0 引言

　　随着国内建设工程的发展，基坑不断加深，周边环境复杂，对环境污染控制越来越严格，基坑支护结构形式也不断更新，目前国内，尤其是云南省内缺乏大规模超深基坑使用工具式组合钢支撑的经验，对组合式钢支撑用于基坑工程中的设计、计算水平经验不足。目前国内纯采用组合钢支撑进行支护的深基坑项目，最大支护深度≤20m，但随着钢支撑监测体系的不断完善，可结合钢筋混凝土支撑应用于更深的基坑工程中，适用范围更广。

　　1 工具式组合钢支撑的特点

　　工具式组合钢支撑体系由钢对撑、纵横连接块、型钢或混凝土腰梁、托梁、立柱和连接件等构成，基本原理如下:整个基坑支撑体系为型钢，所有作为支撑体系的型钢构配件在工厂制作加工完成后，运至施工现场进行组合拼装，型钢构件通过高强螺栓连接，形成基坑工程的支撑体系，并与基坑围护结构共同发挥抗力作用，保证整个基坑的稳定。

　　通过在多个深基坑中应用工具式组合钢支撑，总结以下优点:(1)支撑构配件在工厂加工制作，支撑材料质量得到保证;(2)支撑体系形成速度快现场拼装，分节吊装，螺栓连接，拼装完成后即可发挥支撑作用，相比钢筋混凝土支撑，不需养护，大大节约施工工期;(3)控制变形效果佳钢支撑组装完成后可通过施加预应力主动受力，基坑开挖过程中，随时进行加压，可有效控制时空效应导致的基坑变形;(4)钢支撑构件模块化构件根据基坑支撑跨度可自由组合，适用于任何形状、规模的基坑;(5)钢支撑拆除速度快通过卸载预应力，松开高强螺栓，分节吊走构件;(6)绿色节能环保钢支撑拆除不留任何建筑垃圾，可在下个基坑项目中继续使用;(7)支撑体系质量轻相比钢筋混凝土支撑，在相同基坑支护条件下，钢支撑质量为混凝土支撑的1/3，所以立柱及立柱桩截面尺寸比混凝土支撑小很多。

　　组合钢支撑在实际工程中存在以下劣势:(1)已加工好的支撑构件需较大的场地进行存放;(2)钢支撑的安装专业性强，精度要求高;(3)钢支撑整体刚度较钢筋混凝土小，整体稳定性相对较差。

　　2 工程实例

　　2.1 工程概况

　　某深基坑项目位于昆明市区，项目整体设4层地下室，基本呈扇形，基坑宽约124.20m，长约143.20m，面积约13 975.40m²，从场地现状标高计算，基坑开挖深度16.5～18.2m，支护周长479.1m。基坑周边为市区内公园、主要市政干道、已建多层旧建筑，地下管线密集，车流、人流量大。

　　2.2 基坑支护方案

　　根据场地水文地质条件及现场情况，结合昆明地区类似项目工程经验，本基坑采用1 200mm灌注排桩+3层预应力组合型钢支撑+850mm厚TRD等厚度水泥土搅拌墙，作为支护止水方案。

　　本项目支撑梁和托梁选用H350×350×12×19，腰梁选用H400×400×13×21，缀板选用U36a钢材，缀条选用T175×250×9×14，型钢立柱H350×350×12×19，型钢牛腿截面为H350×350×12×19;支撑、腰梁、缀板、缀条选用Q345b钢材，横梁、立柱为H350×350×12×19型钢，焊条采用E43。

　　基坑支护平面布置如图1所示，典型剖面如图2所示。基坑角撑区域组合式支撑为3榀、4榀组合截面形式，3个大对撑区域采用双层7榀组合截面形式。截面布置如图3所示。

　　2.3 稳定性计算

　　钢支撑按平面结构进行分析，挡土结构传至内支撑的荷载应取分析挡土结构时得出的支点力;分析挡土和内支撑结构时，需考虑相互间的变形协调;支撑构件按偏心受压构件进行计算。本项目的平面内支撑主要采用角撑、对撑、八字撑等组合式钢支撑结构，对钢支撑稳定性及强度的验算应包括以下项目:(1)型钢支撑梁截面强度;(2)型钢支撑梁稳定性;(3)型钢支撑梁单肢型钢稳定性;(4)型钢支撑构件与腰梁结合面处的剪力验算;(5)立柱强度和稳定性验算;(6)盖板、系杆与支撑连接的剪力验算。

　　

　　图1 基坑支护平面布置 

　　 

　　

　　图2 典型支护剖面 

　　 

　　

　　图3 组合式支撑截面形式 

　　 

　　2.4 设计计算结果

　　1)支撑整体协同计算结果组合式支撑轴力随基坑开挖逐渐增大，开挖到基坑底时支撑轴力达最大值，其中最大轴力位于第2层支撑，各单肢型钢轴力为619.2～4 133.3kN,3榀组合支撑最大轴力值为8 115.3kN(3 776.8+2 164.3+2 174.2),4榀组合支撑最大轴力为7 271.3kN(2 516.1+2 395.1+2 360.1)。

