劉洪剛，莊小杰，陳艷梅，周剛，陳烈

(中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100161)

1 引言

在基坑圍護技術(shù)方面，多年來我國房建工程一直是以鋼筋混凝土材料為主，工藝落后、耗能大、周期長、成本高，地鐵等市政項目狹長基坑的支護一般采用鋼管支撐，但是其支護的寬度有限，不適用于超大平面基坑的整體支護，近年來我國在引進、消化、創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，建立起預(yù)應(yīng)力裝配式H型鋼支撐支護技術(shù)體系，完成了從設(shè)計到構(gòu)件預(yù)制、施工作業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)，具有節(jié)能環(huán)保、綠色施工等顯著優(yōu)勢，適用于超大、超深基坑的整體式全鋼結(jié)構(gòu)的支護要求。

圖1 預(yù)應(yīng)力H型鋼裝配式組合內(nèi)支撐效果及實施圖

2 技術(shù)特點

①構(gòu)件定型化，全拼裝施工無需澆筑及養(yǎng)護，主要構(gòu)件均可循環(huán)再利用，基本不會產(chǎn)生建筑垃圾，綠色環(huán)保。

②H型鋼組合內(nèi)支撐體系平面布置形式靈活多變，適用于面積大的深基坑支護，可自由組合，整體性好，支撐效果顯著。

③可根據(jù)要求施加預(yù)應(yīng)力，能有效控制基坑變形。

3 工藝原理

基坑預(yù)應(yīng)力H型鋼裝配式組合內(nèi)支撐體系各構(gòu)件由H型鋼及鋼板輔材按標(biāo)準(zhǔn)尺寸加工而成，各鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過螺栓安拆即可實現(xiàn)相互連接、裝配、拆卸，工廠加工完成后運送至現(xiàn)場預(yù)拼裝，然后通過螺栓連接組裝各鋼構(gòu)件形成整體的水平內(nèi)支撐體系，安裝完成后對各支撐梁主動施加預(yù)應(yīng)力，與支護樁共同作用，形成空間布置靈活、整體性好、支撐剛度強的基坑支護體系，支護完成后拆除回收各鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件再循環(huán)利用至下一工程中。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 支撐體系設(shè)計及安全計算

型鋼組合支撐的穩(wěn)定驗算、強度及變形計算應(yīng)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2017），型鋼組合支撐標(biāo)準(zhǔn)件及非標(biāo)準(zhǔn)件的鋼材牌號不應(yīng)低于Q345B,其余構(gòu)件的鋼材牌號不應(yīng)低于Q235B。構(gòu)件之間應(yīng)采用高強螺栓連接，連接強度應(yīng)滿足支撐的受力要求。型鋼支撐梁預(yù)加軸力值不應(yīng)小于支撐設(shè)計軸力的30%，不宜大于75%，具體應(yīng)結(jié)合基坑側(cè)壁的變形控制要求及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況確定，型鋼組合支撐的設(shè)計使用期限不應(yīng)小于基坑支護設(shè)計使用期限。

4.1.1 型鋼組合支撐豎向布置設(shè)計

支撐的標(biāo)高設(shè)置應(yīng)利于控制圍護墻的內(nèi)力與變形，各道支撐豎向凈距以及支撐與坑底的凈距不宜小于3m，支撐與其下的基礎(chǔ)底板或樓板凈距不宜小于0.5m。

4.1.2 型鋼組合支撐平面布置設(shè)計

支撐應(yīng)在同一平面內(nèi)形成整體，上下各道支撐宜對齊布置，圍檁或壓頂梁上相鄰支撐的水平凈距，對組合圍檁不宜大于8m,對混凝土圍檁或壓頂梁不宜大于10m，對撐端部可設(shè)置八字撐，八字撐宜對稱布置，軸線長度不宜大于9m，與壓頂梁、圍檁之間的夾角宜取30°～60°，基坑向內(nèi)凸出的陽角應(yīng)設(shè)置可靠的雙向約束，支撐立柱宜避開主體結(jié)構(gòu)的梁、柱及承重墻。同一組型鋼支撐梁下立柱與圍檁、相鄰立柱之間間距不宜大于10m，不同方向支撐交匯處應(yīng)設(shè)置立柱，應(yīng)利于基坑土方開挖、運輸以及主體結(jié)構(gòu)的施工。

