预应力鱼腹式钢支撑体系在深基坑中的应用.pdf

152420238BuildingConstruction-FOUNDAUNDATION础地预应力鱼腹式钢支撑体系在深基坑中的应用路小金米睿杰王天鹏中铁建工集团第三建设有限公司天津300450摘要：介绍了预应力鱼腹式钢支撑体系的结构组成及工作原理，并以徐州市陆港大厦工程为例，从支护选型、施工工艺、监测结果等方面进行了阐述。工程实践表明，预应力鱼腹式钢支撑体系可以有效控制基坑变形，确保基坑安全，并能有效减少工期及造价。关键词：深基坑；预应力鱼腹式钢支撑体系；预应力鱼腹梁；支护中图分类号：TU753文献标志码：A文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 52 4-0 4DOl:10.14144/kijzsg.2023.08.006ApplicationofPrestressedFishBelliedSteel SupportSysteminDeepFoundationPitLUXiaojin MI Ruijie WANG TianpengChina Railway Construction Third Engineering Bureau Co.,Ltd.,Tianjin 300450,ChinaAbstract:The structural composition and working principle of prestressed fish bellied steel support system areintroduced.Taking Xuzhou Lugang Mansion Project as an example,it is expounded from the aspects of supportselection,construction technology,monitoring results,etc.The engineering practice shows that the prestressed fishbellied steel support system can effectively control the deformation of foundation pit,ensure the safety of the foundationpit,and effectively reduce the construction period and cost.Keywords:deep foundation pit;prestressed fish bellied steel support system;prestressed fish bellied beam;support近些年来，地下建筑物规模不断增大，基坑开挖的范围也越深越大，基坑支护技术随之不断发展进步。随着用地范围的日益减小及地下建筑、管线的不断增加，放坡、锚拉支护等体系的应用受到一定程度的影响，内支撑式支护体系开始成为深基坑支护结构中水平支撑体系的主角，安全可靠的内支撑结构将对基坑安全起到越来越重要的作用。传统的内支撑一般常采用钢支撑或钢筋混凝土支撑的形式。混凝土支撑刚度大，整体性好，适用性强，但也有着经济性差、需等待混凝土养护龄期、拆除时对环境影响大等缺点。钢支撑具有施工快、构件可多次利用等优点，同时也存在节点构造复杂，整体性、稳定性较差等缺点。随着施工技术的不断进步，为解决传统内支撑形式的不足，一种名为预应力鱼腹式钢支撑的新型支护形式应运而生。相较传统的支撑体系而言，该支撑体系在基坑安全性、施工便利性、缩短工期、降低造价以及保护环境等方面都具有较大的优势 2 。作者简介：路小金（1 9 8 6 一），男，本科，高级工程师。通信地址：天津市滨海新区福建北路6 9 号（3 0 0 450）。电子邮箱：6 3 0 6 1 552 5 收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 01预应力鱼腹式钢支撑体系1.1预应力鱼腹式钢支撑体系组成该系统由水平支撑结构与竖向支撑结构组成（图1），水平支撑结构包括鱼腹梁、对撑、角撑、八字撑、围、连接件、盖板、T形传力件、预应力施加装置、保力盒，其中预应力鱼腹梁由直腹杆、斜腹杆、水平连杆、连接件、围（上弦梁）、钢绞线、锚具组成（图2）。