預(yù)應(yīng)力魚腹梁在軟土深基坑支護(hù)中的應(yīng)用

上海市建工設(shè)計研究院有限公司 上海 200235

1 預(yù)應(yīng)力魚腹梁的工藝原理

1.1 工作機(jī)理

預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)是通過對魚腹梁弦上的鋼絞線、對撐和角撐施加預(yù)應(yīng)力，經(jīng)與角撐、對撐和三角形連接點(diǎn)組合，實現(xiàn)對基坑邊坡支護(hù)變形的控制，形成一個可回收、可重復(fù)裝配、可拆卸的平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)。

預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐為小剛度組合結(jié)構(gòu)，其無法像混凝土支撐一樣通過剛度實現(xiàn)對位移的控制。基坑開挖前，通過對魚腹梁弦上的鋼絞線進(jìn)行張拉，施加預(yù)應(yīng)力，張緊的鋼絞線在魚腹梁支撐桿件上產(chǎn)生較大的反作用力，形成了具有較大抗彎剛度的大跨度圍檁結(jié)構(gòu)，大大減少作用于魚腹梁圍檁上的彎矩。將預(yù)應(yīng)力魚腹梁通過專用節(jié)點(diǎn)與施加預(yù)應(yīng)力的對撐和角撐組合，形成完整的預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)，抵抗作用于圍檁上的彎矩，控制彎曲變形。同時，支撐系統(tǒng)上預(yù)加的預(yù)應(yīng)力使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向坑外的超前位移，擠壓坑外土體產(chǎn)生被動土壓力，基坑開挖過程中，土壓力由被動土壓力逐漸向主動土壓力轉(zhuǎn)化，在一定程度上抵消了一部分的土壓力和位移，從而實現(xiàn)對位移的有效控制[1,2]。

1.2 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)是由魚腹梁、型鋼對撐和三角件等預(yù)制構(gòu)件構(gòu)成。整個支撐系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)件、輔助件和非標(biāo)準(zhǔn)件通過螺栓裝配連接而成，安裝和拆除方便、快速。魚腹梁和整個支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1～圖3所示。

圖1 小跨度（小于18 m）魚腹梁結(jié)構(gòu)形式示意

圖2 大跨度（大于20 m）魚腹梁結(jié)構(gòu)形式示意

圖3 預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)平面示意

預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)均為預(yù)制的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，其一般施工工藝流程如圖4所示。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

圖4 預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐施工工藝流程示意

上海天和錦園四期工程位于上海奉賢區(qū)大葉公路和泰青港交叉口，該項目分1層地下車庫和2層地下車庫2個區(qū)域，本文主要針對2層地下車庫區(qū)域的支護(hù)進(jìn)行研究。2層地下車庫區(qū)域采用樁承臺筏板基礎(chǔ)，普遍挖深7.5 m，坑邊承臺挖深7.8 m，基坑開挖面積約9 838.3 m2，周長約494.4 m；該基坑形狀不規(guī)則，南側(cè)為半地下室號樓，號樓門廳向地庫凸出，使南側(cè)地庫邊線呈凹凸不規(guī)則形狀。

2.2 周邊環(huán)境情況

本基坑?xùn)|側(cè)、西側(cè)和南側(cè)均為紅線內(nèi)用地，周邊環(huán)境較為寬松。東側(cè)與1層地下車庫區(qū)域相鄰，相對挖深3.2 m；西側(cè)為尚未修建的規(guī)劃幼兒園；南側(cè)為待建的號樓。

基坑北側(cè)鄰近市政主干道大葉公路，在3倍基坑開挖深度范圍外。基坑開挖邊線外20～30 m之間有2條石油管線，1條煤氣管線和1條通信電纜，基坑周邊環(huán)境如圖5所示。

