韓 磊，孫 旻，黃沛林，陳 華，王 強

(中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

0 概述

隨著城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)，我國基坑工程數(shù)量和面積不斷增加[1-3]。在軟土地區(qū)，基坑工程往往采用鋼筋混凝土支撐體系[4-6]。鋼筋混凝土支撐不僅施工周期長，而且在拆除時會產(chǎn)生大量廢棄混凝土，同時還會造成噪聲和粉塵污染，既浪費資源又污染環(huán)境。鋼結(jié)構(gòu)支撐體系采用鋼管或者型鋼等鋼構(gòu)件作為基坑的內(nèi)支撐，與鋼筋混凝土支撐相比，鋼結(jié)構(gòu)支撐可以重復使用，且在使用過程中不產(chǎn)生廢棄物，符合高效經(jīng)濟、綠色環(huán)保的工程發(fā)展理念。我國基坑工程從20世紀90年代開始使用鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐體系，由于傳統(tǒng)鋼支撐體系和施工方法容易造成鋼支撐預加軸力損失，不利于基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形控制，因此，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐體系以往主要在地鐵、隧道等長條形基坑施工中應用較多[7-12]，沒有在深大基坑中得到推廣應用。

本文以上海靜安府項目基坑工程為背景，介紹了一種可以用于深大基坑的新型H型鋼支撐體系。并對基坑圍護樁變形和新型H型鋼支撐軸力進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析圍護樁頂位移、樁體水平位移和新型H型鋼支撐內(nèi)力的變化規(guī)律，并將其與鋼筋混凝土支撐區(qū)域的圍護樁變形進行對比分析，驗證該新型H型鋼支撐體系在深大基坑工程中應用的可行性。

1 工程概況

上海市靜安府住宅項目位于中、外環(huán)間，緊鄰中環(huán)，東臨平陸路，南臨汶水路，西臨萬榮路、北臨江場西路。本工程總占地面積約76 000m2，基坑開挖面積約68 600m2，分Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三期完成。本工程Ⅱ期地面建筑由5棟17～33層高層、7棟4～6層多層建筑及配套物業(yè)管理社區(qū)用房等組成，下設1～2層地下室，共分為兩個標段，其中1標位于地塊北部，基坑開挖面積約20 000m2，2標位于地塊西南部，基坑開挖面積15 100m2。新型H型鋼支撐位于Ⅱ期1標基坑，基坑位置示意圖如圖1所示?；娱L約200m，寬約120m，周長630m，開挖深度8.7～9.3m。南側(cè)為Ⅰ期結(jié)構(gòu)(地下1層)，該基坑施工時，南側(cè)結(jié)構(gòu)已出±0.0標高，其余側(cè)為規(guī)劃道路?；影踩燃墳槎?，環(huán)境保護等級為三級。

圖1 基坑位置示意圖

根據(jù)工程勘察報告，場地地貌類型屬濱海平原地貌單元，地貌形態(tài)單一，地形較為平坦。該場地地基土在勘察范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，主要為飽和黏性土、粉性土和砂土組成。擬建場地揭示土層主要為9個主要層次及分屬不同層次的亞層，其中①層土為雜填土、②～⑤層土為全新Q4沉積物，⑥～⑨層土為晚更新世Q3沉積物，⑥層只在少數(shù)鉆孔出現(xiàn)。場地內(nèi)典型土層分布情況如圖2所示，各土層物理力學參數(shù)如表1所示。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

各土層物理力學參數(shù) 表1

場地及周邊無地表水分布，地下水由淺部土層中的潛水和深部土層中的承壓水組成，地下水補給來源主要為大氣降水和地表徑流。場地地下潛水位埋深為0.5～1.45m。承壓水主要賦存于⑦層、⑧21層、⑧22層及⑨層砂性土中，水位埋深約3～12m。

