畢煒，劉洪臣，邱曉明

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

近幾年，隨著經(jīng)濟結構轉型的加快，城市建筑建設規(guī)模不斷縮小，而建筑高度不斷增大，在高大建筑的施工處理中，深基坑作業(yè)是必然要進行的一道分部分項工程，但由于深基坑作業(yè)本身存在有一定的危險性，使得其在作業(yè)中的支撐支護作用就顯得極為的重要，必須要特別的關注與規(guī)范化的管理。

2 建筑深基坑支護

深基坑作業(yè)是現(xiàn)代城市建筑中進行加固地基處理的重要工序，也是住建部發(fā)布的危險性較大的分部分項工程之一，其工程作用在于滿足日益增高的建筑及增加的建筑體量的地基穩(wěn)定性。但是，由于基坑本身是對于作業(yè)面土層的移除，而且部分建筑的基坑深度較深，有的甚至超過10m，這就使得邊坡位置會受到較強的側向壓力而使得基坑在開挖過程及開挖后的作業(yè)處理中存在著較大的坍塌風險。特別是考慮到現(xiàn)代城市建筑在施工中往往周邊存在著較多的高大建筑加大了側向壓力，或者是周邊道路的正常通行帶來的間斷或不規(guī)則的力學沖擊，再或者是周邊土層內深埋的公用綜合管廊以及公用工程管網(wǎng)也會破壞基坑周邊土層內部的結構應力，這些不良因素都會導致基坑本身的坍塌風險不斷的增加，如果沒有可靠的支護，很有可能發(fā)生各類型坍塌事故，加之深基坑作業(yè)時人員、機械較難上下，救援不便，極容易造成嚴重的人身傷亡與財產損失，而且對于工期控制、成本控制也會帶來極為不利的影響[1-3]。

深基坑支護一般采用各類型的鋼結構或混凝土結構構件用作支撐、圍擋等對深基坑周邊土層施加一個側向力以抵消周邊土層的向內側向力，對于基坑較淺且周邊情況良好的作業(yè)面可以簡單支撐或圍堰墻阻擋的方式，但對于部分基坑深達數(shù)米甚至十幾米以及周邊地質條件相對復雜的作業(yè)面，深基坑支護應利用鋼結構、混凝土結構構柱支撐體系并為了保障各土層結構的穩(wěn)定性進行分層支護的方式。而由于深基坑支護過程中支撐體系自重、土層施加側向力均相對較大，因此對于深基坑支護體系的結構穩(wěn)定性與可靠性設計、安裝、檢查就顯得極為的重要[4-5]。

3 裝配式魚腹梁鋼支撐及其應用特點

預應力魚腹梁鋼結構支撐體系指的是由魚腹梁、對撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角形接點、預壓頂緊裝置等標準部件組合并施加預應力，形成的平面預應力支撐系統(tǒng)與立體結構體系，這套體系較為穩(wěn)定可靠，能夠極大的降低深基坑土層側向剪應力，因此得到了很好的應用。

魚腹梁鋼支撐是在深基坑作業(yè)時進行支護的一個相對較新的支撐體系，其梁體整體結構類似于魚腹形狀形成一定的弧線，相比較于其他傳統(tǒng)的支撐體系，采用魚腹梁鋼結構施加預應力的支撐體系能夠很好的彌補傳統(tǒng)混凝土支撐或者鋼支撐造價過高且所用材料過多、容易出現(xiàn)應力集中等等的問題，如圖1所示為某預應力魚腹梁鋼支撐體系。

圖1 某項目現(xiàn)場魚腹梁鋼支撐支護體系

相對于傳統(tǒng)的混凝土支撐、鋼結構支撐，采用魚腹梁的支撐體系在深基坑安全支護時和在實際應用時有著更為明顯的優(yōu)勢表征，具體體現(xiàn)在：采用監(jiān)測技術后期整體的安全可靠性更強；支撐體系的技術參數(shù)和指標明顯更好，結構穩(wěn)定性更強；造價更少，工程量相對較小、施工周期短等等。

