑前应先掏挖支撑梁正下方的土方，其他区域土方不得挖除，待钢支撑梁安装完毕并施加预应力后方可大面积土方开挖。⑧排水效应会对基坑支护系统的稳定产生较大的影响。对深层土体影响较大[5]，过程中应重视监测。