魚腹梁與SMW工法協同作用的應用研究

錢嘉，羅元笑

（1.無錫市惠山區安信檢測服務有限公司，江蘇 無錫 214000；2.無錫市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 無錫 214000）

0 前言

隨著經濟社會的發展，建筑環境污染和資源消耗愈發嚴重，巖土工程領域也需要使用綠色環保型深基坑技術。傳統鉆孔灌注樁、混凝土支撐變形控制效果好，但是養護周期長且后期拆除支撐不便，不僅造成鋼筋混凝土的極大浪費，還會產生大量噪音、粉塵和固體廢棄物[1]。

SMW 工法樁與預應力魚腹梁裝配式鋼支撐均可回收重復利用，且施工過程不會產生噪音、固體廢棄物等。預應力魚腹梁裝配式鋼支撐安裝與拆除方便，支撐架設完畢即可起到支護作用，節省工期，在大型地下工程的基坑支護中優勢明顯[2]。

本文針對SMW 工法樁與預應力魚腹梁裝配式鋼支撐聯合使用，從安全可靠性、經濟性、工期和施工便利性三個方面進行分析，并以無錫某基坑工程為例，通過MIDAS/GTS NX 數值模擬軟件，整體分析施加預應力的魚腹梁體系的受力特性，為今后同類型基坑設計提供參考。

1 概述

1.1 工程概況

擬建項目整體呈規則矩形，長136.7m，寬90.2m，基坑周長約為453.8m，基坑總面積約12330.34m2。

基坑開挖深度9.20～10.00m，基坑側壁安全等級主體基坑為一級，重要性系數1.1。擬建場地北側為規劃道路，現狀為空地，作為場地內部施工主干道及施工加工區；西側為已建商務園辦公樓（2～3F），距擬建地庫最近約27.50m，該側空地作為辦公生活區及施工主干道；擬建地庫東側為現狀綠化帶，東南角1層配電房距擬建地庫最近約11.70m；南側市政道路距擬建地庫約9.70m，人行道處分布有雨水管。

1.2 工程地質概況

本工程地基土由表層①雜填土、②1粉質黏土、②2 粉質黏土、③1 粉質粘土夾粉土、③2 粉土、③3 粉質粘土、④1 粉質黏土、④2 粉質黏土～黏土、④3 粉質黏土、⑤1 粉質粘土等組成?；娱_挖影響范圍內的主要土層物理力學參數表如表1所示，典型地質剖面如圖2所示。

表1 主要土層物理力學參數

擬建場地在勘察深度范圍內對基坑工程有直接影響的地下水主要賦存于上部①雜填土中的地表淺層潛水含水層及②2 粉質黏土層（含粉土）、③1 粉質黏土夾粉土層和③2 粉土層中的淺層微承壓水。

潛水：上部填土層中的地下水，屬上層滯水～潛水，主要接受大氣降水及地表滲漏補給，其水位隨季節、氣候變化而上下浮動。該上層滯水～潛水位為3.10～3.28m 左右（1985 國家高程），一般年變化幅度為0.50m 左右。近3～5 年該上層滯水～潛水最高地下水位在3.30m左右（1985國家高程）。

微承壓水：中上部〈2-2＞粉質黏土層（含粉土）、〈3-1＞粉質黏土夾粉土層和〈3-2＞粉土層中的地下水，屬微承壓水，補給來源主要為橫向補給及上部少量越流補給。該層水位標高在0.60～0.91m左右（1985國家高程）。

2 基坑設計選型

根據本地區同類型基坑的工程經驗及周邊場地條件，需采用圍護墻+內支撐的支護形式。

2.1 圍護樁選型

①鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕

鉆孔灌注樁就是通過機械形成樁孔，在孔中放置鋼筋籠，澆筑水下混凝土而形成的樁，只能擋土，不能擋水，需另外借助止水帷幕止水。該圍護結構施工工藝成熟，剛度大，能夠有效控制基坑變形。但鉆孔灌注樁不可回收，施工過程會產生大量廢棄泥漿，需要單獨設置一道止水帷幕，不僅影響工期，也會影響周邊環境，經濟效益不高。

②SMW工法樁

SMW 工法樁是在攪拌樁中插入H型鋼，攪拌樁負責擋水，H 型鋼負責擋土，使用后H 型鋼可回收復用。該圍護結構施工對周邊環境影響較小，土層適應性較好，能夠同時兼顧圍護及止水，施工速度快[3]。本工程基坑施工周期較短，型鋼租賃期較短，經濟效益較高[4]。

