鱼腹梁钢支撑在基坑工程中的实践与分析

2022-02-21易振华

岩土工程技术 2022年1期

易振华

（上海高准岩土工程有限公司，上海 200030）

0 引言

近年来，全国地下空间开发如火如荼，地铁、地下商场、地下停车场和地下综合管廊等各类地下工程建设层出不穷。地下空间的开发势必会引起周边道路、管线及建（构）筑的变形，从而产生较大的影响，传统的钢筋混凝土和钢管撑支护可以很好地控制这些变形，但是传统的支护方式也带来基坑开挖面不够、工作空间狭小以及经济效果差等不利条件，为此工程界研发出预应力鱼腹梁钢支撑。预应力鱼腹梁支撑系统是通过对鱼腹梁弦上的钢绞线、对撑、角撑施加预应力，实现对基坑边坡支护变形的控制，形成一个可重复安装、拆卸和回收的预应力支撑系统[1-3]，但是预应力鱼腹梁支撑系统针对形状复杂的基坑也存在支撑受力不平衡等问题[4]，本文介绍一种新型的基坑支护型式，装配式预应力鱼腹梁钢支撑技术[5-8]。该种新型的钢支撑技术基于预应力原理，通过钢构件的组合拼装，能有效控制基坑变形，实践证明是一种稳定、可靠和经济的内支撑结构体系。

1 概述

1.1 项目概况

项目位于上海市浦东新区高木桥路北，孙桥路东侧地块内，基坑总面积约为12584 m2，总延长米约为614 m，基坑整体呈“L”形。基坑普遍开挖深度为9.15 m。基坑东侧红线外为横沔港路，该侧基坑边线到道路边线的距离约为5.3 m；南侧红线外为高木桥路，该侧基坑边线到道路边线约为13.5 m；西侧红线外为孙桥路，西侧基坑边线到道路边线约为15.3 m；北侧红线外为横沔港路，北侧基坑边线距离该侧道路边线约为11.5 m。基坑与周边环境关系见图1。

图1 环境总平面图

1.2 工程地质概况

本工程地基土主要由表层①1杂填土、②灰黄色黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土和⑤灰色黏土等组成。

本工程地下水分为潜水和承压水，其中潜水稳定水位埋深1.2～1.5 m。承压水（第I 承压水）赋存于⑦层土中，本场地内⑦层层顶最浅45.4 m，基坑开挖深度约9 m，承压水含水层顶面与基坑底面之间的隔水层厚度大，不会引起基坑突涌。

不良地质条件：场地内有较大面积的暗浜分布，在暗浜内，上部约1.20～3.60 m 厚为①1杂填土，组成成分复杂、结构松散、均匀性差；暗浜底部存在约0.3～0.9 m 厚的①2层浜土，富含有机质、腐殖物；该两层土质极差，为本场区不良地质条件。

场地土层主要物理力学参数见表1。

表1 土层主要物理力学性质参数表

2 基坑设计选型

根据本地区的同类型基坑的工程经验，此类基坑一般需要采用板式围护结构+内支撑的围护体系，常用的板式围护结构有型钢水泥搅拌墙、钻孔灌注桩排桩+止水帷幕、地下连续墙、咬合桩；常用的支撑体系有钢筋混凝土支撑或钢支撑。

2.1 结构体系选型

围护结构可采用SMW 工法桩、钻孔灌注桩、地下连续墙[9]、咬合桩等形式。

SMW 工法桩：该围护结构施工对周边环境影响小，防渗性能好，适应土层范围广；且型钢能够回收重复利用，绿色环保，施工进度快，适合工期较短的基坑。考虑本工程基坑施工周期较长，型钢租赁期较长，经济性不高。

钻孔灌注桩+搅拌桩止水帷幕：该围护结构具有造价经济、施工工艺成熟、刚度大、可以有效控制基坑变形等优点，是本地区传统的基坑围护形式。但考虑到灌注桩施工时，采用泥浆护壁工艺产生的废弃泥浆，对周边环境有一定的影响。

地下连续墙：该围护结构刚度大，止水效果好，施工工艺成熟，安全度很高，施工风险小，占用空间也较小。但支护造价高，适用于基坑挖深较深、环境保护要求较高的深大基坑工程。故地下连续墙不适用于本工程基坑。