竖向支撑结构包括托座、托梁、垫梁、三角托架、格构柱、剪刀撑、U形卡箍。腰梁盖板鱼腹染鱼腹染预应力装置角撑杆件个连接件盖板托梁托梁鱼腹染系杆鱼腹染一立柱对撑杆件个连接件角撑杆件预应力装置预应力装置八字鱼腹梁、立柱撑杆件托染腰梁图1预应力鱼腹式钢支撑体系平面示意建筑施工第45卷第8 期1525路小金、米睿杰王天鹏：预应力鱼腹式钢支撑体系在深基坑中的应用跨度L上弦染斜腹杆直腹杆连接件锚具连杆桥架下弦钢绞线图2预应力鱼腹梁平面示意1.2预应力鱼腹式钢支撑体系工作原理鱼腹梁结构与对撑、角撑形成一个整体，在土体开挖前，通过对各构件施加预应力，使土体率先产生一个向坑外的位移si，在开挖过程中，土体侧向压力逐步增大，在土压力作业下，土体开始产生一个向坑内的位移s2，最终土体及支护体系产生的位移s可以简单计算为s=S2一Sp，由此可见该结构通过预应力的施加最终减小了基坑的形变值。其中的鱼腹梁结构可通过高强钢绞线施加预应力，张紧的钢绞线使鱼腹梁结构产生一个较大的反作用力，使作用在鱼腹梁围上的弯矩减少，进而提升了鱼腹梁结构的抗弯刚度，即减小了鱼腹梁的弯曲变形 3 ，减小了其坑内位移。同时，鱼腹梁结构用钢量少，占用空间小，最大跨度可达到6 0 m以上，这极大减少了对撑、角撑及立柱的布置数量，在减少了用钢量的同时提供了更为广阔的施工空间，为土方及地下室主体作业提供了更加便利的作业条件，从而提高作业效率，缩短工期。2应用案例2.1工程概况徐州淮海国际陆港一期工程2 0 1 9-56 号河西A地块建设项目陆港大厦，地下车库是以办公为主体的大型综合性超高层建筑，总建筑高度为1 2 1 m，地上2 8 层，地下3 层。总建筑面积约为1 1.7 万m，其中地上约为6 52 55.8 1 m，地下51 961.17 m。地库基底相对标高为一1 7.3 m，核心筒基底相对标高为一1 8.3 m；外圈基坑挖深为1 6.7 1 5.5m。基坑周长约575.6m，基坑开挖面积约1 9 0 0 0 m。2.2周边环境基坑北侧距离用地红线5.0 1 2 m，红线外为在建二环北路西延；基坑西侧距用地红线约5.0 m，红线外为机动车登记服务站，有数栋1 层彩钢房及2 层混凝土建筑。南侧距离用地红线4.0 8.0 m，红线外为黄河北路；基坑西侧为本项目规划B地块住宅楼。基坑东侧及北侧有1 1 0 kV高压电缆沟，东侧从地库结构范围内穿过，北侧距离地库外墙最近1.5m。基坑北侧红线外由近及远依次分布有给水、燃气、雨水、热力管；南侧红线附近有1 0 kV高压裸线，红线外由近及远依次分布有信息、电力、路灯、雨水等地下管线。2.3工程及水文地质条件本工程场地基坑开挖深度范围内主要为层杂填土、1 层粉砂、2 层粉砂及-2 A层粉质黏土，工程性质较一般。以粉砂层为主，含水层厚度较大，渗透性强，水量丰富，水文地质条件复杂，水土压力较大。2.4重难点分析1）本工程基坑面积约1 9 0 0 0 m，开挖深度约1 7.0 m，属超大面积超深基坑工程。根据施工进度计划，基坑开挖期间处于当地雨季，基坑安全易受降雨影响。2）基坑北侧和南侧邻近市政道路，下埋设有大量的市政管线，与基坑距离较近，保护要求较高；其中，东北侧有1 1 0 kV电缆沟结构内穿过，影响基坑及主体施工，需综合考虑工程筹划；北侧1 1 0 kV电缆沟距离地下结构边仅1.5m，增大了施工难度。从基坑西侧为机动车服务站，存在有1 层彩钢房及2 层混凝土建筑。基坑支护设计和施工中须做好对周边建筑物、道路和市政管线的保护工作，将沉降控制在允许范围之内。3）场地开挖深度内分布有较厚的高含水量、高渗透性的粉砂层，属于当地“故黄河两岸等特殊地质条件区域”。基坑南侧邻近故黄河，地下水位较高。3基坑支护方案选择本工程采用顺作法，根据基坑特点及周边环境、地质水文情况，综合考虑工期、造价、施工便利性、技术成熟度等方面，本工程支护方案如下。3.1竖向围护体系本项目开挖深度较深，周边环境复杂，因此采用刚度高、技术成熟的钻孔灌注桩十封闭式止水惟幕的形式。