魚腹梁鋼結構支撐體系在設計時便在多個節(jié)點添加了許多用以專門提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加安全冗余度的附加結構件，這些結構件主要包括了立柱托架、橫梁、剪刀撐、縱橫構件間的U型卡件等等，這些結構件的存在使得整體結構體系更加的穩(wěn)定，也使得整體系統(tǒng)對于周邊土層由于各類不良因素產生的附加載荷的抵御能力大為增強。如在部分城市建筑的深基坑支護中，周邊道路常有貨車等重型汽車通行，這些重載車輛通行過程中本身對土層產生了一個相對不規(guī)律的應力沖擊，應力沖擊在土層內轉化成邊坡的剪應力。不規(guī)則的剪應力會讓傳統(tǒng)的混凝土圍擋墻體出現(xiàn)裂痕或者讓傳統(tǒng)的鋼結構支撐出現(xiàn)局部區(qū)域應力集中的狀況，而利用添加了安全冗余結構件的魚腹梁則可以憑借預應力筋以及卡件、剪刀撐等的作用將這部分復雜應力進行消除或者減弱，不會對系統(tǒng)造成大范圍的破壞性影響，保證其安全可靠性。

由于整體工程結構各個關鍵節(jié)點處設置了在線自動數(shù)據(jù)采集與預警監(jiān)控系統(tǒng)，使得其在正常使用中會由于數(shù)據(jù)監(jiān)測與預警的及時有效性而更加的安全可靠，能夠對支撐體系中存在或者出現(xiàn)的問題進行針對性的整改和完善。

而在整體結構設計與安裝時，由于是預先施加預應力的作業(yè)方式使得其在作業(yè)支撐之初就對基坑邊坡及土層產生一個較大的壓應力，這個壓應力的存在會極大的削弱土層受周邊環(huán)境影響帶來的側向剪應力，使得整體上的結構更為穩(wěn)定，因而邊坡支撐的效果更好。

而且，由于預應力魚腹梁鋼結構支撐體系所用的連接方式一般為螺栓連接方式，因此在實際安裝過程中的安裝精度相比混凝土澆筑體系精度更高也更加方便，但要注意的是預應力魚腹梁鋼結構的結構件的尺寸及安裝預留孔的位置應提前設計并精準把控。

除此之外，由于預應力魚腹梁鋼結構支撐系統(tǒng)所用的材料大多為合金材料制作而成的標準結構件（如圖2所示為預應力魚腹梁鋼結構支撐體系所用的標準件），因此在組裝的時候可以采用裝配式施工工藝，在供應商車間或者預制廠內制作完成并重復利用，對現(xiàn)場的作業(yè)區(qū)域要求相對較小，而且極大的減少了現(xiàn)場作業(yè)量，降低了現(xiàn)場作業(yè)成本。同時也讓整體支撐體系支護工程的工程周期更短，所節(jié)約的人力物力資源對于控制造價有著極為明顯的提升作用，在部分項目上的應用相比傳統(tǒng)的混凝土支撐體系整體造價要下降兩成左右，產生的效益及價值極高。

圖2 預應力魚腹梁鋼結構支撐體系預制標準結構件

4 運用裝配式魚腹梁鋼支撐進行的深基坑支護

裝配式魚腹梁鋼支撐體系在深基坑支護中的應用施工流程主要包括：施工準備，土方開挖，測量定位，安裝立樁柱，安裝圍檁，安裝托座、支撐橫梁，安裝角撐，安裝魚腹梁，安裝對撐，安裝傳力件，施加預應力，支撐系統(tǒng)變形監(jiān)測等等步驟。其中較為重點的步驟在于施工前的方案編制與計算以及整體結構應力的在線監(jiān)測等環(huán)節(jié)，以下對該兩重點環(huán)節(jié)進行研究。

