超長裝配式H型鋼支撐在深基坑工程中的設計應用

付守印 （南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210004）

0 前言

基坑支撐材料主要有混凝土及鋼和混凝土的組合形式[1]。

現澆混凝土支撐由于其剛度大，整體性好，可以采取靈活的布置方式適用于不同形狀的基坑，施工質量相對容易得到保證，所以使用面較廣。但是混凝土支撐在現場需要較長的制作和養護時間，制作后不能立即發揮支撐作用；拆除混凝土支撐的工作量大、粉塵污染嚴重、振動大、噪聲大，且材料不能重復使用，不滿足目前綠色施工的要求。

鋼支撐具有自重輕、安裝和拆除方便、施工速度快、可以重復使用和安裝后能立即發揮支撐作用等優點。鋼支撐根據截面形式的不同可細分為鋼管支撐和型鋼支撐等。鋼管支撐為單向支撐，整體性差，施工精度難控制，主要用于狹長形狀基坑，國內公認鋼管支撐的適用范圍為跨度≤40的形狀規則基坑[2]。

裝配式型鋼支撐將多根型鋼組合成為一道支撐，并且所有節點均采用高強螺栓連接，工期更短，鋼材壽命更長[3～4]，有效地解決了鋼管支撐的主要問題。本文結合工程實例，論述了超長裝配式型鋼支撐在深基坑工程中設計的關鍵技術問題及解決方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南京國際博覽中心三期項目位于南京市建鄴區，南側為江山大街、東側為江東中路、西側為燕山路、北側為金沙江西街，包括3棟130m高層建筑，2個展廳建筑，設2層地下室。基礎采用樁基礎，工程樁均采用鉆孔灌注樁。本工程塔樓區域基坑開挖深度11.55m，其余區域基坑開挖深度10.05m～10.45m。基坑形狀為440m×164m平行四邊形，基坑周長為1215m，面積為73280m2。基坑鳥瞰照片如圖1所示，目前基坑內支撐體系已全部拆除，地下室已完成。

圖1 基坑鳥瞰照片

1.2 周邊環境概況

本基坑工程周邊環境較復雜，基坑北側、西側臨近市政道路，道路下分布有多條市政管線，包括給水、燃氣、電力、電信、雨水、污水等管線；基坑東側、南側臨近河道，基坑支護結構邊線與河道間最小距離12.8m。

1.3 工程地質概況

工程場地位于南京市河西地區，其地貌單元為長江漫灘。根據地質勘查報告，地層起伏較大，基坑開挖深度影響范圍內的土層以淤泥質粉質粘土為主，該土層呈流塑狀態且壓縮性大，流變性、觸變性明顯，受擾動后土體強度極易降低，基坑開挖后易出現較大變形。各土層物理力學指標見表1、2所示。

土層物理指標 表1

土層的力學指標 表2

2 基坑支護設計

2.1 總體設計方案

本工程基坑規模巨大，空間效應、時間效應顯著。通過對各方案的經濟性、工期等對比分析，本工程采用水平支撐順作法方案，豎向擋土結構采用鉆孔灌注樁。為便于土方開挖及地下室主體結構施工，結合南京地區類似基坑工程的實踐經驗，本工程豎向設置一層水平支撐系統。

2.2 周邊支護結構設計

根據地質條件和基坑變形控制要求，支護樁選用直徑900mm～1200mm鉆孔灌注樁，綜合基坑整體穩定性、嵌固穩定性、抗隆起穩定性確定支護樁嵌固深度，按照樁身彎矩包絡圖對支護樁進行分段配筋，以節省造價。基坑支護結構剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護結構剖面圖

2.3 水平支撐體系設計

本工程基坑面積大，基坑呈平行四邊形，尺寸為164m×440m，采用十字對撐＋角撐方案，如圖3所示。對撐＋角撐方案可實現分段流水施工，即在對撐達到設計強度的情況下，提前進行主樓區域土方開挖；該方案支撐在水平向和豎向上避開3棟塔樓的豎向墻柱及水平梁板結構，可以在不拆除支撐的情況下，進行塔樓地上主體結構的施工。結合棧橋布置，可滿足基坑土方開挖和主樓的混凝土澆筑施工。

圖3 鋼筋混凝土支撐平面布置圖

為滿足建設單位對基坑綠色施工的要求，將西側一組鋼筋混凝土對撐調整為3榀裝配式型鋼支撐如圖4所示，并將部分混凝土棧橋板調整為裝配式覆工板。

圖4 裝配式型鋼支撐+鋼筋混凝土支撐平面布置圖

3 超長型鋼支撐存在的關鍵技術問題

本工程基坑面積大，支撐長度長，鋼支撐在本工程的應用中存在以下問題。

①超長型鋼支撐的穩定性。《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）[5]中要求鋼支撐受壓桿件的長細比不應大于150。本工程水平長度達到164m，長度已超出常規鋼支撐應用范疇。超長裝配式型鋼支撐的穩定性直接影響到基坑的穩定性。

②不同支撐形式的變形協調。水平支撐同時采用型鋼支撐與鋼筋混凝土支撐兩種不同形式，兩種材料的支撐剛度、壓縮變形相差較大，如何保證不同支撐處基坑變形的協調是本工程的難點。

4 超長型鋼支撐關鍵技術問題的解決方案

4.1 超長型鋼支撐的穩定性控制

型鋼支撐長度長，單根型鋼支撐的長細比無法滿足規范要求。為提高型鋼構件的截面慣性矩，降低支撐的長細比，本次設計采用雙層雙拼組合H型鋼截面，如圖5所示，H型鋼支撐之間采用H型鋼相連，組合構件的長細比控制在80以內。采取雙層組合截面，可增大支撐水平間距，便于土方開挖。

圖5 雙層雙拼組合H型鋼截面圖

4.2 支撐剛度與變形協調

本工程支撐采用鋼筋混凝土和裝配式H型鋼兩種不同形式支撐進行組合，為協調支撐及圍護結構的變形，本工程采取以下措施：

①在構件強度、穩定性滿足設計要求的前提下，通過調整支撐剛度和預加軸力反復試算迭代，使得型鋼支撐軸力與鋼筋混凝土支撐圈梁處水平位移接近；

②型鋼支撐長度達到164m，基坑土方開挖過程中，鋼支撐易出現支撐軸力損失、基坑變形加劇等問題，設計采取軸力自動伺服應力補償系統，即在鋼支撐上設置可實時施加預應力的軸力自動補償裝置，根據監測結果，預應力可實時施加，能有效地控制型鋼支撐段支護結構與鋼筋混凝土支撐段支護結構的變形。

5 結語

以南京國際博覽中心三期項目基坑工程為背景，介紹了超長裝配式型鋼支撐的設計及關鍵技術問題的解決方案。本項目實踐表明，通過調整裝配式H型鋼的組合截面和軸力自動伺服應力補償系統，可有效控制型鋼支撐的穩定性及基坑的變形。裝配式型鋼支撐是一種模塊化拼裝、可便捷拆卸的裝配式新型內支撐結構形式，具有安裝拆卸速度快、無需養護、可重復使用、綠色無污染的優點，符合國家倡導的節能高效、綠色環保的建筑業高質量發展理念，具有廣泛的推廣應用前景。