装配式鱼腹梁钢支撑在深基坑支护中的应用

毕炜，刘洪臣，邱晓明

（中国建筑第二工程局有限公司）

1 引言

近几年，随着经济结构转型的加快，城市建筑建设规模不断缩小，而建筑高度不断增大，在高大建筑的施工处理中，深基坑作业是必然要进行的一道分部分项工程，但由于深基坑作业本身存在有一定的危险性，使得其在作业中的支撑支护作用就显得极为的重要，必须要特别的关注与规范化的管理。

2 建筑深基坑支护

深基坑作业是现代城市建筑中进行加固地基处理的重要工序，也是住建部发布的危险性较大的分部分项工程之一，其工程作用在于满足日益增高的建筑及增加的建筑体量的地基稳定性。但是，由于基坑本身是对于作业面土层的移除，而且部分建筑的基坑深度较深，有的甚至超过10m，这就使得边坡位置会受到较强的侧向压力而使得基坑在开挖过程及开挖后的作业处理中存在着较大的坍塌风险。特别是考虑到现代城市建筑在施工中往往周边存在着较多的高大建筑加大了侧向压力，或者是周边道路的正常通行带来的间断或不规则的力学冲击，再或者是周边土层内深埋的公用综合管廊以及公用工程管网也会破坏基坑周边土层内部的结构应力，这些不良因素都会导致基坑本身的坍塌风险不断的增加，如果没有可靠的支护，很有可能发生各类型坍塌事故，加之深基坑作业时人员、机械较难上下，救援不便，极容易造成严重的人身伤亡与财产损失，而且对于工期控制、成本控制也会带来极为不利的影响[1-3]。

深基坑支护一般采用各类型的钢结构或混凝土结构构件用作支撑、围挡等对深基坑周边土层施加一个侧向力以抵消周边土层的向内侧向力，对于基坑较浅且周边情况良好的作业面可以简单支撑或围堰墙阻挡的方式，但对于部分基坑深达数米甚至十几米以及周边地质条件相对复杂的作业面，深基坑支护应利用钢结构、混凝土结构构柱支撑体系并为了保障各土层结构的稳定性进行分层支护的方式。而由于深基坑支护过程中支撑体系自重、土层施加侧向力均相对较大，因此对于深基坑支护体系的结构稳定性与可靠性设计、安装、检查就显得极为的重要[4-5]。

3 装配式鱼腹梁钢支撑及其应用特点

预应力鱼腹梁钢结构支撑体系指的是由鱼腹梁、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合并施加预应力，形成的平面预应力支撑系统与立体结构体系，这套体系较为稳定可靠，能够极大的降低深基坑土层侧向剪应力，因此得到了很好的应用。

鱼腹梁钢支撑是在深基坑作业时进行支护的一个相对较新的支撑体系，其梁体整体结构类似于鱼腹形状形成一定的弧线，相比较于其他传统的支撑体系，采用鱼腹梁钢结构施加预应力的支撑体系能够很好的弥补传统混凝土支撑或者钢支撑造价过高且所用材料过多、容易出现应力集中等等的问题，如图1所示为某预应力鱼腹梁钢支撑体系。

图1 某项目现场鱼腹梁钢支撑支护体系

相对于传统的混凝土支撑、钢结构支撑，采用鱼腹梁的支撑体系在深基坑安全支护时和在实际应用时有着更为明显的优势表征，具体体现在：采用监测技术后期整体的安全可靠性更强；支撑体系的技术参数和指标明显更好，结构稳定性更强；造价更少，工程量相对较小、施工周期短等等。

鱼腹梁钢结构支撑体系在设计时便在多个节点添加了许多用以专门提升系统稳定性、增加安全冗余度的附加结构件，这些结构件主要包括了立柱托架、横梁、剪刀撑、纵横构件间的U型卡件等等，这些结构件的存在使得整体结构体系更加的稳定，也使得整体系统对于周边土层由于各类不良因素产生的附加载荷的抵御能力大为增强。如在部分城市建筑的深基坑支护中，周边道路常有货车等重型汽车通行，这些重载车辆通行过程中本身对土层产生了一个相对不规律的应力冲击，应力冲击在土层内转化成边坡的剪应力。不规则的剪应力会让传统的混凝土围挡墙体出现裂痕或者让传统的钢结构支撑出现局部区域应力集中的状况，而利用添加了安全冗余结构件的鱼腹梁则可以凭借预应力筋以及卡件、剪刀撑等的作用将这部分复杂应力进行消除或者减弱，不会对系统造成大范围的破坏性影响，保证其安全可靠性。

由于整体工程结构各个关键节点处设置了在线自动数据采集与预警监控系统，使得其在正常使用中会由于数据监测与预警的及时有效性而更加的安全可靠，能够对支撑体系中存在或者出现的问题进行针对性的整改和完善。

而在整体结构设计与安装时，由于是预先施加预应力的作业方式使得其在作业支撑之初就对基坑边坡及土层产生一个较大的压应力，这个压应力的存在会极大的削弱土层受周边环境影响带来的侧向剪应力，使得整体上的结构更为稳定，因而边坡支撑的效果更好。

