预应力鱼腹梁支撑体系在异形基坑中的应用与研究
周冠南2
（1.中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津300308；2.同济大学交通运输工程学院，上海200092）
[摘要]宁波轨道交通1号线某异形基坑采用混凝土支撑鱼腹梁组合支撑体系，采用数值模拟和实测等方法对预应力鱼腹梁支撑在异形基坑中的适应性进行研究.结果表明：Midas能够模拟鱼腹梁施工中的力学行为，其 支撑安装和拆除工效均高于混凝土支撑，通过多次施加预应力能较好地控制围护结构变形，且材料可重复应用，节能环保.
[关键词]基坑；异形基坑；预应力鱼腹梁支撑；数值模拟；支撑；变形
[中图分类号]TU753[文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2014)17-0007-04
Application andResearch ofInnovativePrestressedSupport SysteminSpecial-shapedFoundationExcavation
Zhou Guannan'2
( 1. China Railaay Construction Bridge Engineering Burean Group Go. Lad. 7ianjin 300308 China; 2. School of Transportation Engineering Tongji Unisersity Shanghai 200092 China )
Abstract :Based on the concrete support and innovative prestressed support ( IPS ) support bination support system engineering praetice in special-shape excavation in Ningbo Rail Transit Line 1 this paperdiscussed the adaptahility of IPS system in special-shape excavation by using of numerical simulation measurement feedback and other means. The results show that ; the IPS system can effectively control thedeformation through applying prestress and can be repeatedly applied on dlynamic controlling deformationat the stage of excavation; the installation and removal efficiency of IPS were higher than the concrete support in the project and its ponent can be reused.
Key words foundation excavation;speeial-shaped foundation excavation ;innovative prestressed supports;simulation ; supports ; deformation
1预应力鱼腹梁体系的结构与机理
预应力鱼腹梁支撑体系由鱼腹梁（高强低松弛的钢绞线作为上弦构件、H型钢作为受力梁、长短不一的H型钢撑梁等）、对撑、角撑、立柱、横梁、拉杆、三角形接点、预压顶紧装置等标准部件组成.构件拼装完成后，通过对钢绞线进行张拉施加预应力， 张紧的钢绞线将使鱼腹梁支撑杆件产生一个较大作用力，并通过腰梁传递至围护结构，以平衡坑外水、土压力.其作用方式及与传统支撑方式对比如图1所示.
图1传统支撑与鱼腹梁支撑对围护结构的作用力示意 Fig. 1 Force of the tradition support and IPS earthretention system
鱼股梁支撑体系有如下几方面特点.
1)工程安全将传统支撑系统的脆性破坏模式转变为延性破坏，提高了基坑支护结构的安全度.
2）工程质量采用工具式可装拆的标准部件，高精度制作与安装工艺要求，低合金材料，高强螺栓连接，可提高施工精度，确保设计要求.
2工程概况
2.1基坑概况
2.2水文地质条件
2.3周边环境情况
3）经济效益提供开阔的施工空间，使挖土、运土及地下结构施工便捷，改善地下工程的施工作 业条件，可缩短工期、降低造价.
4）环境效益有效提高基坑安全度，严格控制基坑变形，大幅降低地下空间建设对周边建（构）筑物、市政道路及管线等环境影响.构件材料全部回施工技术. 收重复循环使用，符合节能减排产业政策，系绿色
间的围合区域为三角开发区.根据工程要求，三角 宁波轨道交通1，2号线鼓楼站车站与联络线之开发区分为A，B两个基坑分期实施，本基坑为东侧A区基坑，面积4401m²，开挖深度分别为15.358，15.558，16.858m.其中，联络线局部落低段基坑深从与1号线相接处的23.362m浙变至与2号线相接 处的17.162m.三角区基坑南侧为原1号线鼓楼站1000mm厚地下连续墙，西侧与东北侧为新建1000mm及800mm厚地下连续墙.联络线内侧靠三角区的局部落低段处围护为800mm地下连续墙或Φ800@1000钻孔滋注桩结合旋喷桩隔水唯幕. 基坑采用明挖顺作法施工，平面如图2所示.
