超長裝配式H型鋼支撐在深基坑工程中的設(shè)計應(yīng)用

付守印 （南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210004）

0 前言

基坑支撐材料主要有混凝土及鋼和混凝土的組合形式[1]。

現(xiàn)澆混凝土支撐由于其剛度大，整體性好，可以采取靈活的布置方式適用于不同形狀的基坑，施工質(zhì)量相對容易得到保證，所以使用面較廣。但是混凝土支撐在現(xiàn)場需要較長的制作和養(yǎng)護時間，制作后不能立即發(fā)揮支撐作用；拆除混凝土支撐的工作量大、粉塵污染嚴(yán)重、振動大、噪聲大，且材料不能重復(fù)使用，不滿足目前綠色施工的要求。

鋼支撐具有自重輕、安裝和拆除方便、施工速度快、可以重復(fù)使用和安裝后能立即發(fā)揮支撐作用等優(yōu)點。鋼支撐根據(jù)截面形式的不同可細(xì)分為鋼管支撐和型鋼支撐等。鋼管支撐為單向支撐，整體性差，施工精度難控制，主要用于狹長形狀基坑，國內(nèi)公認(rèn)鋼管支撐的適用范圍為跨度≤40的形狀規(guī)則基坑[2]。

裝配式型鋼支撐將多根型鋼組合成為一道支撐，并且所有節(jié)點均采用高強螺栓連接，工期更短，鋼材壽命更長[3～4]，有效地解決了鋼管支撐的主要問題。本文結(jié)合工程實例，論述了超長裝配式型鋼支撐在深基坑工程中設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南京國際博覽中心三期項目位于南京市建鄴區(qū)，南側(cè)為江山大街、東側(cè)為江東中路、西側(cè)為燕山路、北側(cè)為金沙江西街，包括3棟130m高層建筑，2個展廳建筑，設(shè)2層地下室?；A(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，工程樁均采用鉆孔灌注樁。本工程塔樓區(qū)域基坑開挖深度11.55m，其余區(qū)域基坑開挖深度10.05m～10.45m?；有螤顬?40m×164m平行四邊形，基坑周長為1215m，面積為73280m2?；峪B瞰照片如圖1所示，目前基坑內(nèi)支撐體系已全部拆除，地下室已完成。

圖1 基坑鳥瞰照片

1.2 周邊環(huán)境概況

本基坑工程周邊環(huán)境較復(fù)雜，基坑北側(cè)、西側(cè)臨近市政道路，道路下分布有多條市政管線，包括給水、燃?xì)狻㈦娏?、電信、雨水、污水等管線；基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)臨近河道，基坑支護結(jié)構(gòu)邊線與河道間最小距離12.8m。

1.3 工程地質(zhì)概況

工程場地位于南京市河西地區(qū)，其地貌單元為長江漫灘。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，地層起伏較大，基坑開挖深度影響范圍內(nèi)的土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主，該土層呈流塑狀態(tài)且壓縮性大，流變性、觸變性明顯，受擾動后土體強度極易降低，基坑開挖后易出現(xiàn)較大變形。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1、2所示。

土層物理指標(biāo) 表1

土層的力學(xué)指標(biāo) 表2

2 基坑支護設(shè)計

2.1 總體設(shè)計方案

本工程基坑規(guī)模巨大，空間效應(yīng)、時間效應(yīng)顯著。通過對各方案的經(jīng)濟性、工期等對比分析，本工程采用水平支撐順作法方案，豎向擋土結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁。為便于土方開挖及地下室主體結(jié)構(gòu)施工，結(jié)合南京地區(qū)類似基坑工程的實踐經(jīng)驗，本工程豎向設(shè)置一層水平支撐系統(tǒng)。

2.2 周邊支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)條件和基坑變形控制要求，支護樁選用直徑900mm～1200mm鉆孔灌注樁，綜合基坑整體穩(wěn)定性、嵌固穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性確定支護樁嵌固深度，按照樁身彎矩包絡(luò)圖對支護樁進行分段配筋，以節(jié)省造價?；又ёo結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖

