新型綠色基坑支撐技術(shù)研究及設(shè)計實例
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王壽生，張銀屏，王明卓
(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院，上海200125)
摘要：傳統(tǒng)基坑T程一般采用鋼筋混凝土支撐和傳統(tǒng)鋼支撐支護方式。近年來隨著綠色基坑的推廣，預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)( IPS，Innovative Pre-stressed Support)逐漸進入人們的視野。文章從不同角度將魚腹梁支撐與傳統(tǒng)支撐技術(shù)的特點進行對比剖析，并存實際工程中予以應(yīng)用探索。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)能夠有效地控制基坑周邊環(huán)境的變形，準(zhǔn)確掌握工期，提供更大的施工作業(yè)空問，具有極大的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性，鑒于良好的應(yīng)用效果和市場競爭力，將會在未來的基坑丁程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：基坑工程；綠色基坑；預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐
中圖分類號：TU473 文章編號：1004-4655( 2016) 03-0082-03
傳統(tǒng)基坑工程支撐方式主要包括鋼筋混凝土支撐和傳統(tǒng)鋼支撐。傳統(tǒng)支撐方式一般能滿足工程需要，但存在一定局限性。例如鋼筋混凝土支撐需養(yǎng)護工期長，且材料廢棄量大，拆除產(chǎn)生噪聲和污染。同時，傳統(tǒng)鋼支撐的剛度較小、穩(wěn)定性差，安全性及變形控制效果較低。
近年來隨著基坑工程技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)( IPS，Innovative Pre-stressedSupport)逐漸進入工程界。預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)（以下簡稱魚腹梁支撐）相較于傳統(tǒng)支撐技術(shù)具有多方面優(yōu)勢。本文從不同角度將魚腹梁支撐與傳統(tǒng)支撐技術(shù)進行對比剖析，在實際工程中予以應(yīng)用探索。
1基坑支撐形式對比
實際工程中鋼筋混凝土支撐、傳統(tǒng)鋼支撐和魚腹梁支撐因其各自特點適用于不同的具體環(huán)境。下面將從3種支撐形式的安全性、環(huán)境影響、工程造價、施工難度和工期等方面進行綜合對比。
1.1鋼筋混凝土支撐
鋼筋混凝土支撐由現(xiàn)場支模澆筑，包含鋼筋工程、模板工程、混凝土澆筑和養(yǎng)護等多項步驟。
優(yōu)點：鋼筋混凝土支撐的剛度大，整體性好；布置形式靈活，適應(yīng)性強。
缺點：支撐被動壓縮，導(dǎo)致變形量大且無法調(diào)控；由于混凝土需要進行養(yǎng)護，達到設(shè)計強度后才能發(fā)揮作用，且支撐拆除歷時較長，導(dǎo)致整體工期較長；混凝土支撐拆除需要進行爆破，導(dǎo)致一定的噪聲，且拆除產(chǎn)生大量建筑廢料，對環(huán)境造成較大影響；混凝土支撐在澆筑過程中因軟土變形呈下彎曲弧形結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響支撐對變形和內(nèi)力的控制；由于混凝土自重較大，要求立柱有較大插入深度，經(jīng)濟性較差；支撐將基坑空問分割成小塊，不利于開挖和結(jié)構(gòu)施工。
1.2傳統(tǒng)鋼支撐
傳統(tǒng)鋼支撐分為鋼管支撐和型鋼支撐。
優(yōu)點：鋼支撐架設(shè)和拆除速度快，不需養(yǎng)護立即發(fā)揮支撐作用；由于鋼材自重小，立柱插入深度小，工程造價低；部分鋼支撐能夠施加預(yù)應(yīng)力，對基坑位移控制有利。
缺點：支撐剛度小，為控制基坑變形勢必造成支撐間距小，導(dǎo)致挖土空間小，增加機械設(shè)備的施工難度；傳統(tǒng)鋼支撐通過預(yù)埋件和豎向圍護共同受力，連接部位采用拼裝焊接的方式，因此支撐整體性差，節(jié)點復(fù)雜，安全度較低；支撐活絡(luò)頭的松動、多道鋼支撐預(yù)應(yīng)力附加以及基坑換撐的作用，都會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力消散，對基坑變形控制非常不利。
