劉鑫錦

中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司

可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)研究

劉鑫錦

中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司

可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)的研究使得鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)化發(fā)展的程度會(huì)更高，對(duì)于減少支撐系統(tǒng)鋼筋、混凝土用量，提高工作效率，降低能源消耗、減小勞動(dòng)強(qiáng)度及環(huán)境污染有著非常積極的作用，具有很大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

混凝土支撐；可重復(fù)；循環(huán)使用

1 引言

隨著人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，世界范圍內(nèi)城市化進(jìn)程不斷加快，土木工程技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。建筑業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的第一大行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的需要，在未來(lái)一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間仍然承擔(dān)著巨大的建設(shè)生產(chǎn)任務(wù)。建筑業(yè)的發(fā)展也就意味著巨大的資源消耗，作為常規(guī)耗材的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于自身的優(yōu)越性，其消耗量必然是相當(dāng)巨大的，因此在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料也逐漸成為人類(lèi)文明建設(shè)中不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，全世界每年建設(shè)需消耗約80億立方米的混凝土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，美國(guó)每年廢棄混凝土量約為0.6億立方米；德國(guó)，每年拆除的廢棄混凝土約為0.12立方米/人；在我國(guó)，每年混凝土耗用量大約20～30億立方米，廢棄的建筑垃圾約4200萬(wàn)立方米，其中34%屬于廢棄混凝土，約1428萬(wàn)立方米；若按砂石用量占鋼筋混凝土總質(zhì)量的70%來(lái)算，我國(guó)每年需要開(kāi)采約為14～21億立方米的砂石，若按海拔500米的山地進(jìn)行折算，也就相當(dāng)于我國(guó)每年約有840公頃的山地被夷平，這對(duì)資源環(huán)境的破壞是不言而喻的，如果不加限制地開(kāi)采，隨意開(kāi)采，甚至濫采濫用，這不僅會(huì)造成天然骨料短缺，且廢棄混凝土很難進(jìn)行自我消化，嚴(yán)重破壞自然環(huán)境和生態(tài)平衡。由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題也很明顯，如對(duì)耕地的占用、對(duì)景觀的破壞、粉塵對(duì)環(huán)境的污染等。進(jìn)入21世紀(jì)后，人口的不斷增長(zhǎng)對(duì)各種資源、能源的消耗量不斷增加，資源枯竭、能源危機(jī)、環(huán)境惡化等問(wèn)題愈加嚴(yán)重。如何減少、利用建筑垃圾，對(duì)其進(jìn)行資源化利用，成為當(dāng)前混凝土生產(chǎn)、使用技術(shù)的新課題和新挑戰(zhàn)。2003年7月，我國(guó)在《21世紀(jì)初可持續(xù)發(fā)展行動(dòng)綱要》中[1]明確提出“在資源保護(hù)方面，要合理使用、節(jié)約和保護(hù)水、土地、能源、森林、草地、礦產(chǎn)、海洋、氣候等資源，提高資源利用率和綜合利用水平”。因此，研究臨時(shí)鋼筋混凝土構(gòu)件的重復(fù)循環(huán)利用、提高混凝土構(gòu)件的使用壽命對(duì)于減小鋼筋、混凝土用量，降低資源、能源消耗、提高工作效率，減少混凝污染有著非常重要的意義。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要組成材料有粗骨料、細(xì)骨料（砂、石）、膠凝材料以及在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中起骨架作用的鋼筋等。長(zhǎng)期以來(lái)，砂石骨料因其來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，常被認(rèn)為是取之不盡、用之不竭的原材料，然而從某種意義上講，天然砂、石屬不可再生資源，它們的形成需要漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代?；炷两Y(jié)構(gòu)的生命周期往往只有幾十年，更有甚者作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)使用的混凝土可能只有短短的數(shù)月甚至數(shù)十天，這些臨時(shí)結(jié)構(gòu)完成其使用功能后，常常會(huì)被拆除，舊混凝土就會(huì)被廢棄。

2 工程背景

地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程中，作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土支撐在地鐵車(chē)站明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)中使用相當(dāng)普遍，然而地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工期一般為6～7個(gè)月，因此這種臨時(shí)支撐的使用壽命大部分小于6個(gè)月，部分支撐的使用壽命甚至不足2個(gè)月，即被拆除。由于鋼筋混凝土自身組成材料及其特性，其拆除過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)生的建筑垃圾易造成環(huán)境污染，尤其在其拆除過(guò)程中產(chǎn)生大量的粉塵、噪音對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人的身體健康產(chǎn)生危害，嚴(yán)重影響周邊局面的生活。迫切需要探求一種能夠既能滿足工程需要又能提高工作效率，減少資源浪費(fèi)的支撐體系。