2.3 水平支撐體系設(shè)計

本工程基坑面積大，基坑呈平行四邊形，尺寸為164m×440m，采用十字對撐＋角撐方案，如圖3所示。對撐＋角撐方案可實現(xiàn)分段流水施工，即在對撐達到設(shè)計強度的情況下，提前進行主樓區(qū)域土方開挖；該方案支撐在水平向和豎向上避開3棟塔樓的豎向墻柱及水平梁板結(jié)構(gòu)，可以在不拆除支撐的情況下，進行塔樓地上主體結(jié)構(gòu)的施工。結(jié)合棧橋布置，可滿足基坑土方開挖和主樓的混凝土澆筑施工。

圖3 鋼筋混凝土支撐平面布置圖

為滿足建設(shè)單位對基坑綠色施工的要求，將西側(cè)一組鋼筋混凝土對撐調(diào)整為3榀裝配式型鋼支撐如圖4所示，并將部分混凝土棧橋板調(diào)整為裝配式覆工板。

圖4 裝配式型鋼支撐+鋼筋混凝土支撐平面布置圖

3 超長型鋼支撐存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

本工程基坑面積大，支撐長度長，鋼支撐在本工程的應(yīng)用中存在以下問題。

①超長型鋼支撐的穩(wěn)定性?！督ㄖ又ёo技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）[5]中要求鋼支撐受壓桿件的長細(xì)比不應(yīng)大于150。本工程水平長度達到164m，長度已超出常規(guī)鋼支撐應(yīng)用范疇。超長裝配式型鋼支撐的穩(wěn)定性直接影響到基坑的穩(wěn)定性。

②不同支撐形式的變形協(xié)調(diào)。水平支撐同時采用型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐兩種不同形式，兩種材料的支撐剛度、壓縮變形相差較大，如何保證不同支撐處基坑變形的協(xié)調(diào)是本工程的難點。

4 超長型鋼支撐關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案

4.1 超長型鋼支撐的穩(wěn)定性控制

型鋼支撐長度長，單根型鋼支撐的長細(xì)比無法滿足規(guī)范要求。為提高型鋼構(gòu)件的截面慣性矩，降低支撐的長細(xì)比，本次設(shè)計采用雙層雙拼組合H型鋼截面，如圖5所示，H型鋼支撐之間采用H型鋼相連，組合構(gòu)件的長細(xì)比控制在80以內(nèi)。采取雙層組合截面，可增大支撐水平間距，便于土方開挖。

圖5 雙層雙拼組合H型鋼截面圖

4.2 支撐剛度與變形協(xié)調(diào)

本工程支撐采用鋼筋混凝土和裝配式H型鋼兩種不同形式支撐進行組合，為協(xié)調(diào)支撐及圍護結(jié)構(gòu)的變形，本工程采取以下措施：

①在構(gòu)件強度、穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求的前提下，通過調(diào)整支撐剛度和預(yù)加軸力反復(fù)試算迭代，使得型鋼支撐軸力與鋼筋混凝土支撐圈梁處水平位移接近；

②型鋼支撐長度達到164m，基坑土方開挖過程中，鋼支撐易出現(xiàn)支撐軸力損失、基坑變形加劇等問題，設(shè)計采取軸力自動伺服應(yīng)力補償系統(tǒng)，即在鋼支撐上設(shè)置可實時施加預(yù)應(yīng)力的軸力自動補償裝置，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，預(yù)應(yīng)力可實時施加，能有效地控制型鋼支撐段支護結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土支撐段支護結(jié)構(gòu)的變形。

5 結(jié)語

以南京國際博覽中心三期項目基坑工程為背景，介紹了超長裝配式型鋼支撐的設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案。本項目實踐表明，通過調(diào)整裝配式H型鋼的組合截面和軸力自動伺服應(yīng)力補償系統(tǒng)，可有效控制型鋼支撐的穩(wěn)定性及基坑的變形。裝配式型鋼支撐是一種模塊化拼裝、可便捷拆卸的裝配式新型內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式，具有安裝拆卸速度快、無需養(yǎng)護、可重復(fù)使用、綠色無污染的優(yōu)點，符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能高效、綠色環(huán)保的建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展理念，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。