魚腹梁鋼支撐在基坑工程中的實(shí)踐與分析

易振華

（上海高準(zhǔn)巖土工程有限公司，上海 200030）

0 引言

近年來(lái)，全國(guó)地下空間開發(fā)如火如荼，地鐵、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)和地下綜合管廊等各類地下工程建設(shè)層出不窮。地下空間的開發(fā)勢(shì)必會(huì)引起周邊道路、管線及建（構(gòu)）筑的變形，從而產(chǎn)生較大的影響，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和鋼管撐支護(hù)可以很好地控制這些變形，但是傳統(tǒng)的支護(hù)方式也帶來(lái)基坑開挖面不夠、工作空間狹小以及經(jīng)濟(jì)效果差等不利條件，為此工程界研發(fā)出預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐。預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)是通過對(duì)魚腹梁弦上的鋼絞線、對(duì)撐、角撐施加預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑邊坡支護(hù)變形的控制，形成一個(gè)可重復(fù)安裝、拆卸和回收的預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)[1-3]，但是預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)針對(duì)形狀復(fù)雜的基坑也存在支撐受力不平衡等問題[4]，本文介紹一種新型的基坑支護(hù)型式，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐技術(shù)[5-8]。該種新型的鋼支撐技術(shù)基于預(yù)應(yīng)力原理，通過鋼構(gòu)件的組合拼裝，能有效控制基坑變形，實(shí)踐證明是一種穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系。

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)高木橋路北，孫橋路東側(cè)地塊內(nèi)，基坑總面積約為12584 m2，總延長(zhǎng)米約為614 m，基坑整體呈“L”形?；悠毡殚_挖深度為9.15 m。基坑?xùn)|側(cè)紅線外為橫沔港路，該側(cè)基坑邊線到道路邊線的距離約為5.3 m；南側(cè)紅線外為高木橋路，該側(cè)基坑邊線到道路邊線約為13.5 m；西側(cè)紅線外為孫橋路，西側(cè)基坑邊線到道路邊線約為15.3 m；北側(cè)紅線外為橫沔港路，北側(cè)基坑邊線距離該側(cè)道路邊線約為11.5 m?；优c周邊環(huán)境關(guān)系見圖1。

圖1 環(huán)境總平面圖

1.2 工程地質(zhì)概況

本工程地基土主要由表層①1雜填土、②灰黃色黏土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土和⑤灰色黏土等組成。

本工程地下水分為潛水和承壓水，其中潛水穩(wěn)定水位埋深1.2～1.5 m。承壓水（第I 承壓水）賦存于⑦層土中，本場(chǎng)地內(nèi)⑦層層頂最淺45.4 m，基坑開挖深度約9 m，承壓水含水層頂面與基坑底面之間的隔水層厚度大，不會(huì)引起基坑突涌。

不良地質(zhì)條件：場(chǎng)地內(nèi)有較大面積的暗浜分布，在暗浜內(nèi)，上部約1.20～3.60 m 厚為①1雜填土，組成成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、均勻性差；暗浜底部存在約0.3～0.9 m 厚的①2層浜土，富含有機(jī)質(zhì)、腐殖物；該兩層土質(zhì)極差，為本場(chǎng)區(qū)不良地質(zhì)條件。

場(chǎng)地土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

2 基坑設(shè)計(jì)選型

根據(jù)本地區(qū)的同類型基坑的工程經(jīng)驗(yàn)，此類基坑一般需要采用板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐的圍護(hù)體系，常用的板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)有型鋼水泥攪拌墻、鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕、地下連續(xù)墻、咬合樁；常用的支撐體系有鋼筋混凝土支撐或鋼支撐。

2.1 結(jié)構(gòu)體系選型

圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用SMW 工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻[9]、咬合樁等形式。

SMW 工法樁：該圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響小，防滲性能好，適應(yīng)土層范圍廣；且型鋼能夠回收重復(fù)利用，綠色環(huán)保，施工進(jìn)度快，適合工期較短的基坑?？紤]本工程基坑施工周期較長(zhǎng)，型鋼租賃期較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性不高。

鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕：該圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工工藝成熟、剛度大、可以有效控制基坑變形等優(yōu)點(diǎn)，是本地區(qū)傳統(tǒng)的基坑圍護(hù)形式。但考慮到灌注樁施工時(shí)，采用泥漿護(hù)壁工藝產(chǎn)生的廢棄泥漿，對(duì)周邊環(huán)境有一定的影響。

地下連續(xù)墻：該圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大，止水效果好，施工工藝成熟，安全度很高，施工風(fēng)險(xiǎn)小，占用空間也較小。但支護(hù)造價(jià)高，適用于基坑挖深較深、環(huán)境保護(hù)要求較高的深大基坑工程。故地下連續(xù)墻不適用于本工程基坑。

咬合樁：該圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁和分離式水泥土攪拌樁組合而成。分離式水泥土攪拌樁施工時(shí)將三軸水泥土攪拌樁機(jī)的中鉆桿拆除，即可施工出分離式水泥土攪拌樁。

