深基坑预应力型钢组合内支撑结构体系施工技术

何先炜/HE Xian-wei

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东 深圳 518000）

在深基坑施工中，为保证支护结构及周边环境安全，需沿基坑深度方向设置一层或多层内撑结构，以抵抗基坑侧壁压力，保证地基与基础施工阶段的基坑安全。目前国内最常见的基坑支撑为钢筋混凝土内撑，虽具有刚度大、变形小等优点，但其钢筋混凝土一次性投入使用、混凝土养护时间长、破除后产生大量建筑垃圾且污染环境。

相比钢筋混凝土支撑，型钢组合内支撑具有平面布置灵活、刚度较大、施工周期短、钢材可循环利用等优点。但由于跨度大时型钢挠度增大、易受弯变形的特点，使其只适用于宽度较窄的基坑。我们在工程实践中，通过对型钢组合内支撑施加预应力，使其挠度减小、刚度增加，有效解决了型钢组合内支撑在大跨度深基坑中抗挠不足的问题，提高了型钢的使用效率、扩大了支撑的使用范围。

1 施工技术原理

型钢组合内支撑是由多个标准及非标准的型钢构件拼装组合而成，随着基坑跨度的增加，型钢水平支撑在自重作用下会产生一定的挠曲变形。通过对型钢内支撑施加预应力，创建新型结构体系，使水平钢支撑的挠度减小、刚度增加，从而提高型钢支撑体系的受力性能和安全系数。有效解决了型钢组合内支撑在大跨度深基坑中抗挠不足的问题，提高了使用效率，扩大了使用范围。

在型钢内支撑未受到基坑侧壁压力前，通过施加预应力以调整型钢支撑结构的内力分布，使得型钢内支撑在工作期间其内部预应力能抵消或削弱部分基坑侧向压力，以实现等效平衡荷载的目的。提高基坑支撑体系的强度、刚度及稳定性，以充分发挥型钢材料的受力性能。

2 技术适用范围

预应力型钢组合内支撑结构体系可配合灌注桩排桩、型钢水泥土搅拌桩及地下连续墙等支护桩，作为基坑侧壁安全等级为一、二、三级的深基坑支护结构，适用范围广。

3 工程背景

某商业、办公综合体建筑，位于南京市江北新区团结路与华富路交叉口。拟建场地属于长江漫滩地貌单元，具有地下水位高、泥沙含量大等特点。基坑开挖面积约13 016m2，基坑周长约577m，基坑开挖深度7m，主楼核心筒区域开挖深度11m。整个基坑采用“SMW 工法桩＋预应力型钢组合内支撑”支护体系，基坑外侧采用单排三轴深搅桩套接施工形成全封闭止水帷幕进行止水，基坑内部采用一层预应力型钢组合内支撑结构体系。

4 施工工艺

4.1 施工工艺流程

钢筋混凝土压顶梁及抗剪墩施工→型钢立柱桩施工→立柱桩托座、托梁安装→传力件安装→型钢水平内支撑安装→安装预应力加载装置→分级施加预应力→基坑监测→地下室结构及换撑施工→预应力卸载→型钢组合内支撑拆除及回收

4.2 钢筋混凝土压顶梁及抗剪墩施工

1）如图1 所示，压顶梁采用现浇钢筋混凝土结构，沿基坑支护桩一圈布置，截面尺寸1 400mm×800mm。

图1 压顶梁施工

2）型钢水平内支撑通过传力件与压顶梁连接，当钢支撑与压顶梁交角小于90°时，连接节点处受到的剪力最大。施工中可沿受力方向设置钢筋混凝土抗剪墩（相当于在压顶梁与传力件锚固端设置水平加腋），使该节点处产生支座反力以抵抗剪切荷载，增大型钢支撑与支护桩结合部的安全系数，钢筋混凝土抗剪墩与压顶梁一体化施工（图2）。

图2 抗剪墩配筋受力方向

3）压顶梁钢筋绑扎完成后，将连接传力件的螺栓预埋件点焊在压顶梁钢筋上，再浇筑压顶梁混凝土，混凝土强度等级C35。

4.3 型钢立柱桩施工、托座件安装

1）根据设计图纸和场区控制线，用全站仪对立柱桩进行定位并洒灰线做好标记，立柱桩施工前再对其坐标位置进行复核。立柱桩宜采用静压法施工，可采用机械手将型钢立柱插入土层中，插入过程中使用全站仪对立柱垂直度进行控制。立柱桩垂直度允许偏差≤0.5%，定位偏差控制在50mm 以内，桩顶标高允许误差±30mm。

2）当基坑较深、立柱桩悬臂端过长时，可通过设置剪刀撑以提高立柱桩的抗侧移刚度。

3）托座、横梁采用H300×300×10×15型钢，立柱桩与托座、托座与横梁之间通过M24×80 高强螺栓连接。

4.4 型钢水平内支撑安装

1）如图3、图4所示，在跨度为113.3×72.5m 的平面规则的矩形深基坑平面布置一层型钢组合内支撑，基坑四角分别各设置3 道角撑（A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3，D-1、D-2、D-3）；基坑长边方向的中垂线位置设置一道中间对称（E-1）。