2 新型H型鋼支撐體系簡介

新型H型鋼支撐體系構(gòu)造示意圖如圖3所示，主要由H型鋼支撐、鋼圍檁、系桿、千斤頂、立柱和托梁等組成。鋼支撐、鋼圍檁、系桿均為模數(shù)化的H型鋼構(gòu)件，材質(zhì)為Q345，截面均為H400×400×13×21，鋼構(gòu)件之間全部采用螺栓連接。單根H型鋼支撐之間采用系桿連接，系桿與H型鋼支撐位于同一水平面，形成平面桁架體系，可以大大增強鋼支撐的整體性和穩(wěn)定性。豎向立柱根據(jù)實際情況選擇，當支撐全部為新型H型鋼支撐時，立柱一般采用截面為H400×400×13×21型鋼；當支撐為鋼筋混凝土支撐和新型H型鋼支撐組合時，立柱一般采用格構(gòu)柱。千斤頂通過螺栓安裝在H型鋼支撐的一端，直到H型鋼支撐拆除時才取出，可以實時監(jiān)測和調(diào)整H型鋼支撐軸力。與傳統(tǒng)鋼支撐體系相比，新型H型鋼支撐采用全螺栓裝配連接，可以任意組合、拼裝，極大地提高了施工的便捷性。而且，新型H型鋼支撐可采用八字撐以及雙拼甚至三拼等形式進行組合，增強其受力性能，滿足深大基坑工程的應用需求。

圖3 新型H型鋼支撐體系構(gòu)造示意圖

3 基坑圍護結(jié)構(gòu)設計

基坑原始圍護結(jié)構(gòu)方案為豎向圍護樁+兩道鋼筋混凝土水平支撐：1)基坑北側(cè)開挖深度為9.3m，為地下2層，豎向圍護結(jié)構(gòu)為SMW工法樁，采用3φ850@600三軸攪拌樁施工，套打一孔，樁長19.2m，水泥摻量20%，內(nèi)插型鋼布置方式為插二跳一，型鋼截面為H700×300×13×24，型鋼長度為20m；2)基坑南側(cè)開挖深度為8.95m，為地下2層，基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的外側(cè)為已建地下室(地下1層)，考慮到基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)背后無土體平衡南北向?qū)蝹鱽淼闹瘟Γ枰捎脗髁鞯絿o結(jié)構(gòu)上的支撐力傳給南側(cè)已施工的地下結(jié)構(gòu)，因此基坑南側(cè)豎向圍護結(jié)構(gòu)采用剛度較大、整體性較好的鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁規(guī)格為φ800@1 000，樁長18m，外側(cè)為三軸攪拌樁止水帷幕，采用3φ850@600三軸攪拌樁施工，套打一孔，樁長14.5m；3)基坑東側(cè)和西側(cè)開挖深度為9.25m，為地下2層，豎向圍護結(jié)構(gòu)為SMW工法樁，采用3φ850@600三軸攪拌樁施工，套打一孔，樁長20.2m，水泥摻量20%，內(nèi)插型鋼布置方式為插二跳一，型鋼截面為H700×300×13×24，型鋼長度為21m；4)水平支護結(jié)構(gòu)為兩道鋼筋混凝土支撐，支撐高度分別為地表以下1.2m和5.15m，混凝土強度等級C35?；釉紘o結(jié)構(gòu)方案平面示意圖如圖4(a)所示，支撐桿件截面尺寸及距離地表深度如表2所示。

圖4 基坑圍護結(jié)構(gòu)平面示意圖

鋼筋混凝土支撐參數(shù) 表2

眾所周知，鋼筋混凝土支撐施工周期長，且拆撐時還會產(chǎn)生大量建筑垃圾，不但噪聲大，而且污染環(huán)境。因此，為加快工程施工進度，提高項目綠色施工水平，減少建筑廢棄物，在保持基坑豎向圍護結(jié)構(gòu)和第一道鋼筋混凝土水平支撐不變的情況下，本基坑將第二道鋼筋混凝土支撐局部替換為新型H型鋼支撐體系，H型鋼支撐截面為H400×400×13×21，長度45m，間距12.5m；托梁采用雙拼32b槽鋼；豎向立柱采用截面為460×460格構(gòu)柱，第二道支撐方案更改后的基坑圍護結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖4(b)所示，圖中虛線方框內(nèi)部分即為替換后的新型H型鋼支撐，最終的基坑圍護結(jié)構(gòu)的1-1和2-2剖面圖如圖5所示，施工完成后的現(xiàn)場照片如圖6所示。

圖5 基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖6 基坑支撐體系施工完成后的現(xiàn)場圖