咬合樁的排列見圖2，先施工分離式水泥土攪拌樁A，后在水泥土攪拌樁間施工灌注樁B。

圖2 咬合樁平面示意圖（單位：mm）

施工順序?yàn)椋篈1→A2→B1→A3→B2→A4→B3→A5→B4。

該工藝具有灌注樁的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)擋土與止水合二為一，節(jié)約成本；但對(duì)施工工藝的要求較高。

綜合以上支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)等方面考慮，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)建議選擇咬合樁的形式。

2.2 支撐體系選型

根據(jù)本工程挖深、周邊環(huán)境情況及工程經(jīng)驗(yàn)，擬設(shè)兩道內(nèi)支撐，臨時(shí)內(nèi)支撐體系可選擇為鋼筋混凝土支撐或鋼支撐。

鋼筋混凝土支撐：鋼筋混凝土支撐體系能夠有效控制基坑頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減小基坑頂部位移，有利于對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)。另外鋼筋混凝土支撐對(duì)于各種形狀的基坑均適用，支撐桿件布置靈活，剛度大，穩(wěn)定性高。但基坑施工后期拆撐難度大，會(huì)造成大量的廢棄混凝土，拆撐若采用機(jī)械鑿除或爆破工藝，會(huì)造成較大的噪音污染和安全隱患，若采用切割拆除工藝，則造價(jià)相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)性不佳?？紤]到本工程基坑面積較大，采用混凝土支撐時(shí)，需設(shè)置基坑施工的棧橋，其造價(jià)較高，故本工程不建議采用混凝土支撐體系。

鋼支撐：鋼支撐體系按照鋼材種類可分為鋼管支撐和裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐。

其中鋼管支撐應(yīng)用較為普遍，施工快捷方便，拆除方便。但鋼管長(zhǎng)度相對(duì)過長(zhǎng)時(shí)，其剛度、穩(wěn)定性均無(wú)法有效保證，故鋼管支撐適用于跨度相對(duì)較小的基坑。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐是一種新型深基坑支護(hù)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，它由高強(qiáng)低松弛的鋼絞線作為上弦結(jié)構(gòu)、H 型鋼作為受力梁，與長(zhǎng)短不一的H 型鋼梁等組成，采用對(duì)撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角鍵節(jié)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，形成平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)與立面結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的鋼支撐相比，極大地提高了支撐系統(tǒng)的整體剛度和穩(wěn)定性。主要優(yōu)點(diǎn)為：①型鋼回收率在95%以上，綠色環(huán)保；②通過施加預(yù)應(yīng)力有效地控制基坑的變形；③通過預(yù)應(yīng)力形成大空間，方便挖土；④整體剛度大、穩(wěn)定性高。

缺點(diǎn)為對(duì)工藝的要求較高。

綜合本工程周邊環(huán)境情況、基坑深度及水文地質(zhì)情況，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-61-2018）[10]，確定本工程基坑安全等級(jí)和環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為二級(jí)。

本工程基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案為：咬合樁+裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系。

3 基坑實(shí)施方案

3.1 圍護(hù)體系

基坑普遍區(qū)域挖深9.15 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ850@1200 灌注樁和 φ850@1200 水泥土攪拌樁組合。其中灌注樁樁長(zhǎng)21.0 m，咬合樁樁長(zhǎng)14.6 m。普遍區(qū)域基坑典型剖面見圖3。

圖3 基坑典型剖面示意圖（單位：m、mm）

3.2 支撐體系

本工程基坑設(shè)置兩道水平向支撐，均為預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐。

鋼支撐采用H350×350×12×19 型鋼，圍檁第一道采用兩拼H400×400×13×21 型鋼+一拼鋼筋混凝土的組合圍檁，局部采用一拼H400×400×13×21 型鋼+一拼鋼筋混凝土的組合圍檁；圍檁第二道采用三拼H400×400×13×21 型鋼組合圍檁，局部采用兩拼H400×400×13×21 型鋼的組合圍檁；立柱采用350×350×10/350×350×6 方鋼管，內(nèi)部灌C30 素混凝土，鋼支撐布置圖見圖4，魚腹梁典型組件見圖5。

圖4 支撐平面布置圖

圖5 魚腹梁組件圖

3.3 構(gòu)件安裝及張拉技術(shù)要求

立柱安裝前應(yīng)檢查并調(diào)整托架、托座與托梁的標(biāo)高，其允許偏差應(yīng)為±5 mm。支撐施加預(yù)應(yīng)力前，托梁與支撐桿件間應(yīng)通過U 型卡進(jìn)行連接，待預(yù)應(yīng)力施加完成后，再對(duì)托梁和支撐桿件進(jìn)行螺栓連接。鋼絞線與錨盤孔應(yīng)先編號(hào)后安裝，魚腹梁預(yù)應(yīng)力施加時(shí)，應(yīng)先張拉橋架底部和錨具頂部的鋼絞線，后張拉橋架頂部和錨具底部的鋼絞線[11]。

