预应力鱼腹式基坑钢支撑技术应用的管理控制研究

蔡 永（上海建浩工程顾问有限公司， 上海 200030）

0 引 言

装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑技术作为一种创新支护技术，近年来在我国的工程领域中逐步得到推广，在一些软土深基坑工程围护支撑中取得了成功，获得了较好的综合效益。实践证明：该技术具有有效扩大施工空间、精准控制基坑变形等优点，能够为项目的安全生产、节能减排、降低造价及缩短工期创造优势。未来，随着相关技术的进一步完善和经验的不断积累，该技术必将得到更为广泛的认可和运用。

装配式预应力鱼腹梁钢支撑系统的主要构件采用标准化构件，可根据需要灵活组装和重复使用，减少了资源的浪费，既符合节能减排的大趋势，又能适当降低工程造价；构件的工厂化加工保证了产品精度和质量；无需混凝土的浇筑、养护和爆破，缩短了工期；鱼腹式结构避免了传统纵横交错的密集支撑，能够形成较大的有效施工和挖土空间，方便施工；钢结构支撑体系采用预应力结构，通过科学的计算，能采取有效的技术措施，有针对性地对预应力的大小进行调整，进而可以有效控制周边土体的位移与变形量，还可以有效预防基坑坑壁的水平位移问题，从而能够提高基坑施工质量[1]；从安全性角度分析，该工法也有着明显的优势，其损坏前会出现十分明显的预兆，因此，一旦出现突发状况，可以根据预兆提前做好准备，并采取有效的解决对策，将损失降到最低[2]。

本文中的深基坑工程（以下简称“本项目”）采用鱼腹式支撑系统并已顺利完成基坑施工，笔者作为该项目的现场管理者，结合所经历的项目实施过程，针对施工过程中可能影响质量、安全的主要问题及关键节点控制进行分析，对提高施工工艺和关键控制等环节进行重点研究，总结了一些措施和心得，供同行交流。

1 工程概况

1.1 项目基本情况

本项目为工业厂房，位于上海市浦东新区外高桥区域。建筑采用装配式建造方式，建筑单体预制率为40.01%。总建筑面积为60 000 m2，其中地上建筑面积48 800 m2，地下建筑面积11 200 m2；地下室为二层，地下一层楼板结构面相对标高普遍为－7.250 m，底板结构面相对标高普遍为－12.750 m，筏板厚900 mm，垫层厚200 mm，考虑到贴边承台深度，基坑平均开挖深度为－12.85 m，局部深坑1.5 m/3.0 m。

1.2 基坑及围护支撑情况

基坑开挖面积约6 110 m2，周长约322 m。安全等级为一级，环境等级为二级。

施工采用顺作法，围护结构采用钻孔灌注桩＋三轴止水帷幕＋三道水平支撑的围护形式。第一道为钢筋混凝土支撑栈桥，第二、第三道为鱼腹式钢支撑；坑内被动土加固和局部落身区加固采用双轴搅拌桩、高压旋喷桩和压密注浆相结合的形式。基坑降水采用真空深井降水。

周边围护体系：灌注桩直径为1 000 mm/1 100 mm/1 200 mm，净间距均为200 mm；采用φ850 mm@600的三轴水泥土搅拌桩，套接一孔施工，水泥掺量为20%。

内支撑体系：考虑到基坑周边环境特点和开挖深度，内支撑采用“东西向对撑＋角撑”的布置形式，设置三道水平内支撑。水平内支撑参数，如表1所示。

表 1 水平内支撑参数表

1.3 钢支撑工程情况

钢结构角撑最大跨度为42.25 m，鱼腹梁形式为SS400-20 m，最大跨度为20 m。构件之间均采用10.9级高强螺栓螺母（M24×80 mm）连接；工具式组合内支撑（材质均为Q345B）采用固定工厂加工定制的标准件进行现场安装；牛腿材料为角钢L90 mm×90 mm×10 mm，现场焊接。

钢支撑施工穿插在土方开挖及结构施工中，由于施工场地狭小、场地布置紧张及施工组织协调难度较大等原因，应积极与土方施工及其他分包单位配合。钢支撑施工质量、预应力控制和基坑形变监测是关系到基坑质量和安全的关键。

2 施工准备工作

2.1 施工方案审批要点

施工准备过程中，应重点审核方案能否满足设计文件要求及其可行性：是否达到基坑施工总体目标和进度要求；场地布置是否合理；施工流程和作业顺序是否有利于流水作业；组织措施和人员配置是否满足施工和管理需要；质量保障体系是否完善；材料和设备是否经过严格把关和合理调配；是否充分考虑与总包和其他专业分包单位的配合；是否对施工过程中的风险因素进行过充分识别与评估，并制定相应的应急措施；是否具有明确的安全文明生产目标及保证体系等。