咬合桩：该围护结构采用灌注桩和分离式水泥土搅拌桩组合而成。分离式水泥土搅拌桩施工时将三轴水泥土搅拌桩机的中钻杆拆除，即可施工出分离式水泥土搅拌桩。

咬合桩的排列见图2，先施工分离式水泥土搅拌桩A，后在水泥土搅拌桩间施工灌注桩B。

图2 咬合桩平面示意图（单位：mm）

施工顺序为：A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3→A5→B4。

该工艺具有灌注桩的优点，同时挡土与止水合二为一，节约成本；但对施工工艺的要求较高。

综合以上支护结构形式，从安全性、经济性、环境保护等方面考虑，本工程围护结构建议选择咬合桩的形式。

2.2 支撑体系选型

根据本工程挖深、周边环境情况及工程经验，拟设两道内支撑，临时内支撑体系可选择为钢筋混凝土支撑或钢支撑。

钢筋混凝土支撑：钢筋混凝土支撑体系能够有效控制基坑顶部结构稳定性，减小基坑顶部位移，有利于对周边环境的保护。另外钢筋混凝土支撑对于各种形状的基坑均适用，支撑杆件布置灵活，刚度大，稳定性高。但基坑施工后期拆撑难度大，会造成大量的废弃混凝土，拆撑若采用机械凿除或爆破工艺，会造成较大的噪音污染和安全隐患，若采用切割拆除工艺，则造价相对较高，经济性不佳。考虑到本工程基坑面积较大，采用混凝土支撑时，需设置基坑施工的栈桥，其造价较高，故本工程不建议采用混凝土支撑体系。

钢支撑：钢支撑体系按照钢材种类可分为钢管支撑和装配式预应力鱼腹梁钢支撑。

其中钢管支撑应用较为普遍，施工快捷方便，拆除方便。但钢管长度相对过长时，其刚度、稳定性均无法有效保证，故钢管支撑适用于跨度相对较小的基坑。

装配式预应力鱼腹梁钢支撑是一种新型深基坑支护内支撑结构体系，它由高强低松弛的钢绞线作为上弦结构、H 型钢作为受力梁，与长短不一的H 型钢梁等组成，采用对撑、角撑、立柱、横梁、拉杆、三角键节点、预压顶紧装置等标准部件组合并施加预应力，形成平面预应力支撑系统与立面结构体系。与传统的钢支撑相比，极大地提高了支撑系统的整体刚度和稳定性。主要优点为：①型钢回收率在95%以上，绿色环保；②通过施加预应力有效地控制基坑的变形；③通过预应力形成大空间，方便挖土；④整体刚度大、稳定性高。

缺点为对工艺的要求较高。

综合本工程周边环境情况、基坑深度及水文地质情况，根据上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》（DG/TJ 08-61-2018）[10]，确定本工程基坑安全等级和环境保护等级均为二级。

本工程基坑围护设计方案为：咬合桩+装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系。

3 基坑实施方案

3.1 围护体系

基坑普遍区域挖深9.15 m，围护结构采用φ850@1200 灌注桩和 φ850@1200 水泥土搅拌桩组合。其中灌注桩桩长21.0 m，咬合桩桩长14.6 m。普遍区域基坑典型剖面见图3。

图3 基坑典型剖面示意图（单位：m、mm）

3.2 支撑体系

本工程基坑设置两道水平向支撑，均为预应力鱼腹梁钢支撑。

钢支撑采用H350×350×12×19 型钢，围檩第一道采用两拼H400×400×13×21 型钢+一拼钢筋混凝土的组合围檩，局部采用一拼H400×400×13×21 型钢+一拼钢筋混凝土的组合围檩；围檩第二道采用三拼H400×400×13×21 型钢组合围檩，局部采用两拼H400×400×13×21 型钢的组合围檩；立柱采用350×350×10/350×350×6 方钢管，内部灌C30 素混凝土，钢支撑布置图见图4，鱼腹梁典型组件见图5。

