大跨度不规则端头井钢斜撑施工技术研究

2021-11-25李秋霜

福建建筑 2021年10期

李秋霜汤宇

(中交一公局厦门工程有限公司福建厦门 361000)

0 引言

作为城市地铁的重要组成部分——端头井基坑，其支撑体系即受到弯矩和剪力及轴向力作用。一般情况下，因端头井没有拐角，常通过在基坑内设置密集的水平斜向钢支撑，以对撑形式限制基坑变形。然而，不规则敞口式端头井，由于基坑深度大及拐角的存在，钢围檩斜撑段与直撑段标高不一致，未形成连续整体，其受剪力传递荷载不连续，造成不规则端头井钢支撑受力情况复杂，架设难度大。若施工不当，很容易造成基坑监测数据预警，甚至因基坑变形过度而造成基坑坍塌。所以，掌握大跨度不规则端头井钢支撑体系质量控制重点和施工技术格外重要。

1 工程概况

1.1 项目概况

厦门轨道交通3/4号线双沪站～空港经济区站区间共建段，全长约293 m，为矩形结构，顶板覆土约0.5 m～5.8 m，结构宽度32.73 m～48.16 m，基坑深约7.62 m～15.94 m，基坑围护形式为地连墙+内支撑体系，采用明挖顺筑法施工。其中端头段为3/4号线双线双向盾构始发井，基坑跨度大，由三道支撑体系组成，其中第一道为800 mm×1000 mm混凝土支撑；第二、三道均为钢支撑，如图1所示。

图1 敞口式端头井钢支撑布置图

1.2 钢支撑体系布置

该项目钢支撑体系由内支撑与竖向支撑两部分组成，基坑内支撑中，平面标准段采用一道直撑对顶，在敞口式端头井处则采用斜向对撑。其中端头井设计如下：①因深度大，设置两道钢斜撑，且斜撑段与直撑段标高不一致，钢围檩不连续。②采用φ800 mm，t=16 mm钢支撑，钢管端头分活动端与固定端两种形式，两者同一水平面内交错布置，间距3 m。

竖向支撑由灌注混凝土立柱桩和钢立柱(形式为角钢格构柱、H型钢连梁以及角钢剪刀撑等)一体化施工完成，其主要功能是作为大跨度钢支撑的竖向承重结构，并保证钢支撑的纵向稳定，加强钢支撑体系的空间刚度，如图2所示。

图2 敞口式端头井钢支撑剖面图

2 端头井钢支撑施工及预加轴力分析

2.1 基坑变形机理

研究表明，敞口式端头井基坑变形原因，存在土方开挖、外部荷载作用、地下水位变化等因素影响。但根本原因在于基坑开挖，导致端头三面围护结构内侧失去原有土压力，而外侧承受的主动土压力不变，在内外压力差的作用下，产生向基坑内侧变形[1]。

故设计单位在端头井钢围檩支撑节点处加设三角盒子，改变钢支撑受力方向，又通过在基坑格构柱上搭设的钢系梁抱箍固定钢支撑，实现了端头井三面围护结构两两対撑，有效解决了基坑内外土压力不平衡的问题。

然而，设计单位往往忽视该支护形式为斜向受力的问题。由于钢支撑是以斜向顶撑于钢围檩上，其受到基坑外土压力作用时，产生的轴向反作用力N作用在钢围檩上，又可分解为水平分力F1及竖向分力F2。其中竖向分力F2与基坑外土压力相互抵消，防止基坑出现变形，属于基坑稳定力；而水平分力F1因平行作用于钢围檩上，属于剪切力，易使钢围檩产生水平滑移，造成基坑支撑内力失衡，如图3所示。

图3 钢斜撑与钢围檩受力分析简图

此外，施工阶段，因受材料、设备、人员技术水平、质量监管强度等因素的影响，钢支撑架设难免存在钢围檩连接和钢支撑架设不规范现象。

因此，对于不规则端头井钢斜撑，设计阶段应针对水平力F1增加有效的抗剪切滑移措施；施工阶段应强化过程质量管控，明确监管重点，避免因施工不规范及支撑轴力过大导致整个支撑体系变形失效。

2.2 钢支撑预加轴力消散成因分析

根据钢材轻质、高强、具弹塑性等材料特性，设计通过预先给钢支撑施加一定轴力，来抵抗基坑侧向土压力，可以起到抑制基坑变形的作用[2]。然而，实际施工过程中，常常出现钢支撑预加轴力消散过快的情况，尤其是端头井斜撑处问题较为明显。下文以双空区间端头井斜撑范围内，若干钢支撑预加轴力损失情况为例，分析钢支撑预加轴力消散原因。