圖5 基坑周邊環(huán)境示意

2.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

本工程基坑開挖影響深度范圍內(nèi)主要涉及到的土層由上往下依次為：①1-1素填土、①1-2浜填土、②1粉質(zhì)黏土、②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、③2砂質(zhì)粉土夾粉黏土、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土、⑥黏土。場地內(nèi)分布多條明、暗浜，明、暗浜區(qū)域第②層土缺失。影響本基坑的主要為淺部潛水，地下水位埋深0.50 m。

2.4 支護(hù)選型分析

根據(jù)基坑的基本概況、周邊環(huán)境情況和工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，本工程具有如下特點(diǎn)：

1）北側(cè)有石油管線和煤氣管線，保護(hù)要求極高；

2）基坑開挖深度較深，淤泥質(zhì)土層較厚；

3）南側(cè)基坑開挖邊線極不規(guī)則；

4）1層、2層地下車庫相連，需對深淺區(qū)支護(hù)進(jìn)行比選研究；

5）基坑淺層土體有砂質(zhì)粉土層和粉質(zhì)黏土層，滲透系數(shù)較大。

2.4.1 圍護(hù)選型

根據(jù)基坑特點(diǎn)和周邊環(huán)境情況，綜合考慮工期、造價和施工便捷性，本工程圍護(hù)選型如下：

1）基坑北側(cè)有重點(diǎn)保護(hù)對象，采用φ800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁結(jié)合φ850 mm@1 200 mm三軸攪拌樁止水帷幕。

2）西側(cè)和南側(cè)均為待建建筑，無保護(hù)對象，選用φ850 mm@1 200 mm三軸攪拌樁內(nèi)插700 mm×300 mm×13 mm×24 mm H型鋼，形成SMW工法樁圍護(hù)。

3）東側(cè)與1層地庫相鄰，采用二級放坡至1層地庫底板底，留10 m的平臺，相對高差區(qū)域采用雙軸水泥土攪拌樁重力壩圍護(hù)。

2.4.2 支撐選型

目前軟土深基坑中的支撐有鋼筋混凝土支撐、鋼支撐、預(yù)應(yīng)力魚腹梁等3種內(nèi)支撐形式。

本基坑北側(cè)有石油管線和煤氣管線需要保護(hù)，傳統(tǒng)的鋼支撐風(fēng)險較大，故不予采用。

本基坑形狀不規(guī)則，采用混凝土支撐位移控制好、布置靈活，可采用混凝土支撐作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力魚腹梁無法像混凝土支撐一樣靈活布置，若將不規(guī)則區(qū)域用混凝土支撐填平，即可實現(xiàn)大面積區(qū)域采用預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁支撐系統(tǒng)，滿足支撐布置的要求。預(yù)應(yīng)力魚腹梁采用U形布置即可形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。混凝土支撐布置和預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐布置分別如圖6、圖7所示。

圖6 混凝土支撐布置平面示意

圖7 預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐布置平面示意

從圖6、圖7可以看出，預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐的挖土空間明顯較大，基坑北側(cè)有重要管線，故從南側(cè)和西側(cè)進(jìn)行出土，挖土效率較高。

采用混凝土支撐時，1層地庫和2層地庫搭接區(qū)域須設(shè)置分隔樁，形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)，混凝土支撐上設(shè)置棧橋，支撐和棧橋下設(shè)置立柱和立柱樁；而采用預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐，支撐采用U形布置，1層地下車庫和2層地下車庫之間按照相對高差采用雙軸水泥土攪拌樁重力式擋墻，鋼支撐質(zhì)量較輕，支撐下設(shè)置300 mm×300 mm的方鋼立柱即可滿足承載力要求，并且，在基坑南側(cè)和西側(cè)設(shè)置挖土平臺替代混凝土支撐的棧橋，也大大降低了工程造價；經(jīng)統(tǒng)計，預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)較混凝土支撐節(jié)省造價約15%。