　　2)强度及稳定性验算根据整体计算结果验算局部稳定性及强度，计算结果如下:

　　

　　 

　　

　　 

　　钢支撑强度及平面内外稳定性满足要求，分肢稳定性满足要求。

　　3 施工技术措施

　　3.1 组合式钢支撑施工流程

　　流程如下:测量放线→场地平整→施工立柱→安装托座和托架→焊接牛腿→安装型钢腰梁→安装支撑梁→施加预应力→监测。

　　3.2 立柱施工技术

　　1)立柱采用格构柱或型钢立柱形式，本项目地质条件良好，立柱插入基坑底以下10m，总长26m。

　　2)型钢立柱定位偏差<50mm，垂直度控制在0.5%内，顶标高允许偏差为±50mm。

　　3)因立柱较长，为保证立柱垂直插入土体，下插型钢前采用机械桩顶进行引孔，孔径800mm，引孔深度12m，钻孔至10m时，打桩顶机械手在桩位旁就位，当桩机停止钻孔时立刻下插型钢。

　　4)切割型钢立柱下端，加工成铅笔尖状，以减小下插阻力，下插时需调整型钢水平方向，保证型钢翼板与托架纵向平行。

　　5)因立柱长26m，需分段插入施工，将下节型钢立柱振动插入桩孔内，上端部比现有地坪高出1m时，停止插入，孔口采用措施固定下节型钢立柱，在孔口位置焊接上下节型钢。焊接完毕插入上节立柱，立柱插入时全程监测垂直度。

　　6)立柱插入土体后，采用级配碎石回填钻孔至现有地坪。

　　7)托梁需通过托座与立柱相连，安装托座前，在所有立柱上用油性防水笔标注托座顶面、底面、螺栓位置，在立柱标注位置进行开孔，通过高强螺栓连接托座与立柱。托梁采用H型钢构件，两端架设于托座上，并通过螺栓与托座连接，如图4所示。

　　

　　图4 立柱与托梁连接 

　　 

　　8)高强螺栓的紧固连接分初拧和终拧，初拧扭矩值为终拧时的60%。

　　3.3 腰梁安装技术

　　支撑腰梁可采用型钢或钢筋混凝土腰梁，本基坑采用双拼H400型钢腰梁，安装腰梁前需设置钢牛腿等部件。

　　1)定位至腰梁底标高，凿除支护桩内侧表面混凝土，将钢筋或膨胀螺栓植入支护桩内，安装钢垫板，尺寸为400mm×400mm×12mm，每根支护桩身设置1块钢垫板，将钢牛腿焊接于钢板上。

　　2)逐段吊装钢腰梁，置于钢牛腿上。双拼腰梁间采用高强螺栓紧固连接。

　　3)钢腰梁与支护桩间因找平留有一定缝隙，将T形传力件置于缝隙内，T形传力件腹板与桩身钢垫板相焊接，翼板与腰梁焊接。T形件安装完成后，用C25细石混凝土填实缝隙，如图5所示。

　　

　　图5 腰梁安装 

　　 

　　3.4 支撑梁安装技术

　　支撑梁是基坑支撑体系中最主要的受力构件，场地允许时可在地面将支撑梁安装组合成榀，但本项目场地狭窄，需分节吊装至托架后进行拼装组合成榀。每榀钢支撑由多根型钢支撑梁组合而成，以1榀4根梁为例，如图6所示:(1)采用4点吊装法，将支撑型钢逐根吊装至托架上，型钢支撑底部通过高强螺栓将支撑型钢固定于托架上，4根型钢支撑顶部采用缀板及缀杆通过高强螺栓稳固连接，根据支撑跨度，选择不同长度的支撑梁进行拼接，遵循先长后短、较少接头的原则，优先使用较长支撑梁;(2)2榀支撑梁接缝处，采用盖板相连，使多榀支撑梁连接成整体;(3)支撑件两端安装就位后的标高差≤20mm及整个对撑长度的1/600;(4)支撑梁的水平轴线偏差≤30mm。

　　3.5 施加预应力

　　型钢支撑施加预应力是为有效主动控制基坑变形。支撑安装完毕后，检查确认各节点连接状态符合要求后施加应力。预应力值由设计确定，本项目预应力为支撑梁轴力的70%，步骤如下。

　　

　　图6 支撑连接  

　　 

　　1)先加压对撑，后加压角撑。

　　2)支撑安装完成后应尽快分级施加预应力，依次为总量的10%,30%,40%,20%。

　　3)施加预应力时，千斤顶压力的合力点应与型钢支撑梁重合，千斤顶应在型钢支撑梁轴线两侧对称、等距放置，同步施压。

　　4)预应力施加至设计值的10%时，再次检查确认型钢支撑和钢腰梁无异常后，再逐级施加。

　　5)施加每级压力后，宜保持压力10min稳定后再施加下级压力，达设计值100%后，保持压力10min，稳定后设置保力盒并插入薄钢板，填实加压后的空隙，锁定钢支撑。