③地下連續墻

該圍護結構剛度大、止水效果好、安全度很高、施工風險小，但支護造價高、施工周期長，一般用于環境保護較為敏感、基坑挖深較深的深大基坑。對本工程而言，經濟效益極低[1]。

2.2 支撐體系選型

①鋼筋混凝土支撐

鋼筋混凝土支撐布置較為靈活，可形成拱、桁架等合理的受力形式。截面形式和尺寸可根據實際受力情況確定，剛度大，變形小，安全性能有保證，抗拉、抗彎強度大，能與其他支護結構形成穩定性好的整體。支撐桿件可以與圍檁、圈梁甚至圍護墻體（鉆孔灌注樁）整澆在一起，能大大提高支護體系的整體性和穩定性。但鋼筋混凝土支撐澆筑和養護時間長，且后期只能拆除廢棄、不能重復使用，還會產生較大的噪音、粉塵及固體廢棄物，經濟效益差，不適于本項目。本工程鋼筋混凝土支撐布置如圖3所示[4]。

②傳統鋼支撐

傳統鋼支撐分為鋼管支撐和型鋼支撐。鋼支撐架設和拆除速度快，不需要養護，且后期可以回收復用，經濟環保。但傳統鋼支撐剛度小，當支撐長度相對過長時，其剛度、穩定性均無法有效保證，且支撐布置限制較多，不靈活。

③預應力魚腹梁裝配式鋼支撐

預應力魚腹梁裝配式鋼支撐由鋼桁架和預應力鋼絞線組成，通過張拉預應力鋼絞線預先起拱，加大支撐剛度、減小支撐最終受力和位移。與傳統鋼支撐一樣，預應力魚腹梁裝配式鋼支撐架設和拆除速度快，不需要養護，后期可回收復用。大跨度的魚腹梁直接頂在擋土墻上，可用魚腹梁下弦的預應力鋼絞線中的預應力進行調節，使魚腹梁的整個跨度均勻地向坑外位移，大大減少支撐梁數量，也減少了立柱數量，減少對基坑開挖空間的占用，方便施工，施工速度快[3]。本工程預應力魚腹梁支撐布置如圖4 所示。

④斜拋撐

斜拋撐也是傳統鋼支撐的一種，通過在底板上澆筑混凝土牛腿，將鋼支撐頂在圍護樁上，架設速度快、造價低，但斜拋撐要頂在底板上，即底板需分塊澆筑。臨近圍護樁位置土方需保留至坑內，部分底板澆筑完、鋼支撐架設后方能挖除，影響施工速度。本項目東側、南側場地狹小，后期坑邊不能出土且工期緊，因此斜拋撐方案不適于本項目。本工程斜拋撐支撐布置如圖5所示。

2.3 圍護樁與支撐組合試算結果

從表2 可以看出，SMW 工法樁/灌注樁+魚腹梁/混凝土支撐，四種組合方式均能滿足安全可靠性的要求，但從經濟性方面SMW 工法樁與魚腹梁組合能夠極大節省造價，且SMW 工法樁與魚腹梁施工便利，不需要養護，能夠有效節省工期；從安全可靠性、經濟性、工期和施工便利性三個方面分析，SMW 工法樁與預應力魚腹梁裝配式鋼支撐協同作用為本工程的最佳支護方案。

表2 圍護樁與支撐工況組合試算及工程造價估算

本項目基坑普挖深度9.20～10.00m，圍護結構采用單排SMW 工法樁（Φ850@1200 三軸攪拌樁內插HN700×300×13×24 型鋼），其中SMW 工法樁樁長16.50m，H 型鋼樁長16.00m。平面內設1 道預應力魚腹梁鋼支撐，支撐距地面深度為1.90m，待中樓板換撐后拆除?；拥湫推拭媸疽鈭D見圖6。

3 裝配式預應力體系有限元分析

3.1 有限元模型

為更好地在基坑開挖施工全過程中對裝配式預應力魚腹梁鋼支撐體系的受力做更深入精準的分析，根據工程實際采用CAD 按1:1 尺寸建模，然后導入MIDAS/GTS NX 分析軟件中。裝配式預應力體系中對撐、角撐和斜腹桿采用桿單元；鋼絞線采用預應力桿件單元；圍檁、腹桿和混凝土冠梁采用梁單元；三角桁架由于剛度大，采用平面板單元[5]。計算模型和荷載施加模型分別如圖7 和圖8所示。