2.2 材料、设备管理重点

施工准备过程中，应注意审核主要材料生产供应计划。严格验收进场材料，按规程要求逐一检查预制钢构件是否有出厂合格证。构件应按吊装顺序进行堆放，吊装前按图纸查点复核构件。构件堆放底层应铺垫无油枕木，各层构件的支点须在同一垂直线上，以防钢构件被压坏或变形；连接使用的摩擦型高强度螺栓副进场时，应提供批量检测证明书和出厂检验报告，每批进场的螺栓副应抽取8套进行复试[3]；钢绞线应每20盘中任取3盘、每盘中截取一段作拉伸试验，合格后方可使用。对有缺陷的构件和不合格材料作退场处理。

大型设备进场时间应配合施工计划，入场应提供证书、检验报告等资料；仪器、仪表等应在标定有效期内。

2.3 人员和技术、安全交底

应确定施工单位管理和专业技术人员到位，特种作业人员持证上岗；督促施工单位认真做好施工前技术交底和安全交底工作；复核安装定位使用的轴线控制点和测量标高的基准点；做好施工用电准备等工作；等等。

3 施工控制要点

遵循“竖向分层，纵向分段，中部拉槽”及“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的总体原则，钢支撑施工过程中应配合完成基坑施工总体目标。

施工过程中应加强现场管理，严格按批准的施工方案施工。施工流程，如图1所示。

3.1 立柱桩施工

本项目采用格构柱立柱，已在桩基阶段施工完成。钢支撑安装前，应对立柱定位轴线的间距进行测量、复核，满足安装条件后办理工作面移交。

3.2 牛腿施工

牛腿的位置与标高应根据设计图纸确定，牛腿施工的关键是保证同一层的围檩中心线处于同一个水平面，中心线高差不得超过±20 mm。

图 1 施工流程图

牛腿通过焊接与灌注桩的主筋相连，须保证三处焊接部位牢固可靠，依据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》进行现场检查。横杠长度及水平度须满足使用要求，在这个过程中须有测量技术员全程对牛腿的垂直度、标高、水平度等进行监控，对不符合要求的应马上进行整改，保证质量。

3.3 围檩定位

为保证外侧围护结构受力均匀，应确保围檩的每一边都处于一条直线。采用全站仪确定基坑相邻两个转角内侧的基准点，通过基准点拉一条直线，通过该线使用挂坠确定每一条牛腿上的围檩的安装中心。实际安装轴线中心水平偏差不得超过±20 mm。

3.4 围檩安装

围檩安装遵循“先长后短，减少接头数”的原则，尽量使用标准节构件。接头处应尽量避开弯矩较大的位置，接头处可采用加劲肋增加强度。

围檩逐段吊装于牛腿支架上，使用摩擦型高强螺栓紧固连接。

围檩施工质量验收坚持“过程验收为主，完工验收为辅”的原则，实行施工一个即验收一个的方法，发现质量问题后，必须经过处理才能进入下一个施工步骤。

拼接的整个钢围檩体系必须确保双榀或多榀型钢构件形成整体、共同受力。基坑转角处，两个方向的围檩端头必须紧贴转角（着实受力），应采取有效的措施保证相邻不同方向的围檩有效连接。

3.5 托座与支撑梁安装

托座件安装前应确定其水平标高，通过角撑、对撑及鱼腹梁的定位标高反推其顶面水平标高，托座的安装误差不超过±5 mm。

安装托座件时，要严格控制垂直度，须有测量人员实时监测，如立柱桩发生偏位，托座可采用加垫钢板等措施以达到垂直要求。托座与立柱之间采用焊接，连接焊缝应饱满，焊脚高度≥8 mm，托座与支撑梁采用摩擦型高强螺栓连接。

3.6 角撑、对撑的安装

角撑与围檩之间有夹角，不易直接安装并施加预应力。本项目角撑在地面进行预拼接，完成后须检查其顺直度，拼接支撑的两头中心线的偏差度控制在±3 mm之内，检查合格后再整体吊装就位。

角撑、对撑的预拼过程中，各构件、专用千斤顶等通过高强度螺栓连接牢固。支撑横梁与型钢构件采用抱箍固定方式，平行的型钢构件采用钢盖板连接作加强措施，增加支撑的水平稳定性。角撑、对撑整体挠曲度允许值为跨度的1/1 000。

