软土地区基坑支护往往采用围护结构加混凝土内支撑体系,而混凝土支撑体系在地下空间结构完成后需进行拆除,产生大量的建筑废弃物 ^[1,2,3,4,5]。这些废弃物虽部分可作为再生建筑材料的原料,但绝大多数作为建筑垃圾被废弃,破坏环境。相比混凝土内支撑体系,钢支撑可反复使用,使用过程中不产生废弃物,具有绿色环保的优点。目前国内采用的钢支撑多为钢管支撑,多用于长条形地铁基坑,结构单一、刚度小。H型钢支撑可形成组合结构,刚度大、稳定性好。因此,南京国际博览中心3期项目中基坑局部采用H型钢支撑技术。

　　 南京国际博览中心3期项目占地面积约8.4万m²,总建筑面积约38.5万m²,地下2层。基坑面积约7.4万m²,周长约1 215m,基坑开挖深度9.3～11.5m,基坑内支撑为1道支撑。钢支撑和混凝土支撑平面如图1所示,局部采用H型钢支撑体系。

　　 本工程采用的支撑组合形式在国内是首次尝试和运用。钢支撑、钢冠梁、连杆、八字撑采用H400×400×13×21的型钢,模数有0.15～6m,满足长度的装配需要,H型钢通过高强螺栓和节点键进行连接。钢支撑组合截面如图2所示。钢支撑组合形式如图3所示。水平面内2根H型钢通过连杆连接即双拼,竖向平面内在系杆节点连接即双层,形成4根H型钢一体的组合钢支撑,具有刚度大、稳定性好等优点。组合支撑安装完成后,施加预应力可迅速形成支撑刚度,有利于快速施工和控制基坑周边环境。

　　 根据图纸和装配式型钢支撑构件特性及施工现场情况,支撑从冠梁一端向混凝土支撑端安装,把安装误差全部留在钢支撑和混凝土支撑连接处,最后在此处填塞钢板以调解误差。拼装式钢支撑的施工流程如图4所示。双层钢支撑是上下层同时施工,施工工序同步进行,从而提高施工效率和施工质量。

　　 钢支撑安装的两端分别为混凝土冠梁和混凝土支撑,钢支撑的拼装按设计尺寸进行分节和构件准备,安装精度要求高。当混凝土冠梁和支撑施工误差大,会给钢支撑的安装带来不便,因此安装前需对轴线和标高进行测量放线。轴线指沿钢支撑轴线方向,混凝土支撑和混凝土冠梁间的距离。相比实测结果和设计图,预先调整拼装构件。标高指牛腿在混凝土冠梁埋板、混凝土支撑埋板和格构柱中的焊接标高。轴线和标高测量如图5所示。

　　 根据支撑轴线实测结果和分节图,对节段节点与系杆进行碰撞检查,防止盖板安装落在系杆上,确保安装平直。综合塔式起重机吊装能力和格构柱间距的限制,确定构件的合理吊装长度,在支撑堆场进行预拼装,2节或3节为1吊,提高拼装效率和安装速度。

　　 1)牛腿和系杆安装牛腿承受来自系杆和钢支撑荷载,并焊接在混凝土支撑埋板、混凝土冠梁埋板、格构柱、型钢立柱上。焊接在混凝土支撑和冠梁的牛腿上表面标高应一致且水平,焊接在格构柱和立柱上的牛腿标高要相同,且系杆安装后,系杆上表面标高与混凝土支撑和冠梁处牛腿上表面标高相同。为保证焊接精度和焊接质量,需对牛腿进行标高复测和焊缝现场探伤。牛腿焊接如图6所示。系杆为背靠背的2根槽钢,放置在牛腿上,与牛腿和立柱相焊接,形成钢支撑安装的支座。钢系杆安装完成如图7所示。为增强系杆的侧向刚度,2根槽钢翼缘焊接1根角钢,形成H型钢。

　　 2)冠梁安装为方便H型钢支撑与混凝土冠梁的连接,需安装钢冠梁,钢冠梁放置在牛腿上,紧贴混凝土冠梁。钢冠梁的安装沿一个方向依次进行,安装前需根据图纸测量定位,确定钢冠梁轴线。钢冠梁安装的位置控制如图8所示。安装冠梁前,沿冠梁轴线偏移至冠梁外边缘进行定位放线,在牛腿上紧靠钢冠梁的外边缘焊接限位角钢,限制冠梁外移和保证冠梁安装在一条直线上。

