張懸梁鋼支撐在某深基坑支護工程中的應用

張德成 李 維 陳衛剛 王 飛

(1.江蘇華晟建筑設計有限公司,江蘇 徐州 221006; 2.江蘇三力巖土科技有限公司,江蘇 徐州 221006)

深基坑內支撐系統通常用于開挖深度較大、地質條件較差、周邊環境保護要求較高的基坑，支撐材料可以采用鋼或混凝土，也可以根據實際情況采用鋼和混凝土組合的支撐形式。這兩種材料支撐體系應用時，在布置形式上有很大區別，要考慮的因素非常多，在布置的時候，對其安全可靠性有非常嚴格的要求，內支撐體系要在最大程度上滿足地下主體結構的施工要求，同時便于施工。鋼支撐自重輕、安裝和拆除方便、施工速度快以及可以重復使用等優點外，安裝后能立即發揮支撐作用，對減少由于時間效應而增加的基坑位移，是十分有效的。近年來，國內眾多學者對鋼支撐在基坑工程中的應用加以闡述[1-4]。

張懸梁鋼支撐系統由張懸梁、桁架直撐、斜撐、支架梁、預應力施加裝置等組成，大跨度綠色深基坑支護技術。與傳統基坑支護系統相比較，張懸梁鋼支撐系統具有桿件長細比小、支撐剛度大、控制基坑變形小、節省造價、縮短工期、提供大空間施工作業面、施工噪聲低、節能環保等特點。國內針對張懸梁鋼支撐系統在工程中的應用研究較少，秦洋[5]結合工程實例，對張懸梁鋼支撐與混凝土支撐進行對比，說明張懸梁鋼支撐系統在施工工期和工程造價上具有明顯優勢。本文結合徐州市某基坑支護工程實例，對張懸梁鋼支撐系統在該工程中的應用進行闡述，在理論計算與監測成果的基礎上對支護效果進行了分析評價。

1 工程應用實例

1.1 工程概況

擬建工程位于徐州市城區，地下室兩層。基坑周長約480 m，面積約10 100 m2，基坑開挖深度7.40 m～8.80 m。擬建場地西側為空地，地下室外墻距用地紅線約2.31 m；北側為二環北路，地下室外墻距用地紅線約3.09 m～4.32 m，距二環北路道路邊約15.21 m～15.61 m；東側為蘇堤北路，地下室外墻距用地紅線約1.66 m～26.22 m，距該側頂管工作井最近約9.94 m，頂管工作井埋深11.0 m；場地東北角為售樓處，該售樓處為條形基礎，基礎埋深約1.0 m，距離地庫外墻線約12.43 m；南側為空地，地下室外墻距用地紅線約2.92 m～3.05 m，紅線外29.08 m為隴海鐵路線。

1.2 場地地層結構及土層物理力學指標

場地地層分布及物理力學指標見表1。

表1 物理力學性質指標一覽表

1.3 基坑支護方案

本工程周邊環境用地較緊張，周邊建筑物、道路需要保護，采用SMW工法(三軸攪拌樁內插H型鋼)加一道張懸梁鋼支撐支護方案。Φ850@600三軸攪拌樁內插H700×300×13×24型鋼，型鋼“插一跳一”“插二跳一”布置，型鋼長度17 m，坑內設置一道張懸梁鋼支撐(局部為鋼筋混凝土支撐)，支撐中心標高-2.70(+39.10) m。支撐下設420 mm×420 mm的鋼格構柱，格構柱錨入Φ800立柱樁不少于2.5 m。

基坑中部設置鋼桁架對撐(H600×300×12×20型鋼),角部設置鋼桁架角撐(H600×300×12×20型鋼)，鋼桁架對撐之間的水平支撐結構采用24 m，30 m的預應力張懸梁。該預應力張懸梁采用Q550級鋼拉桿(φ150)作為下弦，與對撐組合成自平衡體系共同抵抗作用在冠梁上的土壓力。通過安置在對撐、斜撐和張懸梁腹桿端部的千斤頂來調節鋼支撐平衡體系的張緊程度而限制支護結構的變形。

