预应力型钢组合支撑在基坑工程中的应用

胡 琦 刘雨冰 谢家文

(1.浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310012; 2.东通岩土科技股份有限公司，浙江 杭州 310022)

1 工程概况

1.1 工程简介

某工程位于天津市红桥区红旗北路与邵公庄大街交口东北侧，其四至为东至闸桥北路，南至邵公庄大街，西至红旗北路，北至红星美凯龙。项目总建筑面积约为54 000 m2，项目建设住宅3栋，其底部裙房为2层(配建二、配建三)，上托建3栋高层，其中1号、3号楼为22层，2号楼为27层；另外于1号住宅西侧建设1栋独立3层建筑作为配建一，于3号住宅东侧建设1栋主体6层局部4层的独立建筑作为配建四。整个场地内均有2层地下室，埋深约10.00 m。高层住宅拟采用框架剪力墙结构，裙房拟采用框架结构，地下车库拟采用钢筋混凝土结构。本工程采用桩基础。本工程±0.000相当于3.900 m，根据现场及周边道路标高资料，自然地坪取3.300 m，基础底板面结构标高大面积-11.300 m，板厚1 100 mm，计算开挖深度10.70 m。

1.2 工程水文地质条件

1.2.1地质条件

场地地处华北平原，属冲积、海积低平原。拟建场地位于天津市红桥区红旗北路与邵公庄大街交口处东北侧。场地现主要为绿地，地势总体较平坦，仅西侧局部有所起伏，各孔孔口标高介于3.99 m～3.14 m之间。根据区域地质资料，该场地埋深70.00 m范围内，地基土按成因年代可分为以下9层，按力学性质可进一步划分为14个亚层。

场地主要以粉土，粘土，粉质粘土为主，大多呈软塑或可塑状态，无明显层理，且以中压缩性土质为主。

1.2.2水文条件

勘察期间测得场地地下潜水水位如下：初见水位埋深1.80 m～2.20 m，相当于标高1.46 m～1.33 m。静止水位埋深1.00 m～1.50 m，相当于标高2.26 m～2.11 m。表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。一般年变幅在0.50 m～1.00 m左右。根据勘察期间地下水位观测值，并结合勘察院在拟建场地周边长期地下水位观测资料及天津地区地下水位变化幅度，本场地抗浮设计水位可按大沽标高3.00 m考虑。

根据周围场地抽水试验结果及承压水观测井观测资料，本场地承压含水层粉土(地层编号⑨2)静止水位相当于大沽标高0.00 m左右。

根据室内试验结合各层土性质，埋深30.00 m以上各层土渗透性如下：素填土，微透水；粘土，极微透水；粉质粘土，微透水；粉土，弱透水。

本场地地下水水位较高，无污染土分布。本场地标准冻结深度为0.60 m。

1.2.3不良地质作用

在本工程拟建场地范围内不良地质作用主要为地面沉降。

由于常年进行地下水的开采，天津市的地面沉降较为严重。随着近年来天津市对地下水开采的控制，地面沉降速率呈减小趋势，根据区域监测资料显示，拟建场地区域1985年—2014年累计地面沉降量约为500 mm～700 mm，2014年沉降量约为10 mm。在本工程拟建场地范围内，除地面沉降外不存在其他影响拟建场地整体稳定性的不良地质作用。

1.2.4特殊性岩土

本场地的特殊性岩土主要为人工填土，全场地均有分布，厚度一般1.40 m～2.80 m，由杂填土(地层编号①1)和素填土(地层编号①2)组成。杂填土结构松散，由石子、砖渣、煤灰渣、废土组成；素填土软塑状态，粉质粘土土质，含石子，土质结构性差。

人工填土填垫年限小于十年且厚度较小，对本次拟建工程基坑开挖及支护影响不大。

2 工艺介绍

2.1 预应力型钢组合支撑简介

型钢组合支撑的每道支撑由多根型钢组合而成，型钢翼缘上密布螺栓孔，所有构件均通过高强螺栓连接。同方向型钢之间架设盖板和槽钢构成组合构件(见图1a))，支撑交汇处用三角件连接，以增强支撑连接处强度(见图1b))。通过多种构件组合而成的型钢组合构件整体性良好，完全可以满足工程安全的需求。

