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摘要：本文通过型钢底板换撑技术在福建霞浦某工程深基坑支护施工中的成功应用为实例，介绍了一种采用“底板+支撑板带+后浇带传力装置”共同设计形成的深基坑型钢底板换撑方法，并对其施工工艺、体系组成、施工过程控制及监测技术、施工质量控制技术、拆撑方法及安环控制措施等进行了详细的叙述，该新型技术成功地解决了传统深基坑支护系统在进行换撑时由于需二次设置换撑结构而导致的施工周期过长、预留的二次支撑穿墙洞口和结构施工缝处极易出现渗漏、底板后浇带处荷载不能正常传递、二次换撑体系和基坑围护结构刚度不协调极易导致止水帷幕破损威胁基坑安全等技术难题，利用建筑结构自身抵抗和传递荷载，既保证了施工安全又满足了质量要求，同时也节约了工期和成本，取得了良好的应用效果。
关键词：刚性支撑板带 后浇带工字钢传力装置 整体刚性体系 结构自身抵抗和传递荷载
1.前言
隨着当前我国现代建筑工程技术产品行业的不断进步和经济的飞速发展，深埋式基坑工程的施工越来越多、越来越复杂，且对基坑安全和施工持续时间的控制要求也越来越高。目前，大多数项目采用的传统深基坑支护换撑结构施工周期相对较长，换撑体系由于对基坑支护系统所传递的荷载作用过大极易造成基坑支护结构的严重破坏，从而导致深基坑的安全性受到严重威胁。本文阐述了一种新型型钢底板换撑技术的工作原理和施工方法，通过其在福建霞浦某工程淤泥质土层深基坑支护施工中的成功应用，在保证基坑安全的前提下减少成本和缩短工期效果显著，对今后类似工程的施工提供借鉴与参考。
2.工程概况
2.1建筑情况
福建霞浦某工程，总规划用地面积约26700m2，总建筑面积约57850m2;地上为2～33层的商业及住宅，地下为两层整体地下室。针对本工程施工部位的不同及基坑实际使用情况，以第20号轴线为界将本工程基坑划分为东、西两个施工区域，型钢底板换撑技术在本工程西区深基坑支护施工中进行了成功应用。西区基坑支护分为ABCDEFG段。支护过程为：按照设计规定的放坡系数对基坑▽-0.600m（自然地面）-▽-4.100m区域的土方进行开挖，边开挖边采用传统的挂网喷浆加土钉的方法进行边坡支护;采用直径1000mm、间距1600mm、长度27400mm的钢筋混凝土灌注桩对基坑▽-4.100m--▽-10.000m区域进行支护;其中ABCDE段在支护桩后侧每间隔8米另设计两根同类型的支护桩进行支护加强;EFG段采用在原有ESC支护桩内增设一排钢筋混凝土灌注桩进行支护;在▽-4.100m处设置钢筋混凝土冠梁一道且在转角部位设置小型水平支撑梁，在▽-7.700m处设置钢筋混凝土腰梁一道及大型钢筋混凝土水平支撑梁，前排每相邻两根支护桩之间设置一根直径800mm的素混凝土灌注桩进行止水和挡土。
2.2地质情况
该项目所在区域隶属于滨海冲积平原地貌类型单元，根据地勘报告所述该项目场地内的地层自上而下分为9层，详见下图：
2.3水文情况
根据本工程地勘报告，2-粘性土、3-淤泥、4-淤泥质粉土及5-淤泥，为相对隔水层。土方开挖深度内地下水类型主要为上层滞水，透水性能比较好，但水量较小，一般埋深在4.67～6.04米之间。
3.型钢底板换撑技术主要解决的重难点问题
1）工程深基坑支护系统在进行换撑时需二次施工换撑结构导致的施工周期过长;
2）工程深基坑支护系统在进行换撑时预留的二次支撑穿墙洞口及结构施工缝处极易出现渗漏;
3）工程深基坑支护系统在进行换撑时底板后浇带处荷载不能正常传递;
4）工程深基坑支护系统在进行换撑时二次换撑体系和基坑围护结构刚度不协调导致其对基坑围护结构传递的荷载过大造成止水帷幕破损出现渗漏;
4.施工工艺、体系组成与施工过程控制
4.1施工工艺
详见下图：
4.2换撑体系的组成
1）型钢底板换撑体系施工所涉及的构件有：1-水平支撑梁、2-钢筋混凝土支护桩、3-支撑板带、6-传力装置、7-底板、8-素混凝土止水围护桩等。3-支撑板带位于地下室底板外围与支护结构之间，6-传力装置分别设置于底板后浇带内和地下室外围支撑板带内。详见下图基坑底板换撑体系结构组成平面示意图及基坑底板换撑体系结构组成剖面示意图：
2）3-支撑板带由10-上下层构造抗裂钢筋网、11-工字钢端板、12-地下室底板外侧工字钢传力装置（间距1600mm）、13-底板外围支撑板带混凝土、15-支撑传力工字钢的螺纹钢马凳等构件所组成。12-地下室底板外侧工字钢传力装置安装在基坑支护结构与地下室底板之间的支撑板带内，传力装置一端顶住2-钢筋混凝土支护桩桩身，另一端穿过4-砖胎膜顶紧底板混凝土外侧面;构造钢筋网布置在支撑板带内传力装置的上、下部。传力装置安装到位并绑扎好上下两层抗裂钢筋网后及时浇筑混凝土形成支撑板带;详见下图支撑板带3组成剖面示意图。
3）6-后浇带传力装置（间距1600mm）由14-后浇带传力工字钢、11-钢端板、15-由螺纹钢筋制作的固定工字钢的马凳、7-地下室底板等部分共同组成，架设工字钢的马凳焊接于传力工字钢的底部，钢端板焊接在工字钢两端;具体详见下图后浇带传力装置6组成剖面示意图。
