大跨度、超高、超限预应力梁支撑体系设计与施工

大跨度、超高、超限预应力梁支撑体系设计与施工

顾广鑫、刘凯旋、张俊

中建二局第三建筑工程有限公司 北京 100070

摘要：基坑支护通常采用传统钢支撑和混凝土支撑。混凝土支撑布置灵活，适用于不同基坑，刚度大，但其经济性差，材料不可重复利用，现场浇筑时间和养护时间较长，且易在安装、拆除过程中的产生安全和环境问题。基于此，装配式预应力钢支撑应运而生，文章以香港某地下主干路项目明挖隧道段所采用的基坑支护施工方法为例，该基坑支护由装配式预应力钢支撑构件组成，构件在厦门生产后送往香港现场组装，通过介绍该基坑支护的施工流程和主要控制点，旨在为类似工程提供参考。

关键词：基坑支护；装配式预应力钢支撑；施工流程；主要控制点

1前言

在软弱土地基中超大面积深基坑的施工，易于引发对于周边环境的影响。内支撑系统能够有效控制基坑变形，极大提高围护体系的整体刚度，且无需占用坑外侧地下空间，在大跨度深基坑工程中得到了非常广泛的应用。按材料划分，内支撑分为混凝土支撑和钢支撑两种。混凝土支撑整体性好，刚度大，布置灵活。但是现浇混凝土支撑的制作和养护需要较长时间。随着国家环保政策的加强，各地的混凝土生产及运输都受到了越来越多的限制，例如杭州市2018年新出台的政策，所有市区内的混凝土搅拌站均须搬至郊县，导致混凝土的运输距离增加，价格上涨。同时，混凝土支撑拆除会产生大量不可回收的建筑垃圾，产生大量振动、噪音以及粉尘污染，这与国家倡导的绿色建筑发展趋势不相符合，在市区内的使用越来越受到各种限制。钢支撑具有安装拆除方便、施工速度快以及可重复使用等优点。钢支撑主要包括钢管支撑和型钢支撑两大类。钢管支撑与支护桩(墙)间的连接非常薄弱，施加预应力后仅用楔形块进行顶紧，甚至出现过由此问题而导致支撑体系整体倒塌的安全事故。另一大类即是H型钢支撑，在日本、韩国以及东南亚地区有着很多应用，但使用时通常都采用单根型钢作为支撑，并在平面内形成十字交错的网格，然而这大大限制了土方开挖空间。同时，这种布置方式仅适用于小面积基坑，对于大面积、大跨度的基坑，采用这种形式支撑的经济性及施工便利性均会大幅降低。

2装配式预应力钢支撑基坑支护施工流程

2.1基坑开挖前工序

在基坑开挖之前，施工人员需要安装监测点，得到初始读数以观测施工过程中深层水平位移以及周边地下管线或建筑物沉降等。打入基坑工字钢中柱及进行钢板桩施工，当遇到有地下管线而无法进行钢板桩施工时，在两边钢板桩之间焊接10～12mm厚的横向钢板作为挡土板，每开挖至最多1m深便要焊接挡土板以确保基坑稳定及安全性。由于该基坑面积较大，需要通过抽水试验观察抽水对承压水引起的水位变化特征。随后进行降水井施工，利用钻机定位钻孔、洗井下泵，布置排水路线及电缆电路。

2.2基坑开挖及钢支撑安装

该基坑采用纵向分层开挖，开挖至每一层钢支撑底200mm处停止开挖并将其作为工作面。对于托座位置，施工人员可以进行30°坡度的局部开挖以安装围檩或纵向钢材托座，托座焊接于钢板桩或中柱之上，焊接质量需要通过香港所认可实验机构的无损试验。安装围檩、纵向钢材并通过螺栓安装装配式钢支撑构件。施工人员将螺栓拧紧后需要利用扭力扳手进行检查并做记录。在围檩与钢板桩之间的缝隙中浇筑填充混凝土，当混凝土强度达到30MPa后才可以对钢支撑施加预应力，并利用液压千斤顶对钢支撑施加预荷载，以满足设计要求。

2.3钢支撑预压

将液压千斤顶放入钢支撑构件中，压力机将会显示施加的预荷载，先施加设计荷载的50%，2min内继续施加剩余荷载。达到设计荷载后，等待5min观察压力计的变化情况，之后施加额外荷载（应小于115%），并在缝隙之中插入垫片的同时重新检查拧紧螺栓。基坑转角的斜支撑应等同一支撑层的所有横向钢支撑预压完成后，再成对进行预加载。预压记录由各方签字并提交。

3装配式预应力钢支撑基坑支护的主要控制点

3.1钢支撑构件满刻度荷载试验

在钢支撑构件运往现场安装前，需要进行荷载试验，以得到构件最大承载力、破坏模式、应力分布、荷载变形等参数，并确定材料再次利用的强度和安全性。为了达到该试验目的，支撑系统构件需加载至破坏。

3.2焊接质量控制

对于基坑支护施工中的焊接，需要由香港所认可的实验机构进行无损焊接测试，焊接测试的频率应满足《CodeofPracticefortheStructuralUseofSteel2011》（BuildingsDepartment）。对于角焊缝，应进行100%目视检查、10%磁粉或磁性渗透检查；对于对接焊缝，应进行100%目视检查、100%磁粉或磁性渗透检查以及100%超声波测试，以确保焊接质量，焊接测试报告需要提交给独立检查工程师作为参考，并出具每一层支护系统的可靠性证书，才可继续进行开挖工作。

