易振華

（上海高準巖土工程有限公司，上海 200030）

0 引言

近年來，全國地下空間開發(fā)如火如荼，地鐵、地下商場、地下停車場和地下綜合管廊等各類地下工程建設(shè)層出不窮。地下空間的開發(fā)勢必會引起周邊道路、管線及建（構(gòu)）筑的變形，從而產(chǎn)生較大的影響，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和鋼管撐支護可以很好地控制這些變形，但是傳統(tǒng)的支護方式也帶來基坑開挖面不夠、工作空間狹小以及經(jīng)濟效果差等不利條件，為此工程界研發(fā)出預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐。預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)是通過對魚腹梁弦上的鋼絞線、對撐、角撐施加預(yù)應(yīng)力，實現(xiàn)對基坑邊坡支護變形的控制，形成一個可重復(fù)安裝、拆卸和回收的預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)[1-3]，但是預(yù)應(yīng)力魚腹梁支撐系統(tǒng)針對形狀復(fù)雜的基坑也存在支撐受力不平衡等問題[4]，本文介紹一種新型的基坑支護型式，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐技術(shù)[5-8]。該種新型的鋼支撐技術(shù)基于預(yù)應(yīng)力原理，通過鋼構(gòu)件的組合拼裝，能有效控制基坑變形，實踐證明是一種穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系。

1 概述

1.1 項目概況

項目位于上海市浦東新區(qū)高木橋路北，孫橋路東側(cè)地塊內(nèi)，基坑總面積約為12584 m2，總延長米約為614 m，基坑整體呈“L”形。基坑普遍開挖深度為9.15 m?；訓|側(cè)紅線外為橫沔港路，該側(cè)基坑邊線到道路邊線的距離約為5.3 m；南側(cè)紅線外為高木橋路，該側(cè)基坑邊線到道路邊線約為13.5 m；西側(cè)紅線外為孫橋路，西側(cè)基坑邊線到道路邊線約為15.3 m；北側(cè)紅線外為橫沔港路，北側(cè)基坑邊線距離該側(cè)道路邊線約為11.5 m?；优c周邊環(huán)境關(guān)系見圖1。

圖1 環(huán)境總平面圖

1.2 工程地質(zhì)概況

本工程地基土主要由表層①1雜填土、②灰黃色黏土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土和⑤灰色黏土等組成。

本工程地下水分為潛水和承壓水，其中潛水穩(wěn)定水位埋深1.2～1.5 m。承壓水（第I 承壓水）賦存于⑦層土中，本場地內(nèi)⑦層層頂最淺45.4 m，基坑開挖深度約9 m，承壓水含水層頂面與基坑底面之間的隔水層厚度大，不會引起基坑突涌。

不良地質(zhì)條件：場地內(nèi)有較大面積的暗浜分布，在暗浜內(nèi)，上部約1.20～3.60 m 厚為①1雜填土，組成成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、均勻性差；暗浜底部存在約0.3～0.9 m 厚的①2層浜土，富含有機質(zhì)、腐殖物；該兩層土質(zhì)極差，為本場區(qū)不良地質(zhì)條件。

場地土層主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學性質(zhì)參數(shù)表

2 基坑設(shè)計選型

根據(jù)本地區(qū)的同類型基坑的工程經(jīng)驗，此類基坑一般需要采用板式圍護結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐的圍護體系，常用的板式圍護結(jié)構(gòu)有型鋼水泥攪拌墻、鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕、地下連續(xù)墻、咬合樁；常用的支撐體系有鋼筋混凝土支撐或鋼支撐。

2.1 結(jié)構(gòu)體系選型

圍護結(jié)構(gòu)可采用SMW 工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻[9]、咬合樁等形式。

SMW 工法樁：該圍護結(jié)構(gòu)施工對周邊環(huán)境影響小，防滲性能好，適應(yīng)土層范圍廣；且型鋼能夠回收重復(fù)利用，綠色環(huán)保，施工進度快，適合工期較短的基坑。考慮本工程基坑施工周期較長，型鋼租賃期較長，經(jīng)濟性不高。

鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕：該圍護結(jié)構(gòu)具有造價經(jīng)濟、施工工藝成熟、剛度大、可以有效控制基坑變形等優(yōu)點，是本地區(qū)傳統(tǒng)的基坑圍護形式。但考慮到灌注樁施工時，采用泥漿護壁工藝產(chǎn)生的廢棄泥漿，對周邊環(huán)境有一定的影響。

地下連續(xù)墻：該圍護結(jié)構(gòu)剛度大，止水效果好，施工工藝成熟，安全度很高，施工風險小，占用空間也較小。但支護造價高，適用于基坑挖深較深、環(huán)境保護要求較高的深大基坑工程。故地下連續(xù)墻不適用于本工程基坑。

咬合樁：該圍護結(jié)構(gòu)采用灌注樁和分離式水泥土攪拌樁組合而成。分離式水泥土攪拌樁施工時將三軸水泥土攪拌樁機的中鉆桿拆除，即可施工出分離式水泥土攪拌樁。