4）本工程型钢换撑体系的工作原理为：通过在地下室底板外围与支护结构之间设置刚性支撑板带，同时在底板后浇带内设置型钢传力装置，使整个基坑支护结构与其内侧全部地下室底板形成一个整体刚性体系，在水平支撑梁拆除后本体系将基坑内原支撑结构所承受的荷载继续均衡地向基坑四周传递，完成换撑。
4.3施工过程控制
4.3.1全部完成基坑支护结构与基坑内水平支撑梁的施工，按照设计施工方案将建筑物的土方逐层开挖到基底，完成地下室底板垫层的施工; 4.3.2分段完成地下室承台及基础底板砖胎膜的砌筑、抹灰、防水卷材的铺设粘贴及保护层等的施工;
4.3.3在地下室底板后浇带内埋设焊好端板的工字钢后分段完成全部地下室底板混凝土的浇筑;
1）后浇带内换撑工字钢受力验算
根据中南勘察设计研究院基坑支护计算书，选取西区支护系统单桩所受剪力最大的CDE段进行计算，此段前排单根支护桩所受剪力设计值为486.17KN，本工程换撑型钢采用I25a工字钢，工字钢在后浇带内的间距和钢筋混凝土支护桩间距相一致，均为1600mm。后浇带内工字钢有效埋设长度为1000mm。
（1）I25a工字钢参数为：
腹板高度ho=250mm，翼缘平均厚度t=13mm，翼缘宽b=116mm，内圆弧半径R=10mm，腹板厚度tw=8mm，截面面积A=48.5cm2，抗压能力强度设计值f=215N/mm2，回转半径：ix=101.8mm，iy=24mm;
（2）长细比：λ=μL/i，L为构件几何长度，μ为长度系数，当压杆两端固定时取0.5;
λx=1000×0.5/101.8=4.9 ，λy=1000×0.5/24=20.8;
（3）构件钢号修正系数ξk：为235与构件钢材牌号中屈服点数值比值的平方根，ξk==1.045;
（4）轴心受压构件的稳定系数：根据《钢结构设计标准》GB50017-2017中轴心受压构件截面分类表7.2.1-1的规定，I25a工字钢为轧制钢，b/h=116/250=0.464<0.8，对X轴为a类，对Y轴为b类;λx/ξk=4.9/1.045=4.69，λy/ξk=20.8/1.045=19.9，查附录D可以计算得出：该构件a类截面轴心受压构件的稳定系数ψx=0.999，b类截面轴心受压构件的稳定系数ψy=0.97，取较小值进行计算;
（5）强度验算：σ=N/A≤f，因横截面无削弱，可不用进行此验算。
（6）刚度验算：根据计算λx和λy均小于《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.4.6中受压构件的长细比的容许值150，满足要求。
（7）整体稳定验算：
N/ψA=486.17×103/（0.97×48.5×102）=103.34 （8）局部稳定性验算：
翼缘部分：
b/t=116/13=8.923<（10+0.1λ）ξk=（10+0.1×4.9）×1.045=10.962，满足;
腹板部分：
ho/tw=250/8=31.25<（25+0.5λ）ξk=（25+0.5×30）×1.045=41.8，滿足;式中λ为构件两个方向之间长细比的较大数值，当λ<30时，取λ=30;当λ>100时，取λ=100;因λ=20.8<30，取λ=30;
2）在各块底板的防水保护层施工全部完成且底板底部钢筋绑扎完毕后，按在底板防水保护层上弹好的定位控制线及时安装好后浇带传力装置并将其固定牢靠，然后完成底板顶部的钢筋绑扎。后浇带两侧均应设快易收口网，防止混凝土浇筑时流入后浇带内，验收合格后分块进行结构底板混凝土的浇筑。
4.3.4完成地下室底板外围四周与基坑支护结构之间全部支撑板带的施工;
1）支撑板带内工字钢受力验算
同样选取西区支护系统单桩所受剪力最大的CDE段进行计算，此段前排单根支护桩所受剪力设计值为486.17KN，采用I25a工字钢，参数同4.3.3;工字钢在支撑板带内的布设间距和支护桩间距相一致均为1600mm，工字钢计算长度取1500mm。
（1）长细比：λ=μL/i，L为构件几何长度，μ为长度系数，按两端铰接取1.0;
λx=1500/101.8=14.73，λy=1500/24=62.5;
（2）构件钢号修正系数ξk：为235与构件钢材牌号中屈服点数值比值的平方根，ξk==1.045;
（3）轴心受压构件的稳定系数：根据《钢结构设计标准》GB50017-2017中轴心受压构件截面分类表7.2.1-1的规定，I25a工字钢为轧制钢，b/h=116/250=0.464<0.8，对X轴为a类，对Y轴为b类;
λx/ξk=14.73/1.045=14.1，λy/ξk=62.5/1.045=59.81，查阅附录 D可以计算得出：a 类截面轴心受压构件的稳定性系数 ψx =0.991，b类截面轴心受压构件的稳定系ψy=0.808，取较小值进行计算;
（4）强度验算：σ=N/A≤f，因截面无削弱，可不进行计算。
（5）刚度验算：根据计算λx和λy均小于《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.4.6中受压构件的长细比容许值150，满足要求。
（6）整体稳定验算：
N/ψA=486.17×103/（0.808×48.5×102）=124.06 （7）局部稳定性验算：
翼缘部分：
b/t=116/13=8.923<（10+0.1λ）ξk=（10+0.1×14.73）×1.045=11.99，满足;
腹板部分：