3.7 鱼腹梁安装

本项目使用的鱼腹梁为SS400-20 m型。

鱼腹梁在地面进行预拼，螺栓紧固务必达到设计及规范要求。安装用千斤顶、油表和其他仪表必须在有效标定期内。鱼腹梁预拼完成后整体起吊摆放在支撑牛腿上。

张拉施工前，施工现场应具备确保全体操作人员和设备安全的必要预防措施。实施张拉时，必须使张拉千斤顶的作用线与钢绞线的轴线重合一致。钢绞线张拉须按顺序逐根进行，考虑到钢绞线之间摩阻力的影响，每层分别分三次张拉，第一次张拉达到设计值的20%，第二次达到设计值的70%，第三次达到设计值的100%。钢绞线与锚盘孔应先编号后安装，鱼腹梁预应力施加时，须先张拉桥架底部和锚具顶部的钢绞线，后张拉桥架顶部和锚具底部的钢绞线。

3.8 T型传力件安装

施工预应力前，必须进行整个支撑体系T型传力件的安装工作。传力件与灌注桩采用焊接连接，焊接质量满足相关规范要求。

传力件的设置数量不得少于设计图纸的要求，根据设计要求，应保证每个钻孔灌注桩均与传力件相连。本项目每道钢支撑均采用双层钢构件，可采用上下两层交错形式，以保证围护压力均匀且有效传递。

3.9 预应力施加

施加预应力时应按方案中确定的顺序及要求进行：检查各部件螺栓的连接是否紧固，围檩与围护体系的连接状态；角撑、对撑加压；钢绞线张拉。

预 应 力 施 加 原 则：分 区、分 级、循 环。本项目采用四级循环加压，其中钢绞线分别按预紧→50%→70%→115%设计值加压，对应支撑分别按设计值的30%→50%→80%→110%加压。

施加过程中应做好监测和记录，前一级施压完成后，须等待一段时间，等系统稳定后才能进行下一级施压。

4 系统监测及分析

本项目基坑监测与支撑系统的变形监测同步进行，过程中连续监测直至基坑开挖结束结构混凝土达到预定强度。支撑系统主要监测情况及分析如下。

4.1 构件轴力监测

将应变计直接布置于装配式钢支撑构件的主要受力点，通过传导电缆线将变形应力进行集成，监测频率正常情况下为1次/d～2次/d，异常情况下3次/d～6次/d。

4.2 钢绞线轴力监测

每个鱼腹梁均应布置钢绞线拉力监测点，钢绞线拉力监测宜使用锚索计进行量测。

4.3 监测数据分析

本项目每边设置2个测斜点，整体共8个测斜点，其中南侧和东侧变形较大，最大值为47.15 mm，最大值深度均在基坑底部附近。稍稍超出报警值（40 mm），但经复核计算，仍在安全可控范围内。

围护桩桩顶垂直位移呈上抬趋势，随基坑挖深加大而增长，在混凝土底板浇筑完成之间达到峰值，底板浇筑后期数据慢慢趋于稳定；最大位移值为9.7 mm，低于报警值（10 mm）。水平位移变化数据都较小，变化规律不明显，最大位移值2.0 mm，低于报警值（10 mm）。

支撑受力随着基坑土方开挖不断增大，底板浇筑后变化慢慢趋于稳定。

从监测数据来看，本项目施工过程中引起的周边地表变形值较大，变形规律和变形值基本一致，地表沉降与其他软土基坑地表沉降表现出相同规律，在第一道支撑拆除后趋于稳定，在此之前，变形处于持续发展状态。

通过上述对轴力、测斜及地表沉降、坑外水位、管线等监测数据的分析可得，预应力鱼腹梁钢支撑对于控制基坑变形、确保基坑安全是可靠的，施工中通过工序调整，有效控制了其变形速率。

5 支撑的拆除

钢支撑拆除必须提前制订专项拆除方案。当底板、中层板及换撑传力带强度达到设计强度后方可分区域进行拆除。首先卸载拆除区域的预应力和支撑轴力，等系统稳定后按与安装相反的顺序拆除构件与围檩。拆除过程中要增加基坑本体及周边环境变形的监测频率，根据监测情况调整拆除区域和长度。

6 施工难点和管控重点

6.1 技术要求高，施工和管理人员缺乏

预应力鱼腹梁钢支撑作为一种新型的基坑围护技术，专业性强，对管理和施工要求更高，而国内采用这项技术的项目还不多，缺乏有经验的专业施工队伍和技术管理人才，相关的技术文献也不足，一定程度上会影响其推广。

6.2 充分的施工准备

组合式支撑技术采用工厂化、模块化的形式，能大幅提高产品精度和施工效率，但前提是具有周密的计划和完善的组织、技术措施。只有提前做好从方案的制定、构件生产、运输计划和场地管理到施工所需的设备、工具和仪器的配置等各种准备工作，同时预先分析各种风险，制定好相应的应急方案，才能最大限度地发挥其优势，保证施工质量和安全生产。

