预应力鱼腹式钢支撑在复杂周边环境深基坑中的应用

华小龙

近年来绿色环保受到越来越多关注，各级政府及建筑行业协会大力推动绿色施工技术的发展。预应力鱼腹式钢支撑系统（Innovative Prestressed Suport）简称IPS，是基于预应力的原理，开发出的一种新型的绿色深基坑内支撑结构体系。它是由鱼腹梁（高强低松弛的钢绞线、H 型钢围檩、H 型钢支撑杆等组成）、对撑、角撑、立柱、托梁、三角型节点组成[1]。

相对传统的钢筋混凝土支撑，IPS 主要是通过施加预应力来控制基坑位移，而不是增加支撑的刚度。大量工程实例表明施加预应力使得支撑体系形成一个较大的表观刚度，控制基坑变形，这个变形控制是主动的，在基坑土方开挖之前施加相应的预应力能够起到自我检查的作用。

本文以无锡某基坑工程为背景，对预应力鱼腹式钢支撑在复杂周边环境中的应用进行研究分析。

1.工程概况

本工程位于无锡市新吴区，统设满堂两层地下室，基坑总周长约844m，开挖面积约26944m2，基坑开挖深度8.45m～9.10m。

2.工程地质条件

工程场地位于无锡市新吴区，场地地貌属于长江三角洲冲、洪积平原。根据地勘报告显示，基坑影响范围内各土层的物理力学参数指标见表1。

表1 土层主要物理力学参数

表2 各安全系数计算结果

地下水的主要为潜水和微承压水，潜水主要赋存与浅层粘性土中，富水性差，以地面蒸发为主要排泄方式。微承压水主要赋存于第③层粘质粉土、第④-1层粉砂中，富水性良好，主要补给来源为侧向迳流和河水补给，排泄主要以侧向迳流方式排出区外。

3.基坑周边环境

本工程基坑周边环境较为复杂，基坑北侧为春城家园一期安置房小区（已建，浅基础），到围护边线的最近距离为6.8m；基坑东侧为江南加油站（已建），储油罐到围护边线的最近距离为7.6m；基坑南侧存在一Φ300 热力管线（铁质，埋深约2.0m），到围护边线的最近距离为3.8m。

4.基坑支护体系

4.1 竖向围护体系

本工程基坑竖向围护采用Φ800@1000 灌注桩+Φ850@1200 三轴水泥土搅拌桩，灌注桩有效桩长L=20.5m，插入坑底以下12.9m，插入比1:1.4。

4.2 水平支撑体系

本工程水平向设置一道预应力鱼腹式钢支撑。该支撑体系由16 个鱼腹梁（SS-38m）、6 组对撑及11 组角撑组成。鱼腹梁钢围檩采用H400×400×13×21（Q235b），对/ 角撑采用H350×350×12×19（Q235b），钢绞线采用Φ15.2低松弛无粘结钢绞线（强度1860 级）。

5.计算结果

5.1 计算条件

本工程剖面计算采用同济启明星深基坑支护分析与计算软件FRWS7.2 进行计算，土层的各项参数指标见表1。

水平支撑体系采用MADIS/GTS-NX有限元分析软件进行计算，严格按照原型尺寸进行建模，其中围檩、腹杆采用梁单元，型钢对撑、型钢角撑、斜腹杆采用杆单元，钢绞线采用仅受拉杆单元，三角键、钢筋混凝土板采用平面板单元。

周边建筑物及管线的位移计算采用PLAXIS8.5 有限元软件进行计算，采用二维对称模型，基坑开挖区域长度为20m，为实际基坑宽度的1/2。坑外土层宽度按大于实际开挖深度的3 倍选取，取30m。模型的深度按大于实际开挖深度的2 倍选取，取30m。模型中围护桩采用梁单元，钢支撑采用桁架单元，土层采用强化土模型。

5.2 支护结构剖面计算结果

选取本工程一个典型剖面，围护结构的变形及内力、整体稳定性、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗倾覆以及抗渗流验算结果见表2。

图1 位移图

图2 杆件轴力图

图3 围檩弯矩图

图4 围檩轴力图

由图1 可知，水平支撑体系的最大位移为11.3mm，位于基坑东侧两个鱼腹梁（SS-38m）处，位移总体分布情况为：鱼腹梁中间区域大，两端对/角撑处小，主要原因：鱼腹梁自身的刚度较小，而对/角撑的刚度较大，在同等预应力、相同坑外土压力的前提下，刚度小的位置变形大。

由图2～4 可知，在整个支撑体系中，钢绞线受拉，钢支撑受压，围檩承受压弯或拉弯的组合内力。围檩弯矩最大值位于在八字撑中间位置，轴力最大值分布于八字撑中间及鱼腹梁三角件与第一跨斜腹杆中间位置。

根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）对钢支撑及钢围檩的强度及稳定性进行验算，结果如下：

（1）支撑强度及稳定性验算

钢支撑受到的最大轴Nmax=1895kN，验算结果如下：

①强度验算

② 稳定性验算

（2）围檩强度及稳定性验算

钢围檩处的最大弯矩Mmax=709kN·m，最大轴力Nmax=5488kN。验算结果如下：

①组合强度验算

② 稳定性验算

5.3 周边建筑物及管线的位移计算结果

周边建筑物及管线的位移计算结果如图8～9 所示。

（1）周边建筑物沉降

图5 基坑开挖后周边建筑物变形

由图5 可知，基坑开挖到底后，建筑物的最大沉降为11.2mm，围护结构的最大变形为12.2mm，位于坑底以上1.5m处。

（2）周边管线变形

图6 基坑开挖后周边管线变形

由图6 可知，基坑开挖到底后，管线的位移为10.7mm，围护结构的最大变形为13.5mm，位于坑底以上2.0m 处。

6.监测结果

6.1 施工工况

图8 管线沉降图

本工程自2019 年7 月5 日起进行土方开挖，至 2019 年12 月28 日底板施工完成。建筑物沉降监测、管线沉降监测，如图10～12 所示。

6.2 监测结果及分析

图7 为基坑北侧一栋居民楼的沉降监测，最大沉降点位J6 号点。沉降量为8.1mm，较有限元计算（11.2mm）要小。

7.结语

（1）在复杂周边环境的基坑中，采用预应力鱼腹式支撑体系，能够较好地控制变形。

（2）预应力鱼腹式钢支撑体系是一个“小刚度大预应力”的支撑体系，其控制变形的关键是预应力而非刚度。

（3）针对周边环境较为复杂的基坑，采用预应力鱼腹式钢支撑体系，施工安全便利，且绿色环保，能够带来较高的经济效益和社会效益。