ho/tw=250/8=31.25<（25+0.5λ）ξk=（25+0.5×62.5）×1.045=58.78，满足;式中λ为构件两个方向之间长细比的较大值;当λ<30时，取λ=30;当λ>100时，取λ=100;
2）将支护桩桩身内侧与工字钢接触面处混凝土面凿平，同时将靠底板一侧安装工字钢部位的砖胎膜凿除，在对应支护桩中心线处安装焊接好端板的工字钢，工字钢与结构底板侧面和支护桩侧面尽可能的结合紧密，工字钢安装到位且上下层构造钢筋网绑扎完毕并验收合格后进行支撑板带混凝土的浇筑。 4.3.5将地下室的所有底板、后浇带型钢传力装置、地下室底板外围周边支撑板带全部施工完毕，使其共同形成一个全新而又整体的水平支撑系统，待地下室的所有底板和支撑板带混凝土达到设计强度后，便可分区逐一拆除基坑内的水平支撑梁（冠梁和腰梁除外），完成基坑支护体系的换撑转换;在进行水平支撑拆除前应先按照方案规定搭设好能够承受水平支撑梁重量的双排钢管脚手架，同时还应严格遵循方案中所规定的先后顺序进行水平支撑梁的分段、分区、对称拆除。
5.施工监测技术
5.1监测方法
1）钢筋混凝土支护桩应力应变等的监测
本工程基坑属淤泥质深厚软土基坑，采用钢筋混凝土排桩作为支护结构的主要受力单元，其受力变形状态直接影响到基坑的稳定。通过在支护桩内沿竖向布设分布式传感光纤，持续监控桩身在基坑开挖及支撑、换撑全过程中沿竖向连续产生的应力、应变等参数。本工程设计选取两个区域，每个区域选取两根桩进行监测，选择的支护桩监测区域详见下图：
支护桩及冠梁、水平支撑梁监测区域平面布置图
2）冠梁和水平支撑梁应力应变等的监测
本工程分别选用两个部位的钢筋混凝土水平支撑梁和冠梁进行监测，在每根梁内部沿梁纵向分别布设两条分布式传感光纤，监测在基坑开挖施工过程中冠梁及水平支撑梁产生的应力及变形，冠梁及水平支撑梁监测区域详见上图。
3）根据监测规范及监测方案等的相关要求，在土方开始开挖至换撑后基坑土方回填完毕期间应对基坑进行连续监测，监测频率分别为：在开挖深度小于5米时，每2天连续进行一次;在开挖深度大于等于5米时，每天至少要连续监测一次;在开挖深度大于等于10米时，2次/天;而在水平支撑梁全部拆除完毕至结构施工至±0.00且地下室外侧土方回填完毕期间的监测频率为：7天内每1天连续进行观测一次，7-14天内每2天连续进行观测一次，14-28天内每3天连续进行观测一次，28天以后每5天连续进行观测一次;当基坑土方回填工作全部完成后，观察和监控工作结束;若基坑发生危险情况，应适当增加观测和监控的频率和次数。
5.2监测实施及成果整理分析
监测系统分为三个阶段实施，具体如下：
5.2.1监测系统安装阶段
（1）监控中心建设
在埋设传输光缆之前须完成监控中心的建设工作，监控中心设在距基坑较近的现场办公室内，确保220V用电和有线网络通畅（网线接入确有困难的话，可考虑用无线传输方式，但对数据实时传输会产生不利影响）。
数据采集网布设：埋设直埋式铠装光缆，将所有监测光缆与监控中心的开关相连，光缆直埋于地下，要经常进行巡视，发现损坏后应及时恢复，重要地段埋设钢管进行保护。
（2）钢筋混凝土支护桩监测装置安装
沿支护桩钢筋笼外侧单独增设一根钢筋作为光纤铺设的辅助筋由专业监测人员进行光纤铺设。
光纤铺设：以桩顶为起点至桩钢筋笼底部处结束形成回路，光纤采用扎带与辅助筋固定，再用AB胶在绑扎带位置附近将光纤和钢筋粘结;进一步在辅助筋全长涂刷结构胶，使光纤和钢筋做到全面粘结。
将铺设有光纤的钢筋笼插入桩孔内并浇筑桩身混凝土，插入时注意控制光纤一侧钢筋笼尽可能少的碰触护壁以确保光纤安全。
（3）钢筋混凝土冠梁及水平支撑梁监测装置安装
光纤铺设方法同钢筋混凝土支護桩。
在水平支撑梁内力最大处同时埋设专门的传感器进行监测。
浇灌混凝土：对于铺设有光纤的钢筋混凝土梁按正常施工工艺要求进行混凝土浇灌，振动棒尽可能少的碰触光纤及传感器。
（4）光纤通路连接：将各区域桩、梁中的光纤通路引出，熔接光纤跳线。
5.2.2监测运行阶段数据的采集与处理
在基坑开挖及支护过程中，逐步完成各部位传感器的背景值设定工作，并对传感网络的拓扑关系进行数字化编程，确保监测系统可以远程实时获取监测数据。
在基坑开挖至基坑土方回填结束全过程中，监测系统采用botda分布式光纤传感技术对目标结构进行分布式监测，获取应力、应变、弯矩、位移等数据。监控系统定期地采集传感器的数据，再将其传输到电脑，将监测结果输入到数值模型中，由电脑进行传感器数据汇总、分析和综合处理，得到反映被测结构安全状态的结论数据，利用这些信息对地下支护空间的运动状态作出评价并及时向业主、监理等相关方提供监测报告。
5.2.3成果整理及监测结果分析
根据监测资料，分析排桩支护体系、冠梁及水平支撑梁的承载力和变形特征，整理形成相关成果。
通过对本工程支护体系完成后和型钢底板换撑后两个阶段的全方位监测、数据分析，本工程两个阶段支护体系的承载力和位移等数据均能够满足本工程基坑支护设计说明（二）第十三条第七点表2中的各监控项目所规定的容许值要求，效果良好。
6.施工质量控制技术
6.1后浇带内工字钢传力装置施工的质量控制