图2基坑平面
Fig. 2 The plan of fountdation excavation
本基坑位于典型软土地区，浅层填土较厚，基坑开挖深度范围以淤泥质土为主，基坑坑底主要位 于③层粉质黏土，局部位于③，层黏质粉土或④层粉质黏土中，围护墙墙趾主要位于5，6和层粉质黏土中.地下水分为孔隙潜水和孔隙承压水两类.孔隙潜水主要赋存于场区表部填土和黏土、淤泥质土层中，埋深为0.5-2.6m：孔原承压含 水层理深较深，对本基坑无影响.
基坑地处宁波市中心，北侧为宁波市政府，南
侧为已建成1号线鼓楼站，西侧为解放北路，东侧为项目部营区.根据周边环境条件和工程特点，基坑 临1，2号线车站侧保护等级为一级，其余方向基坑保护等级为二级.
2.4鱼腹梁支撑体系设计
本基坑支撑体系原设计为4道混凝土支撑，考虑到混凝土支撑的施工和拆除速度较慢，为加快施 工进度，确保工程节点，经综合分析和比选，将原设计的第2，4道混凝土支撑调整为双拼预应力鱼腹梁支撑.支撑布设如图3，4所示.整个体系由8组鱼腹梁和5组对撑及部分角撑构成，每道对撑由2组 型钢组成.
图3支撑体系剖面
Fig. 3 The profile of support system
图4鱼腹梁支撑体系平面布置
Fig. 4 The layout of IPS earth retention system
3鱼腹梁支撑体系有限元计算
构的影响，对本基坑工程支护结构应用Midas/GTS 为验证鱼腹梁支撑体系安全及对已建车站结软件进行三维整体建模计算.
3.1基本假定
墙的弹性抗力以水平弹簧支座模拟，作用在围护墙 按空间问题处理，开挖面以下作用在地下连续上的侧向土压力按矩形分布模式考虑，围护墙竖向进行约束.
3.2模型建立
腹杆、盖板、连接槽钢、对撑、角撑、混凝土梁、腰梁 按照实际工程原型尺寸进行建模，其中腰梁、采用梁单元，鱼腹梁钢绞线采用仅受拉杆单元，地下连续墙、结构底板采用板单元.
土体被动侧基床系数采用m法计算.墙面上
受到的土体弹性抗力用墙面法向弹簧支座进行模拟.已建成地铁站台一侧的地下连续墙按照单一 结构考虑，墙体上不施加弹性抗力.计算时开挖面以下的弹簧支座激活，开挖面以上的弹簧支座钝化.作用于围护墙上的侧向土压力按朗背主动土压力矩形分布模式考虑.共分5次开挖到基坑底部，每次开挖后作用于墙面上的侧土压力重新设 置.在换撑阶段，作用于围护墙面上的土压力仍然采用开挖到底后的侧土压力值.
3.3计算结果
3.3.1围护体系变形
围护变形主要发生在基坑东北侧围护的中间部位，深度在第2道和第3道支撑之间，最大值为22.5mm，满足基坑围护变形要求.既有地铁车站一侧围护最大变形9.6mm，满足既有车站结构变形 要求.
3.3.2围护体系弯矩
弯矩最大值出现在基坑西侧围护结构位置，最大弯矩862kNm/m.既有车站一侧围护最大弯矩334kNm/m，结合配筋图对围护结构进行验算，满 足抗弯要求.
3.3.3支护体系轴力
支护体系中结构腰梁、对撑和角撑受压，钢纹线受拉，其中鱼腹梁范围内的腰梁轴力大于其他部位.基坑西侧两组鱼腹梁和腰梁承受的压力和拉 力最大.其中鱼腹梁钢绞线拉力为4204kN，腰梁最大压力为6565kN，对撑最大轴力5845kN，角撑最大4783kN，经核算，均能满足构件安全要求.
