装配式鱼腹式基坑钢支撑对保护地铁隧道的作用与应用结果

装配式鱼腹式基坑钢支撑对保护地铁隧道的作用与应用结果

申建彪

上海强劲地基工程股份有限公司上海201806

摘要：城市中的基坑工程应自始至终贯彻“以控制位移为主”这一精神。但是以现浇钢筋混凝土内支撑为代表的常用支护体系很难真正实现这一精神。只能一味地用加大混凝土支撑截面的方法来减小位移，导致了成本和工期的增加。装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系主要由鱼腹梁加对撑、角撑和围檩构成。具有控制基坑水平位移和节能减排作用的多方面优势。在开挖深度达15m的软土深基坑支护实例中，使用了二层及其以上的装配式鱼腹梁钢支撑，对临近地铁隧道的保护，均表现出良好的支护效果，从而证明：在深大基坑支护中，首道采用装配式鱼腹梁支撑比钢筋混凝土支撑具有更多优势。

关键词：基坑工程；装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系；应用

前言

近年来，各大城市加大了地下空间的开发规模，由此带来的深基坑问题愈发严重，且深基坑支护体系的设计、施工、土方开挖面临更大难度。深基坑支护为建筑行业重要分项工程之一，基坑本身的安全及周边环境（包含交通、通讯、水、电、气等）的保护对城市建设尤为重要。尽管从事基坑设计施工的工程技术人员都明白：城市中的基坑工程应自始至终贯彻“以控制位移为主”这一精神。但是以现浇钢筋混凝土内支撑为代表的常用支护体系很难真正实现这一精神。只能一味地用加大混凝土支撑截面的方法来减小位移。混凝土支撑本身具有施工工期长、造价高、自重大、材料无法回收、拆除破坏环境等缺点。因此，基坑工程行业急需能解决以上问题的新工艺、新技术。

1装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系特点

装配式预应力鱼腹梁钢支撑体系主要由鱼腹梁加对撑、角撑和围檩构成。装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑系统的主要特点如下：

1.1绿色环保

与传统钢筋混凝土支撑相比，装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑支护结构都是由钢构件拼装而成，支撑拆卸后可多次重复使用，大大节省建筑材料。构件在安装到拆除的使用期间不会产生泥浆、噪声以及建筑垃圾等污染，符合国家的绿色、节能减排的产业政策。

1.2有效控制基坑水平位移

装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑可以在下层土体开挖前，通过施加预应力将支撑平面的坑壁向外推出，激发出坑外被动土压力，实现基坑位移的主动控制。

1.3该支撑体系转变为具有高冗余度的超静定结构体系

装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑支护结构的构件是用工厂加工的基本钢构件，用螺栓在现场拼装成鱼腹梁、对撑、角撑、围檩，再连接成支撑、立柱和基坑壁。预应力鱼腹梁工具式钢支撑系统中增设用于增加系统稳定性的连接附加件。结合各组合构件的优化设计，使支撑体系真正成为具有高赘余度的超静定结构体系，根本改变了传统钢管支撑体系赘余度少，甚至是静定结构的不安全状态。实践中曾发生过挖土机撞击钢支撑，支撑弯了，但依然能受力而不塌。

1.4有效缩短基坑施工工期

采用装配式预应力鱼腹梁钢结构支撑支撑体系，对撑间的水平间距成倍增大。形成了开阔的空间，土方开挖运土车可以直接下坑驳运。方便土方施工，缩短挖土工期。另外，基坑大空间可以为结构主体施工提供便利，缩短主体结构施工工期。标准钢构件用螺栓拼装、拆除，不用养护时间，更有效地缩短了支撑装、拆施工周期。

1.5节能减排

常用的现浇混凝土支撑要消耗大量水泥、砂石和钢筋等资源。水泥生产是个高能耗和高污染的产业。每生产1吨水泥将产生0.2吨二氧化碳。使用1吨装配式钢支撑可节约混凝土1.8立方米、节约钢材270公斤、减少建筑垃圾4.5吨。

采用装配式、预应力钢支撑代替现浇混凝土支撑，测算上海地区用量为30%，全国用量为10%，则可节省混凝土、钢材用量及减少垃圾、粉尘和CO2排放量如下表所示。

加上围护墙体发生的侧向位移量约10mm，则钢筋混凝土支撑结构支护的基坑计算变形量将达到41mm，显然大于该基坑的围护墙允许是大水平位移为15000x0.14%=21mm达一倍以上。

为此，只能将基坑的宽度减少到20m左右，并采用钢支撑支护才能满足对临近地铁隧道的保护要求。这样就要求将基坑沿地铁的轴线方向，划分二个基坑来分期施工，临近地铁隧道一侧的基坑宽度按20m划分，先开挖施工远离地铁的这个基坑。很显然，在基坑的竖向围护结构方面增加了一排竖向围护结构，在施工工期上将有很大的延长。