H型鋼支撐安裝完畢，需要施加預加軸力對基坑豎向結(jié)構(gòu)進行支撐，傳統(tǒng)鋼支撐的做法是在施加完預加軸力后，打入鋼楔，然后將千斤頂取出，該施工方法極易導致鋼支撐預加軸力損失，而且無法達到實時監(jiān)測和補充軸力的效果，容易導致事故的發(fā)生[13-14]。本文提出的新型H型鋼支撐體系中，千斤頂(圖7)一直保留在鋼支撐中，直到鋼支撐拆除時隨著一起拆除。千斤頂受力示意圖如圖8所示，千斤頂工作機理如下：千斤頂作為新型H型鋼支撐體系的一部分，直接安裝在H型鋼支撐桿件中，千斤頂前后兩個端面與H型鋼支撐連接，千斤頂上有壓力表以及無線發(fā)射器，可以通過移動終端實時監(jiān)測H型鋼支撐軸力。H型鋼支撐安裝完成后，油泵通過千斤頂油管口向千斤頂油缸內(nèi)壓入液壓油使千斤頂油缸伸長，給H型鋼支撐施加預加軸力，預加軸力達到設計值時，用螺環(huán)將油缸位置鎖住，防止H型鋼支撐軸力減小時油缸回縮。當H型鋼支撐軸力減小時，千斤頂壓力表讀數(shù)減小，無線發(fā)射裝置將讀數(shù)發(fā)送至移動終端，工作人員收到提醒后，會立即使用油泵通過油管口向千斤頂油缸壓入液壓油給千斤頂補壓，補壓完成后，用螺環(huán)將油缸位置鎖住。這樣可以實時監(jiān)測H型鋼支撐的軸力值，并且在H型鋼支撐軸力發(fā)生損失時，可以進行實時補償，保證新型H型鋼支撐體系的安全。

圖7 新型H型鋼支撐千斤頂安裝示意圖

圖8 千斤頂受力示意圖

4 基坑現(xiàn)場監(jiān)測測點布置

為了研究新型H型鋼支撐的支撐效果以及受力性能，并與鋼筋混凝土支撐的支撐效果進行對比，本研究對基坑變形和H型鋼支撐軸力開展了現(xiàn)場監(jiān)測。現(xiàn)場測點布置如圖9所示，其中W1～W8，W16～W24為圍護樁頂位移測點；C1～C4，C7～C10為圍護樁體水平測斜測點；Z1～Z16為H型鋼支撐軸力測點，由于圖中空間限制，僅在圖中標出了Z1，Z8，Z9，Z16位置，其中，Z1～Z8為基坑北側(cè)H型鋼支撐軸力測點，自西向東依次排序，Z9～Z16為基坑南側(cè)H型鋼支撐軸力測點，自西向東依次排序，每個測點處布置3個傳感器，布置形式如圖10所示，分別標號為1，2，3。采用基康BGK-4000型表面應變計監(jiān)測H型鋼支撐軸力，軸力通過自動數(shù)據(jù)采集儀進行采集，表面應變計安裝完成后的現(xiàn)場實物圖如圖11所示。

圖9 基坑現(xiàn)場監(jiān)測測點布置圖

圖10 鋼支撐軸力斷面測點布置形式

圖11 BGK-4000型表面應變計現(xiàn)場安裝實物圖

5 監(jiān)測結(jié)果對比分析

本基坑工程開挖施工節(jié)點如下：1)2016年10月30日，第一道鋼筋混凝土支撐開始施工；2)2016年11月25日，地下一層開始開挖；3)2016年12月6日，第二道鋼筋混凝土支撐和鋼支撐開始施工；4)2016年12月31日，地下二層開始開挖；5)2017年1月20日，基坑底板澆筑完畢。

5.1 圍護樁頂位移監(jiān)測結(jié)果分析

圍護樁頂垂直位移和水平位移隨基坑開挖變化規(guī)律分別如圖12和圖13所示，其中正值表示樁頂隆起或向基坑外位移，負值表示樁頂沉降或者向基坑內(nèi)位移，為了消除邊界效應的影響，圖中沒有給出基坑四個角點W1，W8，W16，W24測點的數(shù)據(jù)。另外，W19測點在監(jiān)測過程中發(fā)生破壞，在圖中亦未體現(xiàn)。

圖12 圍護樁頂垂直位移變化規(guī)律

圖13 圍護樁頂水平位移變化規(guī)律

從圖12和圖13中可以看出，圍護樁頂?shù)拇怪焙退轿灰谱兓?guī)律與基坑開挖工況密切相關，在第一道和第二道水平支撐施工時，圍護樁頂垂直位移基本保持不變，水平位移發(fā)生了向基坑內(nèi)的變形，最大水平位移值約18mm；在基坑地下一層和二層開挖時，圍護樁頂垂直位移和水平位移都發(fā)生了明顯的變化，圍護樁頂最大垂直位移發(fā)生在基坑北側(cè)W7測點，向下沉降約25mm，圍護樁頂最大水平位移在基坑北側(cè)和南側(cè)基本相同，向基坑內(nèi)變形約27mm；待基坑底板澆筑完成以后，圍護樁頂垂直和水平位移基本不再變化。因此，在基坑開挖過程中，為了控制基坑變形，保證基坑安全，應該盡量縮短基坑開挖時間，盡快澆筑底板。

