杜常春 杜治國 郭 安

(浙江省工程勘察設(shè)計院集團有限公司，浙江寧波 315012)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與城市化的不斷推進，在用地日益緊張的情況下，為滿足人民日益增長的生活需要，開發(fā)地下空間已成為一種必然趨勢。高層建筑物下多層地下室、地下鐵道與地下車站、地下停車庫、地下商城等大量的深基坑工程的深度與規(guī)模越來越大。深大基坑項目主要位于我國沿海、沿江等經(jīng)濟發(fā)達的城市中，場地淺部分布有厚度不一、含水量高、性質(zhì)差、靈敏度高的軟土。根據(jù)深基坑工程特點，選擇一種安全可靠、技術(shù)可行、綠色環(huán)保、經(jīng)濟合理、施工方便的支護體系，符合當今節(jié)約資源、提高經(jīng)濟效益、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀。由于地質(zhì)條件、周邊環(huán)境的差異，深基坑支護技術(shù)不盡相同，對基坑圍護設(shè)計與施工的要求也越來越高，這促進了基坑支護和施工技術(shù)的更新、進步與發(fā)展，各種深基坑的支護技術(shù)也日漸成熟與完善[1-3]。

鋼支撐體系[4]是由水平鋼構(gòu)件(鋼管、型鋼或組合型鋼)、立柱以及腰梁利用螺栓或焊接的連接方式組成的內(nèi)支撐體系。鋼支撐體系應(yīng)用較為成熟，目前其設(shè)計計算方法與技術(shù)構(gòu)造要求都有明確的標準[4-6]。

為克服鋼支撐剛度小、變形大等缺點，鋼支撐與液壓千斤頂配合使用，對鋼支撐施加可調(diào)節(jié)的軸壓力，提高支撐的剛度。在對鋼支撐施加預(yù)加力的基礎(chǔ)上，利用基坑位移監(jiān)測與鋼支撐技術(shù)相結(jié)合，形成了鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了液壓千斤頂對鋼支撐施加軸力的實時監(jiān)測與調(diào)整。2010年從韓國引進并在上述技術(shù)基礎(chǔ)上改進了一種新型的預(yù)應(yīng)力張弦式魚腹梁組合型鋼支撐技術(shù)——裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)[7]。

1 裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)形式及工作原理

在基坑工程中，豎向圍護結(jié)構(gòu)確定后，為確保基坑壁穩(wěn)定性及不產(chǎn)生過大變形而對周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響，圍護體應(yīng)有足夠的強度與剛度并與支撐體系相結(jié)合。支撐體系是承受圍護結(jié)構(gòu)所傳遞的土壓力和水壓力的結(jié)構(gòu)體系，與豎向圍護結(jié)構(gòu)共同為基坑施工提供一個可靠的結(jié)構(gòu)空間。裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐作為基坑工程的一種支撐形式，基于預(yù)應(yīng)力原理采用標準化構(gòu)件形成的裝配式張弦結(jié)構(gòu)的鋼支撐體系，綜合了傳統(tǒng)鋼筋混凝土支撐與鋼支撐的優(yōu)點，是目前較為先進的內(nèi)支撐技術(shù)。該體系由魚腹梁、腰梁、鋼絞線、三角形連接件、預(yù)壓頂緊裝置、角撐、對撐、立柱和牛腿等部件組成[8-10]，通過對魚腹梁下弦鋼絞線施加和復(fù)加預(yù)應(yīng)力控制支擋結(jié)構(gòu)的變形，組合成大跨度的魚腹腰梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)與角撐、對撐和三角形連接件組合，形成一個具有高冗余度平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)(見圖1)。大跨度的上弦鋼梁連接至圍護樁的圍檁梁上，通過對魚腹梁下弦鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，調(diào)動了圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)的被動土壓力，挖土后被動土壓力逐漸減少至消失、主動土壓力逐漸增加，再通過復(fù)加預(yù)應(yīng)力可控制與調(diào)節(jié)基坑變形。作用在上弦鋼梁上的土壓力通過腹桿傳遞至下弦鋼絞線上，鋼絞線通過兩側(cè)的三角形連接件再把荷載傳遞至組合型鋼對撐或角撐梁上，結(jié)合遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，從而可以有效并精確地掌控基坑位移及支撐鋼構(gòu)件的受力情況。