作为换撑用的工字钢应有出厂合格证，端头挡板的焊缝应饱满、平顺。后浇带内工字钢的埋设轴线应与支撑板带内工字钢埋设轴线相对应，工字钢安装前要先弹线进行准确定位;同时，应沿后浇带的中心线两侧等长布置，确保后浇带内工字钢两端埋入底板混凝土内的长度均为500mm;在底板厚度方向应居中布设，工字钢下部马凳要焊接牢靠，安装到位后应采用短钢筋与上下层底板钢筋网焊接牢固。混凝土浇筑前，应按照施工图对工字钢传力装置的间距和位置进行验收，合格后方可进入混凝土浇筑施工。在混凝土浇筑过程中应派专人值守，如发现工字钢出现移位、歪斜等问题应及时进行处理。
6.2支撑板带施工的质量控制
材料进场后使用前需做好抽查及复检工作，合格后方可投入使用。支撑板带内的工字钢轴线应与支护桩竖向中心线相对应，工字钢埋设在支撑板带中部;工字钢安装前要先弹线进行准确定位，确保安装位置准确;工字钢下部的马凳要焊接牢靠，相邻工字钢之间采用废旧钢筋焊接连接，确保固定牢靠不移位。将支护桩桩身内侧安装工字钢部位的泥土和松散混凝土清除干净并将桩身与工字钢接触面处凿平;工字钢靠砖胎膜一侧应将砖胎膜凿除，使工字钢与底板混凝土外侧面充分接触。外围换撑板带内工字钢的长度应逐一进行现场实测实量后精准下料。浇筑换撑板带混凝土时，应尽可能避免振动棒碰触到工字钢。支撑板带内受力钢筋的直径、间距等应严格按设计要求进行施工。 6.3混凝土及光纤施工的质量控制
所有拌制混凝土的各种原材料都必须严格地进行质量检查和复检，合格后方可投入使用。现场施工管理人员需认真地测定到场混凝土的坍落度，检查所有随车相关保证资料是否齐全;严禁任何人向混凝土搅拌车内加水;混凝土的浇筑宜连续进行，不得中断;若必须中断，则确保其间隔时间不大于混凝土的初凝时间;混凝土振捣要快插慢拔、认真仔细，确保全部振捣到位，振捣后的混凝土宜均匀、密实。同时，要加强混凝土的养护管理，确保混凝土强度满足设计要求。
埋设在砼内的光纤要顺直，尽可能少的设置接头;如有接头，接头的连接必须可靠、结实，并做好防水措施;施工过程安排专人进行旁站，做好监测光纤的保护工作，禁止正对光纤下料，混凝土振捣棒禁止碰触光纤，若发现光缆破损、断裂、脱落等情况应立即进行修复。
7.水平支撑梁的拆除方法及安环控制措施
水平支撑梁拆除前上口两侧应搭设好临时护栏，上下支撑梁处应搭设专用安全通道。梁的拆除采用金刚石绳锯无振动静力切割机（以下简称绳锯机）与液压墙锯切割机（以下简称墙锯机）相结合的方式进行。作业工人必须戴好安全帽、护目镜、口罩等劳动保护用品，绳锯机的防护罩须安装牢固且无破损，并且在切割区域外围设置防护网。非作业人员严禁进入施工区域，防止施工过程中飞溅出的粉尘及块体伤人。因现场可能会产生少量噪声，故切割施工应尽量安排在白天进行。在支撑梁切割作业过程中，现场需要专门安排喷雾除尘水管或者喷雾炮机等对其进行喷雾除尘，防止粉尘飞扬而对周边环境造成污染。支撑梁分块切割的基本操作原则：分块切割后的混凝土块体不能超出其下部钢管双排脚手架所能承受重量的最大值，混凝土块体的大小及断开位置均应综合考虑吊车的型号和起重力矩。混凝土块体必须做到捆绑结实可靠后方可进行调运作业。
所有底板及支撑板带的混凝土强度必须全部达到设计值后方可进行水平支撑梁的切割和拆除作业。支撑梁拆成过程中应密切监控基坑变形情况，发现异常应立即停止作业，查明原因后再恢复施工。
8.型钢底板换撑技术的应用效果及效益分析
型钢底板换撑技术在本工程中的成功应用，既保障了基坑安全又加快了施工速度。利用底板自身结构有效地抵抗和传递基坑支护体系的荷载，既大幅提高了功效又大幅节约了工程的施工成本，社会效益和经济效益明显，具有很高的技术研究和推广应用价值。
经工程技术人员统计，本项目采用的型钢底板换撑技术与地下室传统楼板换撑施工技术相比节约了工期约60天。由于不再另行设置换撑构件，使二次拆除工程量显著减少，噪音和粉尘污染大大降低，极大地提升了作业区域内环境的环保、卫生、安全状态。同时，本型钢底板换撑技术现已成功在中国一冶东方伟业城市广场项目、中国一冶中冶39大街项目中顺利实施，社会效益和经济效益明显;经两个项目经营部门测算，东方伟业城市广场项目深基坑型钢底板换撑分部工程造价2735万元、利润为9个百分点，中冶39大街项目深基坑型钢底板换撑分部工程造价2130万元、利润为11个百分点，两个项目共实现利润480.45万元。
9. 结论及建议
本文通过型钢底板换撑技术在福建霞浦某工程西区淤泥质土层深基坑施工中的成功运用，使“底板+支撑板带+后浇带传力装置”共同设计形成的新型深基坑型钢底板换撑方法已经成为现实，该技术成功地解决了传统深基坑支撑系统在进行换撑时由于需二次設置换撑结构而导致的施工周期过长、预留的二次支撑穿墙洞口和结构施工缝处极易出现渗漏、底板后浇带处荷载不能正常传递、二次换撑体系和基坑围护结构刚度不协调导致二次换撑结构对基坑围护结构传递的荷载过大而造成止水帷幕破损出现渗漏威胁基坑安全等技术上的难题，在确保基坑安全的同时也加快了施工速度。利用建筑结构自身抵抗和传递荷载，既提高了功效又节约了成本，同时也保证了建筑施工的质量和安全，社会效益和经济效果显著，具有很高的科学研究和推广应用价值。该项技术的设计和施工方法简单，适用范围广，特别是对底板上设置有后浇带的大型房建工程深基坑使用效果更加显著，应用前景更加广阔，为今后各种类似基坑工程的设计施工提供了很好的借鉴与参考。
参考文献
（1）《钢结构设计标准》-（GB50017-2017）;
