基坑工程完全可回收支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

葛新鵬

(上海廣大基礎(chǔ)工程有限公司,上海 201114)

基坑工程是地下空間領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工程,隨著基坑規(guī)模越來越大、開挖深度越來越深,基坑支護結(jié)構(gòu)工程造價在地下空間工程土建總價中的占比也越來越大。但在過去的很長一段時間,受傳統(tǒng)基坑支護技術(shù)的限制,主要以臨時性支護結(jié)構(gòu)為主,大部分構(gòu)件在基坑工程完成后即廢棄,產(chǎn)生大量固體廢棄物,存在著資源浪費、能耗高、污染大等問題。因此,推動基坑工程的綠色環(huán)保、節(jié)能降耗支護技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用意義重大[1-3]。

隨著支護技術(shù)水平和施工裝備的發(fā)展,一系列綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的基坑支護技術(shù)應(yīng)運而生,主要包括兩種可持續(xù)發(fā)展理念,一是將支護結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合,如“樁墻合一”“兩墻合一”“逆作法(利用結(jié)構(gòu)樓板作為水平支撐)”等;二是利用可回收的臨時支護結(jié)構(gòu),如型鋼預(yù)應(yīng)力攪拌墻、鋼支撐、可回收式預(yù)應(yīng)力錨索等。其中裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐技術(shù)融合了組合鋼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力原理,可以用于更大規(guī)模、挖深和基坑工程,基坑實施完成后,型鋼支撐構(gòu)件可實現(xiàn)拆卸回收、循環(huán)利用,是一種新型的、技術(shù)先進的、綠色環(huán)保的支撐結(jié)構(gòu)。

對該技術(shù)的成功推廣應(yīng)用需要對裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐在基坑開挖過程中的受力變形特性有清晰的認(rèn)識,已有學(xué)者開展了部分的研究。胡菲[4]以杭州地區(qū)最具代表性的某基坑工程為算例,采用連續(xù)梁法計算支撐內(nèi)力,確定支撐計算長度、立柱設(shè)計、對撐設(shè)計,根據(jù)內(nèi)力和基坑跨度大小采用STS軟件設(shè)計出一套標(biāo)準(zhǔn)化通用格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,對今后的工程計算起到一定的借鑒作用。李瑛等[5]結(jié)合杭州某基坑工程案例,介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐的方案,闡述了其基本構(gòu)造和力學(xué)原則,但未深入探討具體的設(shè)計計算方法和變形、受力及穩(wěn)定性特性。趙媛[6]依托蘇武公寓改擴建項目基坑工程,通過數(shù)值模擬研究了預(yù)應(yīng)力型鋼組合內(nèi)支撐體系的承載及變形特性,并通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比驗證了數(shù)值模擬研究方法適用于預(yù)應(yīng)力組合型鋼工程的研究。胡琦等[7]在支撐跨度較大、土質(zhì)較差的杭州城西某工程對預(yù)應(yīng)力組合型鋼支撐進行多組支撐加壓、觀測試驗,發(fā)現(xiàn)其實際剛度略小于理論剛度,預(yù)應(yīng)力鎖定值是影響基坑變形的關(guān)鍵因素?？偟膩碚f現(xiàn)階段對于預(yù)應(yīng)力作用下組合鋼支撐的變形受力特性研究較少,現(xiàn)有文獻大部分主要側(cè)重在裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐的總體方案介紹和基坑實施效果上,而對于主要的設(shè)計、計算方法和變形、受力及穩(wěn)定性特性、設(shè)計構(gòu)造要點等關(guān)鍵技術(shù)問題卻缺乏深入、系統(tǒng)的研究與分析。本文以常州汽車電子和照明研發(fā)中心項目為背景,采用“型鋼水泥土攪拌墻”+“一道裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐”的完全可回收支護結(jié)構(gòu)技術(shù),并針對可回收的裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐體系的受力及變形特性進行了研究及分析。

1 背景工程概況

1.1 基坑概況

常州汽車電子和照明研發(fā)中心項目由4棟10層商務(wù)辦公樓主樓及3棟裙房組成,整體設(shè)置2層地下室。基坑面積17 000 m2,基坑平面總體呈近矩形,南北向跨度約113 m,東西向跨度148 m～160 m,北側(cè)略窄,周邊延長約530 m,普遍承臺區(qū)域開挖深度約為10 m。