圖1 魚腹梁構(gòu)造示意圖

2 裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)的優(yōu)越性

在深基坑的內(nèi)支撐方案比選過程中，需要綜合環(huán)境條件、地質(zhì)條件、技術(shù)及經(jīng)濟等諸方面因素確定，深基坑內(nèi)支撐體系主要有鋼筋混凝土支撐與鋼支撐。

鋼筋混凝土支撐整體性好，能適用于各種復(fù)雜形狀和深度的基坑，荷載水平高，既能受壓，又能受拉，亦經(jīng)得起施工設(shè)備的碰撞。但鋼筋混凝土支撐材料不可重復(fù)性利用，養(yǎng)護周期長，拆除工作量大、困難，形成大量建筑垃圾與粉塵等，不符合目前綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求。

綜合了傳統(tǒng)鋼筋混凝土支撐與鋼支撐的優(yōu)點的裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)已在長三角、珠三角等地區(qū)基坑工程中得到了一定程度的應(yīng)用，取得了深基坑支護應(yīng)用經(jīng)驗。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土及鋼支撐支護技術(shù)相比，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下四方面。

(1)信息化：該技術(shù)配置了先進的基坑工程安全智能監(jiān)測預(yù)警與控制系統(tǒng)，包括集數(shù)據(jù)采集、處理、圖文顯示與預(yù)警為一體的應(yīng)用系統(tǒng)軟件，能準確、迅速地反映生產(chǎn)現(xiàn)場的安全狀態(tài)等信息。通過數(shù)據(jù)綜合分析和處理，可實現(xiàn)24 h實時監(jiān)測與隱患預(yù)警，了解基坑的安全狀態(tài)，指揮隱患的排除。這不僅進一步確保了基坑本身的安全，而且更有效地保護基坑周邊的建(構(gòu))筑物、市政道路和管線等的安全。

(2)安全冗余度較高：該技術(shù)通過增設(shè)許多用于增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高超靜定冗余度的附加構(gòu)件(例如立柱托架、橫梁、剪刀撐、縱橫構(gòu)件間的U型卡件等)形成較好的超靜定結(jié)構(gòu)，大幅提高了支撐系統(tǒng)的整體性，增強了系統(tǒng)抵御偶發(fā)性沖擊荷載的能力。相對于傳統(tǒng)支撐系統(tǒng)的破壞模式——脆性破壞，預(yù)應(yīng)力魚腹梁工具式組合內(nèi)支撐的破壞模式為延性破壞，從而提高了基坑支護結(jié)構(gòu)的安全度。

虛擬化資源池分為服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化平臺,服務(wù)器虛擬化平臺采用超融合架構(gòu),根據(jù)海曙區(qū)氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需要,部署4臺超融合一體機,通過2個萬兆光口與萬兆交換機連接,實現(xiàn)雙鏈路聚合的存儲通信,組建超融合虛擬化平臺,用于數(shù)據(jù)收集處理存儲、數(shù)據(jù)服務(wù)、電子檔案管理、監(jiān)控等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。本次部署分布式存儲資源總?cè)萘繛?0T,通過2副本方式保障數(shù)據(jù)的可靠性,可滿足未來2～3 a的數(shù)據(jù)量需求。超融合平臺具備橫向擴展的云計算特性,未來提升平臺計算和存儲,僅需新增x86服務(wù)器接入即可。

(3)節(jié)能減排、綠色環(huán)保：預(yù)應(yīng)力魚腹梁裝配式鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)技術(shù)采用低合金材料、標準化部件，在工程現(xiàn)場裝配。當?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)部分施工完成后，所有鋼構(gòu)件可全部回收、循環(huán)使用。

(4)經(jīng)濟效益好、施工便利性好：該技術(shù)不僅大幅減少了支護結(jié)構(gòu)安裝、拆除的工期和造價，而且提供了開闊的施工空間，顯著改善了地下工程的施工作業(yè)條件，挖土、運土及地下結(jié)構(gòu)施工更便捷，減少了土方開挖及主體結(jié)構(gòu)施工的工期和造價。

3 工程實例一

3.1 工程概況

某商業(yè)廣場位于浙江省海寧市中心區(qū)域，整體3層地下室，地下建筑面積約11.67×104m2，平面面積約3.89×104m2，周長約701.4 m?；由疃绕毡閰^(qū)域13.1 m。該基坑工程場地呈不規(guī)則梯形，規(guī)模較大，深度較大，環(huán)境條件復(fù)雜。場地南北分布有市政道路，車流量較大、地下管線密布(地下室邊線距離道路邊線5.0 m左右)；西側(cè)分布6層筏板淺基礎(chǔ)住宅樓(基礎(chǔ)埋深1.5 m左右，其中西側(cè)地下室邊線距離住宅樓40.0 m左右，西北角最近處距離在9.0～10.0 m左右)；東側(cè)場地較為空曠(作為材料堆場及臨時設(shè)施場地)。