3 設(shè)計(jì)思路

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種可重復(fù)循環(huán)使用的鋼筋混凝土支撐技術(shù)。結(jié)合地鐵明挖車(chē)站基坑支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求將本文所述可重復(fù)循環(huán)使用的支撐分為鋼筋混凝土“米”字型支撐，鋼筋混凝土對(duì)撐、斜撐。鋼筋混凝土“米”字型支撐按照不同的基坑寬度分成支撐可重復(fù)循環(huán)使用段和后澆段兩部分，可重復(fù)循環(huán)使用段又分為矩形截面可重復(fù)循環(huán)使用段及“W”形可重復(fù)循環(huán)使用段。鋼筋混凝土對(duì)撐、斜撐則根據(jù)地鐵車(chē)站基坑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)寬度將矩形截面對(duì)撐、斜撐分為數(shù)個(gè)循環(huán)使用段和后澆段。可重復(fù)循環(huán)使用段支撐在預(yù)制場(chǎng)按照基坑支護(hù)普遍性要求提前預(yù)制。預(yù)制鋼筋混凝土支撐循環(huán)使用段時(shí)考慮與后澆段連接的要求將與后澆段連接的預(yù)制段接觸面做特殊槽口處理?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)施工時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求將鋼筋混凝土支撐的可重復(fù)循環(huán)使用段現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，并預(yù)留出相應(yīng)后澆段。施工支撐后澆段（鋼筋工程、模板工程、混凝土工程），對(duì)后澆段混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行基坑開(kāi)挖。當(dāng)混凝土支撐完成使用功能，對(duì)混凝土支撐進(jìn)行拆除時(shí)，僅對(duì)支撐后澆部分的混凝土進(jìn)行拆除，將前期場(chǎng)外預(yù)制鋼筋混凝土支撐循環(huán)使用段轉(zhuǎn)運(yùn)至車(chē)站基坑不同部位或者其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)系統(tǒng)中重復(fù)循環(huán)使用，如圖1。

圖1 可重復(fù)循環(huán)使用的鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)圖

①支撐與冠梁（圍檁）后澆段，②支撐“W”形循環(huán)使用段，③支撐合攏段，④支撐矩形截面循環(huán)使用段，⑤冠梁（圍檁）。

4 實(shí)施過(guò)程

圖2 可重復(fù)循環(huán)使用的鋼筋混凝土支撐拆解圖

根據(jù)圖1所述可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)是將基坑支護(hù)工程中的混凝土支撐分為預(yù)制可重復(fù)循環(huán)使用段②、④和施工現(xiàn)場(chǎng)后澆段①、③?？芍貜?fù)循環(huán)使用段根據(jù)支撐截面形式不同又分為②支撐“W”形循環(huán)使用段及④支撐矩形截面循環(huán)使用段。可重復(fù)循環(huán)使用段在支撐工程施工之前在預(yù)制場(chǎng)按照標(biāo)準(zhǔn)件制作完成，并混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)要求。待支撐施工時(shí)把已經(jīng)預(yù)制完成的可重復(fù)循環(huán)使用段②、④在施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝到位，并預(yù)留可重復(fù)循環(huán)支撐段②、④之間的支撐合攏段以及可重復(fù)循環(huán)支撐段②、④與⑤冠梁（圍檁）的后澆段，按照可重復(fù)循環(huán)支撐段預(yù)留的鋼筋接駁系統(tǒng)施工各后澆段鋼筋、模板工程，澆筑后澆段混凝土并養(yǎng)護(hù)。依此方法施工其余混凝土支撐，待后澆段混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，重復(fù)循環(huán)上述作業(yè)過(guò)程完成基坑支護(hù)系統(tǒng)中混凝土支撐施工。當(dāng)混凝土支撐完成使用功能需要拆除時(shí)，僅對(duì)支撐后澆段和支撐合攏段部位的混凝土進(jìn)行拆除，將前期場(chǎng)外預(yù)制混凝土支撐循環(huán)使用段轉(zhuǎn)運(yùn)至基坑不同部位或者其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)系統(tǒng)中重復(fù)循環(huán)使用。

