裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)在基坑工程中的應(yīng)用

張素珍

（華東師范大學(xué)，上海 200241)

引言

近年來，碳中和逐漸成為我國戰(zhàn)略目標，巖土工程界也喊出了綠色、環(huán)保、低碳的口號。如何在基坑工程中實現(xiàn)碳中和，也成為業(yè)內(nèi)的主要研究方向之一。預(yù)應(yīng)力魚腹梁可實現(xiàn)重復(fù)安裝、拆卸和回收，其環(huán)保的理念越來越得到業(yè)內(nèi)的認可。裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)是一種在魚腹梁弦上的鋼絞線、對撐、角撐上施加預(yù)應(yīng)力，以控制基坑邊坡支護的變形[1-3]，但該體系對位移的控制是否能滿足要求也存在一定的爭議。

本研究結(jié)合工程實例，介紹裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐技術(shù)，通過與傳統(tǒng)支撐體系對比，證明該技術(shù)是一種穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系。

1 工程概況

本工程位于上海市閔行區(qū)，主要建設(shè)2 幢10 層實驗樓、1 幢2-3 層裙房及1 幢2 層報告廳，并設(shè)1 層地下車庫。基坑面積約13 500 m2，外圍周長約480 m，基坑開挖深度6.35～7.35 m。基坑?xùn)|側(cè)距離杏林西路最近約9 m，南側(cè)距離東川路約40 m，西側(cè)距離景觀河道最近處約13 m，距離西側(cè)區(qū)級保護文物尚義橋保護范圍最近處約11.4 m，北側(cè)距離光華路最近處約17 m。基坑周邊環(huán)境見圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

2 工程地質(zhì)條件

本工程場地為濱海平原地貌，場地65 m 范圍之內(nèi)主要為①1層素填土、①2層浜底淤泥、②層粉質(zhì)粘土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④層淤泥質(zhì)粘土、⑤層粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦1層粘質(zhì)粉土夾薄層粉質(zhì)粘土、⑦2-1層粉砂、⑦2-2層粉砂。基坑開挖深度范圍內(nèi)場地地層主要為①～④層，多為軟土。土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 圍護方案選型

3.1 基坑圍護體系選型

參考本地區(qū)類似項目經(jīng)驗，該類型基坑常用板式圍護結(jié)構(gòu)結(jié)合內(nèi)支撐的支護體系，板式支護結(jié)構(gòu)主要包括地下連續(xù)墻、型鋼水泥攪拌墻、鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕等。其中型鋼水泥攪拌墻具有施工影響小、防滲性能好、適應(yīng)土層范圍廣、綠色環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點。鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕施工工藝成熟、剛度大、控制基坑變形能力強，但其產(chǎn)生的廢棄泥漿，對周邊環(huán)境會有一定影響。因而，綜合環(huán)境保護、造價、安全、經(jīng)濟等多個方面考慮，本工程選擇型鋼水泥攪拌墻的圍護結(jié)構(gòu)形式。

3.2 支撐體系選型

根據(jù)本項目的基坑深度、周邊環(huán)境以及上海地區(qū)經(jīng)驗，本基坑需布置一道水平支撐。可采用鋼筋混凝土支撐或鋼支撐兩種支撐形式。混凝土支撐布置靈活，基坑頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制較好，可有效減少坑頂位移，有利于對周邊環(huán)境的保護，但支撐后期需要拆除，會造成大量的廢棄混凝土，造價較高，經(jīng)濟性不佳。鋼支撐常規(guī)為鋼管支撐，施工便捷，拆除方便。但受其剛度、穩(wěn)定性影響，僅適用于跨度相對較小的基坑，本項目基坑長度已超過100 m，不建議采用。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐是由高強低松弛的鋼絞線作為上弦結(jié)構(gòu)、H 型鋼作為受力梁，與長短不一的H 型鋼梁等組成，采用對撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角鍵節(jié)點、預(yù)壓頂緊裝置等標準部件組合并施加預(yù)應(yīng)力，形成平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)與立面結(jié)構(gòu)體系[4]。與常規(guī)鋼支撐對比，穩(wěn)定性更好。通過施加預(yù)應(yīng)力可有效地控制基坑的變形。

3.3 支撐體系對比分析

本項目基坑面積較大，可選用的支撐形式為水平混凝土支撐和裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐，下面從3個方面對兩種支撐體系進行對比。

3.3.1 計算結(jié)果對比

常規(guī)混凝土支撐采用支撐計算軟件進行計算，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐由于其特殊性，常規(guī)計算軟件無法計算，改用有限元軟件進行計算。從計算結(jié)果（見圖2）可以看出，混凝土支撐方案最大位移在西南角，為13.0 mm。裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐最大位移也在西南角，最大位移為19.0 mm。裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐雖位移較混凝土支撐控制弱，但也完全能滿足相應(yīng)變形控制的要求。

圖2 混凝土支撐體系計算結(jié)果

3.3.2 造價對比

經(jīng)測算，支撐體系方案總體圍護造價約820 萬元，預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐體系方案總體造價約700 萬元。預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐體系總造價相比與混凝土支撐體系可有效降低施工成本，節(jié)約金額約120 萬元，節(jié)約率約17.12%。