（2）《某排桩支护深基坑利用地下结构的换撑技术》，井剑，《城市建设论研究》2013 年第 03 期;
（3）《大型深基坑支护、降水工程的施工质量控制要点》，朱嘉旺、谢昊，《金陵科技学院学报》2007年第 2 期;
（4）《建筑深基坑安全支护工程换撑设计与施工》，徐卫国，《广东建材》2008 年第 07 期;
杨志军 男 汉族 河南南阳 1978年10月 本科工民建 中国一冶集团有限公司430081高级工程师
关键词：刚性支撑板带 后浇带工字钢传力装置 整体刚性体系 结构自身抵抗和传递荷载
1.前言
隨着当前我国现代建筑工程技术产品行业的不断进步和经济的飞速发展，深埋式基坑工程的施工越来越多、越来越复杂，且对基坑安全和施工持续时间的控制要求也越来越高。目前，大多数项目采用的传统深基坑支护换撑结构施工周期相对较长，换撑体系由于对基坑支护系统所传递的荷载作用过大极易造成基坑支护结构的严重破坏，从而导致深基坑的安全性受到严重威胁。本文阐述了一种新型型钢底板换撑技术的工作原理和施工方法，通过其在福建霞浦某工程淤泥质土层深基坑支护施工中的成功应用，在保证基坑安全的前提下减少成本和缩短工期效果显著，对今后类似工程的施工提供借鉴与参考。
2.工程概况
2.1建筑情况
福建霞浦某工程，总规划用地面积约26700m2，总建筑面积约57850m2;地上为2～33层的商业及住宅，地下为两层整体地下室。针对本工程施工部位的不同及基坑实际使用情况，以第20号轴线为界将本工程基坑划分为东、西两个施工区域，型钢底板换撑技术在本工程西区深基坑支护施工中进行了成功应用。西区基坑支护分为ABCDEFG段。支护过程为：按照设计规定的放坡系数对基坑▽-0.600m（自然地面）-▽-4.100m区域的土方进行开挖，边开挖边采用传统的挂网喷浆加土钉的方法进行边坡支护;采用直径1000mm、间距1600mm、长度27400mm的钢筋混凝土灌注桩对基坑▽-4.100m--▽-10.000m区域进行支护;其中ABCDE段在支护桩后侧每间隔8米另设计两根同类型的支护桩进行支护加强;EFG段采用在原有ESC支护桩内增设一排钢筋混凝土灌注桩进行支护;在▽-4.100m处设置钢筋混凝土冠梁一道且在转角部位设置小型水平支撑梁，在▽-7.700m处设置钢筋混凝土腰梁一道及大型钢筋混凝土水平支撑梁，前排每相邻两根支护桩之间设置一根直径800mm的素混凝土灌注桩进行止水和挡土。
2.2地质情况
该项目所在区域隶属于滨海冲积平原地貌类型单元，根据地勘报告所述该项目场地内的地层自上而下分为9层，详见下图：
2.3水文情况
根据本工程地勘报告，2-粘性土、3-淤泥、4-淤泥质粉土及5-淤泥，为相对隔水层。土方开挖深度内地下水类型主要为上层滞水，透水性能比较好，但水量较小，一般埋深在4.67～6.04米之间。
3.型钢底板换撑技术主要解决的重难点问题
1）工程深基坑支护系统在进行换撑时需二次施工换撑结构导致的施工周期过长;
2）工程深基坑支护系统在进行换撑时预留的二次支撑穿墙洞口及结构施工缝处极易出现渗漏;
3）工程深基坑支护系统在进行换撑时底板后浇带处荷载不能正常传递;
4）工程深基坑支护系统在进行换撑时二次换撑体系和基坑围护结构刚度不协调导致其对基坑围护结构传递的荷载过大造成止水帷幕破损出现渗漏;
4.施工工艺、体系组成与施工过程控制
4.1施工工艺
详见下图：
4.2换撑体系的组成
1）型钢底板换撑体系施工所涉及的构件有：1-水平支撑梁、2-钢筋混凝土支护桩、3-支撑板带、6-传力装置、7-底板、8-素混凝土止水围护桩等。3-支撑板带位于地下室底板外围与支护结构之间，6-传力装置分别设置于底板后浇带内和地下室外围支撑板带内。详见下图基坑底板换撑体系结构组成平面示意图及基坑底板换撑体系结构组成剖面示意图：
2）3-支撑板带由10-上下层构造抗裂钢筋网、11-工字钢端板、12-地下室底板外侧工字钢传力装置（间距1600mm）、13-底板外围支撑板带混凝土、15-支撑传力工字钢的螺纹钢马凳等构件所组成。12-地下室底板外侧工字钢传力装置安装在基坑支护结构与地下室底板之间的支撑板带内，传力装置一端顶住2-钢筋混凝土支护桩桩身，另一端穿过4-砖胎膜顶紧底板混凝土外侧面;构造钢筋网布置在支撑板带内传力装置的上、下部。传力装置安装到位并绑扎好上下两层抗裂钢筋网后及时浇筑混凝土形成支撑板带;详见下图支撑板带3组成剖面示意图。
3）6-后浇带传力装置（间距1600mm）由14-后浇带传力工字钢、11-钢端板、15-由螺纹钢筋制作的固定工字钢的马凳、7-地下室底板等部分共同组成，架设工字钢的马凳焊接于传力工字钢的底部，钢端板焊接在工字钢两端;具体详见下图后浇带传力装置6组成剖面示意图。
4）本工程型钢换撑体系的工作原理为：通过在地下室底板外围与支护结构之间设置刚性支撑板带，同时在底板后浇带内设置型钢传力装置，使整个基坑支护结构与其内侧全部地下室底板形成一个整体刚性体系，在水平支撑梁拆除后本体系将基坑内原支撑结构所承受的荷载继续均衡地向基坑四周传递，完成换撑。
4.3施工过程控制
4.3.1全部完成基坑支护结构与基坑内水平支撑梁的施工，按照设计施工方案将建筑物的土方逐层开挖到基底，完成地下室底板垫层的施工; 4.3.2分段完成地下室承台及基础底板砖胎膜的砌筑、抹灰、防水卷材的铺设粘贴及保护层等的施工;