支撑与压顶梁或腰梁之间使用围檩连接，钢腰梁依托在与支护桩焊接的角钢牛腿上。围檩可以通过预埋件与压顶梁连接，也可通过型钢传力件与支护桩连接，这样的连接形式形成了较强的节点连接强度。各构件间连接方式如图1c)，图1d)所示。

2.2 施工工艺

深化设计→施工准备→测量定位→H型钢立柱桩施工→开挖冠梁及牛腿土方→冠梁施工→焊接牛腿及传力件连接板(与灌注桩主筋焊接)→牛腿安装→安装第1道围檩→焊接传力件→安装第2道围檩→安装托座件及横梁→安装支撑梁→预应力施加→基坑土方开挖→基坑开挖结束→施工浇筑混凝土垫层、底板、侧墙、顶板及混凝土换撑→地下室结构、顶板、侧墙及混凝土换撑强度达到设计强度→拆除组合型钢支撑。

2.3 施工步骤

主要施工步骤如下：

1)场地平整完后，根据图纸立柱的定位，在仪器指挥下用机械手进行立柱的安插。

2)安放搁置围檩的牛腿，绑扎压顶梁钢筋，随后根据图纸要求，在第1道围檩上进行预埋螺杆的安装和第1道围檩的拼装。完毕后开始浇筑混凝土，构件之间的连接通过螺栓连接。

3)安装托座件，并在托座件上安放横梁。接下来进行第2道围檩、三角件、角度调节件、加压件、型钢支撑的安装。

4)支撑安装完成后，先焊接轴力检测应变计，后用油压千斤顶按设计要求进行加压。在整个工程施工过程中，自动化轴力监测系统进行监测。

5)随着大底板混凝土的浇筑焊接，在立柱相对标高处的止水钢片也一并浇筑。混凝土强度达到要求，支撑开始拆除。首先，先用油压千斤顶进行卸压，然后逐步拆除第二层型钢组合上盖板、槽钢等。

6)待顶板浇筑完成，并达到设计强度，拆除第一道型钢组合支撑，并拆除托座件，割除立柱和牛腿，然后回填土方。拆除后，残料统一整理，并运出现场，回收仓库。

3 基坑围护方案及施工要求

3.1 基坑围护方案

本工程有以下特点：

1)本场地地基土分布总体较均匀稳定，除地面沉降外场地及周边不存在影响场地整体稳定性的不良地质作用；

2)本次拟建场地内整体有2层地下室，开挖面积较大，基坑开挖边界西侧距离现有建筑(千阳里)8.5 m，北侧距离红星美凯龙家居装饰城12.5 m，南侧距离邵公庄大街10 m，东侧距离闸桥北路18 m，基坑周围环境相对较复杂，基坑开挖时应采取一定的支护、止水及降水措施；

3)本场地地下水静止水位埋深较浅，应做好降水工作，将水位降至基坑底1.00 m以下；

4)基坑轮廓表现为狭长形长条，基坑轮廓长213.08 m，宽30.8 m，坑内含数个阴角，形式较为复杂，对支撑围护水平有较高要求，见图2。

根据以上特点进行基坑支撑系统设计：

本工程地下室2层，基坑开挖深度深10.70 m，结合周边场地情况，基坑采用咬合钻孔灌注桩加二道预应力型钢组合式支撑的支护形式，工法桩兼做止水帷幕，坑底部分区域采用水泥搅拌桩加固。结合基坑的平面形状，采用了角撑结合八字撑的平面形式。内支撑标准件采用H350×350×12×19型钢(Q345)，钢围檩采用双拼H400×400×13×21型钢(Q345)，立柱桩采用H300×300×10×15(Q235)。基坑剖面图见图3。

结合基坑的平面形状，采用了角撑结合对撑的支撑平面形式，局部区域布置反拱。支撑的受力合理，基坑中留出了较大的挖土空间。这种支撑系统具有如下几个特点：

1)支撑杆件受力明确，可有效控制围护体的侧向变形；

2)由于支撑间距大，故挖土施工方便；

3)围护桩受力合理，节省工程造价；

4)可有效控制浅层位移。

3.2 施工要求

基坑工程施工前应首先进行场地普查及修整。主要查明地基浅层障碍物的种类、分布及深度，场地内外管网分布情况。对已埋设在基坑范围内的管线应及时移走，以保证管线设施的正常使用及基坑施工的顺利进行。