钻孔灌注桩1 2 0 0 mm1400mm，止水惟幕采用e850mm600mm三轴搅拌桩，其中北侧局部距电缆沟较近的区段采用6 0 0 mm300mm高压旋喷桩。3.2水平支护体系基坑周边管线众多，水平支护采用内支撑的形式。基坑紧邻黄河故道，开挖深，面积大，水平支撑采用3道支撑。第1 道支撑采用技术成熟、刚度大的钢筋混凝土支撑，同时设置人行、车行栈桥便于后续材料存放及施工。第2、第3 道支撑采用预应力鱼腹式钢支撑，其中第2 道为双拼钢支撑，在确保基坑安全的情况下，提供广阔的施工空间，降低工程造价，缩短施工工期。预应力鱼腹式基坑钢支撑结构宜用于平面形状较规则的基坑工程 4，本基坑西侧较不规则，钢筋混凝土支撑布置灵活、刚度大，西侧局部采用混凝土支撑使基坑形成一个规则的矩形，即可大面积使用预应力鱼腹式基坑钢支撑结构，满足支撑布置要求。支护体系平面布置及剖面分别见图3 图5。152620238Building Construction路小金、米睿杰王天鹏：预应力鱼腹式钢支撑体系在深基坑中的应用轻质材料方人行轻车行重载栈桥载栈桥钢筋混凝土支撑染钢筋加工厂图3第1 道混凝土支撑平面布置示意三轴搅拌桩第1 道混凝土支撑钻孔灌注桩钢立柱第2 道双层钢支撑围垫染托染垫染三角托架托座围第3 道钢支撑托染三角托架托座图5支护体系剖面示意4预应力鱼腹式基坑钢支撑施工工艺4.1立柱桩施工本工程立柱采用格构柱及H型钢，随桩基阶段施工完成，施工过程中，应严格控制立柱的方向、标高及垂直度，后期开挖发现垂直度偏差较大的立柱桩可采取加焊剪刀撑的形式进行补强。4.2三角托架施工八字撑区域每桩设置一个三角托架，其他区域隔一布一，由测量员放出三角托架位置，将该区域灌注桩凿平，将钢板焊接在灌注桩主筋上，三角托架与钢板焊接连接。三角托架安装前，应再一次复核标高，三角托架水平标高SS40030m鱼腹梁混凝土支撑对撑杆件角撑杆件SS40024m鱼腹染图4第2/3 道预应力鱼腹式钢支撑平面布置示意误差允许值为5mm，相邻托架的顶面高差允许值为L/1500（L为间距），且不应大于1 0 mm。4.3围安装西侧混凝土腰梁处，施工时提前预埋锚栓以保证型钢围与混凝土围的有效连接。围安装前，用全站仪放样出基坑各个转角处的内外坐标点，作为围安装的基准点。采用棉线、线坠来定位中心，在基准中心点以外的地方安设绞架，挂上棉线并用力拉筋，在三角托架上用石笔或者记号笔画出标记以作为围安装的控制线。采用吊车、塔吊转运材料，坑内使用挖掘机吊装，按照支撑施工顺序逐段安装，围安装时应优先使用长料，以减少围间的接头数量，提高结构整体性。安装时，人工在构件两侧配合将围小心放置于三角托架上。围安放完成后，应对三角托架与灌注桩连接质量进行检查，如存在焊缝开裂、托架松动等现象，立即进行补焊加强。各围之间采用4个M24mm80mm高强螺栓紧固连接，2 个方向围端头必须紧贴转角（着实受力），并采取有效的措施保证2 个方向围的连接 5。每2 0 m围安装完成后，即对其平面位置、标高进行定位复核，安装偏差土5mm，若偏差过大应及时进行调整。4.4托座与托梁安装在格构柱或型钢立柱上定位后，焊接托座与立柱，焊缝不小于8 mm，之后托梁与托座采用4个螺栓连接。若无法满足4个螺栓连接，则该处焊接角钢以加固立柱与横梁连接。当型钢立柱垂直度偏差较大，托座垂直度难以保证时，可以通过在型钢立柱上加焊钢板的方式进行修补，以确保托座安装后的垂直度合格。4.5对撑、角撑安装安装前应对对撑、角撑构件进行预拼装，并检查其拼装后的顺直度，本项目对撑、角撑跨度较大，难以整体吊装就位。将预拼装检查合格后的构件进行编号，按照编号分段进行吊装连接。第1 道钢支撑为双层钢支撑，上层支撑中心相对标高一7.3 7 5m，下层支撑中心相对标高一8.0 7 5m，2 层支撑中间用垫梁支撑；第2 道钢支撑中心相对标高-1 2.7 0 m。将型钢标准件、千斤顶、八字撑、连接件等通过高强螺栓连接牢固，托梁与型钢标准件采用U形卡箍固定，平行位置的型钢标准件通过钢盖板采用高强螺栓连接 6 ，以提高其整体水平稳定性。4.6鱼腹梁安装本项目采用SS400-24m、SS40 0-3 0 m 这2 种鱼腹梁。