IPS支撑体系在软土地区基坑施工中的应用

成克锦

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

工具式预应力鱼腹梁钢支撑体系（IPS）作为一种新型支护技术，具有绿色环保、施工便捷、安全可靠、造价便宜和节省工期等优点，但在软弱土层基坑开挖过程中，如何控制其平面变形及满足支撑体系工况的有效性需进行研究。结合工程实例，通过优化挖土方案和增强支撑体系刚度等措施来确保该支撑体系的有效性和基坑安全。

1 IPS支撑体系简介

1.1 工艺原理

IPS支撑体系是应用预应力原理，采用鱼腹梁（高强低松弛的钢绞线作为上弦构件）与H型钢组合而成的平面支撑体系[1]。通过预压顶紧装置等标准部件组合并施加预应力后，形成整个预应力支撑系统（图1）。

图1 预应力鱼腹梁结构体系

1.2 优点与不足

1.2.1 优点

1）工效高：IPS支撑体系所采用的都是工具式可装拆的标准部件，不论前期安装还是后期拆除都非常方便快捷，大大提高了施工效率。

2）绿色环保：显著改善了施工场地条件，尤其避免了混凝土支撑拆除时的粉尘污染。

3）挖土方便：IPS支撑体系提供了大开挖的条件，提高了出土效率。

4）变形控制好：通过对鱼腹梁结构体系施加预应力，实际等效于对围护体施加了反向力，事先平衡了一部分坑外土水压力，较大程度上减小了基坑围护体的水平位移，基坑变形控制效果好。

1.2.2 不足

IPS支撑体系适用于平面形状规则的基坑，对不规则基坑需要和混凝土支撑组合使用。此外，在软土地区，IPS支撑体系的整体刚度较弱，容易发生支撑在平面内的整体变形。为此，本文在上海某项目上应用此技术时提出了一系列的改进措施和方法。

2 工程应用

2.1 工程概况

背景项目位于上海市浦东新区康桥工业区南区，场地东至规划中的良虹路，南至古恩路，北至古博路，西至北横河。总用地面积426 367 m2，建筑面积450 700 m2，主要建筑为F1生产厂房及支持区、C1动力厂房、E1工程调度楼、P1研发楼、P3倒班宿舍，以及废水处理站、变电站S1、柴油发电机、仓库等单位工程（图2）。其中，地上建筑面积396 510 m2，地下建筑面积54 190 m2。

2.2 工程地质概况

图2 项目平面示意

基坑开挖深度范围内土层分布为：①素填土及局部分布的②层浜底淤泥、③层淤泥质黏土及③夹层粉层砂与黏土互层、第④层淤泥质黏土。其中第③、第④层淤泥质黏土厚度大，其土层饱和，为流塑状软土，土的物理力学指标较差。

2.3 围护设计

本项目F1、C1和P3等3个单位工程采用了预制构件复合水泥土搅拌桩墙＋工具式预应力鱼腹梁钢支撑体系。

F1基坑面积约3 500 m2（基坑长80 m、宽44 m），开挖深度为6.85～7.85 m（图3）。C1基坑面积12 700 m2（基坑长147.6 m、宽75.6 m），开挖深度为6.65～8.85 m（图4）。P3基坑面积为18 615 m2（基坑长136.6 m、宽125.4 m），开挖深度为4.15～9.45 m（图5）。

图3 F1围护平面布置示意

图4 C1围护平面布置示意

2.4 IPS构造设计

本项目IPS支撑体系设计情况如下（图6）：

1）钢围檩采用H400mm×400mm×13mm×21mm型钢，通过预埋件与SMW工法桩冠梁连接。

2）钢支撑立柱主要采用350mm×350mm方钢管。上部长度6.6～7.0 m，壁厚10mm，下部长度（基坑底以下）9～10 m。其中跨度较大区域为增强稳定性，部分区域采用φ800mm灌注桩内插4∠125mm×12mm格构柱，间距40 m左右，竖向柱间支撑为125mm×10mm角钢，水平剪刀撑连杆H250mm×250mm。

3）钢支撑（对撑和角撑）采用H350mm×350mm×12mm×19mm型钢作为主要受力构件，托梁为H350mm×350mm×10mm×15mm型钢，由高强螺栓等紧固件连接形成，通过300 t液压千斤顶分4级施加预应力。

