预应力鱼腹式钢支撑在软土地区“深大”基坑中的应用及研究

引言

为提高空间的资源利用效率，建筑空间在不断向地下延伸，涌现出大量的深基坑工程，并不断向“深、大、长”的方向发展[1]。在软土地区，一方面，深大基坑的安全面临着越来越严峻的挑战[2-3]，对围护结构的刚度和强度提出了越来越高的要求；另一方面，作为临时结构的基坑工程需要大量的现浇钢筋混凝土构件，造成基坑围护体系具有高耗能及高工程造价的特点。在节能、降碳的发展背景下，基坑工程短服役周期与高工程投入的矛盾表现的越来越突出。

基坑工程的施工工艺一直在不断创新，其中对内支撑体系的改进涌现出了大量的创新工艺 。传统的砼支撑以钢筋混凝土现浇构件为主，其具有刚度大、安全性高，布置灵活等优点，同时会产生大量的废弃混凝土[4]；传统的钢支撑以钢管及型钢支撑为主，施工效率高、无需养护等优点，但由于支撑长度较长时承载力较低、安全性较差，需要较高的支撑密度，影响施工效率[5]。装配式预应力鱼腹式钢支撑体系（简称IPS 支撑）兼具承载力高与施工效率高的优点，将钢支撑的应用将钢支撑的应用场景推向了一个新的高度。

一方面，IPS 支撑采用组合型钢支撑作为支撑构件，通过多构件的强连接构造实现了支撑稳定性和承载力的大幅提升；另一方面，通过在支撑之间设置由钢绞线和型钢梁组成的鱼腹梁，实现了支撑跨度的大幅增大的同时，围檩构件的稳定性可以得到有效保证[6]。本文以地区深大基坑为例，介绍了 IPS 支撑的设计及应用效果，并针对基坑施工过程中的围护桩的变形特性进行了分析，探讨了采用IPS 支撑体系的预应力的计算模式，并提出了相应建议，为该体系在软土地区深大基坑中的进一步应用提供参考。

1 工程概况

工程位于市虹桥商务区，紧邻虹桥机场。拟建6 座办公楼（9F）和整体地下室（-2F）等，基础形式为桩基础，项目位置如图1 所示。基坑的主要特点和难点如下：

基坑开挖面积约24751m2，开挖面积较大；常规开挖深度为10.25~11.45m（地库，北侧红线外地面西低东高，高差近1.2m）/11.05m（号楼），深度较深；属于典型的“深大”基坑。

2) 对周边环境的保护

基坑东侧邻近高架及引桥，南侧、西侧邻近道路及管线，周边环境对变形较为敏感。

3) 场地内地质条件不良

场地内原为停车场，施工前为硬化地坪，地坪下普遍为厚度3.6~5.0m 后的杂填土，成分复杂，土质松散；场地内6m 以下赋存有约10m厚的淤泥质土层，该层土为典型的软土，土体强度低、触变性、流变性显著，压缩性大，是基坑安全和变形控制所面临的主要难题。4) 基坑围护工期及成本控制

深大基坑工程围护方案在确保基坑工程安全，达到周边环境保护要求的同时，如何提高经济性以及施工的方便性、缩短基坑工程工期也是建设单位关心的主要问题之一。

2 基坑围护方案简

2.1 围护桩体系

结合本工程基坑的特点及周边环境的保护要求，围护设计采用的钻孔灌注桩+四轴水泥土搅拌桩止水帷幕+两道水平内支撑的总体方案。挡土结构采用钻孔灌注桩采用Φ900@1100 钻孔灌注桩，桩长23.0m；止水结构采用Φ850@650 四轴水泥土搅拌桩，桩长17.75m，水泥掺量18%。剖面如图2 所示。

2.2 水平支撑体系

本工程基坑轮廓基本规则，整体设置两道水平内支撑

第一道支撑为钢筋混凝土支撑，局部结合支撑布置250mm 厚钢栈桥板，作为基坑施工期间的施工栈桥，如图2 所示。

第二道支撑采用 PIS 支撑体系。围檩采用 1300mmx800mm（C35）钢筋混凝土构件；对撑和角撑采用预应力组合钢支撑构件，型钢规格为 H400x400x13x21。角部布置5~6 道角撑，最外侧一道角撑长度60~75m，采用6 根型钢组合截面，其余角撑采用 3 根型钢组合截面。共布置5 道对撑，长度117~122m，采用5 根型钢组合截面。在对撑、角撑上翼缘和下翼缘均设置了盖板，平均间距不大于3m。

鱼腹梁采用 SS428 型，上弦杆、腹杆采用 H400x400x13x21 型钢，连杆采用 H350x350x12x19mm 型钢。鱼腹梁跨度24~34m，配置预应力Φ15.2mm 钢绞线50~82 根，预留6 根不张拉，作为备用钢绞线。预应力水平钢支撑体系与钢筋混凝土围檩建采用三角键/混凝土牛腿连接。支撑平面布置如图3 所示。