鱼腹梁构件安装同对撑角撑，先进行预拼装，检查合格对构件编号后，再在现场原位安装。钢绞线下料采用砂轮锯，钢绞线下料长度取锚具间钢绞线长度十1 0 0 0 mm。钢绞线安装数量通过设计计算确定，实际施工中每个鱼腹梁均应建筑施工第45卷第8 期1527王天鹏：预应力鱼腹式钢支撑体系在深基坑中的应用路小金、米睿杰预留出总量1 0%的钢绞线不进行张拉，作为备用。钢绞线按照鱼腹梁桥架底部和锚具顶部取小值，位于鱼腹梁桥架顶部和锚具底部取大值的规则进行编号。预应力施加时，应按钢绞线编号从小到大的顺序依次进行张拉，以避免施加预应力时桥架底层的钢绞线被上层钢绞线挤压，影响预应力施加效果。4.7传力件安装将每层钢围通过T形传力件与灌注桩进行连接，T形传力件安装同三角托架，将该区域灌注桩凿平，将钢板焊接在灌注桩主筋上，传力件与钢板焊接连接，钢板与灌注桩之间的孔隙采用强度等级不低于C30混凝土的高强灌浆料填充密实。4.8预应力施加预应力施加之前，应将对撑与角撑区域的围与鱼腹梁处的围连接脱开，以避免在预应力施加阶段使该部位腰梁承受拉力，同时托梁与支撑间的螺栓连接也应脱开，采用U形卡箍连接锁紧。预应力施加应遵循“分级”“循环”的原则：本项目采取4级循环加压的方式，鱼腹梁钢绞线预张拉绷紧对撑、角撑加压至设计值的3 0%鱼腹梁钢绞线张拉至设计值的50%对撑、角撑加压至设计值的50%鱼腹梁钢绞线张拉至设计值的7 0%对撑、角撑加压至设计值的80%鱼腹梁钢绞线张拉至设计值的1 0 0%对撑、角撑加压至设计的1 0 0%。每级应力施加完成并保持稳定1 5min后方可进行下一步，最终预应力施加到设计值并保持稳定15min后，将钢绞线端头锁定，对高强螺栓全数检查，松动、脱开的高强螺栓应重新锁紧。预应力施加采用油压千斤顶，油缸、张拉器、油表均应进行标定，油表应尽可能选择高精度油表。在预应力施加前，应将每级加压时，各千斤顶的油表读数提前计算好，根据施工图纸中每个加压位置的施加应力值，按照每根型钢配置一个千斤顶，每根配置钢绞线一个张拉器的原则计算每个千斤顶油表的读数值。油表读数计算公式为：该构件施加应力值一千斤顶截面积一千斤顶个数。5基坑监测结果分析5.1基坑围护竖向位移监测结果分析选取基坑拐角处（ZQC-23）、连接件处（ZQC-26）及鱼腹梁中部（ZQC-27）3 个监测点数据进行分析，从位移变化曲线可以看出，3 处监测点处围护桩竖向变化位移趋势相同。即随着3 月2 日土方的施工，围护结构先开始向下发生位移，但在3 月1 4日第1 道鱼腹式钢支撑系统开始安装和预应力施加后开始产生向上位移的趋势。这可能是由于基坑内部土方不断开挖，基坑内的主动土压力与被动土压力的差值不断增大，造成基坑内部土体反弹，围护桩桩顶因此上移。随着基坑继续开挖，围护桩上抬趋势继续加大，5月8 日第2 道预应力鱼腹式钢支撑系统开始安装和预应力施加后，ZQC-26、Z Q C-2 7 变化速率有所减缓，ZQC-23处围护桩顶出现了向下位移的趋势（图6）。14ZQC-2312ZQC-26ZQC-271086420-21708日期-4图6围护结构竖向位移监测数据变化基坑土方继续开挖，围护结构继续产生向上位移的趋势，但随着第2 道鱼腹梁安装完成并施加预应力后，位移增长速率明显放缓，7 月1 0 日随着基底垫层和底板换撑带的逐步施工，基坑内外压力差减小，坑内土体回弹受到反压限制，ZQC-26、Z Q C-2 7 附近围护桩顶开始出现下移趋势，8月1 5日基坑整体开挖完成，之后随着筱板施工，坑内外压力差不断减小，ZQC-23附近围护桩顶开始出现位移下移趋势，直至9 月1 8 日底板整体浇筑完成，3 处围护桩桩顶位移幅度相对底板施工完成前明显减小。从监测点变化趋势可以看出，预应力鱼腹式钢支撑体系对基坑围护结构的竖向位移有着一定的限制作用。5.2土体深层水平位移监测分析选取CX13测斜孔监测数据进行分析，从监测数据变化趋势可以看出，随着基坑开挖深度的增加，基坑深层土体向基坑内的位移值也随之增加。在3 月1 4日和5月8 日第1、2道鱼腹式钢支撑系统分别开始安装和施加预应力后，土体向基坑内的位移都有明显减少。