1.3預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐
預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐由鋼桁架和預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，通過張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線預(yù)先起拱，加大支撐剛度、減小支撐最終受力和位移。
優(yōu)點：魚腹梁支撐減少大量立柱和支撐，節(jié)省造價，留出更大的施工操作空間，方便基坑開挖；魚腹梁支撐是裝配式的，除少量非標(biāo)準(zhǔn)件，其余構(gòu)件現(xiàn)場拼裝，相比于鋼筋混凝土支撐縮短工期；魚腹梁支撐通過施加預(yù)應(yīng)力，大幅提高支撐剛度，控制周邊環(huán)境變形；魚腹梁支撐的主要構(gòu)件在工程結(jié)束后可回收重復(fù)利用，符合綠色環(huán)保政策。
缺點：預(yù)應(yīng)力技術(shù)對施工安裝技術(shù)要求高；對施工拼接過程中安裝精度要求較為嚴(yán)格；基坑工程中采用的非標(biāo)準(zhǔn)件，需要提前安排加工。
1.4 3種支撐形式綜合對比
在安全可靠性方面，鋼筋混凝土支撐澆筑后存在體積收縮和徐變導(dǎo)致澆筑誤差大，產(chǎn)生不均勻受力；鋼管支撐的橫向約束困難，導(dǎo)致其穩(wěn)定性差；魚腹梁支撐采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，安全性相對較高。
在經(jīng)濟性方面，傳統(tǒng)鋼支撐布置密集，需要大量立柱和支撐，導(dǎo)致較高成本；傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐材料用量大，不能重復(fù)使用，拆除產(chǎn)生費用，造價較高；魚腹梁支撐效率最高，可以重復(fù)利用，經(jīng)濟性好。
在工期和施工便利性方面，鋼筋混凝土支撐現(xiàn)場澆筑、養(yǎng)護和拆除占用大量時間，導(dǎo)致施工工期長；鋼筋混凝土和傳統(tǒng)鋼支撐將基坑的平面分割成小塊，坑內(nèi)挖運土不便，對工期造成影響；魚腹梁支撐則避免上述缺點。
1.5預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐適用場合
為有效避免基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，魚腹梁支撐最適用于大跨度結(jié)構(gòu)的超大基坑，特別是對作業(yè)空間要求較高、對周邊變形控制要求較高以及對環(huán)保要求較高的基坑。傳統(tǒng)基坑與魚腹梁基坑對比見圖1。
2預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐設(shè)計關(guān)鍵問題
預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐體系的構(gòu)成見圖2，包含魚腹梁系統(tǒng)、對撐系統(tǒng)和立柱系統(tǒng)等，主要包含鋼絞線設(shè)計、對撐設(shè)計、魚腹梁腹桿設(shè)計以及立柱的設(shè)計。
2.1鋼絞線設(shè)計
魚腹梁支撐體系的核心是預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)計。魚腹梁支撐結(jié)構(gòu)體系及受力關(guān)系較為復(fù)雜，分析中作2條假設(shè)：
1)圍檁承受外部土壓力和魚腹梁的預(yù)應(yīng)力；
2)對撐僅承受魚腹梁傳遞的壓力。
通過假設(shè)計算鋼絞線整體預(yù)應(yīng)力，確定鋼絞線整體預(yù)應(yīng)力后，根據(jù)單根鋼絞線抗拉強度設(shè)計值，考慮強度折減系數(shù)、超張拉系數(shù)確定魚腹梁支撐的鋼絞線根數(shù)及預(yù)應(yīng)力。
2.2對撐設(shè)計
魚腹梁支撐桿件采用H型鋼、鋼管、工字鋼等。在魚腹梁支撐體系中，對撐需要承受圍護樁發(fā)生位移的預(yù)應(yīng)力，保證圍護樁產(chǎn)生向坑外的位移，確�；幼冃文軌虻玫接行Э刂�。對撐剛度太低，將會造成魚腹梁預(yù)應(yīng)力損失，變形控制效果差。