撑体系对围护结构变形有较好的抑制作用，围护结 有限元计算结果表明，混凝土支撑鱼腹梁支构和支撑体系受力均在允许范围内，结构安全.
4鱼腹梁支撑体系的实施及效果分析
4.1支撑安装
使用起重机吊装、挖掘机配合的方式，根据场地情 鱼腹梁支撑体系构件全为预制钢构件，安装时况分区域依次安装腰梁、角撑、鱼腹梁，最后安装对撑.待一个区域体系封闭后，对连接螺栓进行校正紧固，安装千斤顶、钢绞线，最后施加预应力，形成 封闭体系，之后进行下层土方开挖.
4.2支撑拆除
鱼腹梁钢支撑拆除按安装的逆序进行：①释放钢绞线预应力：②拆除对撑、角撑及腰梁：③拆除传进行可靠的换撑，同时划分坑周保护区，避免过量 力件及支撑梁：4拆除牛腿及型钢立柱.拆除前需堆载.若现场条件允许，可将鱼腹梁整体卸除预应力后直接吊装至地面进行分解：若不具备整体移吊
4.3工效分析
4.4支撑轴力分析
4.5围护结构变形控制
条件，应根据现场环境，先行拆除钢绞线，再拆除偏心梁和锚固件等构件.
各道支撑施工和拆除时间统计如表1所示.其中，1，3道混凝土支撑施工养护时间为47d和28d，2.4道鱼腹梁支撑安装和施加预应力时间为15d和19d.第1道混凝土支撑由于有盖板且现场交叉作 业，所以时间略长，一般情况下可控制在30d左右.因此，将2道混凝土支撑调整为鱼腹梁支撑，开挖阶段工期缩短24d，施工时间仅为混凝土支撑的60%.而在拆除阶段，混凝土支撑拆除时间分别为28d和32d，鱼腹梁分别为10d和17d，2道支撑施工共缩短 工期33d，施工时间仅为混凝土支撑的45%.总体而言，在本工程中采用鱼腹梁替代混凝土支撑可缩短工期50%.同时，混凝土支撑拆除后需占用场地进行破碎，时间和成本均较大，而鱼腹梁拆除后直 接分类退场，且可重复利用，从时间和经济角度看，均有较好效益.
表1各道支撑作业时间
Table 1 The operation time of each support d
作业部位 施工预应力施加养护拆除 有效作业时间第1道调凝土支撑盖板 第2道鱼酿 40 - 7 28梁支撑 12 3 10第3道混凝土支撑 第4道鱼聚梁支撑 21 14 5 7 32 17
对撑5和对撑6的实测轴力值如表2所示.由监测数据可知：①预应力施加后，随着支撑下土方的开挖，被动区土体卸载，支撑轴力逐渐增加.最终单根型钢最大轴力达到1831kN，但小于型钢抗 压强度预警值，施工过程中支撑体系总体安全：②就轴力增速而言，底板浇筑前幅度较快，浇筑后坑内土体隆起和下部围护变形得到抑制，轴力增速减缓，相对稳定：③轴力变化除了基坑开挖后受力体系转化外，另一个主要原因是宁波软土有典型的 流变特性，土压力的发展有明显时间效应.因此，对于此类异形基坑，鱼腹梁支撑能够克服混凝土支撑一旦施工完成就无法再加力的缺点，在实施过程中根据土压力发展变化和钢构件刚度与强度情况多次施加预应力，直至结构回筑、支撑拆除.