4.3.3在地下室底板后浇带内埋设焊好端板的工字钢后分段完成全部地下室底板混凝土的浇筑;
1）后浇带内换撑工字钢受力验算
根据中南勘察设计研究院基坑支护计算书，选取西区支护系统单桩所受剪力最大的CDE段进行计算，此段前排单根支护桩所受剪力设计值为486.17KN，本工程换撑型钢采用I25a工字钢，工字钢在后浇带内的间距和钢筋混凝土支护桩间距相一致，均为1600mm。后浇带内工字钢有效埋设长度为1000mm。
（1）I25a工字钢参数为：
腹板高度ho=250mm，翼缘平均厚度t=13mm，翼缘宽b=116mm，内圆弧半径R=10mm，腹板厚度tw=8mm，截面面积A=48.5cm2，抗压能力强度设计值f=215N/mm2，回转半径：ix=101.8mm，iy=24mm;
（2）长细比：λ=μL/i，L为构件几何长度，μ为长度系数，当压杆两端固定时取0.5;
λx=1000×0.5/101.8=4.9 ，λy=1000×0.5/24=20.8;
（3）构件钢号修正系数ξk：为235与构件钢材牌号中屈服点数值比值的平方根，ξk==1.045;
（4）轴心受压构件的稳定系数：根据《钢结构设计标准》GB50017-2017中轴心受压构件截面分类表7.2.1-1的规定，I25a工字钢为轧制钢，b/h=116/250=0.464<0.8，对X轴为a类，对Y轴为b类;λx/ξk=4.9/1.045=4.69，λy/ξk=20.8/1.045=19.9，查附录D可以计算得出：该构件a类截面轴心受压构件的稳定系数ψx=0.999，b类截面轴心受压构件的稳定系数ψy=0.97，取较小值进行计算;
（5）强度验算：σ=N/A≤f，因横截面无削弱，可不用进行此验算。
（6）刚度验算：根据计算λx和λy均小于《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.4.6中受压构件的长细比的容许值150，满足要求。
（7）整体稳定验算：
N/ψA=486.17×103/（0.97×48.5×102）=103.34
翼缘部分：
b/t=116/13=8.923<（10+0.1λ）ξk=（10+0.1×4.9）×1.045=10.962，满足;
腹板部分：
ho/tw=250/8=31.25<（25+0.5λ）ξk=（25+0.5×30）×1.045=41.8，滿足;式中λ为构件两个方向之间长细比的较大数值，当λ<30时，取λ=30;当λ>100时，取λ=100;因λ=20.8<30，取λ=30;
2）在各块底板的防水保护层施工全部完成且底板底部钢筋绑扎完毕后，按在底板防水保护层上弹好的定位控制线及时安装好后浇带传力装置并将其固定牢靠，然后完成底板顶部的钢筋绑扎。后浇带两侧均应设快易收口网，防止混凝土浇筑时流入后浇带内，验收合格后分块进行结构底板混凝土的浇筑。
4.3.4完成地下室底板外围四周与基坑支护结构之间全部支撑板带的施工;
1）支撑板带内工字钢受力验算
同样选取西区支护系统单桩所受剪力最大的CDE段进行计算，此段前排单根支护桩所受剪力设计值为486.17KN，采用I25a工字钢，参数同4.3.3;工字钢在支撑板带内的布设间距和支护桩间距相一致均为1600mm，工字钢计算长度取1500mm。
（1）长细比：λ=μL/i，L为构件几何长度，μ为长度系数，按两端铰接取1.0;
λx=1500/101.8=14.73，λy=1500/24=62.5;
（2）构件钢号修正系数ξk：为235与构件钢材牌号中屈服点数值比值的平方根，ξk==1.045;
（3）轴心受压构件的稳定系数：根据《钢结构设计标准》GB50017-2017中轴心受压构件截面分类表7.2.1-1的规定，I25a工字钢为轧制钢，b/h=116/250=0.464<0.8，对X轴为a类，对Y轴为b类;
λx/ξk=14.73/1.045=14.1，λy/ξk=62.5/1.045=59.81，查阅附录 D可以计算得出：a 类截面轴心受压构件的稳定性系数 ψx =0.991，b类截面轴心受压构件的稳定系ψy=0.808，取较小值进行计算;
（4）强度验算：σ=N/A≤f，因截面无削弱，可不进行计算。
（5）刚度验算：根据计算λx和λy均小于《钢结构设计标准》GB50017-2017表7.4.6中受压构件的长细比容许值150，满足要求。
（6）整体稳定验算：
N/ψA=486.17×103/（0.808×48.5×102）=124.06
翼缘部分：
b/t=116/13=8.923<（10+0.1λ）ξk=（10+0.1×14.73）×1.045=11.99，满足;
腹板部分：
ho/tw=250/8=31.25<（25+0.5λ）ξk=（25+0.5×62.5）×1.045=58.78，满足;式中λ为构件两个方向之间长细比的较大值;当λ<30时，取λ=30;当λ>100时，取λ=100;