1.2 環(huán)境概況

背景工程周邊環(huán)境如圖1所示,基坑北側(cè)的漢江路及東側(cè)的秦嶺路均臨近市政道路,道路下方埋設(shè)有大量市政管線,管線與圍護結(jié)構(gòu)最近距離約為18.6 m?；幽蟼?cè)15 m寬的長溝河河道,與圍護結(jié)構(gòu)最近距離約為15.2 m。基地東南角及西南角均存在一層的變配電間,與圍護結(jié)構(gòu)最近距離分別為3.4 m和9.1 m。該變配電間為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),天然基礎(chǔ),變配電間抗不均勻沉降能力差。

1.3 地質(zhì)概況

本項目場地淺層土層分別為①填土、③2黏土、③3粉質(zhì)黏土、⑤1粉砂夾粉土、⑤2粉砂,土層主要參數(shù)指標(biāo)見表1。基坑開挖深度范圍內(nèi)分布有較厚的粉土粉砂層,⑤1粉砂夾粉土及⑤2粉砂層易影響圍護體成墻質(zhì)量和隔水性能。基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時須結(jié)合地區(qū)承壓水層處理經(jīng)驗,將承壓水降壓對周邊環(huán)境的影響控制在許可范圍。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)綜合成果表

2 基坑支護設(shè)計方案

根據(jù)基坑開挖深度、面積和周邊環(huán)境保護要求,并注重支護結(jié)構(gòu)的綠色節(jié)能,背景工程在總體采用順作法實施的基礎(chǔ)上,基坑周邊普遍采用淺層放坡、型鋼水泥土攪拌墻作為圍護體,內(nèi)設(shè)一道裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐。

2.1 型鋼水泥土攪拌墻圍護設(shè)計

背景工程普遍承臺區(qū)域挖深約為10 m,基坑周邊淺層普遍采用卸土放坡、放坡高度約2.0 m,坡度為1∶1.5,圍護結(jié)構(gòu)采用型鋼水泥土攪拌墻(見圖2),水泥土攪拌樁采用φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁(套接一孔法),型鋼采用H700×300×13×24,南側(cè)、東側(cè)和西側(cè)采用插二跳一布置,北側(cè)、西南角和東南角環(huán)境保護要求較高,采用密插布置,鋼材強度等級為Q235B。型鋼插入基底以下約10.25 m。地下結(jié)構(gòu)施工完成后對水泥土攪拌墻中的型鋼全部進行拔除回收。

2.2 裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐體系設(shè)計

背景工程基坑?xùn)|西向最大寬度148 m～160 m,南北跨度約113 m,呈相對規(guī)則的長方形,基坑面積大但形狀規(guī)則,具備布置預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐的有利條件。與常規(guī)的臨時鋼筋混凝土支撐相比,具有如下優(yōu)勢：1)施工速度快,無需養(yǎng)護,且無支撐面積大(約60%),可節(jié)省養(yǎng)護時間和加快土方挖運速度,可節(jié)省工期約1個月。2)經(jīng)濟性好,水平型鋼組合支撐和豎向型鋼支承體系相比鋼筋混凝土支撐和格構(gòu)柱插灌注樁的支護體系節(jié)省工程造價約160萬元。裝配式支撐全部型鋼回收再利用,縮短了基坑圍護的施工時間,節(jié)省建設(shè)資金的占用,使用可以循環(huán)周轉(zhuǎn)的鋼結(jié)構(gòu)定型材料,大大節(jié)約了圍護結(jié)構(gòu)的投入。

裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐由水平支撐系統(tǒng)和豎向支承系統(tǒng)組成,其平面布置如圖3所示。其中水平支撐系統(tǒng)包括對撐、角撐、八字撐及周邊圍檁體系,由型鋼標(biāo)準(zhǔn)件、蓋板、連桿、預(yù)應(yīng)力裝置、三角傳力件、連接件等通過螺栓組合拼裝而成,采用H350×350×12×19型鋼,單層,普遍為3肢～4肢,肢距1 m,基坑中部長對撐總長約93 m,最外皮角撐長度約80 m。立柱托梁間距約8 m～10 m,蓋板間距約4 m;其中豎向支承系統(tǒng)包括鋼立柱、托梁、牛腿托架及連接件等,通過立柱和托梁所形成的門架結(jié)構(gòu)對水平支撐梁進行豎向支托,采用H300×300×10×15型鋼立柱和H300×300×10×15型鋼托梁。型鋼立柱插入基底下約10 m,結(jié)合場地地質(zhì)特點、圍護結(jié)構(gòu)計算和周邊環(huán)境保護要求,本項目豎向設(shè)置一道裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐,并采用淺層放坡的落底設(shè)計(見圖2),以減少基坑開挖階段圍護體變形。多根型鋼支撐組合連接如圖4所示,型鋼立柱與水平支撐連接見圖5。

