装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的利与弊

２０１３年７月第７期　城市道桥与防洪　桥梁结构１１７　装配式预应力鱼腹梁内支撑系统的利与弊　刘发前，卢永成　（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市２０００９２）　摘要：装配式预应力鱼腹梁内支撑系统是一种新型的基坑支护型式，近年来应用越来越多。该系统是由鱼腹梁、对撑、角撑、三　角连接构件和围檩等钢构件拼装构成，因此其钢结构等在支撑拆除后可以完全回收。然而，作为一种先进技术，目前尚未被工程　人员所认识、掌握，对其应用过程中所需注意的地方更是不了解，因此限制了该种工法的应用范围，同时也会忽略一些问题而导　致工程出现问题。由于国内对该方面内容研究较少，对该种新技术的应用更是少之又少。对此，该文以南京南站绕城公路地道为　工程案例，通过对工程施工全过程的分析，总结该支撑系统的优点及不足，旨在抛砖引玉，引起同行专家讨论，供将来类似工程设　计参考。　关键词：鱼腹梁；支撑；基坑；刚度　中图分类号：Ｕ４４５．７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—７７１６（２０１３）０７一Ｏ１１７—０２　Ｏ前言　不足之处提出建议，希望进一步发扬广大。　基坑工程是岩土工程中重要的研究方向之　１工程概况　一，也是工程中的难题之一。由于各个工程的规　绕城公路地道位于京沪高铁南京南站北侧，　模、地质水文条件和周围环境不同，使得每个基坑　为了实现景观美，打造南京南站片区的美好环境，　工程都是一个复杂的系统工程。在基坑工程的设　绕城公路与出入车站的主干路（玉兰路）交叉口处　计中，内支撑系统是工程师们计算和分析的主要　采取地道方案，即绕城公路下穿玉兰路。地道建成　内容。在我国，常用的基坑内支撑为钢筋混凝土支　后的实景如图１所示。　撑（为梁或板）和型钢支撑，根据基坑的平面形状　予以布置。一般情况下，支撑的设计应满足结构抗　压承载力验算和平面、竖向的稳定性验算，且后者　往往是确定支撑断面的主要因素。然而，对于大跨　度基坑而言，为了减小支撑的计算长度均布置很　多立柱以满足支撑的稳定性验算　】。实践中，立柱　间的间距为１０　ｍ～１６　ｍ，这使得大跨度基坑中需要　图１绕城公路地遭建成后实景　布置很多立柱，大大影响了基坑土方开挖的速度。　绕城公路地道共分１４车道，采用单箱四室的结　基于此，科研和工程设计人员一直致力于寻　构形式，标准段车道净宽度分别为１７．５　ｍ＋２０．４５　ｍ＋　找一种无立柱和开放式的支撑方式。而在韩国，工　２Ｏ．４５　ｍ＋ｌ１．７５　ｍ，结构总宽度为７４．８５　ｍ。地道全　程师们在２０　ａ前就开始了装配式预应力鱼腹梁内　长７９０　ｍ，其中在玉兰路下为暗埋段，长为１３０　ｍ。　支撑系统的研究。国内已正在进行该类内支撑系　施工时，基坑宽度约为８０　ｍ。由于玉兰路须在京沪　统的研究，并在多个工程中成功应用。然而，以上　高铁通车（２０１１年７月１日）前贯通，因此该地道　案例的基坑跨度均较小，最大跨度在４０　ｍ　５０　ｍ　暗埋段部分亦需此前施工完成并做好其上路面结　之间，亦通过施工监测获得了宝贵的经验数据。本　构，初步确定暗埋段结构完成时间为６月２０日。　文所述的南京绕城公路地道跨度达８０　ｍ，为了加　基坑围护结构采用钻孔灌注桩和ＳＭＷ工法　快施工进度亦采用了该种支护系统，实现了该种　桩结合的型式，在暗埋段部分采用钻孔灌注桩。围　系统的一个新的突破。鉴于目前对该种支护系统　护桩在２０１１年４月上旬方施工完毕并开始土方　的文献较少，所依据的工程案例规模也远小于该　开挖。由于工期非常紧，自基坑开挖至结构完成整　工程，因此对工程支护系统工作全程期间进行了　个施工工期不足３个月。为加快进度，设计单位与　跟踪监管。