裝配式H 型鋼支撐在超深厚軟土基坑中的應用

汪海生， 陶言祺

(安徽省交通勘察設計院有限公司， 安徽 合肥230011)

在軟土基坑工程中， 變形控制往往是工程建設的重難點[1]， 尤其在超深厚軟土基坑或變形要求高的復雜環境下， 需要采用擋土結構結合內支撐的支護形式才能有效控制變形， 減少對周邊環境的影響[2-3]。 國內支撐材料多以鋼筋混凝土為主體， 存在耗能大、 周期長、 拆除不便等情況， 鋼支撐在基坑支護中的應用相對較少。 隨著國家推進源頭減排、 節能環保， 裝配式綠色施工技術被廣泛應用[4]。 裝配式H 型鋼支撐支護技術是由國外引進并在創新的基礎上建立的， 技術成熟， 具有節能環保、 安全便捷、 綠色施工等優勢[5]。 在國內一些重大工程中被逐漸推廣應用， 取得了良好的社會效益。

本文綜合介紹船閘基坑工程的現狀情況， 結合軟土基坑的施工挖土方案， 選取裝配式H 型鋼支撐用于試驗段基坑加固， 結合現場監測情況，對原雙排樁支護結構增加裝配式H 型鋼支撐進行分析研究。

1 工程概況

船閘位于皖蘇交界的某干流航道上， 由于舊船閘報廢， 在舊閘原址重建新閘。 船閘基坑深度15.0 ～19.3 m， 東西向呈長方形， 東西長度約425.0 m， 南北向寬度33.8 ～58.6 m， 現狀周邊環境復雜， 安徽側坡頂分布較多民房， 民房距離圍護樁凈距最近約15.0 m， 江蘇側河堤距離圍護樁最近約15.0 m。 原設計雙排樁、 坑內被動區、 前后排樁間、 局部邊坡水泥土攪拌樁施工完成。

閘室基坑從連梁向下開挖7.6 m 至高程-1.6 m時支護結構發生位移。 為保障后續基坑開挖和外部環境的安全， 根據現狀情況， 結合施工安全性、 經濟性進行比選， 推薦采用原雙排樁結構增加裝配式H 型鋼支撐方案進行加固。 原基坑參數為: 雙排樁支護， 排距6.0 m， 前、 后排樁間距分別為1.7、 3.4 m， 樁徑1.2 m， 設計底高程、開挖高程分別為-4.5、 -1.6 m， 首次開挖位移9～10 cm， 坑內回填沉降穩定高程2.0 m。

根據地質勘察報告， 基坑范圍內分布著約20 m厚的淤泥質粉質黏土， 特性差， 呈流塑狀，具有壓縮性高、 強度低、 透水性差、 靈敏度高等特點。 ③淤泥質粉質黏土， 勘察揭露層厚18.4 ～20.0 m； ④1黏土， 勘察揭露層厚2.0 ～8.9 m；⑦圓礫勘察揭露層厚0.7 ～2.8 m； ⑧1強風化砂巖勘察揭露層厚0.7 ～3.9 m； ⑧2中風化砂巖層未揭穿， 揭露最大厚度14.8 m。 基坑支護設計參數見表1。

表1 土層主要物理力學特性指標

2 基坑加固方案設計

2.1 基坑加固方案

試驗段基坑設兩層臨時鋼支撐， 采用裝配式H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm(高度×寬度×腹板厚度×翼緣板厚度)型鋼。 第1 層鋼支撐Z1 設置在連冠梁位置， 第2 層鋼支撐Z2 與第1 層鋼支撐豎向間距為5.0 m； 通過型鋼腰梁、 混凝土腰梁與圍護樁形成整體受力體系， 豎向設置立柱確保鋼支撐的豎向穩定， 鋼支撐構件主受力構件采用拼裝連接， 基坑加固斷面見圖1。

圖1 基坑加固斷面(單位: m)

2.2 裝配式H 型鋼內支撐結構分析

2.2.1 支護結構計算

分別采用理正7.0 軟件和GTS-NX 有限元軟件進行基坑支護計算。

船閘基坑形狀為狹長矩形， 可按平面問題進行處理。 有限元分析計算采用的是平面應變假定，建模采用GTS-NX 中的平面有限元法， 樁體、 立柱、 連冠梁、 型鋼支撐為彈性模型， 采用梁線單元模擬； 土體采用軟件中修正Mohr-Coulomb 模型。忽略樁間土體繞流和縱向邊界的影響， 假定模型左右邊界水平位移為零， 豎向允許變形， 下邊界各方向均不發生位移， 模型共計15 743 個節點、15 340 個單元， 見圖2。