支撐結(jié)構(gòu)安裝完畢并經(jīng)質(zhì)量自檢合格后方可施加預(yù)應(yīng)力；千斤頂?shù)膲毫?yīng)分級(jí)施加，施加每級(jí)壓力后宜保持壓力穩(wěn)定10 min 后再施加下一級(jí)壓力；預(yù)壓力加至設(shè)計(jì)規(guī)定值后，應(yīng)在壓力穩(wěn)定10 min 后，方可按設(shè)計(jì)預(yù)壓力值進(jìn)行鎖定；預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐在使用過程中應(yīng)進(jìn)行支撐和鋼絞線拉力的施工監(jiān)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)復(fù)加預(yù)應(yīng)力[11]。

3.4 基坑加固

本工程基坑坑底位于④層流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)黏土層中，對(duì)于坑內(nèi)落差大于1.5 m 的局部深坑采用φ700@500 雙軸攪拌樁進(jìn)行加固，其中集水井深1.5～1.8 m 加固樁長(zhǎng)為4.0 m，集水井深2.9 m 加固樁長(zhǎng)為7.0 m，并設(shè)置壓密注漿封底。另外基坑被動(dòng)區(qū)加固樁長(zhǎng)為4 m。

3.5 降水系統(tǒng)

本工程基坑采用真空管井降水。整個(gè)基坑共布置真空管井60 口，深井成孔直徑650 mm，長(zhǎng)度16 m。管井設(shè)置雙濾管，以坑底為分界，坑底以上為濾管長(zhǎng)度3.5 m，坑底以下濾管長(zhǎng)度4.0 m，保證基坑開挖過程及主體結(jié)構(gòu)施工期間對(duì)基坑內(nèi)水位的要求。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本工程四周道路分布有雨水管、信息管、電力管、上水管、電信管和污水管，基坑施工過程針對(duì)周邊管線及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全方位信息化監(jiān)測(cè)。

（1）針對(duì)基坑周邊管線，共布置了53 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最不利工況，即基坑開挖至基底時(shí)，管線豎向沉降平均約為15～18 mm，水平位移平均約為7～9 mm，基坑施工完成后，地下管線沒有出現(xiàn)破損和泄漏等情況。

（2）圍護(hù)樁樁頂共設(shè)置26 個(gè)水平和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。豎向位移累計(jì)抬升30～45 mm，水平位移為45～55 mm，樁頂位移均超出報(bào)警值，但周邊環(huán)境均在安全控制范圍。

（3）基坑外側(cè)共布置了13 個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水位累計(jì)變化基本在450～800 mm，均未超出報(bào)警值，基坑也未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水質(zhì)量較好。

（4）基坑共設(shè)置36 個(gè)支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鋼支撐軸力約為850～1350 kN 范圍內(nèi)，均未超出報(bào)警值。（5）為更好地在基坑開挖施工全過程對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系的受力做更深入精準(zhǔn)的分析，特采用MIDAS/GTS 大型有限元軟件進(jìn)行有限元計(jì)算[12]?；诱w位移計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 基坑整體位移圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，通過對(duì)裝配式鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，可以將基坑最大位移控制在27 mm 之內(nèi)。位移最大值為26.2 mm，位于基坑?xùn)|側(cè)陽(yáng)角位置處，滿足基坑變形的要求。

支護(hù)結(jié)構(gòu)總的位移分布情況是：魚腹梁中部位置處圍檁的位移較小，魚腹梁端部與角撐接頭附近位移稍大，邊桁架位置處的位移偏大。

根據(jù)深基坑計(jì)算軟件“啟明星”計(jì)算結(jié)果，如圖7所示，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)普遍區(qū)域深層樁身位移最大變形約為24.8 mm，基本與MIDAS/GTS 有限元計(jì)算結(jié)果相符。

圖7 圍護(hù)樁變形計(jì)算值

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，基坑沿圍護(hù)樁邊線共設(shè)置16 個(gè)深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑開挖施工全過程，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁身位移為30～35 mm，局部最大約為45 mm，樁身最大變形處位于8.5～9.5 m 處，即位于坑底位置附近（見圖8）。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果比理論計(jì)算值和有限元計(jì)算分析值稍微偏大，這是由于理論計(jì)算時(shí)，坑底加固樁對(duì)圍護(hù)樁變形控制效果較好，而實(shí)際施工時(shí)，坑內(nèi)加固樁實(shí)施效果不甚理想，再附加其他各種不利因素，造成實(shí)際施工與理論計(jì)算有稍許偏差，但基坑總體在可控范圍內(nèi)。

圖8 圍護(hù)樁變形實(shí)際監(jiān)測(cè)值

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系施工現(xiàn)場(chǎng)見圖9。

圖9 裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系現(xiàn)場(chǎng)施工圖

5 結(jié)論

本文介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在超大深大基坑工程的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在軟土地區(qū)深大基坑工程中實(shí)施效果良好，理論計(jì)算、有限元計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果大體吻合。在保證了基坑安全的同時(shí)，為業(yè)主節(jié)約造價(jià)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在基坑施工完成后進(jìn)行回收，相比鋼筋混凝土支撐體系，減少了約200萬(wàn)資源浪費(fèi)，同時(shí)大大減少了鋼筋混凝土支撐拆除的廢砼處理。在國(guó)家目前倡導(dǎo)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的大背景下，該種鋼支撐體系可為同類基坑工程提供參考。