2.3魚腹梁桿件設(shè)計
魚腹梁桿件體系包括直腹桿、斜腹桿和上弦桿（見圖3）。根據(jù)受力特性，直腹桿按照壓彎桿件進行設(shè)計計算，斜腹桿和上弦桿按軸向受力桿件進行設(shè)計，桿件之間連接按照鉸接考慮。桿件需滿足強度、剛度和穩(wěn)定性方面的要求。
2.4立柱設(shè)計
魚腹梁支撐體系需在魚腹梁下設(shè)置立柱�？紤] 到預(yù)應(yīng)力施加過程中魚腹梁結(jié)構(gòu)的變形，為保證預(yù)應(yīng)力施加效果，立柱應(yīng)盡量保證對稱設(shè)計。
3工程實例
結(jié)合某大型交通樞紐綜合體地下空間基坑工程實例，對深基坑新型支撐技術(shù)的設(shè)計和應(yīng)用進行分析。
3.1工程概況
某大型交通樞紐綜合體地下空間基坑由三部分組成，包括東側(cè)深基坑、西側(cè)淺基坑和出人口基坑，遵 循“分塊開挖、深淺有別、前后有序”的設(shè)計思路，首先東側(cè)深基坑的施工。東側(cè)深基坑尺寸為376.8 m×53.5/41 m，基坑面積約為18 446 m2，開挖深度約為15 m�；庸こ膛R近既有高架道路樁基以及軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)，環(huán)境保護要求等級較高。
基坑開挖深度范圍內(nèi)土層主要為硬殼層黏土及流塑、高壓縮性、高靈敏度的淤泥夾粉砂、淤泥，松散狀粉砂夾淤泥，包括①2層黏土、②1層淤泥夾粉砂、②11層粉砂夾淤泥、②2、②3層淤泥，土性較差，對控制基坑變形不利。根據(jù)地質(zhì)報告，本工程東側(cè)深基坑坑底位于②3層淤泥質(zhì)土中，圍護結(jié)構(gòu)墻底位于④2層黏土中。
3.2工程設(shè)計
針對此T程地質(zhì)條件及擬建場地周邊環(huán)境要求，根據(jù)實際施工經(jīng)驗及施工水平，豎向圍護選用ϕ1 200 mm@1500 mm鉆孔灌注樁，深基坑?xùn)|西兩側(cè)樁長45.2 m，插入比約為1：2，深基坑南北兩側(cè)樁長40.2 m和43.2 m，插入比約為1：1.93。 經(jīng)過綜合考慮，本工程決定采用預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐。經(jīng)計算水平方向共設(shè)置3道支撐，其中第一道支撐為鋼筋混凝土支撐和裝配式魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系[見圖4a）]。第二、三道為裝配式魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系[見圖4b）]。
通過實體建模，得到本工程魚腹梁支撐體系細部構(gòu)造（見圖5）。
3.3預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)計
以第一道支撐某跨魚腹梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線設(shè)計為例，簡述魚腹梁支撐預(yù)應(yīng)力鋼絞線的設(shè)計步驟。魚腹梁的設(shè)計參數(shù)為
在此之上增加5%的備用鋼絞線，合計為
N=29.93×1.05=31.4根
沿數(shù)值增大方向取整后最近的偶數(shù)為32，故實配鋼絞線為32根。最終鋼絞線設(shè)計結(jié)果見表1。
3.4應(yīng)用效果
采用MIDAS/GTS有限元軟件計算，東側(cè)深基坑開挖各工況過程中土體的最大側(cè)向位移和沉降均發(fā)生在基坑開挖至坑底底板施工前（見圖6）。
基坑開挖最大側(cè)向位移值為3.31 mm，最大豎向變形為17.94 mm，變形為豎向隆起�；娱_挖后，高架道路樁基變形、軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)變形以及其他周邊環(huán)境變形均在控制要求以內(nèi)，使用效果良好。
4結(jié)語
本文針對預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)進行理論分析，通過設(shè)計實例進行驗證，證明預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)有效控制基坑變形，其施工構(gòu)件可循環(huán)利用，具有市場競爭力。魚腹梁裝配式鋼支撐技術(shù)將在未來基坑工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