3.3支护系统安装

钢板桩和工字钢基坑中柱需要严格控制垂直度，且应进行交叉检查，钢板桩锁扣严密，并做好量测记录，确保插入深度不小于设计深度。开挖过程应分层分段开挖，严禁超挖，挖斗不得碰撞钢板桩。为确保基坑稳定性，应严格控制各个支撑构件的安装标高，精准放线，将支撑标高及水平位置于现场清晰标出，遵循设计标高要求，误差不得大于5mm。托梁间隔不得大于设计间隔。钢支撑吊装采用90t和100t履带起重机，在吊装前用铁板焊接于支撑两端作定位限制器。各个构件安装时应确保螺旋紧固，定期检查，做好记录。预压所用仪器设备应定期标定，按照设计荷载及时间要求进行预压，对预压结果应做好记录及存档。

4预应力梁施工操作要点

1. 非预应力筋绑扎（主要为节点）首先要保证普通钢筋的定位准确，应用BIM技术建模能确保普通钢筋、预应力筋、波纹管位置满足设计要求。钢筋绑扎顺序可采用BIM进行仿真模拟。（2）有粘结预应力筋布筋有粘结预应力筋布筋在安装波纹管前，要把支承波纹管的钢筋支架绑扎并固定好位置，绑扎支架的间距不超过1.5m。波纹管穿入前的位置是有粘结预应力筋自梁、底板端头进入，一边进入时一边使用连接套管，连接套管两个端头部位要专用粘胶带仔细缠绕，注意在穿入过程中观察波纹管是否有损伤或破坏，一旦发现有破损立即使用专门粘胶带反复缠绕。对于波纹管到达指定位置后，依照预应力筋布筋要求把相应数量的钢绞线依顺序打开，而且要把钢绞线制作成束后，从波纹管的两端按顺序穿越，在穿越波纹管时一定要小心进行不能将波纹管戳穿，而且两个端头露出的钢绞线的长度要一致。（3）预应力布筋操作工艺波纹管接头处选用直径大于3-5mm连接件进行对接，对接接头应大于200mm，连接完成后使用专用粘胶带进行密封，注浆前检查接缝处是否严密以防灌浆时会漏出。波纹管在孔道的一头和预埋垫板喇叭管连接，并设有泌水排气孔和灌浆孔（图2）在预应力梁布筋中的指定位置，派专人认真检查安装的波纹管是否有破损。每一个波峰部位的设置一个专门排气孔。预应力布筋过程中注意对波纹管安装操作的规范性，尽可能控制不能多次重复弯曲波纹管，避免管壁发生破裂，使用电焊时还要注意电焊火花不能烧伤管壁。（4）浇筑砼钢筋布置绑扎完成后，施工、建设、监理、设计相关人员联合隐蔽验收，合格后再浇筑混凝土，浇灌混凝土时注意对承压板、锚板周边振捣密实，振动棒控制力度注意不能碰到预应力筋波纹管、支撑架以及端部预埋部件。（5）预应力张拉锚固预应力张拉锚固时间要等到混凝土满足设计强度80%后实施，大跨度梁预应力筋张拉灌浆完毕后梁下方的支撑才能拆除，张拉人员配带安全帽、安全带进场作业。张拉前选择有粘结钢绞线Φs15.24，强度级别1860MPa，锚具均采用多孔夹片Ⅰ类锚具，250吨千斤顶和油表用前六个月校验。张拉中通过应力控制为主，实行油表读数、伸长值测量进行双控管理，张拉记录要精确到毫米，实际伸长值控制在理论伸长值6%以内。张拉时无法一步到位时，伸长值读数150～200mm时应立即回油再实施第二次张拉，张拉过程中一旦发现砼破裂、钢绞线断丝断束时立即停止张拉，等待研究清楚原因再进行，必须控制在200mm范围以防张拉超出正常值出现安全事故。（6）孔道灌浆封锚有粘结钢绞线张拉后停止留置12小时，专业技术人员查看钢绞线锚固情况，如无特殊情形则用水灰比0.4～0.45、标号为42.5普通硅酸盐水泥进行灌浆，灌浆前用清水试转正常后再进行灌浆，检查孔道两端锚具是否正常，发现异常立即处理，灌浆泵派专人负责看管，灌浆要一次性完成，待最后一个排气孔冒出连续的浓浆，直至另一端冒出浓浆为止。（7）预应力筋切割及封锚灌浆完成24h后使用角磨机进行逐条切除多余预应力筋，再进行封锚工作。

5结语

大跨度预应力梁采用BIM信息化全过程控制施工，从材料浪费率、施工返工率、验收合格率较传统的预应力梁施工工艺均有大幅度提升。工程混凝土结构尺寸、垂直度、平整度均能很好地满足设施和质量规范要求，预应力检验结果合格，无返工情况且施工现场端头锚索未出现混凝土破碎。此外，钢支撑构件在拆除之后可以二次利用，节省工程造价，随着工程企业对于工期管理及成本控制的日益重视，装配式预应力钢支撑在深基坑支护中的应用会越来越广泛。

参考文献：

[1]刘发前.卢永成.某超大跨度基坑的设计与问题处理[J].建筑施工,2012,34(9):869-871.

[2]刘发前.卢永成.装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的利与弊[J].城市道桥与防洪,2013(7):117-118.

[3]中国科学研究院.建筑基坑支护技术规程:JGJ120—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.