3 型鋼組合支撐受力及變形性狀研究

3.1 受力及變形計算分析

3.1.1 計算模型

以背景工程為依托,針對裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐體系的受力及變形性狀這一關(guān)鍵問題進行了分析及研究。借助通用商業(yè)有限元軟件,通過三維數(shù)值分析的方法,建立較精細(xì)化的組合鋼支撐體系三維模型,如圖6所示。在有限元軟件中,對于不同類型的構(gòu)件采用各自對應(yīng)的計算單元,鋼支撐連接板采用二維板單元,壓頂梁、鋼支撐、橫梁和立柱等結(jié)構(gòu)采用梁單元進行模擬。

計算模型施加的鋼支撐預(yù)應(yīng)力如圖7所示,角撐區(qū)域,每道型鋼施加400 kN～500 kN的預(yù)加力;對撐區(qū)域,每道型鋼施加600 kN的預(yù)加力。

模型施加約束如圖6所示。對壓頂梁施加豎向約束模擬圍護樁對其的支承作用,施加水平荷載模擬土壓力,添加水平彈簧模擬抗力。立柱底部設(shè)為固定端。

水平荷載由圍護剖面計算求得的支撐反力確定,鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力對應(yīng)的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值如圖8所示,為189.8 kN/m。經(jīng)換算,水平荷載設(shè)計值為238 kN/m。

3.1.2 支撐體系變形分析

圖9和圖10分別為支撐施加預(yù)加力以及基坑開挖到底后變形圖。計算分析結(jié)果顯示,支撐架設(shè)完成施加預(yù)應(yīng)力后壓頂梁總體產(chǎn)生向坑外的變形,跨中大、角部小,最大值發(fā)生在各側(cè)的跨中,約為10 mm;開挖至基底后,壓頂梁產(chǎn)生朝向基坑內(nèi)的變形增量,受時空效應(yīng)影響,跨中及角部增量基本接近,南北兩側(cè)跨中最大增量約18 mm,東西兩側(cè)跨中最大增量約15 mm。開挖到基底后的總位移分布呈跨中小、角部大。

3.1.3 支撐體系軸力分析

圖11是基坑開挖到底后支撐軸力云圖。三維數(shù)值計算分析結(jié)果顯示,壓頂梁所受的軸力明顯大于其他支撐桿件。四個角點角撐軸力及中部大對撐軸力基本相當(dāng),約為800 kN～900 kN,其中最外皮跨度較長的角撐軸力略小,約為600 kN～700 kN。

圖12是開挖到基底啟明星BSC軟件計算得到的支撐軸力圖。其中有一個計算條件需加以說明：BSC計算軟件無法考慮施加預(yù)應(yīng)力,無法考慮蓋板及連桿等作用。對比三維數(shù)值支撐軸力云圖及BSC計算結(jié)果,兩者軸力分布規(guī)律基本相同,能相對準(zhǔn)確描述組合鋼支撐整體的受力特性。

圖13,圖14分別為中部大對撐的關(guān)鍵支撐桿件轉(zhuǎn)換節(jié)點處構(gòu)件的軸力和應(yīng)力分布情況。三維數(shù)值計算分析結(jié)果顯示,施加預(yù)應(yīng)力后,最大應(yīng)力位置發(fā)生在桿件位置處,為30.6 MPa?；娱_挖到底后,最大應(yīng)力位置發(fā)生在中間的型鋼桿件上,為104 MPa,單根型鋼支撐傳遞圍壓,軸力較大。三角件板單元的應(yīng)力分布較均勻,避免了應(yīng)力集中等問題。從軸力圖中可以看出,施加預(yù)應(yīng)力后,支撐的最大軸力為295 kN,發(fā)生在對撐位置和圖中靠右側(cè)的八字撐位置?；娱_挖完成后,軸力最大位置發(fā)生在連接壓頂梁和三角件的單根型鋼支撐中,軸力通過八字撐傳遞到的中間長對撐上,以及右邊的八字撐兩邊型鋼桿件上,為1 429 kN。組合鋼支撐兩側(cè)的型鋼受力大于中間的型鋼。圍壓通過八字撐傳遞到三角件上,三角件的剛度足夠大,可把力均勻地傳遞給長對撐桿件。整體傳力性能良好,沒有應(yīng)力突變的情況發(fā)生。