钢支撑架设完成后，土方开挖之前需要施加预应力。 预应力的数值的确定顺序如下 ）依据环境保护要求，确定围护桩的变形数值；2）在剖面计算中，通过调整预应力的大小，使计算结果满足 计算确定每组支撑的预加轴力。4）通过数值计算结果验证支撑的受力。通过剖面计算结果确定预应力为430kN/ 预加轴力为1700kN，对撑每根型钢预应力为1300kN。计算结果表明支撑体系安全可靠。

与传统钢支撑不同，为避免应力集中，确保预应力的施加效果，预应力应分区、分级、循环加压，施加顺序为：先施加角撑、对撑区域的预应力，再施加鱼腹梁区域的预应力，具体步骤为：1）对撑/角撑区域预加30%轴力后，钢绞线张拉50%；2）对撑/角撑区域预加50%轴力后，钢绞线张拉70%；3）对撑/角撑区域预加80%轴力后，钢绞线张拉115%；4）补加支撑轴力至110%。第二道支撑安装完成后现场如图4 所示。

3 监测情况

3.1 施工工况基坑的施工工况如下：

①工况1：开挖第一层土方，施工第一道支撑；②工况2：开挖第二层土方，架设第二道鱼腹梁钢支撑，并施加预应力；③工况3：开挖第三层土方，施工垫层、底板及换撑；④工况 4：拆除第二道支撑，施工地下一层结构及 B1 板和换撑；⑤工况5：拆除第一道支撑后施工地下一层结构及B0 板；⑥工况6，基坑回填。

3.2 监测结果与分析

在基坑施工过程中，依据规范[10]要求并结合工程特点对围护桩顶位移、围护墙体测斜、坑外水位、地表沉降、立柱隆沉及轴力进行了监测，并对基坑周围建筑物、管线变形等进行了监测。

监测结果表明：1）场地内赋存的软土是造成围护桩变形发展的主要原因，在第二道支撑架设完成但土方未开挖时表现的较为显著；而且会造成围护桩底变形的持续发展；2）钢支撑预应力的施加可以有效的控制围护桩的变形发展速率；3）在地下室回筑期间，尽管底板已经形成，但围护桩的变形仍会有一定程度的发展。主要原因应该有两个：1）坑底以下土体在地下室回筑的过程中仍在进行卸载后的固结，导致水平抗力减小，围护桩的应力重新分配；2）拆撑工况底板受力会增大，会产生一定的压缩变形；同时混凝土结构受温度及徐变的影响，变形仍会持续发展。

对于鱼腹梁区域钻孔灌注桩在基坑施工期间的测斜变形进行了监测，结果表明：1）与角撑区域类似，软土造成了围护桩桩身和桩底变形的持续发展；2）与角撑区域相比，在预应力施加完成后，围护桩仍会产生一定程度的变形，主要原因是鱼腹梁区域支撑刚度相对较小，对变形的控制能力相对不强。

4 对鱼腹梁支撑刚度取值的建议从本工程的实践角度，建议按如下

1）考虑到鱼腹梁刚度较小，在计算过程中可采用零刚度只计预应力的计算方法，确定预应力数值（本工程按35mm 控制，确定预应力375kN/m）；

2）考虑到预应力施加完成后，在土方开挖的过程中，型钢支撑会被持续压缩，造成支撑轴力的增加；建议按照型钢平均在鱼腹梁范围内的刚度+已确定预应力计算最终的围压数值（依据支撑长度及鱼腹梁跨度计算得钢支撑平均刚度 8MN/m2+初始预应力 375kN/m，计算确定最终围压 430kN/m）；

3）对于角撑无鱼腹梁的区域，则按照钢支撑刚度+预应力的方式确定围压数值。

5 结论

以软土地区“深大”基坑为例，介绍了预应力鱼腹式钢支撑体系的应用效果，通过对监测数据的分析，得出如下主要结论：

）鱼腹梁支撑体系在软土地区中有良好的应用效果，即使在土方暂停开挖较长时间的工况下，对围护桩的变形控制仍有良好的

2）在预应力施加完成后，土方未开挖前，支撑刚度大的角撑区域对变形的控制效果较刚度减小的鱼腹梁区域更好。而在土方开挖阶段个区域的变形增量相当。

3）在回筑工况，基坑表现出了显著的长边效应，由于基坑中部的卸载显著、加载不显著，围护桩在底板及楼板位移均会产生一定程度的变形。

4）对于鱼腹梁区域的剖面计算，建议按照先确定预应力，再确定最终围压的方法。

本工程验证了在深大基坑中大跨度鱼腹梁支撑和型钢组合支撑应用的可行性，可作为类似项目的参考。参考文献：

[1]郑刚，朱合华，刘新荣，等.基坑工程与地下工程安全及环境影响控制[J].土木工程学报，2016,49(6):1-24.

[2]王卫东.软土深基坑变形及环境影响分析方法与控制技术[J].岩土工程学报，2024,46(1):1-24.

[3]王卫东，郑篠彦，白明洲等.城市深大基坑施工安全风险多因素耦合作用机理分析[J].公路，2022.03(03)：361-366.