基坑工程施工应按如下顺序进行：

1)施工SMW工法桩、钻孔桩。并埋设测斜管，水位管。

2)大面积挖土至压顶梁底，施工混凝土压顶梁，并安装型钢支撑。混凝土压顶梁养护至设计强度的80%后，对型钢支撑施加预应力。

3)进行下一层土方开挖，挖土至坑底。挖土至基坑底标高24 h内须施工好素混凝土垫层，坑底标高以上30 cm及地梁、承台等局部深处采用人工修土。

4)施工相应范围的基础底板以及基础底板与围护桩之间的底板传力带。

5)待底板及传力带达到设计强度后，拆除水平内支撑。

周边支撑、对撑均形成整体后，方可开挖下一层土方。对撑形成后应在对撑指定范围内覆土大于30 cm，并铺设路基板后才能通行车辆。

土方开挖的基底标高应结合地下室结施图进行，当结施图与基护剖面图中所示的基底标高有出入时，以结施图为准，并应及时通知业主和围护设计人员。在基坑开挖及整个地下室施工过程中，应严密观察围护体各部位有无渗漏现象，如有，则必须立即采取有效措施堵漏。内支撑(除指定区域外)上严禁堆载。塔吊等施工设备应另行设置基础。

基坑周围10 m范围内，地面超载不得大于20 kPa。出土口范围地面超载不大于45 kPa。型钢组合式支撑顶部除指定区域外，严禁任何形式的堆载，施工过程中挖土机械严禁碰撞支撑的型钢立柱。

4 工程跟踪结果

1)2017年3月13日，立柱开始施工，共86颗立柱。

2)2017年3月18日，开始围檩安装的施工。

3)2017年3月21日，东边第一个对撑上下两道、第二个对撑上道已安装完成，基坑最大变形发生于东侧角撑与第一个对撑之间，位移为15 mm。该区域已开挖到设计坑底。

4)2017年3月24日，立柱全部施工完毕，东边围檩已安装局部。该段期间出土受天津降雨影响。

5)2017年3月31日，第一道围檩内层已全部贯通，外层剩余不到100 m。

6)2017年4月7日，东边第二道角撑已安装完成。该段时间施工进度受天津雾霾影响。

7)2017年4月14日，东西两侧角撑、第一道对撑均已安装完成，发挥作用，第二道支撑东侧角撑安装完成，发挥作用，东侧开挖土方将近设计坑底，基坑变形发生于东侧角撑与第一个对撑之间，位移为11 mm。

8)2017年5月5日，东面完成四道上下两层对撑，西面完成上下两道对撑。东面角撑区域底板垫层完成。位移最大处13 mm。

9)2017年5月26日，支撑已经全部安装完毕。

10)2017年7月28日，全部支撑拆除完毕，型钢材料装车撤场。

基坑内支撑体系仅使用不到5个月便完成建立和拆除，与传统常用钢筋混凝土支撑体系缩短近30%的工期。在整个工程施工阶段，基坑变形稳定，基坑各项变形指标均未超过规范及设计要求，基坑安全可控。

5 结语

相比钢筋混凝土支撑，型钢拼接支撑具有组装拆除快速、刚度好、对支撑立柱的承载力要求低等明显优点，而且与SMW工法桩的连接更为方便。相比钢管支撑，型钢组合式支撑采用高强螺栓连接，节点连接更加可靠。此外，型钢组合支撑随挖随撑，随撑随挖的特点，施工受气候条件影响不大，可全天候施工，比传统钢筋混凝土支撑方案通常节约工期30%～50%，意味着节约时间、减少成本、占据市场主动、减少对环境影响。在支撑拆除过程中未产生建筑垃圾，也未造成扬尘及噪声污染，同时，拆除后的组合型钢支撑可在后续项目中重复利用，有效地节约了施工成本，相比传统支撑节约15%～20%。论文通过详细介绍型钢组合支撑的施工工艺、施工步骤和施工要点，并结合其作为支撑体系在天津商品房建设工程中的成功应用，在解决深基坑施工对缩短工期的问题上提供了新的思路和方法。