深基坑支護張弦梁鋼支撐系統(tǒng)應用
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【摘要】張弦梁鋼支撐是一項用于地下空間開挖的新型綠色深基坑支護技術，本文以南昌市第十二中學基坑工程為例，通過建立有限元分析模型，從對周圍環(huán)境的影響、施工造價對比、系統(tǒng)受力、質量可靠性、噪聲控制、環(huán)境污染、市場應用及技術成熟性等方面對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)濟和城市建設的快速發(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。在這一時期，深基坑工程得到快速發(fā)展，規(guī)模越來越大，對其安全要求也更加苛刻。張弦梁結構（圖1）是一種由剛性構件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結構體系，其結構組成是一種新型自平衡體系，是一種大跨度預應力空間結構體系，也是混合結構體系發(fā)展中的一個比較成功的創(chuàng)造。張弦梁結構體系簡單、受力明確、結構形式多樣、充分發(fā)揮了剛柔兩種材料的優(yōu)勢。
2項目概況
本基坑位于南昌市第十二中學校園內，距贛江約800m，設計水位高于地下室底板標高6.35m；設計地坪標高為20.25m，基坑開挖深度10.65m，基坑周長617m，面積約13410m2。地下室四周外墻距離紅線5.0~8.5m，最大設計土壓力323kN/m。東南面地下室外墻距離地鐵4號線外邊線為21.97m，北面距地下室外墻6.81m處為朝陽水廠。南側和西側南段有多處管線，其中最近的線路距離地下室外墻1.67m。本次基坑支護設計的關鍵控制點有以下幾點：①場地地處學校對施工期間噪聲和工期要求較高；②場地周圍變形控制較高，周圍管線、地鐵4號線、學校原有建筑物、東側民房和北側水池的位移不得超過10mm；③場地位于市區(qū)，對環(huán)境保護等級要求高。綜上所述，該基坑的周圍環(huán)境較為復雜，環(huán)保等級和施工要求高。
3有限元計算
采用Midas進行有限元數(shù)值分析，分析基坑開挖過程中對基坑及地鐵4號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，計算單位為三角形15節(jié)點單位，圍護結構、隧道及支護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。工況設置如下：工況1：初始土體地應力形成，位移清零；工況2：地鐵隧道結構施工完成；工況3：施工圍護樁、立柱樁及型鋼立柱。位移清零，開挖土體至第一道支撐底，架設鋼支撐；工況4：開挖土體至第二道支撐底，架設鋼支撐；工況5：開挖至基坑底。通過計算分析顯示，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)范設計要求。在基坑施工開挖過程中地鐵位移較小，張弦梁支撐系統(tǒng)對于基坑周圍建構筑物影響較小。
4工程效果對比
4.1施工造價對比
表2從材料用量、立柱數(shù)量、安裝拆除時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)對比?；炷林蜗到y(tǒng)需要現(xiàn)場安設模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土，待混凝土養(yǎng)護強度達到設計要求后方可進行土方開挖。張弦梁鋼支撐系統(tǒng)構件由工廠加工第三方檢測單位檢測合格后進行標準化和模塊化裝配，全螺栓連接，安裝方便，無須養(yǎng)護，安裝完成后方可立即進行取土開挖作業(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，拆除工期相對混凝土支撐可節(jié)省70%以上，明顯縮短工期。對比混凝土支撐系統(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)量優(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，且內部鋼筋無利用價值，外運或掩埋會產(chǎn)生費用；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。直接工程造價相比混凝土支撐降低20%左右，其制造、運輸、施工簡捷、縮短工期帶來的經(jīng)濟效益更加顯著。
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，結合混凝土結構設計原理及混凝土承受壓應力，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)，張弦梁將其跨度內所受土壓力傳遞到對稱式桁架上，對稱式桁架將土壓力向基坑兩邊相互抵消，受力明確、結構形式多樣，充分發(fā)揮了剛柔兩種材料的優(yōu)勢。張弦梁支護系統(tǒng)剛度大、形變小，安全性大、可靠度高，受力均勻、明確，預應力施加方便，易于監(jiān)控，基坑變形可調節(jié)，正常使用后還可以二次施加預應力，有效增加基坑安全可靠性。
4.3質量可靠性
混凝土支撐系統(tǒng)無法施加預應力，因此，相對而言，對基坑變形控制能力較差，稍有疏忽，會對基坑周邊建（構）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應力使得受力均勻分布到整個系統(tǒng)中，能有效控制基坑變形，只要在基坑開挖過程中對基坑軸力和支護位移進行全程跟蹤監(jiān)測，可完全控制基坑變形量，減少對周圍周邊建（構）筑物、地下管線、道路的影響。
4.4噪聲控制
項目現(xiàn)場位于南昌十二中校園內，緊鄰教學樓，由于學校環(huán)境的特殊性，對現(xiàn)場噪聲控制要求較高?；炷羶戎瘟菏┕r木工電鋸、鋼筋切割、混凝土振搗、墊層破除、內支撐梁切割破碎產(chǎn)生的噪聲均嚴重超過學校對于噪聲控制要求的限值，嚴重影響醫(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
混凝土內支撐梁拆除時產(chǎn)生大量粉塵和建筑垃圾。由于項目場地位于校園內，需要嚴格控制項目整個施工階段的粉塵量。對于產(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破壞土壤結構、造成地表沉降。因此與綠色環(huán)保的張弦梁拆除時無排放、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市場應用及技術成熟性
混凝土支撐系統(tǒng)目前國內應用普遍，加之多年的技術改進及實踐的積累，因而目前技術較成熟可靠。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，技術成熟可靠，其相比傳統(tǒng)混凝土支撐系統(tǒng)有較大優(yōu)勢，因此在市場上有較大應用前景。
5結論
張弦梁鋼支撐是一項用于地下空間開挖的新型綠色深基坑支護技術。與傳統(tǒng)基坑支護系統(tǒng)相比，不僅可以有效控制對周圍構建筑物的影響，大幅減少了支護結構安裝、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、壓縮工期、基坑變形小、施工噪聲低、節(jié)能環(huán)保等特點，有積極推廣應用的意義。
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作者：曹進 危斯敏 單位：江西省勘察設計研究院