6.3 严控施工质量

鱼腹式钢支撑系统的施工质量，直接关系到整个系统的稳定性和基坑安全。新的技术对施工的工艺和精度提出了更高的要求。加强现场管理是解决问题的关键：从定位放线到支架的安装焊接和构件的拼接、吊装、紧固，再到预应力的施加和调整，必须严格按批准的施工方案实施；强化现场监督和验收，从材料、构配件的进场到各施工工序，必须符合设计文件和相关的规范、技术规程的要求，对每个步骤进行验收，确保整个系统的施工质量。在目前缺乏熟练的专业施工人员的情况下，采取这样的措施是必要和有效的。

6.4 预应力的施加和卸载

预应力鱼腹梁钢支撑技术的显著优势之一，是通过预先施加应力，逐步抵消基坑开挖后产生的向坑内压力，能够有效地降低基坑的形变。控制好预应力的施加和调整是控制基坑变形的有力保证。

施加应力必须遵循分级和循环的原则，从对撑（角撑）到鱼腹梁的顺序按设计值分级加压，并做好记录，等系统稳定后再进行下一级加压。随着支撑预应力的施加，相邻的已经安装好的支撑应力可能会减少，故可根据设计要求复加预应力。钢绞线必须对称安装，采用分批张拉的方式（为避免钢绞线间摩擦力的影响，可考虑15%的超张拉力）逐根进行，一定要形成整体并均匀受力。同时应另预留设计数量10%的钢绞线作为安全储备。

符合拆除条件方可拆支撑。拆除须先卸载轴力和张拉力，防止应力突然消失而影响基坑稳定。卸载应力也应分级进行，且在安全卸载后须对基坑变形情况观察4 h～5 h，等稳定后再拆除支撑构件。

6.5 支撑轴力的监控和调整

通过对轴力的监测，适时调整钢支撑的应力，可有效控制基坑变形。结合基坑监测，采用全自动监测系统，可实现基坑安全关键部位监测点的数据自动采集、存储、发送、处理、预警与整改通知的远程化、网络化运行。

对撑、角撑的监测点布置在轴力较大或在整个支撑系统中起控制作用的位置，监测断面选择在离支撑加压端5 m范围外部位，并避开接头位置；围檩的监测点应布置在鱼腹梁区域内的腰梁上，且在鱼腹梁的端部和中部分别布置；钢绞线的监测点布置在锚头位置。

高强螺栓连接副组装时，注意螺栓穿入方向应一致，螺栓的垫圈应装在螺母一侧，垫圈孔有倒角的一侧应和螺母接触。高强螺栓紧固分初拧和终拧，应从螺栓群中间向四周对称、扩散式进行紧固，初拧与终拧须在同一天内完成。

6.6 施工中应控制好的细节

预应力专用千斤顶的十字锁扣须设置在前后加压横梁正中间，前后各留三丝的余地，便于支撑拆卸时预应力卸除。如空隙过大，可采用合适的钢板垫片调整。

调整连接件的孔位偏差应采用绞孔方式，为防止扩孔过大影响构件强度，修孔后孔径不得大于原孔2 mm。高强度螺栓宜采用专用工具进行紧固，按照正确的拧紧顺序分两次拧紧。

预应力筋切割必须采用砂轮机切断，不得使用氧气、乙炔切割和电焊切断，以免烧伤预应力筋。

7 项目总结

本项目第二、第三道支撑采用预应力鱼腹梁钢支撑，顺利完成了基坑的支护工作，有效地保障了基坑施工的顺利完成，目前项目已封顶，基坑已回填；与传统的混凝土支撑相比，为项目节成本30%以上，工期缩短30 d左右，充分体现了该项技术的优势、

通过对主要构件和材料的回收，实现了项目的节能减排。保守估计，项目基坑施工节约材料如下：钢筋约270 t，水泥约750 t，黄砂约1 450 t，石子约2 250 t。仅考虑钢筋、水泥两项目，就可减少二氧化碳排放量1 390 t（按生产1 t钢需耗煤2.3 t、产生二氧化碳4.6 t；生产1 t水泥需耗煤0.1 t、产生二氧化碳0.2 t计），相应地还避免了产生建筑垃圾，产生了较大的环保效益。

8 结 语

与传统混凝土内支撑的脆性破坏模式相比，预应力鱼腹式基坑钢支撑的破坏模式为延性破坏，基坑的安全性更高；通过施加预应力，以一种“主动”的形式，提高了支撑体系的整体刚度和稳定性；结合远程实时监测系统，有效和精确地控制基坑位移，大幅减小了基坑的变形；同时带来了降低成本、缩短工期及方便基坑作业等优势，具有技术先进性和较大的综合效益。