图4 支撑平面布置图

图5 鱼腹梁组件图

3.3 构件安装及张拉技术要求

立柱安装前应检查并调整托架、托座与托梁的标高，其允许偏差应为±5 mm。支撑施加预应力前，托梁与支撑杆件间应通过U 型卡进行连接，待预应力施加完成后，再对托梁和支撑杆件进行螺栓连接。钢绞线与锚盘孔应先编号后安装，鱼腹梁预应力施加时，应先张拉桥架底部和锚具顶部的钢绞线，后张拉桥架顶部和锚具底部的钢绞线[11]。

支撑结构安装完毕并经质量自检合格后方可施加预应力；千斤顶的压力应分级施加，施加每级压力后宜保持压力稳定10 min 后再施加下一级压力；预压力加至设计规定值后，应在压力稳定10 min 后，方可按设计预压力值进行锁定；预应力鱼腹式钢支撑在使用过程中应进行支撑和钢绞线拉力的施工监测，必要时应复加预应力[11]。

3.4 基坑加固

本工程基坑坑底位于④层流塑状态淤泥质黏土层中，对于坑内落差大于1.5 m 的局部深坑采用φ700@500 双轴搅拌桩进行加固，其中集水井深1.5～1.8 m 加固桩长为4.0 m，集水井深2.9 m 加固桩长为7.0 m，并设置压密注浆封底。另外基坑被动区加固桩长为4 m。

3.5 降水系统

本工程基坑采用真空管井降水。整个基坑共布置真空管井60 口，深井成孔直径650 mm，长度16 m。管井设置双滤管，以坑底为分界，坑底以上为滤管长度3.5 m，坑底以下滤管长度4.0 m，保证基坑开挖过程及主体结构施工期间对基坑内水位的要求。

4 监测数据分析

本工程四周道路分布有雨水管、信息管、电力管、上水管、电信管和污水管，基坑施工过程针对周边管线及支护结构进行了全方位信息化监测。

（1）针对基坑周边管线，共布置了53 个监测点，最不利工况，即基坑开挖至基底时，管线竖向沉降平均约为15～18 mm，水平位移平均约为7～9 mm，基坑施工完成后，地下管线没有出现破损和泄漏等情况。

（2）围护桩桩顶共设置26 个水平和竖向位移监测点。竖向位移累计抬升30～45 mm，水平位移为45～55 mm，桩顶位移均超出报警值，但周边环境均在安全控制范围。

（3）基坑外侧共布置了13 个水位监测点，水位累计变化基本在450～800 mm，均未超出报警值，基坑也未出现渗漏现象。围护结构止水质量较好。

（4）基坑共设置36 个支撑轴力监测点，钢支撑轴力约为850～1350 kN 范围内，均未超出报警值。（5）为更好地在基坑开挖施工全过程对装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系的受力做更深入精准的分析，特采用MIDAS/GTS 大型有限元软件进行有限元计算[12]。基坑整体位移计算结果见图6。

图6 基坑整体位移图

根据计算结果显示，通过对装配式钢支撑施加预应力，可以将基坑最大位移控制在27 mm 之内。位移最大值为26.2 mm，位于基坑东侧阳角位置处，满足基坑变形的要求。

支护结构总的位移分布情况是：鱼腹梁中部位置处围檩的位移较小，鱼腹梁端部与角撑接头附近位移稍大，边桁架位置处的位移偏大。

根据深基坑计算软件“启明星”计算结果，如图7所示，基坑围护结构普遍区域深层桩身位移最大变形约为24.8 mm，基本与MIDAS/GTS 有限元计算结果相符。

图7 围护桩变形计算值

根据实际监测结果显示，基坑沿围护桩边线共设置16 个深层位移监测点，基坑开挖施工全过程，大部分监测点桩身位移为30～35 mm，局部最大约为45 mm，桩身最大变形处位于8.5～9.5 m 处，即位于坑底位置附近（见图8）。实际监测结果比理论计算值和有限元计算分析值稍微偏大，这是由于理论计算时，坑底加固桩对围护桩变形控制效果较好，而实际施工时，坑内加固桩实施效果不甚理想，再附加其他各种不利因素，造成实际施工与理论计算有稍许偏差，但基坑总体在可控范围内。