預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁支撐系統(tǒng)無養(yǎng)護(hù)期，安裝和拆除時間較短，且大跨度支撐系統(tǒng)會形成較大的挖土空間，可有效提高挖土和地下結(jié)構(gòu)施工效率，根據(jù)類似工程經(jīng)驗預(yù)估，本工程工期可縮短約30%。另外，混凝土支撐拆撐過程中會產(chǎn)生粉塵和噪聲，拆撐造成污染的同時，也造成了工程材料的浪費(fèi)；而預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁支撐系統(tǒng)通過螺栓連接，構(gòu)件可以回收循環(huán)利用，實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能的目的[3-6]。

3 數(shù)值計算

3.1 模型及邊界條件

本文擬借助Midas/GTS軟件對預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐體系進(jìn)行模擬驗算，以對整個支撐系統(tǒng)的位移和內(nèi)力進(jìn)行預(yù)測和分析，為工程施工提供參考。

按照實際工程原型尺寸進(jìn)行建模，圍檁、直腹桿及混凝土支撐采用梁單元，對撐、角撐、斜腹桿采用桿單元，鋼絞線采用僅受拉桿單元，混凝土板采用板單元，大三角件采用平面板單元。圍繞支護(hù)結(jié)構(gòu)圍檁施加被動土壓力彈簧，鋼支撐和鋼絞線上施加的預(yù)應(yīng)力為材料設(shè)計強(qiáng)度的80%；作用在圍檁上的土壓力按均布荷載考慮，荷載按各剖面的水土壓力計算結(jié)果取值。建立整體模型見圖8。

圖8 預(yù)應(yīng)力魚腹梁整體模型示意

3.2 計算結(jié)果及分析

3.2.1 基坑位移

支撐系統(tǒng)最大位移出現(xiàn)在西側(cè)角撐和魚腹梁交界處位置，最大位移15.9 mm；基坑北側(cè)最大位移位于西北角角撐與魚腹梁搭接區(qū)域，為15.6 mm。混凝土支撐填平位置位移較小，均小于7.0 mm。

3.2.2 支撐系統(tǒng)的內(nèi)力

計算得到型鋼支撐均只受壓縮軸力，鋼絞線只受拉伸軸力，位于型鋼對撐八字撐中間的圍檁受拉，其余圍檁主要承受壓力，其中鋼絞線張拉使魚腹梁區(qū)域圍檁所受壓力較大；最大軸力出現(xiàn)在北側(cè)中間跨魚腹梁上，最大軸力為5 073.3 kN。剪力最大值則出現(xiàn)在南側(cè)對撐八字撐中部圍檁上，最大剪力為2 014.1 kN；彎矩最大值則位于西側(cè)位移最大位置處，最大彎矩為1 595.5 kN·m。

4 結(jié)語

1）預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐采用U形布置即可形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，1層地庫和2層地庫搭接區(qū)域不需要設(shè)置分隔樁，節(jié)省了造價，與混凝土支撐比較，預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)總造價可節(jié)省約15%，工期可縮短約30%，并且大跨度支撐體系形成的挖土空間較大[7,8]。

2）在不規(guī)則形狀基坑中，可先借助混凝土支撐靈活布置的優(yōu)點(diǎn)，將不規(guī)則區(qū)域填平，之后再大面積布置預(yù)應(yīng)力魚腹梁，克服魚腹梁在小范圍不規(guī)則基坑中難以布置的難題。

3）通過數(shù)值計算，支撐系統(tǒng)的位移、內(nèi)力均在可控范圍內(nèi)。最大位移和彎矩均位于西側(cè)魚腹梁與型鋼角撐搭接位置；最大軸力則位于北側(cè)中間跨魚腹梁與右側(cè)對撐搭接位置，因此，魚腹梁與對撐搭接三角件位置所受荷載最大，易產(chǎn)生破壞，施工過程中應(yīng)針對重點(diǎn)部位加強(qiáng)監(jiān)測和檢測。