張德成 李 維 陳衛(wèi)剛 王 飛

(1.江蘇華晟建筑設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 徐州 221006; 2.江蘇三力巖土科技有限公司,江蘇 徐州 221006)

深基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)通常用于開(kāi)挖深度較大、地質(zhì)條件較差、周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑，支撐材料可以采用鋼或混凝土，也可以根據(jù)實(shí)際情況采用鋼和混凝土組合的支撐形式。這兩種材料支撐體系應(yīng)用時(shí)，在布置形式上有很大區(qū)別，要考慮的因素非常多，在布置的時(shí)候，對(duì)其安全可靠性有非常嚴(yán)格的要求，內(nèi)支撐體系要在最大程度上滿(mǎn)足地下主體結(jié)構(gòu)的施工要求，同時(shí)便于施工。鋼支撐自重輕、安裝和拆除方便、施工速度快以及可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)外，安裝后能立即發(fā)揮支撐作用，對(duì)減少由于時(shí)間效應(yīng)而增加的基坑位移，是十分有效的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)鋼支撐在基坑工程中的應(yīng)用加以闡述[1-4]。

張懸梁鋼支撐系統(tǒng)由張懸梁、桁架直撐、斜撐、支架梁、預(yù)應(yīng)力施加裝置等組成，大跨度綠色深基坑支護(hù)技術(shù)。與傳統(tǒng)基坑支護(hù)系統(tǒng)相比較，張懸梁鋼支撐系統(tǒng)具有桿件長(zhǎng)細(xì)比小、支撐剛度大、控制基坑變形小、節(jié)省造價(jià)、縮短工期、提供大空間施工作業(yè)面、施工噪聲低、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)針對(duì)張懸梁鋼支撐系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用研究較少，秦洋[5]結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)張懸梁鋼支撐與混凝土支撐進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明張懸梁鋼支撐系統(tǒng)在施工工期和工程造價(jià)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合徐州市某基坑支護(hù)工程實(shí)例，對(duì)張懸梁鋼支撐系統(tǒng)在該工程中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，在理論計(jì)算與監(jiān)測(cè)成果的基礎(chǔ)上對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

1 工程應(yīng)用實(shí)例

1.1 工程概況

擬建工程位于徐州市城區(qū)，地下室兩層。基坑周長(zhǎng)約480 m，面積約10 100 m2，基坑開(kāi)挖深度7.40 m～8.80 m。擬建場(chǎng)地西側(cè)為空地，地下室外墻距用地紅線(xiàn)約2.31 m；北側(cè)為二環(huán)北路，地下室外墻距用地紅線(xiàn)約3.09 m～4.32 m，距二環(huán)北路道路邊約15.21 m～15.61 m；東側(cè)為蘇堤北路，地下室外墻距用地紅線(xiàn)約1.66 m～26.22 m，距該側(cè)頂管工作井最近約9.94 m，頂管工作井埋深11.0 m；場(chǎng)地東北角為售樓處，該售樓處為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約1.0 m，距離地庫(kù)外墻線(xiàn)約12.43 m；南側(cè)為空地，地下室外墻距用地紅線(xiàn)約2.92 m～3.05 m，紅線(xiàn)外29.08 m為隴海鐵路線(xiàn)。

1.2 場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)及土層物理力學(xué)指標(biāo)

場(chǎng)地地層分布及物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一覽表

1.3 基坑支護(hù)方案

本工程周邊環(huán)境用地較緊張，周邊建筑物、道路需要保護(hù)，采用SMW工法(三軸攪拌樁內(nèi)插H型鋼)加一道張懸梁鋼支撐支護(hù)方案。Φ850@600三軸攪拌樁內(nèi)插H700×300×13×24型鋼，型鋼“插一跳一”“插二跳一”布置，型鋼長(zhǎng)度17 m，坑內(nèi)設(shè)置一道張懸梁鋼支撐(局部為鋼筋混凝土支撐)，支撐中心標(biāo)高-2.70(+39.10) m。支撐下設(shè)420 mm×420 mm的鋼格構(gòu)柱，格構(gòu)柱錨入Φ800立柱樁不少于2.5 m。

基坑中部設(shè)置鋼桁架對(duì)撐(H600×300×12×20型鋼),角部設(shè)置鋼桁架角撐(H600×300×12×20型鋼)，鋼桁架對(duì)撐之間的水平支撐結(jié)構(gòu)采用24 m，30 m的預(yù)應(yīng)力張懸梁。該預(yù)應(yīng)力張懸梁采用Q550級(jí)鋼拉桿(φ150)作為下弦，與對(duì)撐組合成自平衡體系共同抵抗作用在冠梁上的土壓力。通過(guò)安置在對(duì)撐、斜撐和張懸梁腹桿端部的千斤頂來(lái)調(diào)節(jié)鋼支撐平衡體系的張緊程度而限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖1，典型支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