4.1.3 結(jié)構(gòu)整體分析應(yīng)考慮荷載作用

結(jié)構(gòu)整體分析應(yīng)考慮由圍護墻傳至支撐結(jié)構(gòu)的水平作用力，支撐結(jié)構(gòu)自重及活荷載，還要考慮預(yù)加軸力、立柱之間差異沉降產(chǎn)生的作用。當(dāng)溫度改變引起的支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力不可忽略時，宜考慮溫度作用。

4.2 牛腿和圍檁安裝

4.2.1 牛腿安裝

使用角鋼制作圍檁三角形牛腿托架，用膨脹螺栓將牛腿固定在圍護樁上，牛腿頂面保持在一個水平面上，要求牢固可靠。

4.2.2 型鋼圍檁安裝

型鋼圍檁設(shè)置在圍護墻上的牛腿支承于圍護墻，并通過抗剪連接件與圍護墻連接。鋼圍檁安裝前應(yīng)先在地面進行預(yù)拼接并檢查支撐的平整度，其兩端中心連線的偏差度控制在20mm以內(nèi)，安裝時利用起重設(shè)備整體吊裝到預(yù)定位置。

①型鋼組合圍檁應(yīng)減少拼接節(jié)點，拼接位置應(yīng)避開彎矩較大處，且翼緣處應(yīng)增加拼接板并采用高強螺栓連接，組合圍檁宜沿基坑周邊連續(xù)設(shè)置，形成完整的封閉體系；

②基坑土方開挖前，壓頂梁或組合圍檁宜封閉，當(dāng)不封閉時應(yīng)在斷開處采取加強措施，確保支撐體系整體性，組合圍檁應(yīng)設(shè)置加勁板，間距不宜大于500mm；

③圍檁與圍護墻之間應(yīng)通過抗剪連接件連接，二者之間的空隙應(yīng)采用強度等級不低于C25的細石混凝土填實。

圖2 牛腿和型鋼圍檁安裝

4.3 立柱架設(shè)及托座、托梁安裝

4.3.1 立柱架設(shè)

豎向立柱通過連接于其上的托座、托梁對型鋼支撐梁起到支撐固定作用，立柱可采用H型鋼柱、格構(gòu)式鋼立柱、鋼管柱或鋼管混凝土柱等形式，當(dāng)豎向荷載較大或變形控制要求較高時，宜設(shè)置混凝土灌注樁、水泥攪拌樁或高壓旋噴樁等立柱支承樁。

①立柱的加工、運輸、堆放應(yīng)控制平直度，采取有效措施控制立柱的定位、垂直度及轉(zhuǎn)向偏差；

②立柱宜避開主體結(jié)構(gòu)的梁、柱及承重墻，立柱的設(shè)置應(yīng)利于基坑土方開挖、運輸以及主體結(jié)構(gòu)的施工，同一組型鋼支撐梁下立柱與圍檁、相鄰立柱之間間距不宜大于10m，不同方向支撐交匯處應(yīng)設(shè)置立柱；

③立柱周圍土方應(yīng)均勻?qū)ΨQ開挖，立柱在穿越主體結(jié)構(gòu)底板范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置可靠的止水措施。

④立柱的不均勻沉降或較大隆起、不對稱開挖或施工機械碰撞導(dǎo)致立柱傾斜、彎折都可能對支撐體系產(chǎn)生較不利的影響。立柱間設(shè)置剪刀撐可大大提高立柱的抗側(cè)移剛度。

4.3.2 托座、托梁安裝

托座是設(shè)置在立柱上，用于支托托梁上的支撐構(gòu)件重量和建立支撐與立柱之間連接的鋼構(gòu)件。托梁是設(shè)置在立柱之間支承型鋼支撐梁的鋼構(gòu)件。立柱架設(shè)完成后安裝托座，托座通過高強螺栓連接于立柱一側(cè)，托座與立柱的連接應(yīng)控制標(biāo)高和水平度，托座安裝完成后再架設(shè)托梁，托梁與托座之間均應(yīng)采用螺栓連接，螺栓數(shù)量應(yīng)通過計算確定，托梁與托座之間的連接螺栓不應(yīng)少于4M24。