可见，预应力鱼腹式钢支撑系统有效地抑制了基坑水平位移持续增大的趋势，很好地控制了基坑变形（图7）C5.3基坑周边环境监测分析自基坑开挖以来，周边建筑物（报警值3 0 mm）、管线沉降（报警值2 0 mm）均在可控范围之内，由此可以看出预应力鱼腹梁式钢支撑对于保护周边环境有着较好的作用。（下转第1 53 5页）建筑施工第45卷第8 期1535上接第1 52 7 页X邹铭：王海俊、纽文敖、陆、勇、韩泽亮、袁俊相、杨春、葛炜、超深地下连续墙橡胶接头的接头箱设计及应用杨子松被带出。橡胶止水带不能脱开的一个主要原因在于橡胶止水带钢边与土体接触时被挤压扭曲而卡在接头箱槽口内。如果有水泥浆进入接头箱槽口，橡胶止水带脱开将更为困难。选择好的止水带绑扎方式是解决这一问题的关键。3结语ERS接头箱极大提高了止水带存活率，保证了地下连续墙止水效果。对于后续ERS接头箱的应用有以下建议：1）要保证接头箱就位后的垂直度，特别要避免接头箱就位后上部向后续槽段倾斜的态势。在这种情况下，槽段混凝土浇筑后将对接头箱产生高于设计值的弯矩，不利于接头箱重复使用。2）针对超深地下连续墙接头箱下部剥离困难的情况，可设置底部专用工具节，工具节千斤顶推力及行程可加强设置。3）通过千斤顶夹具安装和剥离止水带是非常有效的一种方式，通过实践，也证明了其有很高的可靠性。但夹具的数量和分布可进一步优化。参考文献1彭小林，钟显奇，邵孟新，等.地下连续墙橡胶止水接头工艺应用研1092021-03-0582021-03-1472021-04-13652021-05-084.2021-06-0232021-07-1022021-08-1412021-09-18024161820222开挖深度/m-34-5-6-7-8-9-10图7土体深层水平位移监测数据变化6结语陆港大厦工程第2、第3 道混凝土支撑均采用预应力鱼腹式钢支撑，相较于传统混凝土支撑及钢支撑的支撑形式，减少造价约2 0%，缩短工期45d左右，基坑施工历时10个半月，其间未发生人员伤亡及基坑监测报警情况。自究 Z.广东省基础工程公司,2 0 1 0.2 张世鑫,谢沃林,王维冕.连续墙橡胶接头止水技术简介 .广东科技,2 0 0 3(6):54.3 祝强.地下连续墙橡胶防水接头施工技术 J.施工技术,2 0 1 4,43(4)108-111.4 邹晨.GXJ地下连续墙接头在轨交1 7 号线青浦车站中的应用 J.城市道桥与防洪,2 0 1 7(2):1 7 0-1 7 1.5杨流.GXJ钢橡胶止水带接头与锁口管接头对比分析 J.安徽建筑，2016,23(2):48-49.6杨臻.超深超厚地下连续墙钢边橡胶止水接头施工技术 .地下工程与隧道,2 0 1 6(1):3 3-3 6.7祝强.超深GXJ地下连续墙橡胶止水接头研究和应用 J.现代隧道技术,2 0 1 8,55(增刊2):2 7 2-2 8 2.8周游.地下连续墙GXJ橡胶止水带接头与工字钢接头应用对比分析 .价值工程,2 0 1 9,3 8(1 4):7 8-8 0.9杨流，应卓清，杨建刚，等.地下连续墙GXJ橡胶止水带接头箱变形控制 .中国市政工程,2 0 1 6(3):6 3-6 5.10吴晓皓.地下连续墙施工中的GXJ接头应用研究 .建筑施工,2 0 1 8,40(4):463-464.11李耀良,王海俊,范斌,等.用于橡胶钢板止水带的自顶推接头箱：114525777AP.2022-05-24.2021年3 月开始基坑开挖以来，直到地下室封顶，围护结构位移、土体深层水平位移以及周边建（构）筑物、地下管线沉降等均在设计可控范围之内，充分证明了预应力鱼腹式支撑体系在本基坑工程中的安全性和可靠性。实践表明，该支撑体系有减少造价、缩短工期、安全性能高、对周边环境影响小等优点，同时拆除过程中噪声小、污染少，多为标准化构件，可重复回收利用，符合国家节能减排、绿色施工的理念，值得推广应用。参考文献1刘国彬，王卫东.基坑工程手册 M.2版.北京：中国建筑工业出版社,2 0 0 9.2庄诗潮.装配式预应力鱼腹式钢支撑系统的刚度研究 D.厦门：厦门大学,2 0 1 9.3周勇,周挺.IPS预应力鱼腹梁钢支撑在金都大厦基坑支护中的应用研究 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