而且，由于预应力鱼腹梁钢结构支撑体系所用的连接方式一般为螺栓连接方式，因此在实际安装过程中的安装精度相比混凝土浇筑体系精度更高也更加方便，但要注意的是预应力鱼腹梁钢结构的结构件的尺寸及安装预留孔的位置应提前设计并精准把控。

除此之外，由于预应力鱼腹梁钢结构支撑系统所用的材料大多为合金材料制作而成的标准结构件（如图2所示为预应力鱼腹梁钢结构支撑体系所用的标准件），因此在组装的时候可以采用装配式施工工艺，在供应商车间或者预制厂内制作完成并重复利用，对现场的作业区域要求相对较小，而且极大的减少了现场作业量，降低了现场作业成本。同时也让整体支撑体系支护工程的工程周期更短，所节约的人力物力资源对于控制造价有着极为明显的提升作用，在部分项目上的应用相比传统的混凝土支撑体系整体造价要下降两成左右，产生的效益及价值极高。

图2 预应力鱼腹梁钢结构支撑体系预制标准结构件

4 运用装配式鱼腹梁钢支撑进行的深基坑支护

装配式鱼腹梁钢支撑体系在深基坑支护中的应用施工流程主要包括：施工准备，土方开挖，测量定位，安装立桩柱，安装围檩，安装托座、支撑横梁，安装角撑，安装鱼腹梁，安装对撑，安装传力件，施加预应力，支撑系统变形监测等等步骤。其中较为重点的步骤在于施工前的方案编制与计算以及整体结构应力的在线监测等环节，以下对该两重点环节进行研究。

4.1 施工前准备

施工前准备的主要工作在施工方案的编制与设计，施工前作业面的准备以及鱼腹梁钢支撑预制件的准备等等。

在施工方案的编制与设计方面，应重点对鱼腹梁钢支撑系统的形式、受力情况进行分析、计算和选择，进行恰当的设计与考量，如在设计中必须要考虑到侧向土层给与的剪应力所需要的刚度，因此需要对支护结构支撑力进行计算，计算的基础在于静止土压力、朗肯主动土压力以及被动土压力三个部分。在对于常见的多支点支挡结构进行受力计算时可采用整体等值梁法进行计算（见图3）。

图3 运用整体等值梁法计算多支点结构支撑力

计算时，应首先计算出基坑支撑结构受力处的主动土压力和被动土压力系数，然后计算土压力零点距离基坑底部的距离，接着将支护桩按照左端悬臂中间段固定右端铰接的连续梁进行计算，得出其固定端弯矩，然后利用玩具分配法平衡支点弯矩，接着计算出各支点的反力及弯矩由此便可求出支护桩的嵌固深度，最后利用最大弯矩复核支护结构的强度。

计算结果给出后，根据相应参数数据选择恰当的鱼腹梁安装方式并设计各结构件的形式，在预制场内进行结构件的预制准备。需要指出的是，由于鱼腹梁钢结构支撑体系本身所承载的应力相对较大，因此必须在设计之初就对各节点的应力情况进行检验和核算，这些重点结构点应至少包括预应力鱼腹梁、围檩、角撑（对撑）、牛腿、三角形连接件、竖向立柱等等。

4.2 在线监测

如前所述，预应力鱼腹梁钢结构支撑体系相对于传统支撑体系在应力在线监测方面能够实现即时监测、即时故障诊断和报警的功能，其展示该功能的主要依托在于设置了监测中心和相应的监测节点，如图4所示为某项目预应力鱼腹梁钢结构支撑体系应力在线监测系统。

图4 某项目预应力鱼腹梁钢结构支撑体系在线监测系统

该系统主要利用监控计算机及网络系统，利用现场布置在各个关键节点如围檩、角撑、托座等处的监测传感器将现场即时监测数据进行回传并在计算机主机位置进行计算和偏差分析，对于部分存在异常参数的区域进行报警显示，由此给现场管理人员一个极为直观的状态显示依据，可以更方便的进行现场隐患排查和靶向的整改维护。

而在具体的操作方面，部分项目还应用了BIM技术进行模拟和计算，并将监测数据传输到BIM数据库内，使得监测数据的表征更加动态化、具体化、象形化，更能直观的表达出支撑体系的现实状态，而且能够通过后续的进一步模拟来分析出出现状态位置的后续影响，是否会影响到整体结构的应力支撑等等，对于现场管理的辅助作用相对更好，表现更佳。

5 结语

在当前的建筑施工以及其他项目建设中，预应力鱼腹梁钢结构支撑体系在深基坑项目支护上的表现是远远优越于传统的混凝土支撑体系或者钢结构支撑体系，其在实际上的应用的前景是极为广阔也是极为光明的，是值得大力推广和深入研究的，但是，由于当前很多项目上的预应力鱼腹梁钢结构支撑体系还属于摸索阶段，对于结构设计及应力计算等方面还存在不少的短板，需要未来进一步深入的研究和探讨与优化。