本文即对其优、缺点进行分析，并对其　建设单位协调决定采用装配式预应力鱼腹梁内支　撑系统。该系统主要由鱼腹梁、对撑、角撑、三角连　收稿日期：２０１２—１２—１０　作者简介：刘发前（１９８１一），男，安徽寿县人，博士，从事地下　接构件和围檩等构件拼装构成。鱼腹梁主要将预　工程、地基处理、边坡治理等岩土工程的设计与研究工作。　加在钢绞线上的预应力形成支撑力，与基坑侧壁　１１８　桥梁结构　城市道桥与防洪　２０１３年７月第７期　的土压力平衡。钢绞线的拉力通过鱼腹梁底梁传　递到与其相邻的三角连接构件上，最终传递到角　撑（对撑）上。该种支护系统仅需在型钢对撑、鱼腹　梁的型钢架下设置型钢立柱。型钢对撑是由多根　Ｈ型钢横向拼接而成，对撑间距可达数十米。型钢　对撑之间架设鱼腹梁，而鱼腹梁紧贴围护墙设置，　因此中间大片区域未有任何构件影响土方开挖施　工，大大提高了土方开挖的效率，该工程暗埋段的　围护平面图如图２所示。内支撑系统是由两道型　钢对撑（包括主枝和八字撑）和中间所夹３７　ｍ长　鱼腹梁所构成，由此可见中间大部分区域均为开　放式，除了部分降水井（该图未显示）以外没有任　何设备影响施工。　３缺点及不足　鱼腹梁内支撑系统的典型要求是受力封闭且　同时施加预应力，否则容易造成支撑受力不平衡，　影响基坑的支撑性能乃至基坑的整体稳定性。这　对平面上封闭的基坑而言完全不存在问题，但是，　对于地道工程等长条形基坑，要达到完全受力封　图２玉兰路节点（暗埋段）围护平面图　２优点分析　如前所述，该支撑系统是由各种类型的型钢通　过螺栓连接而成，部分节点焊接。因此，型钢可在　现场连接或场地加工厂进行螺栓连接，根据吊装　能力确定半成品的长度。由于整个结构均由型钢　通过螺栓连接，只需人工作业，因此所需的作业面　较小。这样，在工期较紧的情况下，可增加工人数　量来加快结构的拼装速度，灵活性较大，特别适用　于进度要求高的工程。　由图２可以看出，型钢对撑之间的大片区域没　有任何设施，在大跨度基坑施工中，土方开挖的效　率较高。其次，在该工程中，中间区域（Ｉ区的Ａ区　是在两端型钢对撑拼装的过程中并行完成的，两　侧Ｂ区留有仅２０　ｍ宽度范围待支撑结构拼装完　成并施加预应力后进行开挖。开挖具有很大作业　面，可有多个挖土、运土机械同时施工，大大节约　了土方开挖的时间。　闭则需要整个基坑同时施工，这是不可能的。因　此，需增加额外措施保证支撑的力系平衡。综合考　量这些额外措施，设计和施工的难度较大，需要专　业的队伍施工，大大限制了该支撑体系的应用范　围。另外，若将额外措施的费用考虑到支撑体系　中，其整体造价相较于常规型钢对撑而言偏大，经　济性优势亦有限。　型钢对撑的刚度，在跨度较大时相对偏弱，造成　基坑的水平位移较大。从图２可以看出，两型钢对撑　之间近１４０　ｍ宽度的坑外荷载最终由型钢对撑承　受，这就要求对撑的承载力必须足够强大，否则容易　造成安全隐患。当然，如果将图２中的“八字”撑取消　或减小，其支撑效果要好得多。毫无疑问，这样将增　加型钢的用量，亦削减了其经济优势，设计单位需要　综合考虑以选择最经济、安全的支护系统形式。　如前所述，支撑系统均为型钢通过螺栓或焊接　连接成一整体，对于大跨基坑而言，一根Ｈ型钢对　撑可能需要多节连接而成。螺栓连接或焊接的有　效性是保证支撑系统功能的根本，然而，由于连接　点数量巨大，误差累积明显；若某处存在薄弱点而　破坏，荷载则会直接转移至邻近的连接点。因此，　确保每个连接点的有效性至关重要，给日常检查　增加了很大工作量，这就要求施工操作人员有足　够的耐心和责任心。　基坑支撑设计中，一般要求施工机械不能触碰　支撑构件。对于该支撑系统，鱼腹梁的抗干扰能力　尤其差，因为它是通过施加锚索的预应力来形成　内部型钢的支撑力的。一旦受到施工机械的撞击，　容易上拱或下倾，大大降低其承载能力。当然，这　可以通过精细化施工来避免。　鱼腹梁的预应力索及型钢对撑的预应力施加　是目前施工的难点，其值的确定是根据坑外荷载　的大小确定。