该项目敞口式端头井由于跨度大、不规则等因素，造成钢支撑受力变形较为复杂，同时钢斜撑吊装工序相较标准直撑段繁琐，施工质量控制难度大，直接造成钢斜撑预加轴力过快消散的问题较为突出。经分析，常见原因如下：

(1)地连墙成槽、浇筑阶段，因质量管控不力，导致地连墙背土侧出现鼓包、凹凸不平等质量问题，如图4所示。加之基坑开挖过程中缺陷处理不到位，导致钢围檩架设后与地连墙之间未密贴，出现较大空隙，成为钢支撑预加轴力消散的主要原因[2]。

图4 地连墙背土侧出现鼓包、凹凸不平等质量问题

(2)端头井斜撑段由于钢支撑并非垂直作用在钢围檩上，钢围檩即受到弯矩和剪力作用，同时受到轴向力作用，易出现钢围檩偏移、钢支撑偏位的情况，造成轴力消散。

(3)钢支撑预加轴力时，存在一次加压到位的情况，未严格按照设计要求分级施加[3]。单次加压过大，会造成钢支撑连接法兰盘错位、钢围檩及附加钢板被顶变形，在千斤顶卸载后，导致预加轴力消散。

(4)钢支撑体系安装架设过程中质量控制不达标，造成钢支撑体系受力不规范，影响钢支撑轴力施加。总结施工过程，主要存在以下问题：①三角托架与地连墙间、地连墙与钢围檩间、钢围檩与钢支撑间均出现较大空隙，严重影响钢支撑体系的荷载传递。②由于现场托架及钢围檩水平面标高控制不到位、连接板未焊接牢固，常出现钢围檩及三角盒子下垂的情况，导致钢支撑偏心受压问题严重。③钢楔块未配套成对使用，调节块加工尺寸、钢支撑活动端与固定端挂篮尺寸未根据现场结构进行调整，极易出现局部集中受力的不合理状况。

3 钢斜撑施工关键技术

3.1 托架、钢围檩安装

针对三角托架及钢围檩，施工中应注意以下几点：

(1)托架安装间距应按照设计要求布置，所用膨胀螺丝锚入地连墙的深度必须满足设计要求。此外，钢围檩之间、钢围檩与挂板之间连接可使用手工电弧焊，焊条应采用E43系列及以上。

(2)现场技术人员应严格控制基坑开挖深度，确定好支撑中心标高、钢围檩边线、三角托架及支撑挂板的位置关系。现场开挖深度在考虑施工作业面及安全因素的前提下，一般控制在钢支撑设计中心标高下1 m，严禁超挖。

(3)为了确保钢支撑体系的力学稳定性，避免出现局部集中受力及偏心受压等情况的发生，对于围檩转角处、围檩与挂板、围檩与地连墙间及托架架撑后出现的空隙，应在较大空隙处填塞钢性材料，并对钢围檩背后采用C20细石混凝土填充密实，如图5所示。

图5 围檩背后空隙较大处填塞钢性材料并用细石混凝土填充密实

(4)针对钢围檩采用C20细石混凝土填缝后，因架撑受力填缝开裂的问题，为保证围檩与围护结构密贴，可使用高强无收缩灌浆料及时填缝补强，如图6所示。

图6 围檩背后裂缝采用高强无收缩灌浆料填充补强

(5)施工时钢楔块应配套成对使用，调节块加工尺寸、钢支撑活动端与固定端挂篮尺寸，应根据现场结构进行调整，避免出现局部集中受力的不合理状况。

3.2 钢支撑吊装及加固措施

由于端头井钢支撑钢性构件(钢支撑、钢围檩、托架、预埋钢板、三角盒子、格构柱、工钢、槽钢等)连接处较多，基坑跨度大，因此应格外注意焊接质量，采取相应加固措施，防止钢支撑出现偏位、脱落。此外，端头井处基坑深度一般较大，水平及竖向均有多道支撑，存在底部钢支撑架设过程中吊车吊点不足，吊装空间狭小等问题。对此，可参照以下几点开展施工：

(1)开工前注意对作业人员交底，电焊工应凭证上岗，依据图纸设计要求及有关规范，严格控制焊接质量。钢支撑拼装前，需对管节逐根检查，并进行试拼装，不同管节之间用高强螺栓连接，螺栓应交错紧固，确保钢支撑拼装质量。吊装施工时，吊点的选择应采用两点起吊，吊点位置宜设置在距构件端部0.21L，即以0.21乘以构件的全长。