根據(jù)本工程勘察結(jié)果，基坑開挖深度及影響范圍內(nèi)，地基土層分布較穩(wěn)定，自上而下為：①層雜填土(松散，厚度1.5～2.0 m左右)；②層粉質(zhì)黏土(可塑—軟塑，厚度2.0 m左右)；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(流塑，厚度3.0 m左右);④1層黏土(可塑，厚度4.0 m左右);④2層粉質(zhì)黏土(可塑為主、底部軟塑，厚度5.0 m左右);④2a層砂質(zhì)粉土(中密，厚度0.0～3.0 m左右，透鏡體分布于④2層粉質(zhì)黏土中);⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(流塑，厚度14.0～15.0 m左右);⑥層粉土(中密，層厚4.0～5.0 m)。場地地下潛水位穩(wěn)定埋深在0.5～1.0 m左右，主要分布于淺層土中；承壓水位埋深在3.5 m左右，賦存于⑥層粉土中，滲透系數(shù)k=3.0×10-4cm/s左右?；拥撞课挥诳伤艿蘑?層粉質(zhì)黏土中。

3.2 基坑圍護方案

根據(jù)本基坑工程環(huán)境、水文及工程地質(zhì)條件、基坑深度等要素，為控制基坑四周的變形、確保周邊環(huán)境的安全，本著技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、綠色環(huán)保、施工便利的原則，對基坑圍護方案進行了比選，最終采用φ850@600三軸水泥攪拌樁隔水帷幕，φ1000@1200鉆孔灌注樁作為圍護受力結(jié)構(gòu)(鉆孔樁樁底進入性質(zhì)較好的⑥層粉土中)；支撐體系采用2道鋼筋混凝土十字對撐桁架作為主支撐，再加裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)的組合支撐體系(局部設(shè)置預(yù)應(yīng)力高壓旋噴錨索[11])，坑內(nèi)采用集水明排結(jié)合降壓管井的地下水控制方案。

3.3 基坑開挖及效果

本基坑工程于2014年9月20日進行圍護樁施工，同年11月初進行第一層土方開挖，至2015年5月21日土方回填完畢?；邮┕v時8個月，期間經(jīng)歷了暴雨天氣、春節(jié)長假等時期的考驗。局部土壓力受力集中的陽角部位、支撐剛度相對較弱的預(yù)應(yīng)力魚腹梁跨中位置等部位存在變形稍大的情況，施工期間雖然出現(xiàn)多次位移報警，但總體上本基坑工程是安全的、穩(wěn)定的，對周邊環(huán)境的影響是可控的。

根據(jù)本基坑工程的深層土體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑圍護樁及邊坡土體變形總體在可控范圍內(nèi)，局部邊坡段及深度段出現(xiàn)報警，特別是在東北角部位深層土體位移監(jiān)測孔CX5、CX6，頂部位移33.0 mm左右，深度段9.00～11.00 m處位移最大至79.0 mm(見圖2)。根據(jù)地質(zhì)資料結(jié)合現(xiàn)場實際情況，該部位深度段9.00～11.00 m分布有④2a層砂質(zhì)粉土，三軸水泥攪拌樁隔水帷幕存在輕微質(zhì)量缺陷，基坑開挖施工期間，有輕微的滲漏現(xiàn)象，并產(chǎn)生了一定的水土流失，導(dǎo)致該深度段土體位移過大。

圖2 CX6深層土體位移監(jiān)測成果圖

根據(jù)管道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，南北兩側(cè)市政道路有輕微裂縫、地下管線沉降位移最大為43.0 mm，地下管線變形基本在合理范圍之內(nèi)。施工期間所有地下市政管線使用正常，未出現(xiàn)異常情況。

西北角最近的已有建筑沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明最大沉降量22.5 mm(見圖3)，基坑開挖期間雖有報警，但通過優(yōu)化挖土流程、控制挖土進度后，已有建筑沉降位移有所收斂，已有建筑使用功能正常，基坑開挖期間至基坑回填完成未發(fā)現(xiàn)基坑變形引發(fā)已有建筑的裂縫發(fā)生，也未發(fā)現(xiàn)基坑變形加劇已有建筑原有裂縫的發(fā)展。