1.4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.4.1支護(hù)結(jié)構(gòu)單元計(jì)算

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算采用彈性法土壓力模型，計(jì)算內(nèi)力、位移包絡(luò)圖見(jiàn)圖3。

經(jīng)計(jì)算，型鋼水泥土攪拌墻對(duì)前趾的抗傾覆安全系數(shù)KQ=3.172>1.30,滿(mǎn)足規(guī)范要求。采用瑞典條分法計(jì)算基坑整體穩(wěn)定性，應(yīng)力狀態(tài)為總應(yīng)力法，條分法中的土條寬度為1.00 m?；衙鏀?shù)據(jù)：整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.155>1.35，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

通過(guò)內(nèi)力變形計(jì)算分析，采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐的支護(hù)方案，可以滿(mǎn)足基坑支護(hù)要求。

1.4.2支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模擬

為了較準(zhǔn)確的分析計(jì)算基坑開(kāi)挖期間的支撐系統(tǒng)受力、變形情況，采用SAP2000(v 21.0.2)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖過(guò)程中的數(shù)值模擬計(jì)算。三維計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

根據(jù)單元計(jì)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，支撐系統(tǒng)的內(nèi)力及變形最大。以基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高的壓力值作為依據(jù)進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，對(duì)支撐構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，見(jiàn)圖5。

在荷載組合(恒載、活載、預(yù)應(yīng)力荷載、升溫荷載)作用下，鋼結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)件內(nèi)力最大的前10個(gè)單元內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

本工程以冠梁最大變形位移30 mm為控制值，在荷載組合作用下，鋼結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)件內(nèi)力最大的前10個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的位移如表3所示。冠梁最大位移位于節(jié)點(diǎn)序號(hào)148，最大位移19.7 mm<30 mm，滿(mǎn)足位移控制要求。

表2 鋼支撐內(nèi)力計(jì)算結(jié)果一覽表

表3 鋼支撐位移計(jì)算結(jié)果一覽表 mm

驗(yàn)算結(jié)構(gòu)正常工作狀態(tài)下構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力比(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.10，需求/能力比例限值：0.95)。組合作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力比最大的8個(gè)構(gòu)件如表4所示。構(gòu)件應(yīng)力比均小于0.95，構(gòu)件應(yīng)力滿(mǎn)足要求。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果并結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)程，采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐支護(hù)方案，可以有效的控制基坑變形在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

表4 鋼支撐構(gòu)件應(yīng)力比一覽表

2 基坑監(jiān)測(cè)成果分析

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的平面布置及樁頂水平位移、深層水平位移、支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)成果，基坑冠梁頂水平位移在12.3 mm～24.6 mm之間(見(jiàn)圖7)，與計(jì)算值21.7 mm較為接近。選取3個(gè)有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制基坑深層水平位移曲線(xiàn)(見(jiàn)圖8)。實(shí)測(cè)最大深層水平位移為23.2 mm，理論計(jì)算最大值為22.05 mm，支護(hù)樁變形實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值較為接近，深層水平位移曲線(xiàn)形態(tài)與計(jì)算較為吻合，樁身最大位移均發(fā)生在坑底附近，較好的反映了基坑實(shí)際變形情況。

2.2 支撐軸力

支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的側(cè)向土壓力由SMW工法樁和張懸梁鋼支撐體系承擔(dān)，表5為設(shè)計(jì)軸力與實(shí)測(cè)最大軸力的對(duì)比分析表，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果，支撐最大軸力未達(dá)到報(bào)警值，軸力發(fā)揮的程度為設(shè)計(jì)值的69%～78%，說(shuō)明采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐可以確保整個(gè)圍護(hù)體系的穩(wěn)定。

表5 支撐軸力設(shè)計(jì)值與監(jiān)測(cè)值一覽表

3 結(jié)語(yǔ)

1)本基坑采用SMW工法加一道張懸梁鋼支撐支護(hù)，縮短了施工周期，與傳統(tǒng)的“灌注排樁+止水帷幕+鋼筋混凝土支撐”的支護(hù)體系相比，型鋼及張懸梁鋼支撐可以回收再利用，節(jié)省工程造價(jià)。2)通過(guò)理論計(jì)算和工程監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形值與理論計(jì)算值較為接近，說(shuō)明張懸梁鋼支撐系統(tǒng)的工程應(yīng)用取得良好效果。3)本基坑支護(hù)工程取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)類(lèi)似工程具有重要的指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。