預應力魚腹式鋼支撐在復雜周邊環(huán)境深基坑中的應用

華小龍

近年來綠色環(huán)保受到越來越多關注，各級政府及建筑行業(yè)協(xié)會大力推動綠色施工技術的發(fā)展。預應力魚腹式鋼支撐系統(tǒng)（Innovative Prestressed Suport）簡稱IPS，是基于預應力的原理，開發(fā)出的一種新型的綠色深基坑內支撐結構體系。它是由魚腹梁（高強低松弛的鋼絞線、H 型鋼圍檁、H 型鋼支撐桿等組成）、對撐、角撐、立柱、托梁、三角型節(jié)點組成[1]。

相對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土支撐，IPS 主要是通過施加預應力來控制基坑位移，而不是增加支撐的剛度。大量工程實例表明施加預應力使得支撐體系形成一個較大的表觀剛度，控制基坑變形，這個變形控制是主動的，在基坑土方開挖之前施加相應的預應力能夠起到自我檢查的作用。

本文以無錫某基坑工程為背景，對預應力魚腹式鋼支撐在復雜周邊環(huán)境中的應用進行研究分析。

1.工程概況

本工程位于無錫市新吳區(qū)，統(tǒng)設滿堂兩層地下室，基坑總周長約844m，開挖面積約26944m2，基坑開挖深度8.45m～9.10m。

2.工程地質條件

工程場地位于無錫市新吳區(qū)，場地地貌屬于長江三角洲沖、洪積平原。根據(jù)地勘報告顯示，基坑影響范圍內各土層的物理力學參數(shù)指標見表1。

表1 土層主要物理力學參數(shù)

表2 各安全系數(shù)計算結果

地下水的主要為潛水和微承壓水，潛水主要賦存與淺層粘性土中，富水性差，以地面蒸發(fā)為主要排泄方式。微承壓水主要賦存于第③層粘質粉土、第④-1層粉砂中，富水性良好，主要補給來源為側向逕流和河水補給，排泄主要以側向逕流方式排出區(qū)外。

3.基坑周邊環(huán)境

本工程基坑周邊環(huán)境較為復雜，基坑北側為春城家園一期安置房小區(qū)（已建，淺基礎），到圍護邊線的最近距離為6.8m；基坑東側為江南加油站（已建），儲油罐到圍護邊線的最近距離為7.6m；基坑南側存在一Φ300 熱力管線（鐵質，埋深約2.0m），到圍護邊線的最近距離為3.8m。

4.基坑支護體系

4.1 豎向圍護體系

本工程基坑豎向圍護采用Φ800@1000 灌注樁+Φ850@1200 三軸水泥土攪拌樁，灌注樁有效樁長L=20.5m，插入坑底以下12.9m，插入比1:1.4。

4.2 水平支撐體系

本工程水平向設置一道預應力魚腹式鋼支撐。該支撐體系由16 個魚腹梁（SS-38m）、6 組對撐及11 組角撐組成。魚腹梁鋼圍檁采用H400×400×13×21（Q235b），對/ 角撐采用H350×350×12×19（Q235b），鋼絞線采用Φ15.2低松弛無粘結鋼絞線（強度1860 級）。

5.計算結果

5.1 計算條件

本工程剖面計算采用同濟啟明星深基坑支護分析與計算軟件FRWS7.2 進行計算，土層的各項參數(shù)指標見表1。

水平支撐體系采用MADIS/GTS-NX有限元分析軟件進行計算，嚴格按照原型尺寸進行建模，其中圍檁、腹桿采用梁單元，型鋼對撐、型鋼角撐、斜腹桿采用桿單元，鋼絞線采用僅受拉桿單元，三角鍵、鋼筋混凝土板采用平面板單元。

周邊建筑物及管線的位移計算采用PLAXIS8.5 有限元軟件進行計算，采用二維對稱模型，基坑開挖區(qū)域長度為20m，為實際基坑寬度的1/2?？油馔翆訉挾劝创笥趯嶋H開挖深度的3 倍選取，取30m。模型的深度按大于實際開挖深度的2 倍選取，取30m。模型中圍護樁采用梁單元，鋼支撐采用桁架單元，土層采用強化土模型。

5.2 支護結構剖面計算結果

選取本工程一個典型剖面，圍護結構的變形及內力、整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆以及抗?jié)B流驗算結果見表2。

圖1 位移圖

圖2 桿件軸力圖

圖3 圍檁彎矩圖

圖4 圍檁軸力圖

由圖1 可知，水平支撐體系的最大位移為11.3mm，位于基坑東側兩個魚腹梁（SS-38m）處，位移總體分布情況為：魚腹梁中間區(qū)域大，兩端對/角撐處小，主要原因：魚腹梁自身的剛度較小，而對/角撐的剛度較大，在同等預應力、相同坑外土壓力的前提下，剛度小的位置變形大。

由圖2～4 可知，在整個支撐體系中，鋼絞線受拉，鋼支撐受壓，圍檁承受壓彎或拉彎的組合內力。圍檁彎矩最大值位于在八字撐中間位置，軸力最大值分布于八字撐中間及魚腹梁三角件與第一跨斜腹桿中間位置。

根據(jù)《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）對鋼支撐及鋼圍檁的強度及穩(wěn)定性進行驗算，結果如下：

（1）支撐強度及穩(wěn)定性驗算

鋼支撐受到的最大軸Nmax=1895kN，驗算結果如下：

①強度驗算

② 穩(wěn)定性驗算

（2）圍檁強度及穩(wěn)定性驗算

鋼圍檁處的最大彎矩Mmax=709kN·m，最大軸力Nmax=5488kN。驗算結果如下：

①組合強度驗算

② 穩(wěn)定性驗算

5.3 周邊建筑物及管線的位移計算結果

周邊建筑物及管線的位移計算結果如圖8～9 所示。

（1）周邊建筑物沉降

圖5 基坑開挖后周邊建筑物變形

由圖5 可知，基坑開挖到底后，建筑物的最大沉降為11.2mm，圍護結構的最大變形為12.2mm，位于坑底以上1.5m處。

（2）周邊管線變形

圖6 基坑開挖后周邊管線變形

由圖6 可知，基坑開挖到底后，管線的位移為10.7mm，圍護結構的最大變形為13.5mm，位于坑底以上2.0m 處。

6.監(jiān)測結果

6.1 施工工況

圖8 管線沉降圖

本工程自2019 年7 月5 日起進行土方開挖，至 2019 年12 月28 日底板施工完成。建筑物沉降監(jiān)測、管線沉降監(jiān)測，如圖10～12 所示。

6.2 監(jiān)測結果及分析

圖7 為基坑北側一棟居民樓的沉降監(jiān)測，最大沉降點位J6 號點。沉降量為8.1mm，較有限元計算（11.2mm）要小。

7.結語

（1）在復雜周邊環(huán)境的基坑中，采用預應力魚腹式支撐體系，能夠較好地控制變形。

（2）預應力魚腹式鋼支撐體系是一個“小剛度大預應力”的支撐體系，其控制變形的關鍵是預應力而非剛度。

（3）針對周邊環(huán)境較為復雜的基坑，采用預應力魚腹式鋼支撐體系，施工安全便利，且綠色環(huán)保，能夠帶來較高的經濟效益和社會效益。