裝配式預應力魚腹梁內支撐系統的利與弊

劉發前,盧永成

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092）

0 前言

基坑工程是巖土工程中重要的研究方向之一，也是工程中的難題之一。由于各個工程的規模、地質水文條件和周圍環境不同，使得每個基坑工程都是一個復雜的系統工程。在基坑工程的設計中，內支撐系統是工程師們計算和分析的主要內容。在我國，常用的基坑內支撐為鋼筋混凝土支撐（為梁或板）和型鋼支撐，根據基坑的平面形狀予以布置。一般情況下，支撐的設計應滿足結構抗壓承載力驗算和平面、豎向的穩定性驗算，且后者往往是確定支撐斷面的主要因素。然而，對于大跨度基坑而言，為了減小支撐的計算長度均布置很多立柱以滿足支撐的穩定性驗算[1～5]。實踐中，立柱間的間距為10 m～16 m，這使得大跨度基坑中需要布置很多立柱，大大影響了基坑土方開挖的速度。

基于此，科研和工程設計人員一直致力于尋找一種無立柱和開放式的支撐方式。而在韓國，工程師們在20 a前就開始了裝配式預應力魚腹梁內支撐系統的研究。國內已正在進行該類內支撐系統的研究，并在多個工程中成功應用。然而，以上案例的基坑跨度均較小，最大跨度在40 m～50 m之間，亦通過施工監測獲得了寶貴的經驗數據。本文所述的南京繞城公路地道跨度達80 m，為了加快施工進度亦采用了該種支護系統，實現了該種系統的一個新的突破。鑒于目前對該種支護系統的文獻較少，所依據的工程案例規模也遠小于該工程，因此對工程支護系統工作全程期間進行了跟蹤監管。本文即對其優、缺點進行分析，并對其不足之處提出建議，希望進一步發揚廣大。

1 工程概況

繞城公路地道位于京滬高鐵南京南站北側，為了實現景觀美，打造南京南站片區的美好環境，繞城公路與出入車站的主干路（玉蘭路）交叉口處采取地道方案，即繞城公路下穿玉蘭路。地道建成后的實景如圖1所示。

圖1 繞城公路地道建成后實景

繞城公路地道共分14車道，采用單箱四室的結構形式，標準段車道凈寬度分別為17.5 m+20.45 m+20.45 m+11.75 m，結構總寬度為74.85 m。地道全長790 m，其中在玉蘭路下為暗埋段，長為130 m。施工時，基坑寬度約為80 m。由于玉蘭路須在京滬高鐵通車（2011年7月1日）前貫通，因此該地道暗埋段部分亦需此前施工完成并做好其上路面結構，初步確定暗埋段結構完成時間為6月20日。

基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁和SMW工法樁結合的型式，在暗埋段部分采用鉆孔灌注樁。圍護樁在2011年4月上旬方施工完畢并開始土方開挖。由于工期非常緊，自基坑開挖至結構完成整個施工工期不足3個月。為加快進度，設計單位與建設單位協調決定采用裝配式預應力魚腹梁內支撐系統。該系統主要由魚腹梁、對撐、角撐、三角連接構件和圍檁等構件拼裝構成。魚腹梁主要將預加在鋼絞線上的預應力形成支撐力，與基坑側壁的土壓力平衡。鋼絞線的拉力通過魚腹梁底梁傳遞到與其相鄰的三角連接構件上，最終傳遞到角撐（對撐）上。該種支護系統僅需在型鋼對撐、魚腹梁的型鋼架下設置型鋼立柱。型鋼對撐是由多根H型鋼橫向拼接而成，對撐間距可達數十米。型鋼對撐之間架設魚腹梁，而魚腹梁緊貼圍護墻設置，因此中間大片區域未有任何構件影響土方開挖施工，大大提高了土方開挖的效率，該工程暗埋段的圍護平面圖如圖2所示。內支撐系統是由兩道型鋼對撐（包括主枝和八字撐）和中間所夾37 m長魚腹梁所構成，由此可見中間大部分區域均為開放式，除了部分降水井（該圖未顯示）以外沒有任何設備影響施工。

圖2 玉蘭路節點（暗埋段）圍護平面圖

2 優點分析

如前所述，該支撐系統是由各種類型的型鋼通過螺栓連接而成，部分節點焊接。因此，型鋼可在現場連接或場地加工廠進行螺栓連接，根據吊裝能力確定半成品的長度。由于整個結構均由型鋼通過螺栓連接，只需人工作業，因此所需的作業面較小。這樣，在工期較緊的情況下，可增加工人數量來加快結構的拼裝速度，靈活性較大，特別適用于進度要求高的工程。

