深基坑支護(hù)張弦梁鋼支撐系統(tǒng)應(yīng)用

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【摘要】張弦梁鋼支撐是一項(xiàng)用于地下空間開挖的新型綠色深基坑支護(hù)技術(shù)，本文以南昌市第十二中學(xué)基坑工程為例，通過建立有限元分析模型，從對(duì)周圍環(huán)境的影響、施工造價(jià)對(duì)比、系統(tǒng)受力、質(zhì)量可靠性、噪聲控制、環(huán)境污染、市場(chǎng)應(yīng)用及技術(shù)成熟性等方面對(duì)比分析張弦梁鋼支撐系統(tǒng)和混凝土支撐系統(tǒng)差異性。

【關(guān)鍵詞】張弦梁鋼支撐；基坑工程；差異性

1系統(tǒng)介紹

隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源日趨緊張，為了能夠使土地資源得到更高的利用，地下空間的開發(fā)逐漸被人們所重視。在這一時(shí)期，深基坑工程得到快速發(fā)展，規(guī)模越來越大，對(duì)其安全要求也更加苛刻。張弦梁結(jié)構(gòu)（圖1）是一種由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)組成是一種新型自平衡體系，是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，也是混合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展中的一個(gè)比較成功的創(chuàng)造。張弦梁結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單、受力明確、結(jié)構(gòu)形式多樣、充分發(fā)揮了剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢(shì)。

2項(xiàng)目概況

本基坑位于南昌市第十二中學(xué)校園內(nèi)，距贛江約800m，設(shè)計(jì)水位高于地下室底板標(biāo)高6.35m；設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為20.25m，基坑開挖深度10.65m，基坑周長(zhǎng)617m，面積約13410m2。地下室四周外墻距離紅線5.0~8.5m，最大設(shè)計(jì)土壓力323kN/m。東南面地下室外墻距離地鐵4號(hào)線外邊線為21.97m，北面距地下室外墻6.81m處為朝陽水廠。南側(cè)和西側(cè)南段有多處管線，其中最近的線路距離地下室外墻1.67m。本次基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①場(chǎng)地地處學(xué)校對(duì)施工期間噪聲和工期要求較高；②場(chǎng)地周圍變形控制較高，周圍管線、地鐵4號(hào)線、學(xué)校原有建筑物、東側(cè)民房和北側(cè)水池的位移不得超過10mm；③場(chǎng)地位于市區(qū)，對(duì)環(huán)境保護(hù)等級(jí)要求高。綜上所述，該基坑的周圍環(huán)境較為復(fù)雜，環(huán)保等級(jí)和施工要求高。

3有限元計(jì)算

采用Midas進(jìn)行有限元數(shù)值分析，分析基坑開挖過程中對(duì)基坑及地鐵4號(hào)線的變形控制及其影響問題，有限元模型如圖2所示。土體材料采用彈塑性模型模擬，計(jì)算單位為三角形15節(jié)點(diǎn)單位，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道及支護(hù)形式采用線彈性單元模擬，分析模型X方向和Y方向位移情況。工況設(shè)置如下：工況1：初始土體地應(yīng)力形成，位移清零；工況2：地鐵隧道結(jié)構(gòu)施工完成；工況3：施工圍護(hù)樁、立柱樁及型鋼立柱。位移清零，開挖土體至第一道支撐底，架設(shè)鋼支撐；工況4：開挖土體至第二道支撐底，架設(shè)鋼支撐；工況5：開挖至基坑底。通過計(jì)算分析顯示，基坑X方向最大變形7.05mm；Y方向最大變形12.85mm；地鐵4號(hào)線X方向最大變形為2.55mm，Y方向最大變形為7.35mm，均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。在基坑施工開挖過程中地鐵位移較小，張弦梁支撐系統(tǒng)對(duì)于基坑周圍建構(gòu)筑物影響較小。

4工程效果對(duì)比

4.1施工造價(jià)對(duì)比

表2從材料用量、立柱數(shù)量、安裝拆除時(shí)間以及無支撐開挖面積的角度給出了張弦梁與混凝土支撐系統(tǒng)對(duì)比?；炷林蜗到y(tǒng)需要現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土，待混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行土方開挖。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)構(gòu)件由工廠加工第三方檢測(cè)單位檢測(cè)合格后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化裝配，全螺栓連接，安裝方便，無須養(yǎng)護(hù)，安裝完成后方可立即進(jìn)行取土開挖作業(yè)節(jié)省工期?；炷林蜗到y(tǒng)拆除須爆破，張弦梁鋼支撐系統(tǒng)可直接拆卸，拆除工期相對(duì)混凝土支撐可節(jié)省70%以上，明顯縮短工期。對(duì)比混凝土支撐系統(tǒng)，采用張弦梁系統(tǒng)后，減少混凝土使用量4337m2，減少建筑垃圾7800t；支撐立柱的數(shù)量?jī)?yōu)化61%；開挖面積是原方案的1.24倍；鋼支撐的安裝和拆除工期相比原方案分別減少69%和66%。由于混凝土支撐拆除后產(chǎn)生大量混凝土碎塊，且內(nèi)部鋼筋無利用價(jià)值，外運(yùn)或掩埋會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用；而張弦梁鋼支撐系統(tǒng)拆除后鋼材可以回收，可循環(huán)使用，大大降低施工成本。直接工程造價(jià)相比混凝土支撐降低20%左右，其制造、運(yùn)輸、施工簡(jiǎn)捷、縮短工期帶來的經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