2）将支护桩桩身内侧与工字钢接触面处混凝土面凿平，同时将靠底板一侧安装工字钢部位的砖胎膜凿除，在对应支护桩中心线处安装焊接好端板的工字钢，工字钢与结构底板侧面和支护桩侧面尽可能的结合紧密，工字钢安装到位且上下层构造钢筋网绑扎完毕并验收合格后进行支撑板带混凝土的浇筑。 4.3.5将地下室的所有底板、后浇带型钢传力装置、地下室底板外围周边支撑板带全部施工完毕，使其共同形成一个全新而又整体的水平支撑系统，待地下室的所有底板和支撑板带混凝土达到设计强度后，便可分区逐一拆除基坑内的水平支撑梁（冠梁和腰梁除外），完成基坑支护体系的换撑转换;在进行水平支撑拆除前应先按照方案规定搭设好能够承受水平支撑梁重量的双排钢管脚手架，同时还应严格遵循方案中所规定的先后顺序进行水平支撑梁的分段、分区、对称拆除。
5.施工监测技术
5.1监测方法
1）钢筋混凝土支护桩应力应变等的监测
本工程基坑属淤泥质深厚软土基坑，采用钢筋混凝土排桩作为支护结构的主要受力单元，其受力变形状态直接影响到基坑的稳定。通过在支护桩内沿竖向布设分布式传感光纤，持续监控桩身在基坑开挖及支撑、换撑全过程中沿竖向连续产生的应力、应变等参数。本工程设计选取两个区域，每个区域选取两根桩进行监测，选择的支护桩监测区域详见下图：
支护桩及冠梁、水平支撑梁监测区域平面布置图
2）冠梁和水平支撑梁应力应变等的监测
本工程分别选用两个部位的钢筋混凝土水平支撑梁和冠梁进行监测，在每根梁内部沿梁纵向分别布设两条分布式传感光纤，监测在基坑开挖施工过程中冠梁及水平支撑梁产生的应力及变形，冠梁及水平支撑梁监测区域详见上图。
3）根据监测规范及监测方案等的相关要求，在土方开始开挖至换撑后基坑土方回填完毕期间应对基坑进行连续监测，监测频率分别为：在开挖深度小于5米时，每2天连续进行一次;在开挖深度大于等于5米时，每天至少要连续监测一次;在开挖深度大于等于10米时，2次/天;而在水平支撑梁全部拆除完毕至结构施工至±0.00且地下室外侧土方回填完毕期间的监测频率为：7天内每1天连续进行观测一次，7-14天内每2天连续进行观测一次，14-28天内每3天连续进行观测一次，28天以后每5天连续进行观测一次;当基坑土方回填工作全部完成后，观察和监控工作结束;若基坑发生危险情况，应适当增加观测和监控的频率和次数。
5.2监测实施及成果整理分析
监测系统分为三个阶段实施，具体如下：
5.2.1监测系统安装阶段
（1）监控中心建设
在埋设传输光缆之前须完成监控中心的建设工作，监控中心设在距基坑较近的现场办公室内，确保220V用电和有线网络通畅（网线接入确有困难的话，可考虑用无线传输方式，但对数据实时传输会产生不利影响）。
数据采集网布设：埋设直埋式铠装光缆，将所有监测光缆与监控中心的开关相连，光缆直埋于地下，要经常进行巡视，发现损坏后应及时恢复，重要地段埋设钢管进行保护。
（2）钢筋混凝土支护桩监测装置安装
沿支护桩钢筋笼外侧单独增设一根钢筋作为光纤铺设的辅助筋由专业监测人员进行光纤铺设。
光纤铺设：以桩顶为起点至桩钢筋笼底部处结束形成回路，光纤采用扎带与辅助筋固定，再用AB胶在绑扎带位置附近将光纤和钢筋粘结;进一步在辅助筋全长涂刷结构胶，使光纤和钢筋做到全面粘结。
将铺设有光纤的钢筋笼插入桩孔内并浇筑桩身混凝土，插入时注意控制光纤一侧钢筋笼尽可能少的碰触护壁以确保光纤安全。
（3）钢筋混凝土冠梁及水平支撑梁监测装置安装
光纤铺设方法同钢筋混凝土支護桩。
在水平支撑梁内力最大处同时埋设专门的传感器进行监测。
浇灌混凝土：对于铺设有光纤的钢筋混凝土梁按正常施工工艺要求进行混凝土浇灌，振动棒尽可能少的碰触光纤及传感器。
（4）光纤通路连接：将各区域桩、梁中的光纤通路引出，熔接光纤跳线。
5.2.2监测运行阶段数据的采集与处理
在基坑开挖及支护过程中，逐步完成各部位传感器的背景值设定工作，并对传感网络的拓扑关系进行数字化编程，确保监测系统可以远程实时获取监测数据。
在基坑开挖至基坑土方回填结束全过程中，监测系统采用botda分布式光纤传感技术对目标结构进行分布式监测，获取应力、应变、弯矩、位移等数据。监控系统定期地采集传感器的数据，再将其传输到电脑，将监测结果输入到数值模型中，由电脑进行传感器数据汇总、分析和综合处理，得到反映被测结构安全状态的结论数据，利用这些信息对地下支护空间的运动状态作出评价并及时向业主、监理等相关方提供监测报告。
5.2.3成果整理及监测结果分析
根据监测资料，分析排桩支护体系、冠梁及水平支撑梁的承载力和变形特征，整理形成相关成果。
通过对本工程支护体系完成后和型钢底板换撑后两个阶段的全方位监测、数据分析，本工程两个阶段支护体系的承载力和位移等数据均能够满足本工程基坑支护设计说明（二）第十三条第七点表2中的各监控项目所规定的容许值要求，效果良好。
6.施工质量控制技术
6.1后浇带内工字钢传力装置施工的质量控制
作为换撑用的工字钢应有出厂合格证，端头挡板的焊缝应饱满、平顺。后浇带内工字钢的埋设轴线应与支撑板带内工字钢埋设轴线相对应，工字钢安装前要先弹线进行准确定位;同时，应沿后浇带的中心线两侧等长布置，确保后浇带内工字钢两端埋入底板混凝土内的长度均为500mm;在底板厚度方向应居中布设，工字钢下部马凳要焊接牢靠，安装到位后应采用短钢筋与上下层底板钢筋网焊接牢固。混凝土浇筑前，应按照施工图对工字钢传力装置的间距和位置进行验收，合格后方可进入混凝土浇筑施工。在混凝土浇筑过程中应派专人值守，如发现工字钢出现移位、歪斜等问题应及时进行处理。
6.2支撑板带施工的质量控制