我们设计采用装配式鱼腹式基坑钢支撑，通过施加预应力，达到计算的变形量，加上预应力后的变形量为20.5mm。

3如何控制基坑变形

3.1对、角撑部位向基坑内水平位移异常

若土方开挖时，由于基坑侧向土压力增大等原因，导致对、角撑部位向基坑内水平位移数值超过设计允许值。施工单位应立即实行应急预案，使用千斤顶在变形异常区域施加预应力，密切跟踪基坑变形情况（监测数据及周边巡视），确保基坑稳定。

3.2鱼腹梁部位向基坑内水平位移异常

若土方开挖时，鱼腹梁部位向基坑内水平位移数值超过设计允许值。施工单位应立即实行应急预案，使用张拉器逐根张拉已施加预应力的钢绞线和备用钢绞线（总根数的10%），争取控制和减小鱼腹梁的变形，密切跟踪基坑变形情况（监测数据及周边巡视）。待基坑稳定时，停止张拉。

3.3对、角撑部位向基坑外水平位移异常

若土方开挖时，基坑周边环境发生变化，鱼腹梁部位向基坑外水平位移数值超过设计允许值。施工单位应立即实行应急预案，使用千斤顶在变形异常区域施加预应力，减少加压端钢垫板数量，以达到减少预应力的目的，同时密切跟踪基坑变形情况（监测数据及周边巡视），确保基坑稳定。

3.4施加预应力和调节内力的方法

在基坑开挖前，通过专用加载装置对支撑系统施加预应力，将支撑构件的弹性变形量及支撑与围护墙之间的施工缝消除。当基坑开挖时，作用于基坑围护墙和支撑构件上的水土压力引起的变形能部分被预先消除，从而控制了基坑的总变形。

在基坑开挖过程中，通过加载装置调整支撑构件的受力，能有效控制基坑四周土体位移及沉降，保护周边建（构）筑物及各种管线。

根据监测系统获得的支撑轴力与周边变形的数据，对下一施工工况的基坑变形进行预测，设置支撑内力目标值，实现对基坑变形的预控。

研制了基坑深层水平位移与内力的实时与智能监测系统，对支护体系各构件的内力和周边土体的变形实时监测与处理，为基坑的变形控制提供决策依据和预案，达到基坑变形安全可控的要求。

4工程案例

4.1项目概况

该项目为杭州某基坑工程，位于杭州余杭区，场地内主要拟建：总用地面积25139平方米，总建筑面积160571平方米，地上计容建筑面积100556平方米，由一幢5层的集中商业及两幢22层的办公塔楼组成，办公塔楼建筑高度96.05米。地下三层，建筑面积为60015平方米，其中地下一层为商业及设备用房，地下二、三层为停车及设备用房。

本工程现场场地及基坑周边10米范围内标高为黄海海拔4.200m，±0.000相当于绝对标高+4.700，相对标高为-0.500，地下室结构底板底标高为相对标高-15.50，垫层为150mm，基坑底标高为相对标高-15.65m，则基坑开挖深度为15.15m，地下室范围线确定依据是建设单位提供的地下室结构图纸。

主要为基坑东侧靠近地铁段的地下室外边线与地铁结构外边线净距约为39m，地铁埋深约为20m。

4.2工程地质分布情况

根据勘察资料，场地的地层是由不同时代的岩，土体所构成的。其物理性质与沉积年代，沉积环境有着密切的关系，基坑开挖影响土层参数如表3.1所示：

图4装配式钢支撑轴力监测结果

注：在整个基坑监测过程中，第二道钢支撑轴力监测最大累计轴力值为-1600KN，小于报警值±3000，处于可控范围之内。

从图3和图4中可以看出，采用装配式钢支撑，从预应力施加后到基坑开挖到底，其支撑轴力的增量较小，从而实现了变形的控制。

从图5可以看出，预应力鱼腹梁钢支撑的平面布置形式为基坑内的土方挖运提供了非常方便的条件，同时也为地下结构的施工提供了较好的操作空间。

图5基坑开挖现状图

5结语

（1）利用鱼腹梁支撑的预应力作用，实现了深大基坑变形控制的技术突破，利用鱼腹梁钢支撑的预应力调节技术，使鱼腹梁钢支撑获得了较大的支护刚度，对地铁隧道的保护具有较大优势；

（2）通过对预应力鱼腹梁支撑体系的应用，给出了该支撑刚度与预应力的关系，并被工程实例所证实；

（3）通过对施工技术与应急安全预案的应用，给出了施工过程变形控制要求和方法，实现了对深基坑变形的控制措施及相应的安全预案；

（4）在开挖深度大于15m以上的软土深基坑支护使用了二层及其以上的装配式鱼腹梁钢支撑，对临近地铁隧道的保护，均表现出良好的支护效果，从而证明：在深大基坑支护中，首道采用装配式鱼腹梁支撑比钢筋混凝土支撑具有更多优势。