可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)中混凝土支撐可重復(fù)循環(huán)使用段制作②、④采用場(chǎng)外預(yù)制成型，為避免②、④鋼筋搭接接頭面積百分率超過(guò)規(guī)范要求和端頭部位混凝土在①、③拆除時(shí)發(fā)生破壞影響其重復(fù)循環(huán)使用，在混凝土支撐可重復(fù)循環(huán)使用段②、④制作時(shí)將其各端頭與后澆段①、③接觸斷面設(shè)計(jì)成企口狀，并在端頭預(yù)埋不小于20mm厚鋼板，在預(yù)埋鋼板上根據(jù)預(yù)制段受力鋼筋數(shù)量開(kāi)洞并在洞內(nèi)埋設(shè)鋼套筒，將預(yù)制段鋼筋與鋼套筒連接，并為后澆段和支撐合攏段鋼筋預(yù)留鋼筋接駁。在預(yù)埋鋼板非預(yù)留鋼筋接駁部位焊接一定數(shù)量的鋼筋，以增加可重復(fù)循環(huán)使用段制作②、④和后澆段①、③混凝土之間的拉接力。

可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)中混凝土支撐合攏段③長(zhǎng)度可根據(jù)混凝土支撐可重復(fù)循環(huán)使用段②、④長(zhǎng)度適當(dāng)調(diào)節(jié)，但包含混凝土支撐可重復(fù)循環(huán)使用段兩端企口在內(nèi)的混凝土支撐合攏段③長(zhǎng)度不應(yīng)小于1500mm，其中每個(gè)企口段長(zhǎng)度為500mm。后澆段鋼筋與支撐可重復(fù)循環(huán)使用段鋼筋通過(guò)企口部位鋼板預(yù)留的鋼筋接駁器相接，鋼筋數(shù)量同支撐可重復(fù)循環(huán)使用段鋼筋數(shù)量。后澆段混凝土采用與支撐可重復(fù)循環(huán)使用段同等級(jí)不收縮混凝土或者微膨脹混凝土澆筑，減小后澆段混凝土收縮對(duì)支撐造成的影響。

可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)中混凝土支撐包含混凝土“米”字形支撐，對(duì)撐及支撐桁架的可重復(fù)循環(huán)使用，其中混凝土支撐截面矩形寬度為300mm～1500mm，截面高度為400mm～3000mm。為方便鋼筋混凝土支撐的吊設(shè)，在可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐頂面預(yù)埋一定數(shù)量的吊鉤，并根據(jù)支撐循環(huán)使用次數(shù)在支撐邊角部位預(yù)埋角鋼對(duì)混凝土支撐進(jìn)行保護(hù)，增加重復(fù)循環(huán)使用數(shù)量。

可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)中混凝土支撐預(yù)制段兩端預(yù)埋鋼板上非預(yù)留鋼筋接駁部位焊接的鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑不小于18mm，梅花形布設(shè)，間距為150mm～200mm，鋼筋長(zhǎng)度不小于250mm。用于增加后澆混凝土與混凝土支撐可重復(fù)循環(huán)使用段的粘結(jié)力。

5 小結(jié)

本文提出的可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐技術(shù)解決了目前國(guó)內(nèi)地鐵明挖車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)中傳統(tǒng)鋼筋混凝土支撐現(xiàn)場(chǎng)澆筑，當(dāng)其影響車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)進(jìn)行拆除，鋼筋混凝土支撐只作為臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)一次性使用不可重復(fù)循環(huán)利用的問(wèn)題。使得鋼筋混凝土支撐可以重復(fù)循環(huán)使用，有效的減小了支撐系統(tǒng)的鋼筋混凝土用量，提高了鋼筋混凝土支撐施工的工作效率，減小了作業(yè)工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了能源消耗、環(huán)境污染等。本文所提出的技術(shù)方法在支撐開(kāi)挖面不規(guī)則需要設(shè)置桁架支撐的部位也適用，后續(xù)將加強(qiáng)可重復(fù)循環(huán)使用鋼筋混凝土支撐與重復(fù)使用混凝土或鋼立柱連接部位的研究。

[1]全國(guó)推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.中國(guó)21世紀(jì)初可持續(xù)發(fā)展行動(dòng)綱要[J].湖北省人民政府公報(bào),2003(4).