對H型鋼支撐和鋼筋混凝土支撐的支撐效果進行對比分析。從圖12可以看出，新型H型鋼支撐范圍內(nèi)各測點(基坑北側(cè)W4，W5測點和基坑南側(cè)W20，W21測點)與鋼筋混凝土支撐范圍內(nèi)各測點(基坑北側(cè)W2，W3，W6, W7測點和基坑南側(cè)W17，W18，W22，W23)的垂直位移變化規(guī)律和最終變形值基本一致。基坑北側(cè)各測點垂直位移最終穩(wěn)定在20～25mm之間，基坑南側(cè)各測點垂直位移最終穩(wěn)定在12～20mm之間；從圖13可以看出，除了W21測點水平位移較大外，新型H型鋼支撐和鋼筋混凝土支撐范圍內(nèi)的各測點的水平位移變化規(guī)律和最終變形值基本一致?；颖眰?cè)各測點水平位移最終穩(wěn)定在20～27mm之間，基坑南側(cè)的各測點水平位移最終穩(wěn)定在15～22mm之間；由此可見，新型H型鋼支撐的支撐效果與鋼筋混凝土支撐基本一致。另外，從圖12和圖13可以看出，基坑北側(cè)各測點的位移普遍大于基坑南側(cè)各測點的位移，這是由于本基坑開挖時，基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的外側(cè)為已建地下室(地下1層)，作用在圍護樁上的土壓力比基坑北側(cè)小的緣故?？傮w而言，圍護樁頂最終的垂直位移和水平位移分別為25mm和27mm左右，滿足規(guī)范和設計要求。因此，本研究提出的新型H型鋼支撐體系滿足工程安全和變形要求，可以作為深大基坑的水平圍護體系。

5.2 圍護樁體水平測斜監(jiān)測結(jié)果分析

由于基坑南側(cè)圍護樁體測斜孔在施工過程中被破壞，因此，本文僅分析基坑北側(cè)圍護樁體水平測斜監(jiān)測結(jié)果。圖14和圖15分別為基坑北側(cè)H型鋼支撐區(qū)域和鋼筋混凝土支撐區(qū)域各測點樁體不同深度處的水平測斜變化曲線，正值表示向基坑外位移，負值表示向基坑內(nèi)位移)。從圖14和圖15中可以看出，圍護樁體的最大水平位移與基坑開挖深度密切相關，在2016年12月30日，基坑地下二層開始開挖之前，樁體最大水平位移發(fā)生在距離地表深度約5m的位置，即基坑開挖深度位置，樁體最大水平位移約12mm。隨著基坑地下二層開挖深度的增加，樁體水平位移逐漸變大，最大水平位移位置也逐漸下移，且表現(xiàn)為中間大、兩端小的“弓”形，待基坑底板澆筑完成后，樁頂處水平位移基本不再變化，樁體中間的水平位移還在繼續(xù)增大，最終樁體最大水平位移約為25mm，發(fā)生在約距離地表深度為10.5m的位置，即基坑底以下約1m處。另外，可以發(fā)現(xiàn)，新型H型鋼支撐區(qū)域的C2和C3測點與鋼筋混凝土支撐區(qū)域的C1和C4測點在不同深度處的樁體水平測斜變化規(guī)律和最大水平位移基本一致，也就是說，新型H型鋼支撐的支撐效果可以達到鋼筋混凝土支撐的支撐效果，且圍護樁體的最大水平位移均約為25mm。

圖14 鋼支撐區(qū)域樁體水平測斜曲線

圖15 鋼筋混凝土支撐區(qū)域樁體水平測斜曲線

為了分析新型H型鋼支撐體系設計的合理性，將1-1剖面圍護樁水平位移設計計算得到的理論計算值與實測值進行對比分析。1-1剖面圍護樁水平位移理論計算值與實測值對比如圖16所示，由于C1～C4測點水平測斜變化規(guī)律和最大水平位移值基本一致，選取C3測點實測值進行對比分析。從圖16中可以看出，同一深度處的圍護樁水平位移理論計算值比實測值略大，但分布規(guī)律與實測值基本一致，均表現(xiàn)為中間大、兩端小的“弓”形，圍護樁最大水平位移理論計算值比實測值大3mm左右，位置基本一致。這也間接說明了新型H型鋼支撐體系理論計算的正確性和合理性，且新型H型鋼支撐體系能夠滿足工程安全和變形要求，可以作為深大基坑的水平圍護體系。

