张悬梁钢支撑在某深基坑支护工程中的应用

张德成 李 维 陈卫刚 王 飞

(1.江苏华晟建筑设计有限公司,江苏 徐州 221006; 2.江苏三力岩土科技有限公司,江苏 徐州 221006)

深基坑内支撑系统通常用于开挖深度较大、地质条件较差、周边环境保护要求较高的基坑，支撑材料可以采用钢或混凝土，也可以根据实际情况采用钢和混凝土组合的支撑形式。这两种材料支撑体系应用时，在布置形式上有很大区别，要考虑的因素非常多，在布置的时候，对其安全可靠性有非常严格的要求，内支撑体系要在最大程度上满足地下主体结构的施工要求，同时便于施工。钢支撑自重轻、安装和拆除方便、施工速度快以及可以重复使用等优点外，安装后能立即发挥支撑作用，对减少由于时间效应而增加的基坑位移，是十分有效的。近年来，国内众多学者对钢支撑在基坑工程中的应用加以阐述[1-4]。

张悬梁钢支撑系统由张悬梁、桁架直撑、斜撑、支架梁、预应力施加装置等组成，大跨度绿色深基坑支护技术。与传统基坑支护系统相比较，张悬梁钢支撑系统具有杆件长细比小、支撑刚度大、控制基坑变形小、节省造价、缩短工期、提供大空间施工作业面、施工噪声低、节能环保等特点。国内针对张悬梁钢支撑系统在工程中的应用研究较少，秦洋[5]结合工程实例，对张悬梁钢支撑与混凝土支撑进行对比，说明张悬梁钢支撑系统在施工工期和工程造价上具有明显优势。本文结合徐州市某基坑支护工程实例，对张悬梁钢支撑系统在该工程中的应用进行阐述，在理论计算与监测成果的基础上对支护效果进行了分析评价。

1 工程应用实例

1.1 工程概况

拟建工程位于徐州市城区，地下室两层。基坑周长约480 m，面积约10 100 m2，基坑开挖深度7.40 m～8.80 m。拟建场地西侧为空地，地下室外墙距用地红线约2.31 m；北侧为二环北路，地下室外墙距用地红线约3.09 m～4.32 m，距二环北路道路边约15.21 m～15.61 m；东侧为苏堤北路，地下室外墙距用地红线约1.66 m～26.22 m，距该侧顶管工作井最近约9.94 m，顶管工作井埋深11.0 m；场地东北角为售楼处，该售楼处为条形基础，基础埋深约1.0 m，距离地库外墙线约12.43 m；南侧为空地，地下室外墙距用地红线约2.92 m～3.05 m，红线外29.08 m为陇海铁路线。

1.2 场地地层结构及土层物理力学指标

场地地层分布及物理力学指标见表1。

表1 物理力学性质指标一览表

1.3 基坑支护方案

本工程周边环境用地较紧张，周边建筑物、道路需要保护，采用SMW工法(三轴搅拌桩内插H型钢)加一道张悬梁钢支撑支护方案。Φ850@600三轴搅拌桩内插H700×300×13×24型钢，型钢“插一跳一”“插二跳一”布置，型钢长度17 m，坑内设置一道张悬梁钢支撑(局部为钢筋混凝土支撑)，支撑中心标高-2.70(+39.10) m。支撑下设420 mm×420 mm的钢格构柱，格构柱锚入Φ800立柱桩不少于2.5 m。

基坑中部设置钢桁架对撑(H600×300×12×20型钢),角部设置钢桁架角撑(H600×300×12×20型钢)，钢桁架对撑之间的水平支撑结构采用24 m，30 m的预应力张悬梁。该预应力张悬梁采用Q550级钢拉杆(φ150)作为下弦，与对撑组合成自平衡体系共同抵抗作用在冠梁上的土压力。通过安置在对撑、斜撑和张悬梁腹杆端部的千斤顶来调节钢支撑平衡体系的张紧程度而限制支护结构的变形。

