成克錦

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

工具式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系（IPS）作為一種新型支護(hù)技術(shù)，具有綠色環(huán)保、施工便捷、安全可靠、造價(jià)便宜和節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)，但在軟弱土層基坑開挖過程中，如何控制其平面變形及滿足支撐體系工況的有效性需進(jìn)行研究。結(jié)合工程實(shí)例，通過優(yōu)化挖土方案和增強(qiáng)支撐體系剛度等措施來確保該支撐體系的有效性和基坑安全。

1 IPS支撐體系簡介

1.1 工藝原理

IPS支撐體系是應(yīng)用預(yù)應(yīng)力原理，采用魚腹梁（高強(qiáng)低松弛的鋼絞線作為上弦構(gòu)件）與H型鋼組合而成的平面支撐體系[1]。通過預(yù)壓頂緊裝置等標(biāo)準(zhǔn)部件組合并施加預(yù)應(yīng)力后，形成整個(gè)預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)（圖1）。

圖1 預(yù)應(yīng)力魚腹梁結(jié)構(gòu)體系

1.2 優(yōu)點(diǎn)與不足

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）工效高：IPS支撐體系所采用的都是工具式可裝拆的標(biāo)準(zhǔn)部件，不論前期安裝還是后期拆除都非常方便快捷，大大提高了施工效率。

2）綠色環(huán)保：顯著改善了施工場地條件，尤其避免了混凝土支撐拆除時(shí)的粉塵污染。

3）挖土方便：IPS支撐體系提供了大開挖的條件，提高了出土效率。

4）變形控制好：通過對(duì)魚腹梁結(jié)構(gòu)體系施加預(yù)應(yīng)力，實(shí)際等效于對(duì)圍護(hù)體施加了反向力，事先平衡了一部分坑外土水壓力，較大程度上減小了基坑圍護(hù)體的水平位移，基坑變形控制效果好。

1.2.2 不足

IPS支撐體系適用于平面形狀規(guī)則的基坑，對(duì)不規(guī)則基坑需要和混凝土支撐組合使用。此外，在軟土地區(qū)，IPS支撐體系的整體剛度較弱，容易發(fā)生支撐在平面內(nèi)的整體變形。為此，本文在上海某項(xiàng)目上應(yīng)用此技術(shù)時(shí)提出了一系列的改進(jìn)措施和方法。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

背景項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)康橋工業(yè)區(qū)南區(qū)，場地東至規(guī)劃中的良虹路，南至古恩路，北至古博路，西至北橫河?？傆玫孛娣e426 367 m2，建筑面積450 700 m2，主要建筑為F1生產(chǎn)廠房及支持區(qū)、C1動(dòng)力廠房、E1工程調(diào)度樓、P1研發(fā)樓、P3倒班宿舍，以及廢水處理站、變電站S1、柴油發(fā)電機(jī)、倉庫等單位工程（圖2）。其中，地上建筑面積396 510 m2，地下建筑面積54 190 m2。

2.2 工程地質(zhì)概況

圖2 項(xiàng)目平面示意

基坑開挖深度范圍內(nèi)土層分布為：①素填土及局部分布的②層浜底淤泥、③層淤泥質(zhì)黏土及③夾層粉層砂與黏土互層、第④層淤泥質(zhì)黏土。其中第③、第④層淤泥質(zhì)黏土厚度大，其土層飽和，為流塑狀軟土，土的物理力學(xué)指標(biāo)較差。

2.3 圍護(hù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目F1、C1和P3等3個(gè)單位工程采用了預(yù)制構(gòu)件復(fù)合水泥土攪拌樁墻＋工具式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系。

F1基坑面積約3 500 m2（基坑長80 m、寬44 m），開挖深度為6.85～7.85 m（圖3）。C1基坑面積12 700 m2（基坑長147.6 m、寬75.6 m），開挖深度為6.65～8.85 m（圖4）。P3基坑面積為18 615 m2（基坑長136.6 m、寬125.4 m），開挖深度為4.15～9.45 m（圖5）。

圖3 F1圍護(hù)平面布置示意

圖4 C1圍護(hù)平面布置示意

2.4 IPS構(gòu)造設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目IPS支撐體系設(shè)計(jì)情況如下（圖6）：

1）鋼圍檁采用H400mm×400mm×13mm×21mm型鋼，通過預(yù)埋件與SMW工法樁冠梁連接。

2）鋼支撐立柱主要采用350mm×350mm方鋼管。上部長度6.6～7.0 m，壁厚10mm，下部長度（基坑底以下）9～10 m。其中跨度較大區(qū)域?yàn)樵鰪?qiáng)穩(wěn)定性，部分區(qū)域采用φ800mm灌注樁內(nèi)插4∠125mm×12mm格構(gòu)柱，間距40 m左右，豎向柱間支撐為125mm×10mm角鋼，水平剪刀撐連桿H250mm×250mm。

3）鋼支撐（對(duì)撐和角撐）采用H350mm×350mm×12mm×19mm型鋼作為主要受力構(gòu)件，托梁為H350mm×350mm×10mm×15mm型鋼，由高強(qiáng)螺栓等緊固件連接形成，通過300 t液壓千斤頂分4級(jí)施加預(yù)應(yīng)力。

4）魚腹梁：配置錨具32孔（H350），實(shí)配38根，其中6根預(yù)留，預(yù)應(yīng)力、張拉力各為2 000 kN，鋼絞線分3級(jí)循環(huán)張拉。