咬合樁的排列見圖2，先施工分離式水泥土攪拌樁A，后在水泥土攪拌樁間施工灌注樁B。

圖2 咬合樁平面示意圖（單位：mm）

施工順序為：A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3→A5→B4。

該工藝具有灌注樁的優(yōu)點，同時擋土與止水合二為一，節(jié)約成本；但對施工工藝的要求較高。

綜合以上支護結(jié)構(gòu)形式，從安全性、經(jīng)濟性、環(huán)境保護等方面考慮，本工程圍護結(jié)構(gòu)建議選擇咬合樁的形式。

2.2 支撐體系選型

根據(jù)本工程挖深、周邊環(huán)境情況及工程經(jīng)驗，擬設(shè)兩道內(nèi)支撐，臨時內(nèi)支撐體系可選擇為鋼筋混凝土支撐或鋼支撐。

鋼筋混凝土支撐：鋼筋混凝土支撐體系能夠有效控制基坑頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減小基坑頂部位移，有利于對周邊環(huán)境的保護。另外鋼筋混凝土支撐對于各種形狀的基坑均適用，支撐桿件布置靈活，剛度大，穩(wěn)定性高。但基坑施工后期拆撐難度大，會造成大量的廢棄混凝土，拆撐若采用機械鑿除或爆破工藝，會造成較大的噪音污染和安全隱患，若采用切割拆除工藝，則造價相對較高，經(jīng)濟性不佳?？紤]到本工程基坑面積較大，采用混凝土支撐時，需設(shè)置基坑施工的棧橋，其造價較高，故本工程不建議采用混凝土支撐體系。

鋼支撐：鋼支撐體系按照鋼材種類可分為鋼管支撐和裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐。

其中鋼管支撐應(yīng)用較為普遍，施工快捷方便，拆除方便。但鋼管長度相對過長時，其剛度、穩(wěn)定性均無法有效保證，故鋼管支撐適用于跨度相對較小的基坑。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐是一種新型深基坑支護內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，它由高強低松弛的鋼絞線作為上弦結(jié)構(gòu)、H 型鋼作為受力梁，與長短不一的H 型鋼梁等組成，采用對撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角鍵節(jié)點、預(yù)壓頂緊裝置等標準部件組合并施加預(yù)應(yīng)力，形成平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)與立面結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的鋼支撐相比，極大地提高了支撐系統(tǒng)的整體剛度和穩(wěn)定性。主要優(yōu)點為：①型鋼回收率在95%以上，綠色環(huán)保；②通過施加預(yù)應(yīng)力有效地控制基坑的變形；③通過預(yù)應(yīng)力形成大空間，方便挖土；④整體剛度大、穩(wěn)定性高。

缺點為對工藝的要求較高。

綜合本工程周邊環(huán)境情況、基坑深度及水文地質(zhì)情況，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標準》（DG/TJ 08-61-2018）[10]，確定本工程基坑安全等級和環(huán)境保護等級均為二級。

本工程基坑圍護設(shè)計方案為：咬合樁+裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系。

3 基坑實施方案

3.1 圍護體系

基坑普遍區(qū)域挖深9.15 m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ850@1200 灌注樁和 φ850@1200 水泥土攪拌樁組合。其中灌注樁樁長21.0 m，咬合樁樁長14.6 m。普遍區(qū)域基坑典型剖面見圖3。

圖3 基坑典型剖面示意圖（單位：m、mm）

3.2 支撐體系

本工程基坑設(shè)置兩道水平向支撐，均為預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐。

鋼支撐采用H350×350×12×19 型鋼，圍檁第一道采用兩拼H400×400×13×21 型鋼+一拼鋼筋混凝土的組合圍檁，局部采用一拼H400×400×13×21 型鋼+一拼鋼筋混凝土的組合圍檁；圍檁第二道采用三拼H400×400×13×21 型鋼組合圍檁，局部采用兩拼H400×400×13×21 型鋼的組合圍檁；立柱采用350×350×10/350×350×6 方鋼管，內(nèi)部灌C30 素混凝土，鋼支撐布置圖見圖4，魚腹梁典型組件見圖5。

圖4 支撐平面布置圖

圖5 魚腹梁組件圖

3.3 構(gòu)件安裝及張拉技術(shù)要求

立柱安裝前應(yīng)檢查并調(diào)整托架、托座與托梁的標高，其允許偏差應(yīng)為±5 mm。支撐施加預(yù)應(yīng)力前，托梁與支撐桿件間應(yīng)通過U 型卡進行連接，待預(yù)應(yīng)力施加完成后，再對托梁和支撐桿件進行螺栓連接。鋼絞線與錨盤孔應(yīng)先編號后安裝，魚腹梁預(yù)應(yīng)力施加時，應(yīng)先張拉橋架底部和錨具頂部的鋼絞線，后張拉橋架頂部和錨具底部的鋼絞線[11]。

