淺談IPS內(nèi)支撐體系在地下工程中的應(yīng)用

摘 要 IPS內(nèi)支撐體系是一種符合節(jié)約資源、提高經(jīng)濟(jì)效益、可持續(xù)化發(fā)展觀念的內(nèi)支撐體系。本文簡要闡述了IPS內(nèi)支撐體系的受力傳遞路徑及優(yōu)越性，并結(jié)合工程應(yīng)用案例采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測方法分析IPS內(nèi)支撐體系在工程的適用性。結(jié)果表明：IPS內(nèi)支撐通過施加預(yù)應(yīng)力的方式，充分利用自身材料強(qiáng)度，能較好地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，且具有較好的經(jīng)濟(jì)社會效益，可供相似地區(qū)的內(nèi)支撐體系設(shè)計施工提供參考。

關(guān)鍵詞 地下工程;軟土地基;整體位移;IPS內(nèi)支撐體系

引言

城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)及建筑施工技術(shù)的不斷成熟，帶動了地下空間的開發(fā)，地下工程逐步成為城鎮(zhèn)化發(fā)展的必然趨勢。目前，地下工程的開發(fā)主要應(yīng)用于沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，由于該區(qū)域的土質(zhì)較軟，含水率較高及城市周邊環(huán)境復(fù)雜多變，內(nèi)支撐體系在地下工程建設(shè)中起到不可替代的作用，同時也促進(jìn)了內(nèi)支撐施工技術(shù)的更新與完善[1]。

為了符合節(jié)約資源、高效施工、可持續(xù)化發(fā)展觀念，現(xiàn)如今，鋼支撐在地下工程內(nèi)支撐體系的應(yīng)用較為廣泛，尤其是IPS內(nèi)支撐體系的工程應(yīng)用。IPS內(nèi)支撐體系是一種由魚腹梁、對角撐、托座、圍檁等構(gòu)件通過高強(qiáng)螺栓連接而成的鋼體系，其主要是通過張拉魚腹梁的鋼絞線以及施加對角撐預(yù)應(yīng)力的方式來克服型鋼材料剛度小、變形大等缺點，從而有效控制施工中的坑外土向坑內(nèi)發(fā)生位移1。該體系綜合了傳統(tǒng)砼支撐與鋼支撐的優(yōu)點，是目前較為先進(jìn)的內(nèi)支撐技術(shù)，使得施工中安全性提高。

1IPS內(nèi)支撐體系的受力傳遞及優(yōu)越性

1.1 IPS內(nèi)支撐體系的受力傳遞

IPS內(nèi)支撐體系的水平荷載傳遞主要通過圍檁將支撐反力傳遞至圍護(hù)結(jié)構(gòu)2，因此，對鋼圍檁的剛度和強(qiáng)度要求較高，一般采用中部設(shè)置肋板的雙拼或多拼型鋼來抵抗坑外土向坑內(nèi)的水平位移，如圖1所示。

1.2 IPS內(nèi)支撐體系的優(yōu)越性

（1）安全可靠 IPS內(nèi)支撐體系的材料主要是H型鋼，H型鋼在壓彎荷載作用下的破壞預(yù)兆較為明顯，在施工中可隨時調(diào)整H型鋼的預(yù)加力，從而提高內(nèi)支撐整體的穩(wěn)定性。

（2）施工便利 IPS內(nèi)支撐體系中的構(gòu)件均采用工具式可裝拆的標(biāo)準(zhǔn)部件，標(biāo)準(zhǔn)部件可循環(huán)重復(fù)使用，并采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，架設(shè)和拆除支撐較為方便，且施工挖土空間較為開闊，與傳統(tǒng)支撐相比，能大大縮短支撐施工工期，降低施工成本。

（3）動態(tài)化數(shù)據(jù)IPS內(nèi)支撐體系安設(shè)了先進(jìn)的數(shù)據(jù)化監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)的采集處理和三維模型的運(yùn)用，共同實現(xiàn)施工的現(xiàn)實化，隨時反映施工現(xiàn)場各構(gòu)件的變形情況，方便建設(shè)三方了解工程的施工進(jìn)度和安全狀態(tài)，進(jìn)一步確定內(nèi)支撐的整體穩(wěn)定性。