3.3.3 工期對比

混凝土支撐需要綁扎鋼筋、澆筑混凝土、養(yǎng)護等多個流程，預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐不需要養(yǎng)護，施工速度快。另外，預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐具有更大的挖土空間，大大加快挖土速度。經(jīng)測算，預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐工期相比于混凝土支撐體系可以節(jié)省工期2 個月，節(jié)約比例60%。

從以上3 個方面可以看出，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在基坑位移控制方面能滿足相應(yīng)要求，同時造價和工期相比于傳統(tǒng)的混凝土支撐有較大優(yōu)勢。

4 魚腹梁施工技術(shù)

4.1 工藝流程

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)采用工具式組合鋼構(gòu)件安裝，其工藝流程如下：施工準備→土方開挖→測量定位/標高控制/復(fù)核→方管立柱施工→開槽施工牛腿、托座、支撐梁→施工圈梁→工具式支撐安裝施工→預(yù)應(yīng)力施加→土方開挖至基坑底→澆筑混凝土墊層、底板、側(cè)墻，強度達到設(shè)計強度→依次拆除回收支撐、魚腹梁及立柱拆除→工程結(jié)束[5-6]。

預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐施工工藝參見圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力裝配式支撐的施工流程

4.2 預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐的安裝方法

4.2.1 鋼立柱施工

立柱采用300×10/6 方鋼管，長度17/18 m。計劃采用機械手與挖機配合施工。施工時嚴格控制立柱定位、方向、垂直度。

4.2.2 鋼牛腿的施工

設(shè)置在基坑四周閉合邊線上的鋼牛腿其中心線在同一個水平位置。牛腿焊接前先行破除壓灌樁砼皮后焊接鋼板，在焊好的鋼板上焊接牛腿，須保證三處連接部位牢固，具有足夠的穩(wěn)定性。

4.2.3 設(shè)置基準點與定位

首先確定鋼圍檁的軸線基準點，用經(jīng)緯儀通過坐標計算測設(shè)基坑相鄰兩個轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)的基點，采用掛線的方法完成鋼圍檁平面安裝與定位。同時要求軸線偏差不得超過5 mm。

4.2.4 鋼圍檁的安裝

應(yīng)遵循“先長后短，減少接頭數(shù)”的原則進行鋼圍檁的安裝，同時盡量采用較長圍檁，以減少鋼圍檁接頭數(shù)。

鋼圍檁隨著鋼支撐的架設(shè)逐步安裝，并確保鋼圍檁設(shè)置在牛腿支架上。鋼圍檁的連接部位和搭接部位使用螺栓緊固連接，并滿足強度要求。

4.2.5 托座和支撐梁的安裝

托座件的安裝必須嚴格控制水平標高，誤差不得超過5 mm，相鄰?fù)凶捻斆鏄烁卟畈坏么笥贚/1500（L 為間距），且不應(yīng)大于10 mm。另外，托座件的安裝須要求嚴格控制其垂直度，若發(fā)生偏位，可采用加墊鋼板的方式以滿足垂直度的要求。

4.2.6 角撐的施工

鋼角撐與鋼圍檁之間存在夾角時，不易安裝和預(yù)應(yīng)力的施加；每道鋼角撐安裝前須事先在地面進行預(yù)拼接，檢查預(yù)拼后支撐的順直度，達到要求后方可進行安裝。

4.2.7 魚腹梁和剪刀撐的施工

魚腹梁部件預(yù)拼完成后，采用設(shè)備將其吊放在鋼支撐的牛腿上，兩端采用人工牽引的方法，以確保鋼支撐的整體穩(wěn)定性。

鋼絞線的安裝時需逐根對稱，每根鋼絞線通過橋架WS 構(gòu)件穿入錨具對應(yīng)的孔洞，兩個錨具內(nèi)穿入的鋼絞線位置應(yīng)對稱，數(shù)量相同。鋼絞線與錨具通過夾片固定，可先進行預(yù)張拉繃緊鋼絞線。張拉時張拉千斤頂?shù)淖饔镁€與鋼絞線的軸線應(yīng)重合。兩個錨具內(nèi)的鋼絞線應(yīng)對稱張拉，達到受力平衡。

4.2.8 預(yù)應(yīng)力施加

預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐的各構(gòu)件布置完畢后施加預(yù)應(yīng)力。鋼絞線張拉應(yīng)按順序逐根進行，一般分3 次張拉，第1 次張拉到設(shè)計值的30%，第2 次張拉到設(shè)計值的70%，第3 次張拉到設(shè)計值的100%。圖4 為預(yù)應(yīng)力施加的施工流程。

圖4 預(yù)應(yīng)力施加的施工流程

5 結(jié)論

本研究通過工程實例，介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的應(yīng)用，根據(jù)計算結(jié)果、造價和工期等多個方面對比，證實了裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的安全性，施工便利性以及經(jīng)濟工期優(yōu)勢，介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐的施工技術(shù)。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁內(nèi)支撐技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)支撐的全部可回收，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點，符合國家建筑工業(yè)化政策導(dǎo)向，能夠為國家碳中和貢獻自己的力量，其有著良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。