4.2受力分析

混凝土支撐系統(tǒng)支撐梁軸力為壓力，支撐梁在正常工作的情況下，根據(jù)計(jì)算所得支撐梁的軸力、彎矩、剪力圖確定某一段支撐梁的受力特征，結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及混凝土承受壓應(yīng)力，根據(jù)受力大小確定鋼筋數(shù)量。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)鋼支架用于承托支撐系統(tǒng)，張弦梁將其跨度內(nèi)所受土壓力傳遞到對(duì)稱式桁架上，對(duì)稱式桁架將土壓力向基坑兩邊相互抵消，受力明確、結(jié)構(gòu)形式多樣，充分發(fā)揮了剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢(shì)。張弦梁支護(hù)系統(tǒng)剛度大、形變小，安全性大、可靠度高，受力均勻、明確，預(yù)應(yīng)力施加方便，易于監(jiān)控，基坑變形可調(diào)節(jié)，正常使用后還可以二次施加預(yù)應(yīng)力，有效增加基坑安全可靠性。

4.3質(zhì)量可靠性

混凝土支撐系統(tǒng)無法施加預(yù)應(yīng)力，因此，相對(duì)而言，對(duì)基坑變形控制能力較差，稍有疏忽，會(huì)對(duì)基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路的正常使用產(chǎn)生重大影響。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)可通過一次或多次施加預(yù)應(yīng)力使得受力均勻分布到整個(gè)系統(tǒng)中，能有效控制基坑變形，只要在基坑開挖過程中對(duì)基坑軸力和支護(hù)位移進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測(cè)，可完全控制基坑變形量，減少對(duì)周圍周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路的影響。

4.4噪聲控制

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)位于南昌十二中校園內(nèi)，緊鄰教學(xué)樓，由于學(xué)校環(huán)境的特殊性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)噪聲控制要求較高?；炷羶?nèi)支撐梁施工時(shí)木工電鋸、鋼筋切割、混凝土振搗、墊層破除、內(nèi)支撐梁切割破碎產(chǎn)生的噪聲均嚴(yán)重超過學(xué)校對(duì)于噪聲控制要求的限值，嚴(yán)重影響醫(yī)院工作人員和病人的正常生活和工作。比較而言，張弦梁拼裝和拆除過程中產(chǎn)生的噪聲要小得多。

4.5環(huán)境污染

混凝土內(nèi)支撐梁拆除時(shí)產(chǎn)生大量粉塵和建筑垃圾。由于項(xiàng)目場(chǎng)地位于校園內(nèi)，需要嚴(yán)格控制項(xiàng)目整個(gè)施工階段的粉塵量。對(duì)于產(chǎn)生的建筑垃圾，我國主要的處理方式為掩埋。其危害在于：①占用大量土地；②造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，直接危害到周邊居民的生活；③破壞土壤結(jié)構(gòu)、造成地表沉降。因此與綠色環(huán)保的張弦梁拆除時(shí)無排放、零污染、無廢物產(chǎn)生的優(yōu)越性相比，更是無法相提并論。

4.6市場(chǎng)應(yīng)用及技術(shù)成熟性

混凝土支撐系統(tǒng)目前國內(nèi)應(yīng)用普遍，加之多年的技術(shù)改進(jìn)及實(shí)踐的積累，因而目前技術(shù)較成熟可靠。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)作為一種新型的鋼支撐系統(tǒng)，目前均存在成功案例，技術(shù)成熟可靠，其相比傳統(tǒng)混凝土支撐系統(tǒng)有較大優(yōu)勢(shì)，因此在市場(chǎng)上有較大應(yīng)用前景。

5結(jié)論

張弦梁鋼支撐是一項(xiàng)用于地下空間開挖的新型綠色深基坑支護(hù)技術(shù)。與傳統(tǒng)基坑支護(hù)系統(tǒng)相比，不僅可以有效控制對(duì)周圍構(gòu)建筑物的影響，大幅減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝、拆除的工期及成本，而且大大增加了施工空間，加快了基坑工程的施工速度。系統(tǒng)具有節(jié)省造價(jià)、壓縮工期、基坑變形小、施工噪聲低、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，有積極推廣應(yīng)用的意義。

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作者：曹進(jìn) 危斯敏 單位：江西省勘察設(shè)計(jì)研究院