裝配式魚腹梁鋼支撐在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

畢煒，劉洪臣，邱曉明

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的加快，城市建筑建設(shè)規(guī)模不斷縮小，而建筑高度不斷增大，在高大建筑的施工處理中，深基坑作業(yè)是必然要進(jìn)行的一道分部分項(xiàng)工程，但由于深基坑作業(yè)本身存在有一定的危險(xiǎn)性，使得其在作業(yè)中的支撐支護(hù)作用就顯得極為的重要，必須要特別的關(guān)注與規(guī)范化的管理。

2 建筑深基坑支護(hù)

深基坑作業(yè)是現(xiàn)代城市建筑中進(jìn)行加固地基處理的重要工序，也是住建部發(fā)布的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程之一，其工程作用在于滿足日益增高的建筑及增加的建筑體量的地基穩(wěn)定性。但是，由于基坑本身是對(duì)于作業(yè)面土層的移除，而且部分建筑的基坑深度較深，有的甚至超過10m，這就使得邊坡位置會(huì)受到較強(qiáng)的側(cè)向壓力而使得基坑在開挖過程及開挖后的作業(yè)處理中存在著較大的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。特別是考慮到現(xiàn)代城市建筑在施工中往往周邊存在著較多的高大建筑加大了側(cè)向壓力，或者是周邊道路的正常通行帶來的間斷或不規(guī)則的力學(xué)沖擊，再或者是周邊土層內(nèi)深埋的公用綜合管廊以及公用工程管網(wǎng)也會(huì)破壞基坑周邊土層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，這些不良因素都會(huì)導(dǎo)致基坑本身的坍塌風(fēng)險(xiǎn)不斷的增加，如果沒有可靠的支護(hù)，很有可能發(fā)生各類型坍塌事故，加之深基坑作業(yè)時(shí)人員、機(jī)械較難上下，救援不便，極容易造成嚴(yán)重的人身傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，而且對(duì)于工期控制、成本控制也會(huì)帶來極為不利的影響[1-3]。

深基坑支護(hù)一般采用各類型的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件用作支撐、圍擋等對(duì)深基坑周邊土層施加一個(gè)側(cè)向力以抵消周邊土層的向內(nèi)側(cè)向力，對(duì)于基坑較淺且周邊情況良好的作業(yè)面可以簡(jiǎn)單支撐或圍堰墻阻擋的方式，但對(duì)于部分基坑深達(dá)數(shù)米甚至十幾米以及周邊地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜的作業(yè)面，深基坑支護(hù)應(yīng)利用鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)柱支撐體系并為了保障各土層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分層支護(hù)的方式。而由于深基坑支護(hù)過程中支撐體系自重、土層施加側(cè)向力均相對(duì)較大，因此對(duì)于深基坑支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠性設(shè)計(jì)、安裝、檢查就顯得極為的重要[4-5]。

3 裝配式魚腹梁鋼支撐及其應(yīng)用特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系指的是由魚腹梁、對(duì)撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角形接點(diǎn)、預(yù)壓頂緊裝置等標(biāo)準(zhǔn)部件組合并施加預(yù)應(yīng)力，形成的平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)與立體結(jié)構(gòu)體系，這套體系較為穩(wěn)定可靠，能夠極大的降低深基坑土層側(cè)向剪應(yīng)力，因此得到了很好的應(yīng)用。

魚腹梁鋼支撐是在深基坑作業(yè)時(shí)進(jìn)行支護(hù)的一個(gè)相對(duì)較新的支撐體系，其梁體整體結(jié)構(gòu)類似于魚腹形狀形成一定的弧線，相比較于其他傳統(tǒng)的支撐體系，采用魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的支撐體系能夠很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)混凝土支撐或者鋼支撐造價(jià)過高且所用材料過多、容易出現(xiàn)應(yīng)力集中等等的問題，如圖1所示為某預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系。

圖1 某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)魚腹梁鋼支撐支護(hù)體系

相對(duì)于傳統(tǒng)的混凝土支撐、鋼結(jié)構(gòu)支撐，采用魚腹梁的支撐體系在深基坑安全支護(hù)時(shí)和在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有著更為明顯的優(yōu)勢(shì)表征，具體體現(xiàn)在：采用監(jiān)測(cè)技術(shù)后期整體的安全可靠性更強(qiáng)；支撐體系的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)明顯更好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)；造價(jià)更少，工程量相對(duì)較小、施工周期短等等。

魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在設(shè)計(jì)時(shí)便在多個(gè)節(jié)點(diǎn)添加了許多用以專門提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加安全冗余度的附加結(jié)構(gòu)件，這些結(jié)構(gòu)件主要包括了立柱托架、橫梁、剪刀撐、縱橫構(gòu)件間的U型卡件等等，這些結(jié)構(gòu)件的存在使得整體結(jié)構(gòu)體系更加的穩(wěn)定，也使得整體系統(tǒng)對(duì)于周邊土層由于各類不良因素產(chǎn)生的附加載荷的抵御能力大為增強(qiáng)。如在部分城市建筑的深基坑支護(hù)中，周邊道路常有貨車等重型汽車通行，這些重載車輛通行過程中本身對(duì)土層產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)不規(guī)律的應(yīng)力沖擊，應(yīng)力沖擊在土層內(nèi)轉(zhuǎn)化成邊坡的剪應(yīng)力。不規(guī)則的剪應(yīng)力會(huì)讓傳統(tǒng)的混凝土圍擋墻體出現(xiàn)裂痕或者讓傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)支撐出現(xiàn)局部區(qū)域應(yīng)力集中的狀況，而利用添加了安全冗余結(jié)構(gòu)件的魚腹梁則可以憑借預(yù)應(yīng)力筋以及卡件、剪刀撐等的作用將這部分復(fù)雜應(yīng)力進(jìn)行消除或者減弱，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成大范圍的破壞性影響，保證其安全可靠性。

由于整體工程結(jié)構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了在線自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，使得其在正常使用中會(huì)由于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的及時(shí)有效性而更加的安全可靠，能夠?qū)χ误w系中存在或者出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對(duì)性的整改和完善。

而在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝時(shí)，由于是預(yù)先施加預(yù)應(yīng)力的作業(yè)方式使得其在作業(yè)支撐之初就對(duì)基坑邊坡及土層產(chǎn)生一個(gè)較大的壓應(yīng)力，這個(gè)壓應(yīng)力的存在會(huì)極大的削弱土層受周邊環(huán)境影響帶來的側(cè)向剪應(yīng)力，使得整體上的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，因而邊坡支撐的效果更好。

而且，由于預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系所用的連接方式一般為螺栓連接方式，因此在實(shí)際安裝過程中的安裝精度相比混凝土澆筑體系精度更高也更加方便，但要注意的是預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件的尺寸及安裝預(yù)留孔的位置應(yīng)提前設(shè)計(jì)并精準(zhǔn)把控。

除此之外，由于預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)所用的材料大多為合金材料制作而成的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件（如圖2所示為預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系所用的標(biāo)準(zhǔn)件），因此在組裝的時(shí)候可以采用裝配式施工工藝，在供應(yīng)商車間或者預(yù)制廠內(nèi)制作完成并重復(fù)利用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)區(qū)域要求相對(duì)較小，而且極大的減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量，降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)成本。同時(shí)也讓整體支撐體系支護(hù)工程的工程周期更短，所節(jié)約的人力物力資源對(duì)于控制造價(jià)有著極為明顯的提升作用，在部分項(xiàng)目上的應(yīng)用相比傳統(tǒng)的混凝土支撐體系整體造價(jià)要下降兩成左右，產(chǎn)生的效益及價(jià)值極高。

圖2 預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件

4 運(yùn)用裝配式魚腹梁鋼支撐進(jìn)行的深基坑支護(hù)

裝配式魚腹梁鋼支撐體系在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用施工流程主要包括：施工準(zhǔn)備，土方開挖，測(cè)量定位，安裝立樁柱，安裝圍檁，安裝托座、支撐橫梁，安裝角撐，安裝魚腹梁，安裝對(duì)撐，安裝傳力件，施加預(yù)應(yīng)力，支撐系統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)等等步驟。其中較為重點(diǎn)的步驟在于施工前的方案編制與計(jì)算以及整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)，以下對(duì)該兩重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。