2應(yīng)用案例

2.1 工程概況

某商業(yè)二期項目位于浙江省海寧市中心，主體結(jié)構(gòu)為3層地下室，基坑支護(hù)總長度約579m，基坑的施工范圍面積約為14000mm2，北側(cè)和西側(cè)為市政道路，地下市政管線較為密集;南側(cè)鄰近六層賓館;東側(cè)鄰近一期商業(yè)廣場。本工程施工范圍的土層以軟土層系為主，施工范圍內(nèi)土層具體參數(shù)如表1。場地的地下水主要為淺層土中的潛水，水位穩(wěn)定埋深為1.5m，坑內(nèi)采用明排的方式降水。施工場地的整平相對標(biāo)高為-0.800m，普遍區(qū)域底板面標(biāo)高為-12.650m，底板厚1000mm，墊層厚150mm，基坑普遍區(qū)域的挖深為13.0m，綜合考慮主樓結(jié)構(gòu)的外墻邊設(shè)置若干集水井，集水井施工區(qū)域的挖深約為14.5m[2]。

2.2 IPS支撐體系設(shè)計

本工程原設(shè)計為兩道混凝土支撐，采用順作法進(jìn)行施工，考慮到混凝土支撐的施工養(yǎng)護(hù)時間較長、拆除速度較慢等缺陷，為了縮短施工工期，確保工程安全質(zhì)量，考慮到施工位置處于市中心區(qū)域，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，現(xiàn)采用IPS內(nèi)支撐作為水平支撐，圍護(hù)采用原設(shè)計Φ1000@1200mm灌注樁。內(nèi)支撐形式如圖2所示。

根據(jù)施工的形狀及周邊荷載的水平作用，該體系采用10組魚腹梁和6組對撐組成，其余部分均設(shè)置角撐，每組對撐由4根型鋼H350×350×12×19連接，每組角撐由4根型鋼H350×350×12×19或者2根型鋼H350×350×12×19連接。構(gòu)件在安裝時，按圍檁、角撐、魚腹梁和對撐依次架設(shè)內(nèi)支撐體系，待一個區(qū)域體系架設(shè)完成后施加預(yù)加力，構(gòu)件在拆除前需待該區(qū)域的換撐部分達(dá)到一定的設(shè)計強(qiáng)度方可按逆序拆除。

2.3 圍護(hù)樁的側(cè)向位移監(jiān)測

在工程的開挖過程中，坑邊共設(shè)置27個點對圍護(hù)樁的側(cè)向位移進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖3所示，現(xiàn)取基坑?xùn)|側(cè)體系對監(jiān)測點CX3側(cè)向位移進(jìn)行分析。

圖4為基坑開挖過程中側(cè)向位移的監(jiān)測曲線，根據(jù)曲線可以看出， 2020年3月12日，即基坑開挖到第一道支撐工作面時，累計最大位移值為0.68mm; 2020年3月20日，即基坑架設(shè)第一道支撐完成時，累計最大位移值為1.04mm;2020年4月20日即基坑開挖到第二道支撐工作面時，累計最大位移值為6.46mm; 2020年5月21日，即基坑架設(shè)第二道支撐完成時，累計最大位移值為15.64mm;2020年7月3日，即基坑開挖到坑底標(biāo)高時，累計最大位移值為24.06mm，未達(dá)到工程預(yù)警值，滿足規(guī)范的側(cè)向位移要求，且最大位移位于魚腹梁的作用區(qū)域，這是由于基坑的形狀并非水平直線，在對角撐施加預(yù)應(yīng)力后，對撐的合力會對這邊的三角件產(chǎn)生偏心距，使魚腹梁區(qū)域圍檁的受側(cè)向分力增大，減小了這側(cè)對坑外土的抵抗力，且根據(jù)周邊環(huán)境，基坑周邊為市政道路，使得基坑周邊荷載增加，增加了基坑該位置的水平位移[3]。

2.4 周邊管線位移監(jiān)測

在基坑開挖過程中，對市政道路進(jìn)行了監(jiān)測，共計9個點，監(jiān)測點布置如圖所示，對每個點分別進(jìn)行測試，現(xiàn)取周邊管線位移監(jiān)測點G6進(jìn)行分析。

