張素珍

（華東師范大學(xué)，上海 200241)

引言

近年來(lái)，碳中和逐漸成為我國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)，巖土工程界也喊出了綠色、環(huán)保、低碳的口號(hào)。如何在基坑工程中實(shí)現(xiàn)碳中和，也成為業(yè)內(nèi)的主要研究方向之一。預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁可實(shí)現(xiàn)重復(fù)安裝、拆卸和回收，其環(huán)保的理念越來(lái)越得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)是一種在魚(yú)腹梁弦上的鋼絞線(xiàn)、對(duì)撐、角撐上施加預(yù)應(yīng)力，以控制基坑邊坡支護(hù)的變形[1-3]，但該體系對(duì)位移的控制是否能滿(mǎn)足要求也存在一定的爭(zhēng)議。

本研究結(jié)合工程實(shí)例，介紹裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐技術(shù)，通過(guò)與傳統(tǒng)支撐體系對(duì)比，證明該技術(shù)是一種穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系。

1 工程概況

本工程位于上海市閔行區(qū)，主要建設(shè)2 幢10 層實(shí)驗(yàn)樓、1 幢2-3 層裙房及1 幢2 層報(bào)告廳，并設(shè)1 層地下車(chē)庫(kù)。基坑面積約13 500 m2，外圍周長(zhǎng)約480 m，基坑開(kāi)挖深度6.35～7.35 m。基坑?xùn)|側(cè)距離杏林西路最近約9 m，南側(cè)距離東川路約40 m，西側(cè)距離景觀(guān)河道最近處約13 m，距離西側(cè)區(qū)級(jí)保護(hù)文物尚義橋保護(hù)范圍最近處約11.4 m，北側(cè)距離光華路最近處約17 m。基坑周邊環(huán)境見(jiàn)圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

2 工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地為濱海平原地貌，場(chǎng)地65 m 范圍之內(nèi)主要為①1層素填土、①2層浜底淤泥、②層粉質(zhì)粘土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④層淤泥質(zhì)粘土、⑤層粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦1層粘質(zhì)粉土夾薄層粉質(zhì)粘土、⑦2-1層粉砂、⑦2-2層粉砂?；娱_(kāi)挖深度范圍內(nèi)場(chǎng)地地層主要為①～④層，多為軟土。土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 圍護(hù)方案選型

3.1 基坑圍護(hù)體系選型

參考本地區(qū)類(lèi)似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，該類(lèi)型基坑常用板式圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)體系，板式支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括地下連續(xù)墻、型鋼水泥攪拌墻、鉆孔灌注樁排樁+止水帷幕等。其中型鋼水泥攪拌墻具有施工影響小、防滲性能好、適應(yīng)土層范圍廣、綠色環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕施工工藝成熟、剛度大、控制基坑變形能力強(qiáng)，但其產(chǎn)生的廢棄泥漿，對(duì)周邊環(huán)境會(huì)有一定影響。因而，綜合環(huán)境保護(hù)、造價(jià)、安全、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面考慮，本工程選擇型鋼水泥攪拌墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

3.2 支撐體系選型

根據(jù)本項(xiàng)目的基坑深度、周邊環(huán)境以及上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，本基坑需布置一道水平支撐?？刹捎娩摻罨炷林位蜾撝蝺煞N支撐形式。混凝土支撐布置靈活，基坑頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制較好，可有效減少坑頂位移，有利于對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)，但支撐后期需要拆除，會(huì)造成大量的廢棄混凝土，造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性不佳。鋼支撐常規(guī)為鋼管支撐，施工便捷，拆除方便。但受其剛度、穩(wěn)定性影響，僅適用于跨度相對(duì)較小的基坑，本項(xiàng)目基坑長(zhǎng)度已超過(guò)100 m，不建議采用。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐是由高強(qiáng)低松弛的鋼絞線(xiàn)作為上弦結(jié)構(gòu)、H 型鋼作為受力梁，與長(zhǎng)短不一的H 型鋼梁等組成，采用對(duì)撐、角撐、立柱、橫梁、拉桿、三角鍵節(jié)點(diǎn)、預(yù)壓頂緊裝置等標(biāo)準(zhǔn)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[4]。與常規(guī)鋼支撐對(duì)比，穩(wěn)定性更好。通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力可有效地控制基坑的變形。