材料进场后使用前需做好抽查及复检工作，合格后方可投入使用。支撑板带内的工字钢轴线应与支护桩竖向中心线相对应，工字钢埋设在支撑板带中部;工字钢安装前要先弹线进行准确定位，确保安装位置准确;工字钢下部的马凳要焊接牢靠，相邻工字钢之间采用废旧钢筋焊接连接，确保固定牢靠不移位。将支护桩桩身内侧安装工字钢部位的泥土和松散混凝土清除干净并将桩身与工字钢接触面处凿平;工字钢靠砖胎膜一侧应将砖胎膜凿除，使工字钢与底板混凝土外侧面充分接触。外围换撑板带内工字钢的长度应逐一进行现场实测实量后精准下料。浇筑换撑板带混凝土时，应尽可能避免振动棒碰触到工字钢。支撑板带内受力钢筋的直径、间距等应严格按设计要求进行施工。 6.3混凝土及光纤施工的质量控制
所有拌制混凝土的各种原材料都必须严格地进行质量检查和复检，合格后方可投入使用。现场施工管理人员需认真地测定到场混凝土的坍落度，检查所有随车相关保证资料是否齐全;严禁任何人向混凝土搅拌车内加水;混凝土的浇筑宜连续进行，不得中断;若必须中断，则确保其间隔时间不大于混凝土的初凝时间;混凝土振捣要快插慢拔、认真仔细，确保全部振捣到位，振捣后的混凝土宜均匀、密实。同时，要加强混凝土的养护管理，确保混凝土强度满足设计要求。
埋设在砼内的光纤要顺直，尽可能少的设置接头;如有接头，接头的连接必须可靠、结实，并做好防水措施;施工过程安排专人进行旁站，做好监测光纤的保护工作，禁止正对光纤下料，混凝土振捣棒禁止碰触光纤，若发现光缆破损、断裂、脱落等情况应立即进行修复。
7.水平支撑梁的拆除方法及安环控制措施
水平支撑梁拆除前上口两侧应搭设好临时护栏，上下支撑梁处应搭设专用安全通道。梁的拆除采用金刚石绳锯无振动静力切割机（以下简称绳锯机）与液压墙锯切割机（以下简称墙锯机）相结合的方式进行。作业工人必须戴好安全帽、护目镜、口罩等劳动保护用品，绳锯机的防护罩须安装牢固且无破损，并且在切割区域外围设置防护网。非作业人员严禁进入施工区域，防止施工过程中飞溅出的粉尘及块体伤人。因现场可能会产生少量噪声，故切割施工应尽量安排在白天进行。在支撑梁切割作业过程中，现场需要专门安排喷雾除尘水管或者喷雾炮机等对其进行喷雾除尘，防止粉尘飞扬而对周边环境造成污染。支撑梁分块切割的基本操作原则：分块切割后的混凝土块体不能超出其下部钢管双排脚手架所能承受重量的最大值，混凝土块体的大小及断开位置均应综合考虑吊车的型号和起重力矩。混凝土块体必须做到捆绑结实可靠后方可进行调运作业。
所有底板及支撑板带的混凝土强度必须全部达到设计值后方可进行水平支撑梁的切割和拆除作业。支撑梁拆成过程中应密切监控基坑变形情况，发现异常应立即停止作业，查明原因后再恢复施工。
8.型钢底板换撑技术的应用效果及效益分析
型钢底板换撑技术在本工程中的成功应用，既保障了基坑安全又加快了施工速度。利用底板自身结构有效地抵抗和传递基坑支护体系的荷载，既大幅提高了功效又大幅节约了工程的施工成本，社会效益和经济效益明显，具有很高的技术研究和推广应用价值。
经工程技术人员统计，本项目采用的型钢底板换撑技术与地下室传统楼板换撑施工技术相比节约了工期约60天。由于不再另行设置换撑构件，使二次拆除工程量显著减少，噪音和粉尘污染大大降低，极大地提升了作业区域内环境的环保、卫生、安全状态。同时，本型钢底板换撑技术现已成功在中国一冶东方伟业城市广场项目、中国一冶中冶39大街项目中顺利实施，社会效益和经济效益明显;经两个项目经营部门测算，东方伟业城市广场项目深基坑型钢底板换撑分部工程造价2735万元、利润为9个百分点，中冶39大街项目深基坑型钢底板换撑分部工程造价2130万元、利润为11个百分点，两个项目共实现利润480.45万元。
9. 结论及建议
本文通过型钢底板换撑技术在福建霞浦某工程西区淤泥质土层深基坑施工中的成功运用，使“底板+支撑板带+后浇带传力装置”共同设计形成的新型深基坑型钢底板换撑方法已经成为现实，该技术成功地解决了传统深基坑支撑系统在进行换撑时由于需二次設置换撑结构而导致的施工周期过长、预留的二次支撑穿墙洞口和结构施工缝处极易出现渗漏、底板后浇带处荷载不能正常传递、二次换撑体系和基坑围护结构刚度不协调导致二次换撑结构对基坑围护结构传递的荷载过大而造成止水帷幕破损出现渗漏威胁基坑安全等技术上的难题，在确保基坑安全的同时也加快了施工速度。利用建筑结构自身抵抗和传递荷载，既提高了功效又节约了成本，同时也保证了建筑施工的质量和安全，社会效益和经济效果显著，具有很高的科学研究和推广应用价值。该项技术的设计和施工方法简单，适用范围广，特别是对底板上设置有后浇带的大型房建工程深基坑使用效果更加显著，应用前景更加广阔，为今后各种类似基坑工程的设计施工提供了很好的借鉴与参考。
参考文献
（1）《钢结构设计标准》-（GB50017-2017）;
（2）《某排桩支护深基坑利用地下结构的换撑技术》，井剑，《城市建设论研究》2013 年第 03 期;
（3）《大型深基坑支护、降水工程的施工质量控制要点》，朱嘉旺、谢昊，《金陵科技学院学报》2007年第 2 期;
（4）《建筑深基坑安全支护工程换撑设计与施工》，徐卫国，《广东建材》2008 年第 07 期;
杨志军 男 汉族 河南南阳 1978年10月 本科工民建 中国一冶集团有限公司430081高级工程师