基坑支护结构平面布置见图1，典型支护结构剖面如图2所示。

1.4 基坑支护结构计算

1.4.1支护结构单元计算

基坑支护设计计算采用弹性法土压力模型，计算内力、位移包络图见图3。

经计算，型钢水泥土搅拌墙对前趾的抗倾覆安全系数KQ=3.172>1.30,满足规范要求。采用瑞典条分法计算基坑整体稳定性，应力状态为总应力法，条分法中的土条宽度为1.00 m。滑裂面数据：整体稳定安全系数Ks=2.155>1.35，满足规范要求。

通过内力变形计算分析，采用SMW工法加一道张悬梁钢支撑的支护方案，可以满足基坑支护要求。

1.4.2支护结构有限元数值模拟

为了较准确的分析计算基坑开挖期间的支撑系统受力、变形情况，采用SAP2000(v 21.0.2)结构分析设计软件进行基坑开挖过程中的数值模拟计算。三维计算模型见图4。

根据单元计算结果，基坑开挖至坑底时，支撑系统的内力及变形最大。以基坑开挖至设计坑底标高的压力值作为依据进行构件截面设计，对支撑构件进行编号，见图5。

在荷载组合(恒载、活载、预应力荷载、升温荷载)作用下，钢结构部分的构件内力最大的前10个单元内力计算结果见表2。

本工程以冠梁最大变形位移30 mm为控制值，在荷载组合作用下，钢结构部分的构件内力最大的前10个控制节点的位移如表3所示。冠梁最大位移位于节点序号148，最大位移19.7 mm<30 mm，满足位移控制要求。

表2 钢支撑内力计算结果一览表

表3 钢支撑位移计算结果一览表 mm

验算结构正常工作状态下构件的强度和稳定应力比(结构重要性系数：1.10，需求/能力比例限值：0.95)。组合作用下结构应力比最大的8个构件如表4所示。构件应力比均小于0.95，构件应力满足要求。根据理论计算结果并结合相关规范规程，采用SMW工法加一道张悬梁钢支撑支护方案，可以有效的控制基坑变形在规范允许范围内。

表4 钢支撑构件应力比一览表

2 基坑监测成果分析

基坑支护结构的平面布置及桩顶水平位移、深层水平位移、支撑轴力监测点位置见图6。

2.1 支护结构水平位移

根据基坑监测成果，基坑冠梁顶水平位移在12.3 mm～24.6 mm之间(见图7)，与计算值21.7 mm较为接近。选取3个有代表性的监测点，绘制基坑深层水平位移曲线(见图8)。实测最大深层水平位移为23.2 mm，理论计算最大值为22.05 mm，支护桩变形实测值与理论计算值较为接近，深层水平位移曲线形态与计算较为吻合，桩身最大位移均发生在坑底附近，较好的反映了基坑实际变形情况。

2.2 支撑轴力

支护结构外侧的侧向土压力由SMW工法桩和张悬梁钢支撑体系承担，表5为设计轴力与实测最大轴力的对比分析表，根据监测成果，支撑最大轴力未达到报警值，轴力发挥的程度为设计值的69%～78%，说明采用SMW工法加一道张悬梁钢支撑可以确保整个围护体系的稳定。

表5 支撑轴力设计值与监测值一览表

3 结语

1)本基坑采用SMW工法加一道张悬梁钢支撑支护，缩短了施工周期，与传统的“灌注排桩+止水帷幕+钢筋混凝土支撑”的支护体系相比，型钢及张悬梁钢支撑可以回收再利用，节省工程造价。2)通过理论计算和工程监测成果对比分析，支护结构的变形值与理论计算值较为接近，说明张悬梁钢支撑系统的工程应用取得良好效果。3)本基坑支护工程取得了良好的经济效益和社会效益，对类似工程具有重要的指导意义和借鉴价值。