4.1 施工前準備

施工前準備的主要工作在施工方案的編制與設計，施工前作業(yè)面的準備以及魚腹梁鋼支撐預制件的準備等等。

在施工方案的編制與設計方面，應重點對魚腹梁鋼支撐系統(tǒng)的形式、受力情況進行分析、計算和選擇，進行恰當?shù)脑O計與考量，如在設計中必須要考慮到側向土層給與的剪應力所需要的剛度，因此需要對支護結構支撐力進行計算，計算的基礎在于靜止土壓力、朗肯主動土壓力以及被動土壓力三個部分。在對于常見的多支點支擋結構進行受力計算時可采用整體等值梁法進行計算（見圖3）。

圖3 運用整體等值梁法計算多支點結構支撐力

計算時，應首先計算出基坑支撐結構受力處的主動土壓力和被動土壓力系數(shù)，然后計算土壓力零點距離基坑底部的距離，接著將支護樁按照左端懸臂中間段固定右端鉸接的連續(xù)梁進行計算，得出其固定端彎矩，然后利用玩具分配法平衡支點彎矩，接著計算出各支點的反力及彎矩由此便可求出支護樁的嵌固深度，最后利用最大彎矩復核支護結構的強度。

計算結果給出后，根據(jù)相應參數(shù)數(shù)據(jù)選擇恰當?shù)聂~腹梁安裝方式并設計各結構件的形式，在預制場內進行結構件的預制準備。需要指出的是，由于魚腹梁鋼結構支撐體系本身所承載的應力相對較大，因此必須在設計之初就對各節(jié)點的應力情況進行檢驗和核算，這些重點結構點應至少包括預應力魚腹梁、圍檁、角撐（對撐）、牛腿、三角形連接件、豎向立柱等等。

4.2 在線監(jiān)測

如前所述，預應力魚腹梁鋼結構支撐體系相對于傳統(tǒng)支撐體系在應力在線監(jiān)測方面能夠實現(xiàn)即時監(jiān)測、即時故障診斷和報警的功能，其展示該功能的主要依托在于設置了監(jiān)測中心和相應的監(jiān)測節(jié)點，如圖4所示為某項目預應力魚腹梁鋼結構支撐體系應力在線監(jiān)測系統(tǒng)。

圖4 某項目預應力魚腹梁鋼結構支撐體系在線監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要利用監(jiān)控計算機及網(wǎng)絡系統(tǒng)，利用現(xiàn)場布置在各個關鍵節(jié)點如圍檁、角撐、托座等處的監(jiān)測傳感器將現(xiàn)場即時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回傳并在計算機主機位置進行計算和偏差分析，對于部分存在異常參數(shù)的區(qū)域進行報警顯示，由此給現(xiàn)場管理人員一個極為直觀的狀態(tài)顯示依據(jù)，可以更方便的進行現(xiàn)場隱患排查和靶向的整改維護。

而在具體的操作方面，部分項目還應用了BIM技術進行模擬和計算，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM數(shù)據(jù)庫內，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)的表征更加動態(tài)化、具體化、象形化，更能直觀的表達出支撐體系的現(xiàn)實狀態(tài)，而且能夠通過后續(xù)的進一步模擬來分析出出現(xiàn)狀態(tài)位置的后續(xù)影響，是否會影響到整體結構的應力支撐等等，對于現(xiàn)場管理的輔助作用相對更好，表現(xiàn)更佳。

5 結語

在當前的建筑施工以及其他項目建設中，預應力魚腹梁鋼結構支撐體系在深基坑項目支護上的表現(xiàn)是遠遠優(yōu)越于傳統(tǒng)的混凝土支撐體系或者鋼結構支撐體系，其在實際上的應用的前景是極為廣闊也是極為光明的，是值得大力推廣和深入研究的，但是，由于當前很多項目上的預應力魚腹梁鋼結構支撐體系還屬于摸索階段，對于結構設計及應力計算等方面還存在不少的短板，需要未來進一步深入的研究和探討與優(yōu)化。