5）IPS支撐設(shè)計(jì)監(jiān)測報(bào)警值：支撐平面變形累計(jì)≥500mm；立柱水平位移累計(jì)≥300mm；日變量≥5mm/d（連續(xù)3 d）。

圖5 P3圍護(hù)平面布置示意

圖6 支撐體系立面示意

3 IPS支撐體系施工

3.1 施工流程

IPS支撐體系的施工工序和流程為：施工準(zhǔn)備、材料進(jìn)場→圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工→立柱樁施工→支撐安裝作業(yè)→定標(biāo)高、焊接鋼牛腿→圍檁、牛腿、支撐梁安裝拼接→裝配式支撐部件安裝的同時(shí)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)→施加預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測→土方開挖→裝配式支撐部件拆除→施工完成[2]。

3.2 挖土工況

基坑在豎向上的開挖工況如下：

1）工況1：完成支撐施工。

2）工況2：挖土施工。

3）工況3：底板及傳力帶施工。

4）工況4：支撐拆除及回填施工。

挖土施工過程中需要注意以下幾點(diǎn)原則：

1）采用先挖4個(gè)角撐區(qū)域，后開挖中間區(qū)域的施工方案，先形成角撐，后形成對(duì)撐。

2）需協(xié)調(diào)好底板后澆帶和施工縫的設(shè)置，盡早形成底板。

3）采用階梯式分級(jí)分層開挖，以往深基坑開挖分層一般為3～4 m即可，考慮本工程支撐體系構(gòu)造及土層情況，每層土方開挖深度不得大于2 m，階梯平臺(tái)不小于15 m，坡度按1∶3留設(shè)，暴露面積小于200 m2。

4）挖土過程中支撐立桿兩側(cè)須對(duì)稱開挖，減少兩側(cè)土壓力不平衡對(duì)支撐立柱的影響，保證立柱的垂直度。

5）加強(qiáng)支撐平面位置的監(jiān)測工作，結(jié)合過程監(jiān)測的數(shù)據(jù)對(duì)挖土分塊、分層作調(diào)整，保證支撐的工作性能。

4 施工中的問題及解決措施

4.1 產(chǎn)生的問題

本項(xiàng)目3個(gè)單體基坑圍護(hù)為首次采用預(yù)制構(gòu)件復(fù)合水泥土攪拌樁墻和IPS支撐體系的應(yīng)用和嘗試。通過初期對(duì)方案的慎重考慮及施工過程中的經(jīng)驗(yàn)積累，為確保施工安全，開工順序按照項(xiàng)目各單體的工期要求，結(jié)合基坑施工的規(guī)模，按照先易后難、先小后大的原則，施工順序確定為：F1→C1→P3。

1）F1單體對(duì)撐和角撐的跨度較小，從挖土至整個(gè)基礎(chǔ)底板完成，支撐平面最大變形累計(jì)值達(dá)到218mm，圍護(hù)變形值在200mm左右，符合設(shè)計(jì)要求，整個(gè)支撐受力可靠安全。

2）C1單體對(duì)撐和角撐的跨度較大，分別為128.3 m和60.5 m。土方開挖過程中由于軟弱土較厚，中間對(duì)撐體系出現(xiàn)較大平面位移，達(dá)到650mm（≥500mm的報(bào)警值）且短時(shí)間內(nèi)連續(xù)3 d的變形量是10mm/d（≥5mm/d）。

4.2 解決措施

針對(duì)上述施工中暴露出來的問題，提出了相應(yīng)措施：

1）優(yōu)化改進(jìn)分區(qū)分塊的土方開挖，通過挖土控制立柱變形。

2）對(duì)已完成的分塊，盡快形成底板。

3）通過已完成的分塊底板，設(shè)置H700mm×300mm×12mm×24mm的斜拋撐（圖7）。

4）在支撐立面補(bǔ)加柱間支撐（斜桿和水平桿）形成門式框架，提高整體剛度。

圖7 斜拋撐設(shè)置剖面

5）補(bǔ)打350mm×350mm×10mm的方管立柱。

通過上述幾項(xiàng)措施，較好地控制了支撐平面變形的發(fā)展，使整個(gè)基坑施工順利推進(jìn)[3-4]。

P3單體經(jīng)過C1案例，對(duì)支撐體系作了進(jìn)一步的優(yōu)化，著重加強(qiáng)控制立柱等平面處的變形情況。同時(shí)對(duì)挖土方案的分塊和流程作了更進(jìn)一步的細(xì)化（圖8），比較好地體現(xiàn)了IPS支撐體系的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

圖8 P3基坑挖土分塊

5 結(jié)語

本項(xiàng)目在軟弱土層較厚的地質(zhì)條件下，考慮到施工的便捷性及工效，大膽采用了IPS工具式魚腹梁支撐體系。該結(jié)構(gòu)體系整體剛度較弱，基坑挖土?xí)r保持兩側(cè)土壓力的平衡是控制其變形的重點(diǎn)措施，尤其當(dāng)支撐平面跨度較大時(shí)，分層分塊、對(duì)稱開挖顯得更加重要，對(duì)支撐平面變形可以起到較好的作用。今后需進(jìn)一步研究軟弱土層條件下IPS支撐體系的剛度取值問題以及分層邊坡的留土高度對(duì)立柱側(cè)向變形的影響，以便進(jìn)一步推廣應(yīng)用。