　　6)施工过程中监测支撑轴力，当支撑轴力小于设计轴力的30%时重新施加压力。

　　预应力施加布置如图7所示。

　　

　　图7 预应力施工 

　　 

　　3.6 支撑体系拆除技术

　　当基坑回填至相应标高并换撑结束后，可拆除钢支撑，拆除前先释放支撑预应力，步骤如下。

　　1)压力释放应按施加分级进行，先用千斤顶顶开加压件，卸除保力盒，松开千斤顶，依次吊出单肢型钢;释放每级预应力后观察30min，检查节点变化。

　　2)拆除钢支撑的顺序如下:缀板、缀杆→型钢支撑梁、型钢腰梁、高强螺栓→托架、托座→立柱。

　　3)先采用气动扳手松开螺栓，再人工间隔拆除高强螺栓。

　　4 监测

　　基坑支撑体系处于动态平衡中，随着基坑施工工况的变化不断建立新平衡，通过监测，可及时掌握支撑受力及变化，判断支撑体系的稳定情况和安全性。组合式支撑监测贯穿于支撑安装、使用和拆除全过程，监测项目应包括型钢支撑梁轴力、腰梁应力和立柱位移等。

　　4.1 钢支撑梁轴力监测

　　1)根据设计计算结果，监测点布置在轴力较大的支撑梁上，对整个支撑体系起控制作用的支撑梁需设置监测点。

　　2)每层监测点的数量应大于整层支撑梁数目的一半，不同支撑层的监测点位置竖向保持一致。本项目支撑梁最大跨度达130m，设置监测数量应为支撑梁数的80%。

　　3)每个监测点的监测元件数不少于该榀支撑梁单肢型钢数量一半。

　　4)监测点的设置需避开构件接头位置。

　　4.2 钢支撑梁安装过程中预应力损失监测

　　1)支撑施加预应力前需读取基准数值。

　　2)施加预应力过程中，与千斤顶同步监测各阶段的预加压力，并相互校核、监测预加压力与千斤顶加载油表读数。

　　3)加载锁定千斤顶后，测读相应状态的预加压力，确定预加压力损失值。

　　4.3 基坑支撑梁轴力监测结果

　　计算最大轴力处3层支撑相应位置上设置的监测元件，随不同施工工况，监测结果如表1所示。随着基坑开挖，型钢支撑轴力逐渐增大，但下层支撑施加预应力后，上层支撑轴力有幅度不大的减小，当开挖至基坑底且浇筑底板前，支撑轴力达最大且持续变化，立即浇筑地下室底板后，支撑轴力趋于稳定。

　　4.4 基坑北侧测斜监测结果

　　基坑围护结构受土方开挖卸荷、支撑安装、预应力施加的影响，测斜变化如图8所示，具体情况如下。

　　1)基坑开挖至第1层钢支撑底时，由于土体卸载，支护结构向基坑内方向发生位移，测斜数据开始变化，最大变量为2.85mm，在开挖面以下5m处，最大变化速率为0.135mm/d。

　　  

　　表1 支撑梁轴力监测数据 

　　 

　　 

　　k N

　　

　　图8 水平位移-深度曲线关系 

　　 

　　2)基坑开挖至第2层钢支撑底标高时，支护桩测斜数据持续增大，方向为向基坑内，最大变量为10.78mm，最大变化速率为1.284mm/d。

　　3)基坑开挖至基坑底时，测斜变量为10.93m，施工基础底板时，持续向基坑内变化，底板浇筑完成后，测斜基本稳定。

　　分析测斜数据可知，基坑开挖过程中，由于出土方量大、开挖深度深，基坑北侧邻市政道路的支护结构持续向基坑内侧移动，直至主体结构底板完成后才趋于稳定，测量期间，测斜值未超出报警值。

　　5 结语

　　工具式组合钢支撑是国内新型的基坑工程支护体系，适用于深度20m内软土、砂砾石地层地区的基坑工程，较锚拉支护体系具有支撑结构不超过用地红线，不破坏地下空间资源，对基坑变形控制效果好等优点;较钢筋混凝土支撑体系具有安装速度快，主动施加预应力，有效控制基坑位移，拆除不留建筑垃圾，支撑构件可循环使用等优势，是值得推广的支护结构体系。

　　1)组合式钢支撑的计算较复杂，设计人员用传统计算软件完成以后，需通过人工编程等方式验算钢支撑的稳定性与强度、立柱稳定性、腰梁等。

　　2)组合式钢支撑的施工步骤较多，对立柱、支撑梁、腰梁、托架、螺栓连接等施工控制要求严格，属于高精度施工行为，对施工人员有较高的技术水平要求。

　　3)组合式钢支撑的施工监测非常关键，值得进一步研究。