支撐結(jié)構(gòu)安裝完畢并經(jīng)質(zhì)量自檢合格后方可施加預(yù)應(yīng)力；千斤頂?shù)膲毫?yīng)分級施加，施加每級壓力后宜保持壓力穩(wěn)定10 min 后再施加下一級壓力；預(yù)壓力加至設(shè)計規(guī)定值后，應(yīng)在壓力穩(wěn)定10 min 后，方可按設(shè)計預(yù)壓力值進行鎖定；預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐在使用過程中應(yīng)進行支撐和鋼絞線拉力的施工監(jiān)測，必要時應(yīng)復(fù)加預(yù)應(yīng)力[11]。

3.4 基坑加固

本工程基坑坑底位于④層流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)黏土層中，對于坑內(nèi)落差大于1.5 m 的局部深坑采用φ700@500 雙軸攪拌樁進行加固，其中集水井深1.5～1.8 m 加固樁長為4.0 m，集水井深2.9 m 加固樁長為7.0 m，并設(shè)置壓密注漿封底。另外基坑被動區(qū)加固樁長為4 m。

3.5 降水系統(tǒng)

本工程基坑采用真空管井降水。整個基坑共布置真空管井60 口，深井成孔直徑650 mm，長度16 m。管井設(shè)置雙濾管，以坑底為分界，坑底以上為濾管長度3.5 m，坑底以下濾管長度4.0 m，保證基坑開挖過程及主體結(jié)構(gòu)施工期間對基坑內(nèi)水位的要求。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本工程四周道路分布有雨水管、信息管、電力管、上水管、電信管和污水管，基坑施工過程針對周邊管線及支護結(jié)構(gòu)進行了全方位信息化監(jiān)測。

（1）針對基坑周邊管線，共布置了53 個監(jiān)測點，最不利工況，即基坑開挖至基底時，管線豎向沉降平均約為15～18 mm，水平位移平均約為7～9 mm，基坑施工完成后，地下管線沒有出現(xiàn)破損和泄漏等情況。

（2）圍護樁樁頂共設(shè)置26 個水平和豎向位移監(jiān)測點。豎向位移累計抬升30～45 mm，水平位移為45～55 mm，樁頂位移均超出報警值，但周邊環(huán)境均在安全控制范圍。

（3）基坑外側(cè)共布置了13 個水位監(jiān)測點，水位累計變化基本在450～800 mm，均未超出報警值，基坑也未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。圍護結(jié)構(gòu)止水質(zhì)量較好。

（4）基坑共設(shè)置36 個支撐軸力監(jiān)測點，鋼支撐軸力約為850～1350 kN 范圍內(nèi)，均未超出報警值。（5）為更好地在基坑開挖施工全過程對裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系的受力做更深入精準的分析，特采用MIDAS/GTS 大型有限元軟件進行有限元計算[12]。基坑整體位移計算結(jié)果見圖6。

圖6 基坑整體位移圖

根據(jù)計算結(jié)果顯示，通過對裝配式鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，可以將基坑最大位移控制在27 mm 之內(nèi)。位移最大值為26.2 mm，位于基坑東側(cè)陽角位置處，滿足基坑變形的要求。

支護結(jié)構(gòu)總的位移分布情況是：魚腹梁中部位置處圍檁的位移較小，魚腹梁端部與角撐接頭附近位移稍大，邊桁架位置處的位移偏大。

根據(jù)深基坑計算軟件“啟明星”計算結(jié)果，如圖7所示，基坑圍護結(jié)構(gòu)普遍區(qū)域深層樁身位移最大變形約為24.8 mm，基本與MIDAS/GTS 有限元計算結(jié)果相符。

圖7 圍護樁變形計算值

根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果顯示，基坑沿圍護樁邊線共設(shè)置16 個深層位移監(jiān)測點，基坑開挖施工全過程，大部分監(jiān)測點樁身位移為30～35 mm，局部最大約為45 mm，樁身最大變形處位于8.5～9.5 m 處，即位于坑底位置附近（見圖8）。實際監(jiān)測結(jié)果比理論計算值和有限元計算分析值稍微偏大，這是由于理論計算時，坑底加固樁對圍護樁變形控制效果較好，而實際施工時，坑內(nèi)加固樁實施效果不甚理想，再附加其他各種不利因素，造成實際施工與理論計算有稍許偏差，但基坑總體在可控范圍內(nèi)。

圖8 圍護樁變形實際監(jiān)測值

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系施工現(xiàn)場見圖9。

圖9 裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐體系現(xiàn)場施工圖

5 結(jié)論

本文介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在超大深大基坑工程的應(yīng)用，現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果顯示，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在軟土地區(qū)深大基坑工程中實施效果良好，理論計算、有限元計算與實際監(jiān)測結(jié)果大體吻合。在保證了基坑安全的同時，為業(yè)主節(jié)約造價，取得了良好的經(jīng)濟效益。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼支撐在基坑施工完成后進行回收，相比鋼筋混凝土支撐體系，減少了約200萬資源浪費，同時大大減少了鋼筋混凝土支撐拆除的廢砼處理。在國家目前倡導綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的大背景下，該種鋼支撐體系可為同類基坑工程提供參考。