4）鱼腹梁：配置锚具32孔（H350），实配38根，其中6根预留，预应力、张拉力各为2 000 kN，钢绞线分3级循环张拉。

5）IPS支撑设计监测报警值：支撑平面变形累计≥500mm；立柱水平位移累计≥300mm；日变量≥5mm/d（连续3 d）。

图5 P3围护平面布置示意

图6 支撑体系立面示意

3 IPS支撑体系施工

3.1 施工流程

IPS支撑体系的施工工序和流程为：施工准备、材料进场→围护结构施工→立柱桩施工→支撑安装作业→定标高、焊接钢牛腿→围檩、牛腿、支撑梁安装拼接→装配式支撑部件安装的同时设置监测点→施加预应力钢绞线张拉，同时进行环境监测→土方开挖→装配式支撑部件拆除→施工完成[2]。

3.2 挖土工况

基坑在竖向上的开挖工况如下：

1）工况1：完成支撑施工。

2）工况2：挖土施工。

3）工况3：底板及传力带施工。

4）工况4：支撑拆除及回填施工。

挖土施工过程中需要注意以下几点原则：

1）采用先挖4个角撑区域，后开挖中间区域的施工方案，先形成角撑，后形成对撑。

2）需协调好底板后浇带和施工缝的设置，尽早形成底板。

3）采用阶梯式分级分层开挖，以往深基坑开挖分层一般为3～4 m即可，考虑本工程支撑体系构造及土层情况，每层土方开挖深度不得大于2 m，阶梯平台不小于15 m，坡度按1∶3留设，暴露面积小于200 m2。

4）挖土过程中支撑立杆两侧须对称开挖，减少两侧土压力不平衡对支撑立柱的影响，保证立柱的垂直度。

5）加强支撑平面位置的监测工作，结合过程监测的数据对挖土分块、分层作调整，保证支撑的工作性能。

4 施工中的问题及解决措施

4.1 产生的问题

本项目3个单体基坑围护为首次采用预制构件复合水泥土搅拌桩墙和IPS支撑体系的应用和尝试。通过初期对方案的慎重考虑及施工过程中的经验积累，为确保施工安全，开工顺序按照项目各单体的工期要求，结合基坑施工的规模，按照先易后难、先小后大的原则，施工顺序确定为：F1→C1→P3。

1）F1单体对撑和角撑的跨度较小，从挖土至整个基础底板完成，支撑平面最大变形累计值达到218mm，围护变形值在200mm左右，符合设计要求，整个支撑受力可靠安全。

2）C1单体对撑和角撑的跨度较大，分别为128.3 m和60.5 m。土方开挖过程中由于软弱土较厚，中间对撑体系出现较大平面位移，达到650mm（≥500mm的报警值）且短时间内连续3 d的变形量是10mm/d（≥5mm/d）。

4.2 解决措施

针对上述施工中暴露出来的问题，提出了相应措施：

1）优化改进分区分块的土方开挖，通过挖土控制立柱变形。

2）对已完成的分块，尽快形成底板。

3）通过已完成的分块底板，设置H700mm×300mm×12mm×24mm的斜抛撑（图7）。

4）在支撑立面补加柱间支撑（斜杆和水平杆）形成门式框架，提高整体刚度。

图7 斜抛撑设置剖面

5）补打350mm×350mm×10mm的方管立柱。

通过上述几项措施，较好地控制了支撑平面变形的发展，使整个基坑施工顺利推进[3-4]。

P3单体经过C1案例，对支撑体系作了进一步的优化，着重加强控制立柱等平面处的变形情况。同时对挖土方案的分块和流程作了更进一步的细化（图8），比较好地体现了IPS支撑体系的优势和特点。

图8 P3基坑挖土分块

5 结语

本项目在软弱土层较厚的地质条件下，考虑到施工的便捷性及工效，大胆采用了IPS工具式鱼腹梁支撑体系。该结构体系整体刚度较弱，基坑挖土时保持两侧土压力的平衡是控制其变形的重点措施，尤其当支撑平面跨度较大时，分层分块、对称开挖显得更加重要，对支撑平面变形可以起到较好的作用。今后需进一步研究软弱土层条件下IPS支撑体系的刚度取值问题以及分层边坡的留土高度对立柱侧向变形的影响，以便进一步推广应用。