3.3 支撐體系對(duì)比分析

本項(xiàng)目基坑面積較大，可選用的支撐形式為水平混凝土支撐和裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐，下面從3個(gè)方面對(duì)兩種支撐體系進(jìn)行對(duì)比。

3.3.1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

常規(guī)混凝土支撐采用支撐計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐由于其特殊性，常規(guī)計(jì)算軟件無(wú)法計(jì)算，改用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖2）可以看出，混凝土支撐方案最大位移在西南角，為13.0 mm。裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐最大位移也在西南角，最大位移為19.0 mm。裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐雖位移較混凝土支撐控制弱，但也完全能滿(mǎn)足相應(yīng)變形控制的要求。

圖2 混凝土支撐體系計(jì)算結(jié)果

3.3.2 造價(jià)對(duì)比

經(jīng)測(cè)算，支撐體系方案總體圍護(hù)造價(jià)約820 萬(wàn)元，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式鋼支撐體系方案總體造價(jià)約700 萬(wàn)元。預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式鋼支撐體系總造價(jià)相比與混凝土支撐體系可有效降低施工成本，節(jié)約金額約120 萬(wàn)元，節(jié)約率約17.12%。

3.3.3 工期對(duì)比

混凝土支撐需要綁扎鋼筋、澆筑混凝土、養(yǎng)護(hù)等多個(gè)流程，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式鋼支撐不需要養(yǎng)護(hù)，施工速度快。另外，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式鋼支撐具有更大的挖土空間，大大加快挖土速度。經(jīng)測(cè)算，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式鋼支撐工期相比于混凝土支撐體系可以節(jié)省工期2 個(gè)月，節(jié)約比例60%。

從以上3 個(gè)方面可以看出，裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐在基坑位移控制方面能滿(mǎn)足相應(yīng)要求，同時(shí)造價(jià)和工期相比于傳統(tǒng)的混凝土支撐有較大優(yōu)勢(shì)。

4 魚(yú)腹梁施工技術(shù)

4.1 工藝流程

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)采用工具式組合鋼構(gòu)件安裝，其工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→土方開(kāi)挖→測(cè)量定位/標(biāo)高控制/復(fù)核→方管立柱施工→開(kāi)槽施工牛腿、托座、支撐梁→施工圈梁→工具式支撐安裝施工→預(yù)應(yīng)力施加→土方開(kāi)挖至基坑底→澆筑混凝土墊層、底板、側(cè)墻，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度→依次拆除回收支撐、魚(yú)腹梁及立柱拆除→工程結(jié)束[5-6]。

預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹式鋼支撐施工工藝參見(jiàn)圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力裝配式支撐的施工流程

4.2 預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐的安裝方法

4.2.1 鋼立柱施工

立柱采用300×10/6 方鋼管，長(zhǎng)度17/18 m。計(jì)劃采用機(jī)械手與挖機(jī)配合施工。施工時(shí)嚴(yán)格控制立柱定位、方向、垂直度。

4.2.2 鋼牛腿的施工

設(shè)置在基坑四周閉合邊線(xiàn)上的鋼牛腿其中心線(xiàn)在同一個(gè)水平位置。牛腿焊接前先行破除壓灌樁砼皮后焊接鋼板，在焊好的鋼板上焊接牛腿，須保證三處連接部位牢固，具有足夠的穩(wěn)定性。