根據(jù)監(jiān)測報告顯示，2020年3月20日，即基坑架設(shè)第一道支撐完成時，累計位移值0.64mm;2020年4月20日，即基坑開挖到第二道支撐工作面時，累計位移值為3.07mm;2020年5月21日，即基坑架設(shè)第二道支撐完成時，累計位移值為4.17mm;2020年7月3日，即基坑開挖到坑底標(biāo)高時，累計最大位移值6.14mm。在施工期間市政道路和所有的市政管線變形位移較小，未達(dá)到工程預(yù)警值，這說明了IPS內(nèi)支撐體系的施工對周邊管線的影響較小，起到保護(hù)作用。

3基于MIDAS GTS/NX內(nèi)支撐有限元分析

為了有限元分析結(jié)果應(yīng)盡量與現(xiàn)場實際情況相一致，應(yīng)按照土方開挖深度、魚腹梁、對撐和角撐安裝順序分工況進(jìn)行模擬。本次選用MIDAS GTS/ NX有限元分析軟件[4]。

3.1 支撐有限元模型

有限元模型中的鋼絞線采用僅受拉桿單元，由于魚腹梁中的三角件剛度較大，與單根H型鋼相比，可考慮成一平面板，故大三角件采用平面板單元。其余構(gòu)件根據(jù)實際的受力原理，采用相應(yīng)的模型單元。計算模型如圖6所示。

3.2 荷載及邊界條件

由于模型主要承受由周邊土體位移及基坑開挖深度引起的水平荷載，而豎向荷載主要是支撐構(gòu)件的自重，可忽略不計，可將對支撐的水平約束作用簡化為水平荷載直接施加于模型的圍檁。

3.3 基坑有限元結(jié)果分析

根據(jù)圖7可以看出，通過對對角撐施加預(yù)加力和張拉鋼絞線，可以將內(nèi)支撐體系的綜合位移控制在20mm左右，且最大位移和最大軸力位于魚腹梁的作用中心區(qū)域，根據(jù)壓彎構(gòu)件材料強(qiáng)度的計算公式，圍檁的應(yīng)力最大值為278MPa（≤295MPa），滿足規(guī)范要求。

3.4 有限元結(jié)果與實際工程對比分析

綜合上述情況，有限元計算出的最大位移與現(xiàn)場實測的位移相差不到5%，在現(xiàn)場施工前，可對基坑的整體變形進(jìn)行有限元模擬，方便在施工中加強(qiáng)那區(qū)域的監(jiān)測[5]。

4結(jié)束語

（1）IPS內(nèi)支撐體系可以在施工前采用 MIDAS GTS/ NX 軟件進(jìn)行有限元分析了解工程的最大位移情況，計算結(jié)果表明支護(hù)體系最大位移在允許可控范圍內(nèi)，且與實際的最大位移相差不到5%。

（2）IPS內(nèi)支撐體系在實際施工中可在開挖階段能夠多次施加預(yù)加力，對變形進(jìn)行動態(tài)控制，使施工場地始終處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）內(nèi)支撐體系是一項綜合性課題，地下工程在施工時影響因素較多，且各個區(qū)域的地質(zhì)條件差異性較大，在施工時應(yīng)加強(qiáng)對工程的監(jiān)測，做好各項動態(tài)工作，確保工程及周邊環(huán)境的整體安全，可供相似地區(qū)的內(nèi)支撐體系設(shè)計施工提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張衡.裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐對深基坑變形的控制技術(shù)與方法研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2014.

[2] 李建清.預(yù)應(yīng)力魚腹梁受力機(jī)理及設(shè)計方法分析研究[J].山西建筑，2014（18）：91-93.

[3] 孫軍，楊泓斌，蓋守超，等.基于預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐技術(shù)的裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝[P].中國：CN109252526A，2019-1-22.

[4] 劉發(fā)前，盧永成.裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的利與弊[J].城市道橋與防洪，2013（7）：117-118，125.

[5] 劉國斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：101.

作者簡介

許鑫東（1994-），男，江蘇南通人;現(xiàn)就職單位：上海強(qiáng)勁地基工程股份有限公司，研究方向：巖土。