王寿生，张银屏，王明卓
(上海市城市建设设计研究总院，上海200125)
摘要：传统基坑T程一般采用钢筋混凝土支撑和传统钢支撑支护方式。近年来随着绿色基坑的推广，预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术( IPS，Innovative Pre-stressed Support)逐渐进入人们的视野。文章从不同角度将鱼腹梁支撑与传统支撑技术的特点进行对比剖析，并存实际工程中予以应用探索。结果表明，预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术能够有效地控制基坑周边环境的变形，准确掌握工期，提供更大的施工作业空问，具有极大的经济性和环境友好性，鉴于良好的应用效果和市场竞争力，将会在未来的基坑丁程领域广泛应用。
关键词：基坑工程；绿色基坑；预应力鱼腹梁装配式钢支撑
中图分类号：TU473 文章编号：1004-4655( 2016) 03-0082-03
传统基坑工程支撑方式主要包括钢筋混凝土支撑和传统钢支撑。传统支撑方式一般能满足工程需要，但存在一定局限性。例如钢筋混凝土支撑需养护工期长，且材料废弃量大，拆除产生噪声和污染。同时，传统钢支撑的刚度较小、稳定性差，安全性及变形控制效果较低。
近年来随着基坑工程技术的发展，预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术( IPS，Innovative Pre-stressedSupport)逐渐进入工程界。预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术（以下简称鱼腹梁支撑）相较于传统支撑技术具有多方面优势。本文从不同角度将鱼腹梁支撑与传统支撑技术进行对比剖析，在实际工程中予以应用探索。
1基坑支撑形式对比
实际工程中钢筋混凝土支撑、传统钢支撑和鱼腹梁支撑因其各自特点适用于不同的具体环境。下面将从3种支撑形式的安全性、环境影响、工程造价、施工难度和工期等方面进行综合对比。
1.1钢筋混凝土支撑
钢筋混凝土支撑由现场支模浇筑，包含钢筋工程、模板工程、混凝土浇筑和养护等多项步骤。
优点：钢筋混凝土支撑的刚度大，整体性好；布置形式灵活，适应性强。
缺点：支撑被动压缩，导致变形量大且无法调控；由于混凝土需要进行养护，达到设计强度后才能发挥作用，且支撑拆除历时较长，导致整体工期较长；混凝土支撑拆除需要进行爆破，导致一定的噪声，且拆除产生大量建筑废料，对环境造成较大影响；混凝土支撑在浇筑过程中因软土变形呈下弯曲弧形结构，严重影响支撑对变形和内力的控制；由于混凝土自重较大，要求立柱有较大插入深度，经济性较差；支撑将基坑空问分割成小块，不利于开挖和结构施工。
1.2传统钢支撑
传统钢支撑分为钢管支撑和型钢支撑。
优点：钢支撑架设和拆除速度快，不需养护立即发挥支撑作用；由于钢材自重小，立柱插入深度小，工程造价低；部分钢支撑能够施加预应力，对基坑位移控制有利。
缺点：支撑刚度小，为控制基坑变形势必造成支撑间距小，导致挖土空间小，增加机械设备的施工难度；传统钢支撑通过预埋件和竖向围护共同受力，连接部位采用拼装焊接的方式，因此支撑整体性差，节点复杂，安全度较低；支撑活络头的松动、多道钢支撑预应力附加以及基坑换撑的作用，都会导致预应力消散，对基坑变形控制非常不利。
1.3预应力鱼腹梁装配式钢支撑
预应力鱼腹梁装配式钢支撑由钢桁架和预应力钢绞线组成，通过张拉预应力钢绞线预先起拱，加大支撑刚度、减小支撑最终受力和位移。
优点：鱼腹梁支撑减少大量立柱和支撑，节省造价，留出更大的施工操作空间，方便基坑开挖；鱼腹梁支撑是装配式的，除少量非标准件，其余构件现场拼装，相比于钢筋混凝土支撑缩短工期；鱼腹梁支撑通过施加预应力，大幅提高支撑刚度，控制周边环境变形；鱼腹梁支撑的主要构件在工程结束后可回收重复利用，符合绿色环保政策。
缺点：预应力技术对施工安装技术要求高；对施工拼接过程中安装精度要求较为严格；基坑工程中采用的非标准件，需要提前安排加工。
1.4 3种支撑形式综合对比
在安全可靠性方面，钢筋混凝土支撑浇筑后存在体积收缩和徐变导致浇筑误差大，产生不均匀受力；钢管支撑的横向约束困难，导致其稳定性差；鱼腹梁支撑采用预应力技术，安全性相对较高。
在经济性方面，传统钢支撑布置密集，需要大量立柱和支撑，导致较高成本；传统现浇钢筋混凝土支撑材料用量大，不能重复使用，拆除产生费用，造价较高；鱼腹梁支撑效率最高，可以重复利用，经济性好。