4.1 施工前準(zhǔn)備

施工前準(zhǔn)備的主要工作在施工方案的編制與設(shè)計(jì)，施工前作業(yè)面的準(zhǔn)備以及魚腹梁鋼支撐預(yù)制件的準(zhǔn)備等等。

在施工方案的編制與設(shè)計(jì)方面，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)魚腹梁鋼支撐系統(tǒng)的形式、受力情況進(jìn)行分析、計(jì)算和選擇，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)與考量，如在設(shè)計(jì)中必須要考慮到側(cè)向土層給與的剪應(yīng)力所需要的剛度，因此需要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的基礎(chǔ)在于靜止土壓力、朗肯主動(dòng)土壓力以及被動(dòng)土壓力三個(gè)部分。在對(duì)于常見的多支點(diǎn)支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)可采用整體等值梁法進(jìn)行計(jì)算（見圖3）。

圖3 運(yùn)用整體等值梁法計(jì)算多支點(diǎn)結(jié)構(gòu)支撐力

計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先計(jì)算出基坑支撐結(jié)構(gòu)受力處的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力系數(shù)，然后計(jì)算土壓力零點(diǎn)距離基坑底部的距離，接著將支護(hù)樁按照左端懸臂中間段固定右端鉸接的連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，得出其固定端彎矩，然后利用玩具分配法平衡支點(diǎn)彎矩，接著計(jì)算出各支點(diǎn)的反力及彎矩由此便可求出支護(hù)樁的嵌固深度，最后利用最大彎矩復(fù)核支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

計(jì)算結(jié)果給出后，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)選擇恰當(dāng)?shù)聂~腹梁安裝方式并設(shè)計(jì)各結(jié)構(gòu)件的形式，在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的預(yù)制準(zhǔn)備。需要指出的是，由于魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系本身所承載的應(yīng)力相對(duì)較大，因此必須在設(shè)計(jì)之初就對(duì)各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況進(jìn)行檢驗(yàn)和核算，這些重點(diǎn)結(jié)構(gòu)點(diǎn)應(yīng)至少包括預(yù)應(yīng)力魚腹梁、圍檁、角撐（對(duì)撐）、牛腿、三角形連接件、豎向立柱等等。

4.2 在線監(jiān)測(cè)

如前所述，預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系相對(duì)于傳統(tǒng)支撐體系在應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)方面能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)監(jiān)測(cè)、即時(shí)故障診斷和報(bào)警的功能，其展示該功能的主要依托在于設(shè)置了監(jiān)測(cè)中心和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示為某項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖4 某項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用現(xiàn)場(chǎng)布置在各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如圍檁、角撐、托座等處的監(jiān)測(cè)傳感器將現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳并在計(jì)算機(jī)主機(jī)位置進(jìn)行計(jì)算和偏差分析，對(duì)于部分存在異常參數(shù)的區(qū)域進(jìn)行報(bào)警顯示，由此給現(xiàn)場(chǎng)管理人員一個(gè)極為直觀的狀態(tài)顯示依據(jù)，可以更方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)隱患排查和靶向的整改維護(hù)。

而在具體的操作方面，部分項(xiàng)目還應(yīng)用了BIM技術(shù)進(jìn)行模擬和計(jì)算，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM數(shù)據(jù)庫內(nèi)，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的表征更加動(dòng)態(tài)化、具體化、象形化，更能直觀的表達(dá)出支撐體系的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，而且能夠通過后續(xù)的進(jìn)一步模擬來分析出出現(xiàn)狀態(tài)位置的后續(xù)影響，是否會(huì)影響到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力支撐等等，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管理的輔助作用相對(duì)更好，表現(xiàn)更佳。

5 結(jié)語

在當(dāng)前的建筑施工以及其他項(xiàng)目建設(shè)中，預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在深基坑項(xiàng)目支護(hù)上的表現(xiàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)的混凝土支撐體系或者鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，其在實(shí)際上的應(yīng)用的前景是極為廣闊也是極為光明的，是值得大力推廣和深入研究的，但是，由于當(dāng)前很多項(xiàng)目上的預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系還屬于摸索階段，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力計(jì)算等方面還存在不少的短板，需要未來進(jìn)一步深入的研究和探討與優(yōu)化。