數值計算按照預應力魚梁組合式鋼支撐安裝先后順序分為以下三個工況進行模擬。

①工況1：激活除鋼絞線以外的支撐結構網格組，施加邊界土壓力彈簧，施加對撐、角撐預應力。

②工況2：激活鋼絞線單元網格，鋼絞線預應力值。

③工況3：施加側向土壓力。

以上三個工況中，工況3 為最不利工況，主要對工況3 的計算結果進行分析。

3.2 計算結果分析

①基坑整體位移

圖9為預應力魚腹梁支護結構位移圖，從圖中可以看出，通過對裝配式鋼支撐施加預應力，可以將基坑最大位移控制在20.0mm 之內，位移最大值為16.5mm，位于基坑南側靠近中部位置處，滿足基坑變形的要求。

支護結構總的位移分布情況是魚腹梁中部位置處圍檁的位移較小，魚腹梁端部與角撐接頭附近位移稍大，邊桁架位置處的位移偏大。

根據深基坑計算軟件“啟明星”計算結果，如圖10 所示，基坑圍護結構普遍區域深層樁身位移最大變形約為19.10mm，基本與MIDAS/GTS NX 有限元計算結果相符[6]。

圖1 基坑工程周邊環境圖

圖2 典型工程地質剖面圖

圖3 鋼筋混凝土支撐

圖4 預應力魚腹梁支撐

圖5 斜拋撐

圖6 基坑典型剖面

圖7 預應力魚腹梁鋼支撐計算模型

圖8 預應力魚腹梁鋼支撐荷載施加模型

圖9 基坑整體位移圖

圖10 圍護樁變形計算值

②軸力圖及彎矩圖

從預應力魚腹梁支護體系的軸力圖（圖11）和彎矩圖（圖12）可以看出，支撐體系的最大應力主要集中在對角撐支撐位置附近的圍檁上，主要由鋼絞線張拉、對角撐的正壓力和對角撐的偏心壓力引起。

圖11 桿件軸力圖

圖12 桿件彎矩圖

通過對支撐結構的整體分析可知，預應力魚腹梁裝配式鋼支撐整體性較好，剛度大，在土壓力作用下該支撐體系變形相對較小，結構安全可靠。

4 現場監測結果

本工程西側為已建辦公樓（2～3F），距擬建地庫最近距離約27.50m；擬建地庫東側距1 層配電房最近約11.70m；南側人行道分布有雨水管?；娱_挖過程中針對周邊管線及支護結構進行了全方位信息化監測，基坑開挖實況見圖13。

圖13 基坑施工實況

圖14 樁頂水平位移監測曲線

圖15 樁頂沉降監測曲線

針對基坑周邊建筑物，共布置了12個監測點?；娱_挖過程中，平均沉降約為5～10mm，建筑物未出現開裂、破損等情況；針對周邊管線，共設置9 個監測點，基坑開挖至坑底時，管線豎向沉降平均約為10～15mm，水平位移平均為8～12mm；基坑施工過程中，地下管線沒有出現破損或泄露等情況。周邊建筑物及管線沉降值均較小。

圍護樁共設置19 個水平和豎向位移監測點。豎向累計沉降7～10mm；水平位移除西側出土口處（樁頂4）較大外，一般為10～15mm，周邊環境均在安全控制范圍。

選取兩個典型測斜孔繪制深層位移監測曲線圖（見圖16），由圖可知一般位置監測點樁身位移為20～26mm，局部最大為36mm；樁身最大變形處位于8.00～10.00m，即位于坑底位置附近[3]。

圖16 樁身水平位移實測曲線

5 結論

本文針對無錫某基坑項目，從安全性、經濟性、工期和施工便利性三個方面探討了SMW 工法樁與預應力魚腹梁裝配式鋼支撐聯合支護的實際效果。

現場實際監測結果顯示，SMW 工法樁與預應力魚腹梁裝配式鋼支撐聯合支護在深大基坑中實施效果良好，預應力魚腹梁裝配式鋼支撐具有較好的變形控制能力，監測數據與有限元計算大體吻合。

SMW 工法樁與預應力魚腹梁裝配式鋼支撐聯合支護，SMW 工法樁施工效率高、預應力魚腹梁安裝和拆卸方便，組裝完即可支撐，極大地縮短了建設工期[7]。

在國家倡導四節一保（節能、節地、節水、節材和環境保護）的大背景下，SMW 工法樁和預應力魚腹梁裝配式鋼支撐均可以在施工完成后回收復用，相比于灌注樁、鋼筋混凝土支撐，大大節省了混凝土和鋼筋用量，避免了后期鋼筋混凝土支撐拆除產生的噪音污染、粉塵污染、固體廢棄物污染，為同類基坑工程提供參考。