4.2.3 設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)與定位

首先確定鋼圍檁的軸線(xiàn)基準(zhǔn)點(diǎn)，用經(jīng)緯儀通過(guò)坐標(biāo)計(jì)算測(cè)設(shè)基坑相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)的基點(diǎn)，采用掛線(xiàn)的方法完成鋼圍檁平面安裝與定位。同時(shí)要求軸線(xiàn)偏差不得超過(guò)5 mm。

4.2.4 鋼圍檁的安裝

應(yīng)遵循“先長(zhǎng)后短，減少接頭數(shù)”的原則進(jìn)行鋼圍檁的安裝，同時(shí)盡量采用較長(zhǎng)圍檁，以減少鋼圍檁接頭數(shù)。

鋼圍檁隨著鋼支撐的架設(shè)逐步安裝，并確保鋼圍檁設(shè)置在牛腿支架上。鋼圍檁的連接部位和搭接部位使用螺栓緊固連接，并滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4.2.5 托座和支撐梁的安裝

托座件的安裝必須嚴(yán)格控制水平標(biāo)高，誤差不得超過(guò)5 mm，相鄰?fù)凶捻斆鏄?biāo)高差不得大于L/1500（L 為間距），且不應(yīng)大于10 mm。另外，托座件的安裝須要求嚴(yán)格控制其垂直度，若發(fā)生偏位，可采用加墊鋼板的方式以滿(mǎn)足垂直度的要求。

4.2.6 角撐的施工

鋼角撐與鋼圍檁之間存在夾角時(shí)，不易安裝和預(yù)應(yīng)力的施加；每道鋼角撐安裝前須事先在地面進(jìn)行預(yù)拼接，檢查預(yù)拼后支撐的順直度，達(dá)到要求后方可進(jìn)行安裝。

4.2.7 魚(yú)腹梁和剪刀撐的施工

魚(yú)腹梁部件預(yù)拼完成后，采用設(shè)備將其吊放在鋼支撐的牛腿上，兩端采用人工牽引的方法，以確保鋼支撐的整體穩(wěn)定性。

鋼絞線(xiàn)的安裝時(shí)需逐根對(duì)稱(chēng)，每根鋼絞線(xiàn)通過(guò)橋架WS 構(gòu)件穿入錨具對(duì)應(yīng)的孔洞，兩個(gè)錨具內(nèi)穿入的鋼絞線(xiàn)位置應(yīng)對(duì)稱(chēng)，數(shù)量相同。鋼絞線(xiàn)與錨具通過(guò)夾片固定，可先進(jìn)行預(yù)張拉繃緊鋼絞線(xiàn)。張拉時(shí)張拉千斤頂?shù)淖饔镁€(xiàn)與鋼絞線(xiàn)的軸線(xiàn)應(yīng)重合。兩個(gè)錨具內(nèi)的鋼絞線(xiàn)應(yīng)對(duì)稱(chēng)張拉，達(dá)到受力平衡。

4.2.8 預(yù)應(yīng)力施加

預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐的各構(gòu)件布置完畢后施加預(yù)應(yīng)力。鋼絞線(xiàn)張拉應(yīng)按順序逐根進(jìn)行，一般分3 次張拉，第1 次張拉到設(shè)計(jì)值的30%，第2 次張拉到設(shè)計(jì)值的70%，第3 次張拉到設(shè)計(jì)值的100%。圖4 為預(yù)應(yīng)力施加的施工流程。

圖4 預(yù)應(yīng)力施加的施工流程

5 結(jié)論

本研究通過(guò)工程實(shí)例，介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的應(yīng)用，根據(jù)計(jì)算結(jié)果、造價(jià)和工期等多個(gè)方面對(duì)比，證實(shí)了裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐系統(tǒng)的安全性，施工便利性以及經(jīng)濟(jì)工期優(yōu)勢(shì)，介紹了裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐的施工技術(shù)。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁內(nèi)支撐技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)支撐的全部可回收，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，符合國(guó)家建筑工業(yè)化政策導(dǎo)向，能夠?yàn)閲?guó)家碳中和貢獻(xiàn)自己的力量，其有著良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。