(2)由于端头井基坑跨度较大，为保证钢支撑的稳定性，可通过增设钢系梁，并将其连接在格构柱上，有效降低钢支撑的跨中挠度。待钢支撑架设到位后，采用φ14的防坠钢丝绳将钢支撑与围护结构上的膨胀螺栓连接，并在钢系梁处增设抱箍固定，防止因施工不当造成钢支撑脱落的危险，如图7所示。

图7 钢系梁处增设抱箍固定

(3)针对端头井支撑密集，底部钢支撑吊点不足，作业面有限的问题，可采取由内至外、分段吊装的方法，通过在冠梁及格构柱上设置多个滑轮，于吊点富余处用吊车或以手拉葫芦方式进行提拉起吊，配合小型挖机定位，逐道拼装。

3.3 端头井钢斜撑抗剪措施

在标准段，钢支撑垂直作用在钢围檩上时，钢围檩没有轴向力，其在跨中或支点位置受最大弯矩和剪力作用。然而在端头井处，钢支撑并非垂直作用在钢围檩上，钢围檩即受到弯矩和剪力作用，同时受到轴向力作用，此时应采取有效抗剪措施，防止钢支撑滑移错位，预加轴力失效。

对此，设计图纸中通常在钢围檩衔接处腹板及翼缘采用钢板连接，令钢围檩间形成连续整体，使端头井处钢支撑内轴力与基坑侧壁土面间的摩擦力平衡，阻止钢支撑产生滑移。但实际施工中，钢围檩间往往存在连续的一定空隙。因此，综合考虑设计及施工现状，根据现场施工经验，增加以下抗剪措施：

(1)定制加工三角盒子

因斜撑与钢围檩呈斜交关系，有一定交角，存在平行于钢围檩长度方向的分力，极有可能造成钢围檩后移，此时可按设计角度在斜撑对应处的钢围檩上定制加工三角盒子，如图8所示，确保钢支撑与受力面成垂直关系，然后进行支撑安装作业，其安装方法与直撑相同[4]。

图8 定制加工三角盒子

(2)预埋钢板

为增强单根钢围檩抗剪强度，该项目在地连墙端头井施工阶段于钢围檩架设位置预先埋设尺寸为1 m×1 m的钢板，钢板间距控制3 m内。随着基坑开挖，及时凿出预埋钢板，将其与钢围檩通过2 cm厚通长钢板和加设的三角加劲钢板焊接牢固，为单根钢围檩提供一定抗剪强度，如图9所示。

图9 预埋钢板与钢围檩焊接牢固

(3)设置抗剪墩

在每道斜撑钢围檁外边缘，加设一道混凝土抗剪墩，抗剪墩水平中心线与钢围檁工字钢水平中心线重合，通过抗剪墩有效抑制钢围檩的整体水平偏移。施工时，一般待斜撑最外侧钢围檩架设完成后，先在地连墙表面清理出抗剪墩位置，随后及时凿毛、植筋(植筋采用A级胶)，浇筑采用C35强度混凝土。抗剪墩平面图，如图10所示。

图10 抗剪墩与围护结构连接大样

3.4 其它避免轴力消散措施

(1)采取三检制度严把施工质量，在地连墙成槽、基坑开挖及钢支撑架设等施工阶段，加强过程管控。三检制即中交集团提出的自检、复检、专检相结合的质量监管制度。在每道施工工序完成后，均由施工班组先行自检，自检合格后报由现场技术员进行复检，复检完成后通知项目专业质检工程师进行专检，待专检合格方可进入下一道施工工序。实践结果表明，严格落实三检制度，可有效规范施工作业，提升施工过程质量，提高架撑效率。

(2)钢支撑加压时间应根据设计工况条件进行选择，避开每日气温最高或最低时。加压过程中，千斤顶预加轴力需分3次施加，每次加压后均应停止5～10 min观察轴力变化情况，由50%～80%～110%依次加压到位。

(3)对端头井斜撑段钢围檩易偏移、钢支撑加压后出现挠曲变形问题，应采取措施，加强监测。预加轴力前，通过在钢围檩及钢支撑上布设反光贴，如图11所示，便于加压后监测钢支撑体系变形情况。一旦发觉监测点出现较大偏位，可及时采取补强措施，重新加压。