基坑西侧围护结构（测斜CX10，CX11）和基坑东北侧某围护（CX3）从开挖到施工底板期间各工况
表2型钢对撑轴力实测值
Table 2 The axial force on steel support kN工况及目期 对掠5左 对掠5右对撑6左 对撑6右施加预应力 2012-11-20 419 544 904 706开挖到底板 1 149 1 115 1 021 1 516底板浇筑后 2012-12-12支撑拆除前 2012-12-12 88$ 1 1 813 1 500 1 70911--102 1 728 1 831 1 633 881
下的测斜数据如图5所示，包括累积变形和各工况下变化量，其中向基坑内变形为正，向坑外变形为负.
图5围护结构各工况变化量和累积变形
Fig. 5 The each condition' s deformation and cumulative deformation of envelope structure
由结果可知：①不同位置处围护变形均出现在第4道鱼腹梁支撑位置，靠近道路一侧围护结构（测斜CX10，CX11）最大变形85mm，靠近营区一侧围护结构（测斜CX3）位置最大变形44mm.采用鱼腹梁支撑后，围护结构变形总体可控，但交通荷载仍对其有较大影响：②鱼腹梁施加预应力后，围护变化量出现负 值，分别为-4.14mm和-3.56mm，表明围护结构有向基坑外侧变化趋势，此支撑对围护结构变形有较好的抑制作用：③在第3道混凝土支撑完成后挖土到第4道支撑的过程中，围护结构变形发展较快，3组数据31.8%（CX10），29%（CX11） 而在第2道和第4道鱼 在本工况下的变形分别占总变形量的40%（CX3），腹梁完成向下开挖的过程中，由于预应力可以多次施加，对围护变形的发展抑制明显，在此两个阶段的变形发展明显减缓，且小于混凝土支撑完成后向下开挖阶段变形：4在此类异形基坑中，由于结构复杂，一般 均采用混凝土支撑，一旦由于超载等原因导致围护变形增加，很难采取有效的临时措施予以控制，而鱼腹梁支撑可通过增加预应力方式实现，在此角度优势
明显.
5实施中需注意问题
6结语
参考文献：
1)鱼腹梁支撑通过腰梁将支撑反力传递至围护结构，对腰梁的刚度和强度要求较高.因此，腰梁必须采用双福或多福型钢构件形成整体，共同受力，且腰梁工字钢需加装肋板，增加抗扭刚度，以整免腰梁扭曲，鱼腹梁出现竖向失稳，导致预应力损 失或卸荷.
2）腰梁与围护结构接触部位需紧密，在围护结构为曲线地段，腰梁与围护结构不能完全密贴处，最好浇筑细石混凝土或加塞垫铁，确保均衡传力.
3）钢绞线张拉应按顺序逐根进行，考虑钢束之间摩阻力的影响，分3次张拉到设计应力，分别为设计应力的20%，70%，100%，以保证整个鱼腹梁钢束张拉完毕后满足设计规定应力值.
内，如有难以避免的临时超载，也应在最短时间内 4）坑边荷载要严格控制，必须在计算设定值以卸载，避免超载过大导致支撑体系的过大变形和破坏，引发基坑险情.
应用于深大异形基坑，且是与混凝土支撑有机结合 本工程是预应力鱼腹梁支撑体系在国内首次的一次成功尝试，通过分析计算及现场的实施得到以下结论.
拟计算，计算结果表明支护体系变形、弯矩和轴力 1）鱼腹梁支撑体系能够采用Midas软件进行模均在允许范围内，且对既有结构影响较小.
2）鱼腹梁支撑体系采用组合式拼装结构，其安装和拆除工效均高于混凝土支撑，在本工程中较混凝土支撑缩短50%工期，且可重复利用，优势明显.
3）鱼腹梁支撑体系在工程实践中结构稳定，且通过施加预应力能有效控制围护结构变形，在开挖阶段能够多次施加，对变形进行动态控制.
4）从风险管控角度考虑，在异形基坑中采用鱼腹梁支撑体系时，建议采用混凝土支撑与鱼股梁支 撑结合的方式，以避免施工中的意外扰动给支撑体系带来毁灭性破坏.
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