圖3 西北角已有建筑豎向位移監(jiān)測成果圖

由于本基坑工程規(guī)模較大、形狀復(fù)雜、支撐長度大，在基坑的中心部位采用整體性較好、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的鋼筋混凝土十字支撐桁架，再組合裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐體系(局部預(yù)應(yīng)力錨索)。相對于全部采用鋼筋混凝土支撐節(jié)約造價20%左右、工期縮短1個月左右，該基坑圍護方案體現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、綠色、環(huán)保、低碳的理念，獲得了較好的支護效果及較佳的社會與經(jīng)濟效益。

4 工程實例二

4.1 工程概況

某商業(yè)廣場項目位于紹興市鏡湖區(qū)，整體設(shè)置兩層地下室，基坑開挖深度10.00～11.55 m，擬建場地呈近似南北矩形分布，地下室長約215.0 m，寬約110.0 m，建筑面積47356.0 m2。場地四周相對較空曠，其中東側(cè)距離用地紅線10.0 m左右，紅線以東為寬度較大的市政綠化帶與快速路；南側(cè)為在建前期住宅項目(兩層地下室，基坑深度8.5 m左右)；西側(cè)為本工程前期已建住宅樓及小區(qū)內(nèi)道路(設(shè)置一層地下室，擬建地下室距離已有建筑20.0～25.0 m)；北側(cè)20.0 m左右分布有道路。東側(cè)綠化帶及北側(cè)道路下分布有市政管線。環(huán)境平面圖見圖4。

圖4 紹興市某基坑環(huán)境及支撐平面圖

根據(jù)本工程的勘察資料，擬建場地軟土分布厚度很大，地基土層性質(zhì)差?；娱_挖深度及影響范圍內(nèi)，主要地基土的組成自上而下為：

①1層素填土(松散，層厚2.0 m左右);①2層粉質(zhì)黏土(軟塑，層厚1.5 m左右);②2層黏質(zhì)粉土(松散，層厚1.5 m左右);③層淤泥質(zhì)黏土(流塑，含水量高，層厚15.0～21.0 m);④層粉質(zhì)黏土(可塑—硬塑，層厚4.0～6.0 m左右)。場地地下潛水位穩(wěn)定埋深在1.0 m左右，②2層黏質(zhì)粉土滲透性相對較高，其它地基土層滲透性均較低，為不透水層。坑底位于深厚的③層淤泥質(zhì)黏土中。

4.2 基坑圍護方案

通過方案比選，最終確定基坑圍護方案SMW工法樁[12]+兩道裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐的圍護方案，坑內(nèi)裙邊間隔設(shè)置水泥攪拌樁[13]支墩加固。支撐布置形式為裝配式組合型鋼對撐與角撐，兩榀支撐桁架之間凈間距30.0～44.0 m不等，中間設(shè)置預(yù)應(yīng)力魚腹梁(見圖3)。典型圍護剖面為：上部2.0 m左右按1∶1.0坡率放坡，坡底設(shè)置寬1.5 m平臺，平臺上設(shè)置直徑φ850@600的三軸水泥攪拌樁，內(nèi)插H700300/1324型鋼(西側(cè)及出土口處插二跳一，其它各側(cè)插一跳一布置)，深度進入④層粉質(zhì)黏土1.0～2.0 m不等，設(shè)置兩道裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐。典型圍護剖面見圖5。

圖5 紹興市某基坑圍護典型剖面圖(單位：m、mm)

4.3 基坑開挖與處理

(1)本基坑工程于2017年7月圍護樁施工，后續(xù)按設(shè)計工況及要求進行預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐安裝與土方分區(qū)、分塊、分層開挖。按照土方開挖流程，對南側(cè)區(qū)塊土方先行開挖，2018年1月13日下午南區(qū)塊東側(cè)開挖至坑底時，累計變形報警，當天下午出現(xiàn)30.0 mm的位移變形，并未有穩(wěn)定跡象，冠梁出現(xiàn)明顯裂縫，魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)焊接處出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，立即暫停土方開挖并進行坑內(nèi)回填反壓。2018年1月13日晚8∶00南側(cè)第二榀鋼支撐出現(xiàn)起拱現(xiàn)象，晚12∶30左右東側(cè)邊坡突然發(fā)生坍塌，東側(cè)綠化帶土體下沉1.0 m左右，寬度25.0 m左右(至綠化帶中污水主管道邊緣)、長度80.0 m左右，中間兩榀組合型鋼對撐桁架與魚腹梁崩裂、冠梁斷裂，西側(cè)小區(qū)道路出現(xiàn)30.0～50.0 mm的裂縫。