圖3 托座、托梁安裝

4.4 型鋼支撐梁安裝

型鋼支撐梁是圍護墻的水平內(nèi)支撐，常用形式包括對撐、角撐和八字撐。型鋼組合支撐標(biāo)準(zhǔn)件及非標(biāo)準(zhǔn)件的鋼材牌號不應(yīng)低于Q345B,其余構(gòu)件的鋼材牌號不應(yīng)低于Q235B。支撐梁固定于托梁之上，托梁與型鋼支撐梁各肢型鋼之間均采用螺栓連接。型鋼支撐梁的上翼緣設(shè)置蓋板，下翼緣宜設(shè)置系桿，且蓋板或系桿的位置宜上下對應(yīng)，蓋板應(yīng)與各肢型鋼梁垂直設(shè)置，系桿與各肢型鋼梁斜交設(shè)置。

4.4.1 型鋼支撐梁的拼接

型鋼支撐梁宜減少拼接節(jié)點，當(dāng)采用多根型鋼組合時，拼接點宜相互錯開，錯開長度不宜小于1m，拼接位置宜設(shè)置在立柱和托梁附近。

4.4.2 型鋼支撐梁與圍檁的連接

①型鋼支撐梁與圍檁斜交時應(yīng)在交接處設(shè)置三角傳力件。連接處的圍檁應(yīng)設(shè)置加勁板，加勁板間距不應(yīng)大于500mm，加勁板的厚度應(yīng)由計算確定且不小于10mm。

②型鋼組合支撐節(jié)點較多，對剪力和彎矩敏感，宜充分發(fā)揮鋼材截面材料強度抵抗壓力。若型鋼圍檁未形成封閉受力體系，節(jié)點將承受剪力，尤其是在角撐與圍檁斜交區(qū)域，可能導(dǎo)致高強螺栓剪斷。型鋼支撐梁與圍檁斜交時，不可由高強螺栓直接承受剪力，應(yīng)設(shè)置專門傳力構(gòu)件。

4.4.3 型鋼支撐梁與立柱的連接

①支撐梁固定于托梁之上，托梁和托座對型鋼支撐梁在側(cè)向和豎向形成有效約束。

②托梁與型鋼支撐梁各肢型鋼之間均采用螺栓連接，螺栓數(shù)量應(yīng)通過計算確定，托梁與型鋼支撐梁各肢型鋼之間的連接螺栓不應(yīng)少于2M24。

4.4.4 蓋板和系桿

①型鋼支撐梁的上翼緣應(yīng)設(shè)置蓋板，下翼緣宜設(shè)置系桿，且蓋板或系桿的位置宜上下對應(yīng)，蓋板或系桿沿支撐長度方向的間距應(yīng)符合規(guī)范要求，且不宜大于5m。在對撐、角撐拼接節(jié)點處及靠近預(yù)應(yīng)力裝置位置宜設(shè)置蓋板；

②系桿與型鋼支撐梁斜交的角度宜為30°～60°，每肢型鋼與系桿之間的連接螺栓數(shù)量不應(yīng)少于兩個。

4.4.5 高強螺栓的使用

安裝完成后，對整個鋼支撐的標(biāo)高、軸線進行校驗，安裝精度誤差控制在10mm以內(nèi)，校驗完成后，方可進行螺栓終擰。高強螺栓經(jīng)檢測合格后方能使用，高強螺栓緊固應(yīng)分兩次進行，初擰扭矩值為終擰的50%～70%，型鋼支撐構(gòu)件之間的連接螺栓的緊固扭矩不宜小于105N·m。

圖4 型鋼支撐梁安裝圖

5 結(jié)語

基坑預(yù)應(yīng)力H型鋼裝配式組合內(nèi)支撐采用工廠預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件現(xiàn)場裝配而成，可以確保深度、跨度較大及鄰近已建工程情況下的基坑工程的穩(wěn)定，達到安全、質(zhì)量雙優(yōu)。預(yù)應(yīng)力H型鋼裝配式組合內(nèi)支撐體系取代了傳統(tǒng)鋼筋混凝土水平的梁、柱內(nèi)支撐，采用每噸鋼材可替換2 m3～2.5m3混凝土，每替換1m3混凝土可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益700～1000元，節(jié)省工期20%～25%。H型鋼裝配式組合內(nèi)支撐可完全回收，重復(fù)使用壽命超過20年，充分節(jié)約原材料的同時實現(xiàn)了地下工程綠色施工，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。