在工期和施工便利性方面，钢筋混凝土支撑现场浇筑、养护和拆除占用大量时间，导致施工工期长；钢筋混凝土和传统钢支撑将基坑的平面分割成小块，坑内挖运土不便，对工期造成影响；鱼腹梁支撑则避免上述缺点。
1.5预应力鱼腹梁装配式钢支撑适用场合
为有效避免基坑内支撑结构设计，鱼腹梁支撑最适用于大跨度结构的超大基坑，特别是对作业空间要求较高、对周边变形控制要求较高以及对环保要求较高的基坑。传统基坑与鱼腹梁基坑对比见图1。
2预应力鱼腹梁装配式钢支撑设计关键问题
预应力鱼腹梁装配式钢支撑体系的构成见图2，包含鱼腹梁系统、对撑系统和立柱系统等，主要包含钢绞线设计、对撑设计、鱼腹梁腹杆设计以及立柱的设计。
2.1钢绞线设计
鱼腹梁支撑体系的核心是预应力钢绞线设计。鱼腹梁支撑结构体系及受力关系较为复杂，分析中作2条假设：
1)围檩承受外部土压力和鱼腹梁的预应力；
2)对撑仅承受鱼腹梁传递的压力。
通过假设计算钢绞线整体预应力，确定钢绞线整体预应力后，根据单根钢绞线抗拉强度设计值，考虑强度折减系数、超张拉系数确定鱼腹梁支撑的钢绞线根数及预应力。
2.2对撑设计
鱼腹梁支撑杆件采用H型钢、钢管、工字钢等。在鱼腹梁支撑体系中，对撑需要承受围护桩发生位移的预应力，保证围护桩产生向坑外的位移，确保基坑变形能够得到有效控制。对撑刚度太低，将会造成鱼腹梁预应力损失，变形控制效果差。
2.3鱼腹梁杆件设计
鱼腹梁杆件体系包括直腹杆、斜腹杆和上弦杆（见图3）。根据受力特性，直腹杆按照压弯杆件进行设计计算，斜腹杆和上弦杆按轴向受力杆件进行设计，杆件之间连接按照铰接考虑。杆件需满足强度、刚度和稳定性方面的要求。
2.4立柱设计
鱼腹梁支撑体系需在鱼腹梁下设置立柱。考虑 到预应力施加过程中鱼腹梁结构的变形，为保证预应力施加效果，立柱应尽量保证对称设计。
3工程实例
结合某大型交通枢纽综合体地下空间基坑工程实例，对深基坑新型支撑技术的设计和应用进行分析。
3.1工程概况
某大型交通枢纽综合体地下空间基坑由三部分组成，包括东侧深基坑、西侧浅基坑和出人口基坑，遵 循“分块开挖、深浅有别、前后有序”的设计思路，首先东侧深基坑的施工。东侧深基坑尺寸为376.8 m×53.5/41 m，基坑面积约为18 446 m2，开挖深度约为15 m。基坑工程临近既有高架道路桩基以及轨道交通区间结构，环境保护要求等级较高。
基坑开挖深度范围内土层主要为硬壳层黏土及流塑、高压缩性、高灵敏度的淤泥夹粉砂、淤泥，松散状粉砂夹淤泥，包括①2层黏土、②1层淤泥夹粉砂、②11层粉砂夹淤泥、②2、②3层淤泥，土性较差，对控制基坑变形不利。根据地质报告，本工程东侧深基坑坑底位于②3层淤泥质土中，围护结构墙底位于④2层黏土中。
3.2工程设计
针对此T程地质条件及拟建场地周边环境要求，根据实际施工经验及施工水平，竖向围护选用ϕ1 200 mm@1500 mm钻孔灌注桩，深基坑东西两侧桩长45.2 m，插入比约为1：2，深基坑南北两侧桩长40.2 m和43.2 m，插入比约为1：1.93。 经过综合考虑，本工程决定采用预应力鱼腹梁装配式钢支撑。经计算水平方向共设置3道支撑，其中第一道支撑为钢筋混凝土支撑和装配式鱼腹梁钢结构支撑体系[见图4a）]。第二、三道为装配式鱼腹梁钢结构支撑体系[见图4b）]。
通过实体建模，得到本工程鱼腹梁支撑体系细部构造（见图5）。
3.3预应力钢绞线设计
以第一道支撑某跨鱼腹梁预应力钢绞线设计为例，简述鱼腹梁支撑预应力钢绞线的设计步骤。鱼腹梁的设计参数为
在此之上增加5%的备用钢绞线，合计为
N=29.93×1.05=31.4根
沿数值增大方向取整后最近的偶数为32，故实配钢绞线为32根。最终钢绞线设计结果见表1。
3.4应用效果
采用MIDAS/GTS有限元软件计算，东侧深基坑开挖各工况过程中土体的最大侧向位移和沉降均发生在基坑开挖至坑底底板施工前（见图6）。
基坑开挖最大侧向位移值为3.31 mm，最大竖向变形为17.94 mm，变形为竖向隆起。基坑开挖后，高架道路桩基变形、轨道交通区间结构变形以及其他周边环境变形均在控制要求以内，使用效果良好。
4结语
本文针对预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术进行理论分析，通过设计实例进行验证，证明预应力鱼腹梁装配式钢支撑技术有效控制基坑变形，其施工构件可循环利用，具有市场竞争力。鱼腹梁装配式钢支撑技术将在未来基坑工程领域中广泛应用。
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