基于支撐體系受力計算結(jié)果及軸力分布規(guī)律,對型鋼組合支撐體系的設(shè)計進行了指導(dǎo),并采取了如下針對性技術(shù)措施：1)普遍角撐為3肢,四周角撐最外皮的大跨度角撐加強至4肢;2)型鋼支撐除頂面設(shè)置蓋板外,板面及板底雙面布置連桿(Ⅰ32b槽鋼)進行整體性加強;3)最外皮角撐與相鄰角撐增加型鋼連梁形成側(cè)向約束,型鋼連梁與每根型鋼支撐通過螺栓加強連接。

3.2 實測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 支撐體系變形實測數(shù)據(jù)及規(guī)律

背景工程開挖至基底時,普遍區(qū)域壓頂梁變形實測數(shù)據(jù)約為25 mm,西南角和東南角采用型鋼密插區(qū)域的壓頂梁變形實測數(shù)據(jù)約為20 mm。而北側(cè)中部同樣圍護體加強區(qū)域的壓頂梁變形實測數(shù)據(jù)約為26 mm,這與該位置在開挖前期設(shè)置了下坑土坡道,施工超載較大且頻繁作業(yè)有關(guān)。圖15是對比有限元計算、BSC計算、現(xiàn)場監(jiān)測得到的基坑開挖后壓頂梁變形情況圖。在土壓力作用下,支撐體系的變形規(guī)律基本相同。然而背景工程實測數(shù)據(jù)與未施加預(yù)應(yīng)力的情況更為接近,這與多方面的原因有關(guān),一方面因型鋼組合支撐為分段螺栓連接,在跨度較大的情況下,因連接節(jié)點較多,可能存在預(yù)應(yīng)力喪失的情況,另一方面由于土方開挖過程中的時空效應(yīng)和土體的蠕變特性,實際的變形一定程度上大于理論計算值。

3.2.2 支撐體系受力實測數(shù)據(jù)及規(guī)律

圖16是開挖到基底支撐體系實測軸力圖。整個支撐體系受力較為均勻,角撐及中部大對撐實測軸力均約850 kN～950 kN。數(shù)值模擬得到的軸力和實測軸力大小及規(guī)律基本相似,因此數(shù)值模擬是研究預(yù)應(yīng)力組合鋼支撐受力變形特性的可靠方法。然而啟明星BSC計算軸力結(jié)果和實測軸力數(shù)據(jù)有一定的差異性,這與多方面的原因有關(guān),一方面啟明星BSC計算軟件無法考慮施加預(yù)應(yīng)力,無考慮蓋板及連桿等作用,計算條件與實際狀態(tài)有所不同。另一方面在跨度較大的情況下,因連接節(jié)點較多存在預(yù)應(yīng)力喪失或折減的情況。

4 工程實施效果

本項目由于僅設(shè)置一道支撐,且采用裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐,開敞面積大,加快了土方挖運,基坑工程施工工期大大縮短。本工程從基坑開挖至地下室結(jié)構(gòu)澆筑完成僅用6個月時間。圖17為基坑實施期間的實景照片。

本項目采用型鋼水泥土攪拌墻板式支護,開挖至基底土體水平位移最大值在30 mm以內(nèi),裝配式預(yù)應(yīng)力鋼支撐能夠有效控制圍護結(jié)構(gòu)水平變形,實施效果良好。結(jié)合地區(qū)承壓水層針處理經(jīng)驗本項目采用懸掛式止水,其降水對周邊環(huán)境的影響亦在可控范圍。

監(jiān)測結(jié)果表明,基坑開挖期間周邊鄰近變配電間最大沉降約8 mm。周邊管線最大沉降約13.4 mm?；娱_挖引起圍護體和周邊環(huán)境變形均在可控范圍之內(nèi),有效地保護了周邊建(構(gòu))筑物及道路下的市政管線。

5 結(jié)語

本文以常州汽車電子和照明研發(fā)中心項目為背景,介紹了該項目的設(shè)計和實施情況?；訉嵤┍砻?開挖期間圍護體未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,圍護體水平位移最大值在30 mm以內(nèi),裝配式預(yù)應(yīng)力鋼支撐能夠有效控制圍護結(jié)構(gòu)水平變形,實施效果良好?；又苓吔ㄖ?、河道和市政管線等變形均滿足保護要求。結(jié)合本項目特點,周邊圍護體采用型鋼水泥土攪拌墻,坑內(nèi)設(shè)置一道裝配式預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐,均為可回收支護形式,全部鋼材的回收重復(fù)利用率達到了98%,具有較好的社會經(jīng)濟效益,也進一步推動基坑工程的綠色、節(jié)能降耗技術(shù)發(fā)展。