圖2 基坑開挖的有限元模型

有限元計算模型設置7 個工況: 工況1 為初始應力分析； 工況2 為施工支護樁、 連冠梁、 立柱； 工況3 為首次開挖至高程2.0 m； 工況4 為架設首層型鋼支撐； 工況5 為二次開挖至高程0 m；工況6 為架設兩層型鋼支撐； 工況7 為最后開挖至-4.5 m。 理正計算無工況1、 2。 根據基坑現狀， 確定加固設計參數， 見表2。

表2 基坑加固設計參數

支護系統抗傾覆、 整體穩定、 抗隆起驗算依據《建筑基坑支護技術規程》[6]。 對工況7 的支護系統進行驗算， 結果見表3， 計算結果滿足規范要求。

表3 加固計算結果

2.2.2 支護結構分析

1)連梁水平位移分析。 試驗段基坑兩側連冠梁頂部分別有4 個水平位移監測點， 江蘇側為ZQS1-35～ZQS1-38， 安徽側為ZQS2-27 ～ZQS2-30。自回填沉降穩定后至支撐系統安裝完成前， 江蘇側水平位移最大增長了約10 mm， 安徽側最大增加了約40 mm， 表明回填完成后基坑水平位移仍在發展。 支撐系統安裝完成后至開挖至建基面，江蘇側位移增長了約12 mm， 安徽側水平位移增長了約15 mm； 開挖過程中型鋼支撐有效控制了水平位移的發展。 江蘇側實際總位移22 mm； 安徽側實際總位移55 mm， 對比3 個開挖工況下監測水平位移、 理正和GTS-NX 計算結果， 計算結果較接近監測值， 見圖3。

圖3 連冠梁頂部水平位移對比

2) 土體深層水平位移分析。 試驗段基坑支護后側土體中有2 根測斜管， 測斜管自基坑回填完成后埋設并監測。 自回填完成后至支撐系統安裝完成前， 測斜管發生了整體位移， 樁后土體在④1粉質黏土中存在深層水平位移， 見圖4。 表明基坑發生位移后， 軟土流變[7]， 外側土體存在深層滑弧。 但在型鋼支撐系統安裝完成后至開挖至建基面， 3 條曲線很接近， 說明土體的深層水平位移發展趨勢減緩， 得到了控制。

3) 鋼支撐軸力分析。 試驗段施工在12 月—次年1 月， 晝夜溫差大， 鋼支撐軸力受溫度影響變幅在150～250 kN[8]， 見圖5。 根據軸力監測結果， 試驗段軸力監測最大值為950 kN(＜1 872 kN)， 實際值約為理正計算結果的50%， 與有限元計算結果上層支撐軸力最大值1 019.2 kN 較接近。

圖4 土體深層水平位移

圖5 上層鋼支撐軸力

3 裝配式H 型鋼支撐施工技術

基坑內部高程為2.0 m， 由于10 m 長鋼筋籠和15 m 長格構柱(截面邊長400 mm)， 難以整根吊裝， 現場格構柱分10、 5 m(地面以上)兩段施工， 下段與鋼筋籠一同吊裝并采用限位裝置保證格構柱的入土垂直度， 后期上段與下段焊接。 鋼支撐拼裝完成后在鋼腰梁和原支護結構間采用細石混凝土找平， 細石混凝土達7 d 齡期后， 施加預加力并進行土方開挖。

現場裝配式H 型鋼先支撐一半船閘基坑， 后期采用周轉倒運、 流水作業的方式重復利用一次，相比混凝土支撐， 節省工期和造價。

4 結論

1)計算結果和監測數據表明， 裝配式H 型鋼支撐作為試驗段基坑加固措施有效地控制了圍護結構的水平位移， 保證基坑開挖的安全穩定， 減小了對周邊環境的影響， 可用于船閘的基坑加固。

2)根據監測結果， 基坑支護發生較大位移后，軟土長期蠕變， 采用型鋼支撐加固后趨勢減緩，土體深層水平位移發展得到控制。

3)鋼支撐軸力受溫度影響較大， 計算模型中未考慮溫差效應， 對于鋼支撐系統的影響還有待進一步研究， 建議施工中采用軸力自動伺服系統以避免溫差帶來的不利影響。