图3 预应力型钢组合内支撑平面布置

图4 型钢内支撑安装

2）每道水平钢支撑由多个标准型钢构件组成，型钢翼缘上密布螺栓孔，各构件通过高强螺栓连接。每道水平钢支撑两端中心线的偏心误差控制在20mm 以内，两端的标高差≤20mm 且不得超过水平钢支撑跨度的1／600。

4.5 安装预应力加载装置

1）预应力装置安装的数量及位置：当型钢水平内支撑跨度≤30m 时，在水平钢支撑一端安装1 个预应力装置；当型钢水平内支撑跨度在30～60m 时，在水平钢支撑中部安装1 个预应力装置；当型钢水平内支撑跨度＞60m 时，在水平钢支撑两端各安装1 个预应力装置。

2）在角撑（A-1、A-2、A-3，B-1、B-2、B-3，C-1、C-2、C-3，D-1、D-2、D-3）及中间对称（E-1）的中部位置各安装预应力加载装置，加载装置由加载横梁、预应力保力盒、液压千斤顶、钢垫片组成。

4.6 分级施加预应力

1）预应力应遵循“对称、同步、分级”的原则进行施加。各液压千斤顶同步工作，预应力分级施压，依次为总预应力的20%、50%、30%，第一级压力加载完成并保持压力稳定10min 后再进行下一级施压。预应力施加达到设计值并保证压力稳定平衡后，方可锁定千斤顶。预应力加载值统计如表1 所示。

表1 预应力加载值统计

2）加压后，在预应力保力盒与支撑梁结合处出现的缝隙中加塞钢垫片，并将所有松动的螺栓进行紧固，最后等到支撑受力稳定后取出千斤顶，并对型钢支撑进行轴力监测。

3）型钢组合内支撑的轴力监测采用全自动连续监测系统，在轴力较大处或者起到控制作用的水平钢支撑上安装轴力监测传感器，利用频率读数仪进行读数并记录归档。预应力施加和卸压期间，轴力监测频率为2 次／h 以上。

4.7 基坑监测

型钢支撑安装期间：该期间由于型钢支撑组装，未形成闭合受力体系，支护体系处于悬臂状态，需要重点监测。型钢支撑受力期间：该期间基坑正处于施工阶段，支撑轴力不断变化，需要重点监测。型钢支撑拆除期间：该期间基坑受力变形情况复杂，需要重点监测。

4.8 地下室结构及换撑施工

1）换撑原理：将地下室楼板部分延长至支护桩侧壁作为传力带，后浇带位置采用工字钢等作为传力带，基坑侧壁压力通过传力带传递到楼板结构，最终传递到对面的支护桩，使对称两边的应力相互抵消，从而保证基坑侧壁的稳定性。

2）换撑流程：基础底板换撑施工→负一层底板换撑施工→拆除第一层型钢组合内支撑。

3）基础底板换撑：基础底板混凝土浇筑时，整个基坑内的混凝土需满堂浇筑到支护柱边，基础底板后浇带位置设置传力型钢（18#工字钢@2000）。

4）负一层底板换撑：负一层底板与支护桩之间设置厚度及配筋同负一层梁板的2m 宽换撑块结构，楼板后浇带位置设置传力型钢（18#工字钢@2000）。

5）负一层底板强度等级达到80%设计强度方可进行卸压，达到100%设计强度方可拆撑。

4.9 预应力卸载

1）型钢组合内支撑拆除前应先释放预应力，释放过程中对型钢支撑进行变形监测。

2）预应力释放遵循“对称、同步、分级”原则，每级预应力释放后应观察30min，并检查型钢支撑及基坑周边变形情况，如有异常应立即停止卸压并纠偏整改。

3）预应力释放时，先用液压千斤顶顶开加载横梁，取出钢垫片再卸除保力盒，然后松开千斤顶，最后依次松动高强螺栓拆除构件。

4.10 型钢组合内支撑拆除及回收

先拆除中间对撑，再拆除角撑。拆撑顺序按照：支撑盖板、系杆→型钢水平内支撑→传力件、型钢围檩→型钢托梁、托座→型钢立柱桩，依次拆除各支撑构件。拆除的构件集中堆放回收至厂家，对于标准型钢构件可重复利用。

5 经济效益分析

本工程基坑内支撑采用“SMW 工法桩+预应力型钢组合支撑结构体系”与原设计的“SMW工法桩+钢筋混凝土支撑结构”进行成本对比分析，实际施工中采用的预应力型钢组合内支撑结构体系施工费用约157 万元，若采用原设计的钢筋混凝土支撑则需要花费成本约345 万元。仅从造价方面分析直接节省费用约为188 万元，充分体现了预应力型钢组合支撑在深基坑支护中的经济优越性。

6 结语

预应力型钢组合内支撑结构体系作为一种新技术，其满足工厂标准化加工、现场装配式施工，机械化程度高、施工速度快可有效节约工期；型钢截面尺寸较小，通过合理的布局设计可提供较大的基坑作业空间；基坑结束后，各型钢构建可回收利用，对环境残留小，满足资源循环利用和绿色施工的要求。

预应力型钢组合内支撑结构体系可以与SMW工法、TRD 工法、灌注桩排桩及地下连续墙等悬臂支护结构配合使用，共同组合作为基坑侧壁安全等级为一、二、三级的深基坑支护工程。