基坑支護結構平面布置見圖1，典型支護結構剖面如圖2所示。

1.4 基坑支護結構計算

1.4.1支護結構單元計算

基坑支護設計計算采用彈性法土壓力模型，計算內力、位移包絡圖見圖3。

經計算，型鋼水泥土攪拌墻對前趾的抗傾覆安全系數KQ=3.172>1.30,滿足規范要求。采用瑞典條分法計算基坑整體穩定性，應力狀態為總應力法，條分法中的土條寬度為1.00 m。滑裂面數據：整體穩定安全系數Ks=2.155>1.35，滿足規范要求。

通過內力變形計算分析，采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐的支護方案，可以滿足基坑支護要求。

1.4.2支護結構有限元數值模擬

為了較準確的分析計算基坑開挖期間的支撐系統受力、變形情況，采用SAP2000(v 21.0.2)結構分析設計軟件進行基坑開挖過程中的數值模擬計算。三維計算模型見圖4。

根據單元計算結果，基坑開挖至坑底時，支撐系統的內力及變形最大。以基坑開挖至設計坑底標高的壓力值作為依據進行構件截面設計，對支撐構件進行編號，見圖5。

在荷載組合(恒載、活載、預應力荷載、升溫荷載)作用下，鋼結構部分的構件內力最大的前10個單元內力計算結果見表2。

本工程以冠梁最大變形位移30 mm為控制值，在荷載組合作用下，鋼結構部分的構件內力最大的前10個控制節點的位移如表3所示。冠梁最大位移位于節點序號148，最大位移19.7 mm<30 mm，滿足位移控制要求。

表2 鋼支撐內力計算結果一覽表

表3 鋼支撐位移計算結果一覽表 mm

驗算結構正常工作狀態下構件的強度和穩定應力比(結構重要性系數：1.10，需求/能力比例限值：0.95)。組合作用下結構應力比最大的8個構件如表4所示。構件應力比均小于0.95，構件應力滿足要求。根據理論計算結果并結合相關規范規程，采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐支護方案，可以有效的控制基坑變形在規范允許范圍內。

表4 鋼支撐構件應力比一覽表

2 基坑監測成果分析

基坑支護結構的平面布置及樁頂水平位移、深層水平位移、支撐軸力監測點位置見圖6。

2.1 支護結構水平位移

根據基坑監測成果，基坑冠梁頂水平位移在12.3 mm～24.6 mm之間(見圖7)，與計算值21.7 mm較為接近。選取3個有代表性的監測點，繪制基坑深層水平位移曲線(見圖8)。實測最大深層水平位移為23.2 mm，理論計算最大值為22.05 mm，支護樁變形實測值與理論計算值較為接近，深層水平位移曲線形態與計算較為吻合，樁身最大位移均發生在坑底附近，較好的反映了基坑實際變形情況。

2.2 支撐軸力

支護結構外側的側向土壓力由SMW工法樁和張懸梁鋼支撐體系承擔，表5為設計軸力與實測最大軸力的對比分析表，根據監測成果，支撐最大軸力未達到報警值，軸力發揮的程度為設計值的69%～78%，說明采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐可以確保整個圍護體系的穩定。

表5 支撐軸力設計值與監測值一覽表

3 結語

1)本基坑采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐支護，縮短了施工周期，與傳統的“灌注排樁+止水帷幕+鋼筋混凝土支撐”的支護體系相比，型鋼及張懸梁鋼支撐可以回收再利用，節省工程造價。2)通過理論計算和工程監測成果對比分析，支護結構的變形值與理論計算值較為接近，說明張懸梁鋼支撐系統的工程應用取得良好效果。3)本基坑支護工程取得了良好的經濟效益和社會效益，對類似工程具有重要的指導意義和借鑒價值。