(2)該基坑南區(qū)圍護體系已失效，南區(qū)東側(cè)圍護SMW工法樁偏移斷裂，事發(fā)后對南區(qū)塊東側(cè)、西側(cè)坑內(nèi)再次進行了回填反壓至第一道鋼支撐下，該基坑圍護須重新加固設(shè)計，方可再實施。

(3)后續(xù)加固方案本著安全、快捷、就地取材等原則進行，盡可能對坡頂卸土卸載。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對東側(cè)圍護樁失效的邊坡段采用多排門架式H型鋼樁加固，并設(shè)置鋼筋混凝土冠梁與連系梁。對于支撐體系，采用修復(fù)、加固失效鋼支撐、結(jié)合盆式開挖設(shè)置豎向型鋼斜拋撐、預(yù)應(yīng)力高壓旋噴錨索相結(jié)合的加固方案。在實施過程中，結(jié)合現(xiàn)場實際加固設(shè)計方案及施工專項方案經(jīng)多次論證與修正，該基坑工程最后才得以完成。

5 分析

(1)實例一基坑工程雖然深度較大、形狀較不規(guī)則，但支撐體系采用了整體性較好的鋼筋混凝土主支撐桁架結(jié)合裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐組合方案，有效控制了基坑邊坡的位移，避免了鋼支撐節(jié)點由于變形過大而破壞。該基坑工程雖然周邊環(huán)境條件較復(fù)雜，但開挖范圍內(nèi)及坑底土層性質(zhì)總體較好，穩(wěn)定性相對較好，對基坑的變形控制起到良好的作用。該方案保證了基坑的整體穩(wěn)定性并有效控制了變形，取得了良好的技術(shù)與經(jīng)濟效果。

(2)實例二基坑開挖及影響范圍內(nèi)軟土厚度很大，性質(zhì)差，土體抗剪強度低，坑外土壓力很大。其中預(yù)應(yīng)力魚腹梁的跨度達44.0 m，支撐剛度小、穩(wěn)定性差，組合型鋼對撐桁架支撐剛度雖然相對較大，但與大跨度魚腹梁組合后整體支撐剛度偏小，穩(wěn)定性也較差。在變形較大的情況下鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點破壞導(dǎo)致支撐體系失穩(wěn)、失效。

6 結(jié)論

(1)鋼支撐體系在我國的研究與應(yīng)用雖然較早， 并擁有配套的設(shè)計規(guī)范與圖集，但裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)引進與開發(fā)時間相對較短，對其認識與施工過程的管控經(jīng)驗還是存在不足。然而，由于鋼筋混凝土支撐剛度大、施工簡單、質(zhì)量穩(wěn)定，鋼筋混凝土支撐仍然是地基土性質(zhì)差、基坑深度大、環(huán)境條件復(fù)雜、位移控制嚴格的基坑工程最主要的支撐形式，同類基坑工程第一道支撐宜采用鋼筋混凝土支撐。

(2)裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)支撐的圍護方案，在環(huán)境惡劣的現(xiàn)場鋼支撐安裝存在較大的誤差，也容易造成預(yù)應(yīng)力施加不及時或不到位、土方開挖與鋼支撐安裝施工脫節(jié)，在支撐體系尚未形成有效的整體時進行土方開挖會大大增加基坑失穩(wěn)的風(fēng)險。對于軟土厚度大的基坑工程，基坑暴露時間過長，也會增大基坑的變形，導(dǎo)致鋼支撐失穩(wěn)、失效。

(3)基坑工程作為地下工程，所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，影響因素眾多，我們至今對巖土力學(xué)性質(zhì)的了解還不夠深入，很多設(shè)計計算的理論還不夠完善，是建立在半理論、半經(jīng)驗的基礎(chǔ)上的?；訃o施工過程中，應(yīng)加強安全監(jiān)測、做到信息化施工，加強應(yīng)急處理措施，做好動態(tài)設(shè)計工作，確?；蛹爸苓叚h(huán)境的安全。