在该工程中预应力只能一次施加到　位，对于如此复杂的系统，要想达到设计时的预应　力要求施工难度较大，但目前国内部分学者正在　作该方面的研究，相信在将来的工程中可以实现。　型钢之间完全由螺栓连接，因此拆撑工序亦较　４主要结论及建议　预应力鱼腹梁内支撑系统在常规基坑、规模不　（下转第１２５页）　简单快速，只需将预应力卸除后松动螺栓即可完　成，然后将型材托运出场地，可实现完全回收。　２０１３年７月第７期　城市道桥与防洪　位置：ｙｌ＝７　ｍ，分项系数１；　桥梁结构１２５　门吊自重：Ｐｃ＝２　２４３　ｋＮ，吊具自重：Ｐｏ＝２００　ｋＮ，　对最前面的轮箱作用位置：ｙ１＝７　ｉｎ，实际作用距离　约８　ｍ，分项系数１。　：　ｌ・ＡＳＪＺｏ　起升重量（包括起升结构）：Ｐｑ＝９００　ｋＮ，对最前　面的轮箱作用位置：ｙ２＝７　ｍ，分项系数０．８。　Ｋ＝Ｐｕ１＋Ｏ．８Ｐｕ２—１．：１．０２＞１（按起重机规范），在此　，ｚ　ｓ】Ｚ０　，．２１＞１（（按起重机规范）。　工况下，龙门吊机稳定性满足要求，但也要求设置　６．３．２横桥向稳定验算　横桥向风压：ｈｆ＝５６８．９　ｋＮ，作用位置离门吊最　斜“八“字缆风，锁定走行大车，以确保龙门吊机结　构的安全。　低点：ｚｏ＝２３　ｍ，分项系数１；　６．２．２横桥向稳定验算　吊件受到的风压：ｈｆ＝５７．９　ｋＮ，作用位置离门　吊最低点：　。’＝５４　ｉｎ，分项系数１；　横桥向风压：ｈｆ＝５６８．９　ｋＮ，作用位置离门吊最　门吊自重：　＝２　２４３　ｋＮ，对最外侧的轮箱作用　低点：ｚｏ＝２３　ｍ，分项系数１．２；　位置：ｘｌ＝１６　ｉｎ，分项系数ｌ；　门吊自重：　＝２　２４３　ｋＮ，吊具自重：Ｐｏ＝２００　ｋＮ，　起升重量（包括起升结构）：Ｐｑ＝９００　ｋＮ，对最外　对最外侧的轮箱作用位置ｘ１＝１６　ｍ，分项系数１。　侧的轮箱作用位置：ｘ２＝６　ｍ，分项系数０．８。　Ｋ＝（Ｐ６＋Ｐｏ）ｙｌＫ＝Ｐａｒ＃Ｏ＇８Ｐｏｘ２…，．：２．４９＞ｌ（（按起重机规范）。　　ｌ・ｚｔＺＪＺｏ　……２．４９＞１（（按起重机规范）。６．３突然卸载情况门吊稳定验算　６．３．１顺桥向稳定验算　参考文献　顺桥向门吊风压：ｓｆ＝３８９．５　ｋＮ，作用位置离门　【１】金永忠．天兴洲大桥提升站设计及安装控制【Ｊ】．武汉工程大学学　吊最低点：ｚｏ＝３６　ｍ，分项系数１；　报，２０１１，（８）．　吊件受到的风压：　＝５７．９　ｋＮ，作用位置离门　［２】刘晓霞，于祥君．大吨位提升站吊机的安装设计与施工［ＪＪ．江苏　科技信息，２０１０，（７）．　吊最低点：Ｚ０１＝５４　１ＴＩ，分项系数１；　［３】娄松．嘉绍大桥大吨位提升站设计与施３２［Ｊ］．世界桥梁，２０１２，　门吊自重：Ｐｃ＝２　２４３　ｋＮ，对最前面的轮箱作用　（３）．　（上接第１１８页）　大的情况下，适应性较强，布置亦较为灵活。由于　所在，这也是笔者写作本文的目的。同时，希望同　该系统完全是由型钢通过螺栓或焊接连接，同时，　行专家能够对该系统进行热烈讨论，进一步完善　由型钢对撑与鱼腹梁支撑间隔布置，使得开挖速　该类支撑系统的研究和设计。　率大大提高。然而，亦正是如此，该系统存在着很　多令人担忧和有待于改进的地方，尤其是对于大　跨度基坑而言，需要增加支撑的刚度、减小鱼腹梁　参考文献　的宽度等措施来增强支撑的承载能力，同时，需要　［１］ＪＧＪ　１２０—９９，建筑基坑支护技术规程［Ｓ】．　［２］ＧＢ５００１０—２００２，混凝土结构设计规范【ｓ］．　施工操作人员的细心和精细化施工以确保支撑系　［３］ＤＧＪ３２／Ｊ　１２—２００５，南京地区建筑地基基础设计规范［ｓ】．　统的安全和零风险。若想将该系统普及化，尚需对　［４］ＤＢＪ　１５—３１—２００３，广东省建筑地基基础设计规范［ｓ】．　该工艺进行进一步的探索和改进，找出其中问题　［５］ＤＧＪ０８－６１—２０１０，上海市基坑工程技术规范［ｓ】．