由圖2可以看出，型鋼對撐之間的大片區域沒有任何設施，在大跨度基坑施工中，土方開挖的效率較高。其次，在該工程中，中間區域（I區的A區是在兩端型鋼對撐拼裝的過程中并行完成的，兩側B區留有僅20 m寬度范圍待支撐結構拼裝完成并施加預應力后進行開挖。開挖具有很大作業面，可有多個挖土、運土機械同時施工，大大節約了土方開挖的時間。

型鋼之間完全由螺栓連接，因此拆撐工序亦較簡單快速，只需將預應力卸除后松動螺栓即可完成，然后將型材托運出場地，可實現完全回收。

3 缺點及不足

魚腹梁內支撐系統的典型要求是受力封閉且同時施加預應力，否則容易造成支撐受力不平衡，影響基坑的支撐性能乃至基坑的整體穩定性。這對平面上封閉的基坑而言完全不存在問題，但是，對于地道工程等長條形基坑，要達到完全受力封閉則需要整個基坑同時施工，這是不可能的。因此，需增加額外措施保證支撐的力系平衡。綜合考量這些額外措施，設計和施工的難度較大，需要專業的隊伍施工，大大限制了該支撐體系的應用范圍。另外，若將額外措施的費用考慮到支撐體系中，其整體造價相較于常規型鋼對撐而言偏大，經濟性優勢亦有限。

型鋼對撐的剛度，在跨度較大時相對偏弱，造成基坑的水平位移較大。從圖2可以看出，兩型鋼對撐之間近140 m寬度的坑外荷載最終由型鋼對撐承受，這就要求對撐的承載力必須足夠強大，否則容易造成安全隱患。當然，如果將圖2中的“八字”撐取消或減小，其支撐效果要好得多。毫無疑問，這樣將增加型鋼的用量，亦削減了其經濟優勢，設計單位需要綜合考慮以選擇最經濟、安全的支護系統形式。

如前所述，支撐系統均為型鋼通過螺栓或焊接連接成一整體，對于大跨基坑而言，一根H型鋼對撐可能需要多節連接而成。螺栓連接或焊接的有效性是保證支撐系統功能的根本，然而，由于連接點數量巨大，誤差累積明顯；若某處存在薄弱點而破壞，荷載則會直接轉移至鄰近的連接點。因此，確保每個連接點的有效性至關重要，給日常檢查增加了很大工作量，這就要求施工操作人員有足夠的耐心和責任心。

基坑支撐設計中，一般要求施工機械不能觸碰支撐構件。對于該支撐系統，魚腹梁的抗干擾能力尤其差，因為它是通過施加錨索的預應力來形成內部型鋼的支撐力的。一旦受到施工機械的撞擊，容易上拱或下傾，大大降低其承載能力。當然，這可以通過精細化施工來避免。

魚腹梁的預應力索及型鋼對撐的預應力施加是目前施工的難點，其值的確定是根據坑外荷載的大小確定。在該工程中預應力只能一次施加到位，對于如此復雜的系統，要想達到設計時的預應力要求施工難度較大，但目前國內部分學者正在作該方面的研究，相信在將來的工程中可以實現。

4 主要結論及建議

預應力魚腹梁內支撐系統在常規基坑、規模不大的情況下，適應性較強，布置亦較為靈活。由于該系統完全是由型鋼通過螺栓或焊接連接，同時，由型鋼對撐與魚腹梁支撐間隔布置，使得開挖速率大大提高。然而，亦正是如此，該系統存在著很多令人擔憂和有待于改進的地方，尤其是對于大跨度基坑而言，需要增加支撐的剛度、減小魚腹梁的寬度等措施來增強支撐的承載能力，同時，需要施工操作人員的細心和精細化施工以確保支撐系統的安全和零風險。若想將該系統普及化，尚需對該工藝進行進一步的探索和改進，找出其中問題所在，這也是筆者寫作本文的目的。同時，希望同行專家能夠對該系統進行熱烈討論，進一步完善該類支撐系統的研究和設計。

[1]JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程[S].

[2]GB50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

[3]DGJ32/J 12-2005，南京地區建筑地基基礎設計規范[S].

[4]DBJ 15-31-2003，廣東省建筑地基基礎設計規范[S].

[5]DGJ08-61-2010,上海市基坑工程技術規范[S].