圖16 C3測點圍護樁水平位移理論計算值與實測值對比曲線

5.3 新型H型鋼支撐軸力監(jiān)測結(jié)果分析

鋼支撐軸力監(jiān)測結(jié)果如圖17所示，由于各測點軸力變化規(guī)律基本類似，因此，本文選取了基坑北側(cè)的Z1測點和基坑南側(cè)的Z14測點進行分析。從圖中可以看出，隨著基坑的開挖，鋼支撐軸力呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，這是由于隨著基坑的開挖，圍護樁發(fā)生了向基坑內(nèi)側(cè)的位移(圖14和圖15)，導致作用在鋼支撐上的軸力逐漸增大。另外，由于受到氣溫、基坑變形狀態(tài)以及施工擾動等因素的影響，鋼支撐軸力有所波動，特別是2017年1月30日前后，鋼支撐軸力變化比較明顯，這是因為該日期前后，由于降雨導致氣溫降低了將近20℃，受到鋼材熱脹冷縮的影響，導致鋼支撐軸力發(fā)生了突降。現(xiàn)場通過千斤頂加壓，將鋼支撐軸力提高到正常值，保證鋼支撐的支撐效果。由于鋼支撐軸力受溫度影響比較明顯，因此，在鋼支撐施工過程中，應持續(xù)對鋼支撐軸力進行監(jiān)測，并對鋼支撐軸力進行動態(tài)調(diào)節(jié)，防止由于鋼支撐軸力的突然變化對基坑的穩(wěn)定和安全產(chǎn)生影響。

圖17 鋼支撐軸力變化曲線

2016年12月30日和2017年1月28日Z1-2(Z1中標號2的傳感器，余同)和Z14-2測點的鋼支撐軸力與溫度之間的關系曲線如圖18所示。從圖中可以看出，鋼支撐軸力隨著溫度的升高而增大，鋼支撐軸力與溫度成線性關系。采用最小二乘法對軸力和溫度進行線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)，鋼支撐溫度每升高1℃，其軸力增加約30kN。其中，Z1-2測點在2016年12月30日的溫度為0.5～10℃，溫度每升高1℃，鋼支撐軸力僅增加約30.4kN；Z1-2測點在2017年1月28日的溫度為5～15℃，溫度每升高1℃，鋼支撐軸力增加約34.2kN，比2016年12月30日的增加量高約3.8kN。Z14-2測點在2016年12月30日的溫度為1～10.5℃，溫度每升高1℃，鋼支撐軸力僅增加約29.7kN；Z14-2測點在2017年1月28日的溫度為5～15℃，溫度每升高1℃，鋼支撐軸力增加約33.7kN，比2016年12月30日的增加量高約4kN?？梢园l(fā)現(xiàn)，溫度較高時，氣溫變化對鋼支撐軸力的影響更大。

圖18 溫度對鋼支撐軸力影響變化曲線

6 結(jié)論

(1)圍護樁頂位移與基坑開挖工況和基坑底板澆筑速度密切相關，基坑開挖卸荷會引起樁頂產(chǎn)生明顯的位移，基坑底板澆筑完成后，樁頂位移基本不再變化，在基坑開挖過程中，應盡量縮短基坑開挖時間，盡快澆筑底板。

(2)隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁樁體水平位移逐漸增大，最大水平位移位置也隨著基坑開挖面的下降而逐漸下降；樁體水平位移最大值約25mm，發(fā)生在基坑底以下約1m處，最終樁體水平位移表現(xiàn)為兩端小、中間大的“弓”形。

(3)隨著基坑開挖深度的增加，H型鋼支撐軸力逐漸增大；H型鋼支撐軸力受氣溫影響比較明顯，氣溫每升高1℃，鋼支撐軸力增加約30kN，且氣溫越高，單位溫度變化對鋼支撐軸力的影響越明顯。

(4)新型H型鋼支撐區(qū)域圍護樁頂位移和樁體水平位移的變化規(guī)律、圍護樁頂位移和樁體水平位移最終變形值與鋼筋混凝土支撐區(qū)域基本一致，且都在安全范圍以內(nèi)，滿足設計和規(guī)范要求。因此，本研究提出的新型H型鋼支撐體系安全可靠，而且施工工期短、成本低，可以為類似工程提供參考。