　　 3)钢支撑、千斤顶、八字撑和连杆安装钢支撑安装在系杆上后,上表面在一个平面内,安装误差控制在设计位置±1cm。测量钢支撑轴线,在上、下层系杆上确定双层钢支撑的安装位置,然后在钢支撑的一侧焊接限位角钢,限制支撑的左右移动,支撑轴线水平偏差控制在±1cm。钢支撑安装轴线位置控制如图9所示,依次把预拼装好的钢支撑安装在系杆上。千斤顶安装在钢支撑与混凝土支撑连接端,与钢支撑连成一体。八字撑采用型钢两端的连接键通过高强螺栓分别与钢支撑和钢冠梁相连。八字撑可使冠梁受力均匀,然后传到钢支撑上。连杆把平面内的2根H型钢支撑连接在一起,增加整体刚度和稳定性。连杆采用盖板和高强螺栓与钢支撑相连,连接强度高、抗剪效果好。

　　 4)紧固螺栓和平直度检查钢支撑、千斤顶、八字撑和连杆均安装好且位置无误差后,分2次紧固螺栓,即初拧和终拧,每次拧紧均检查钢支撑的轴线和平整度,采用力矩扳手紧固螺栓,螺母拧紧后至少外露2个丝牙。待支撑安装完成后,用水准仪复核整体安装的平整度,支撑两端的标高差及水平面偏差≤2cm和支撑长度的1/600,支撑挠曲度≤1/1 000,确保施加预应力前,安装误差控制在设计范围内。施加预应力后检查螺栓的松动,拧紧所有螺栓。

　　 5)限位装置的安装钢支撑整体安装基本结束后,在系杆上钢支撑的另一侧焊接限位角钢,限制钢支撑左右移动,如图9所示的对侧。安装控制钢支撑上下移动的控位角钢,把限位装置、系杆和钢支撑相连形成约束节点。施加预应力前,不能拧紧上、下控位角钢,以防在约束节点损失预应力,待加载完成后再拧紧。

　　 由于施工误差,钢冠梁和钢支撑间不可避免地存在缝隙,缝隙处填充细石混凝土保证钢冠梁和混凝土冠梁的均匀接触与传力。八字撑和混凝土冠梁间的连接键缝隙采用早强混凝土填充保证其均匀接触和传力。钢支撑和混凝土支撑连接处的大缝隙采用千斤顶调节,小缝隙放入薄钢板以填充密实,使结构受力均匀。

　　 钢支撑结构安装完成后,缝隙填充密实且填充混凝土达到标准强度,混凝土支撑达到强度可施加预应力。钢支撑分3组,每组8个千斤顶,千斤顶布置在钢支撑与混凝土支撑连接处,同时施加预应力。当外界条件变化引起轴力变化时,伺服系统自动进行压力调节。为保证加载均匀,预应力分3级加载,分别为预应力的40%,30%,30%。加载过程中,监测钢支撑的轴力、挠度和装置稳定性。加载完成后拧紧千斤顶油缸外的法兰圆盘,此装置无卸荷传力工况,预应力损失小,可随时附加。加载完成后检查螺栓有无松动并复紧,拧紧上、下控位角钢。

　　 该基坑在资源和劳动力相同的情况下,混凝土支撑和钢支撑的施工工期分别如表1,2所示。由表1可知,混凝土施工共需27d。由表2可知,钢支撑施工共需21.5d。混凝土支撑和钢支撑施工工期相差不大,混凝土施工时支撑成型速度快,但混凝土需养护才能达到强度和刚度,尤其是冬季施工,养护时间更久。钢支撑安装全部螺栓连接,安装简单方便,安装完成后可迅速形成支撑刚度。拆除时钢支撑不产生废弃物,可重复利用,且拆除速度显著快于混凝土支撑。

　　 钢支撑施工区域中,钢支撑主材用量约590t,辅材80t。若相同区域采用混凝土支撑,约需1 300m³混凝土。钢支撑完全回收可再次利用,混凝土支撑拆除后仅少量可利用,大部分被废弃。钢支撑用料少、损失小、可重复利用,因此经济效果优于混凝土支撑。绿色和环保施工的社会效益更大。

　　 坑顶位移随开挖过程的变化如图10所示。sp6,sp39为钢支撑支护区域坑顶位移。sp5,sp7,sp38,sp40为混凝土支护区域坑顶位移。sp5,sp6,sp7最大水平位移分别为13.4,11.5,15.6mm。sp38,sp39,sp40最大水平位移分别为14.9,14.2,16.1mm。坑顶位移满足规范要求。由分析可知,钢支撑支护区域坑顶位移略小于混凝土支撑支护区域。

　　 1)详细阐述双拼双层H型钢支撑的施工技术、误差控制方法、预加轴力系统,为基坑支护内支撑的设计和施工提供更多选择。

　　 2)新型H型钢支护体系为装配式全螺栓连接,组合形式多样施工方便。符合装配式、节能环保、绿色施工的需要。

　　 3)H型钢支撑体系施工速度快,节约工期。钢支撑可重复使用,经济效益佳。对基坑周边环境控制好,适用于环境保护等级高的基坑。