装配式型钢桁架支撑用于大跨度客运枢纽基坑

涂智溢

（浙江数智交院科技股份有限公司，杭州310030）

1 工程概况

1.1 项目概述

本工程（枢纽地块）总占地面积为5.3×104m2。枢纽地块项目共拟建5幢建筑物，分别为4层客运中心、5层办公楼、26层酒店式公寓、4层旅游集散中心、24层星级酒店。场地整体设2层地下室，地下室面积43 104.67 m2。基坑边线地面高程47.31～50.59 m，开挖深度9～11.6 m。

基坑边北侧距东方明珠苑小区42 m；东侧距东升北区住宅小区41 m。周边道路主要埋设有通信管线（联通、电信、电视）、污水管、雨水管、自来水管以及电力管线等，无其他重要管线。东侧距基坑边5 m，南侧管线距基坑边12 m，北侧管线距基坑边17 m。西侧为开发地块，地块地下室目前正在放坡施工，2个基坑顶部间净距大于8 m。

1.2 工程水文地质

场地属于瓯江水系丽水盆地冲积地貌，场地原位于欧江水系好溪支流河漫滩阶地地貌，地形略有起伏，总体上西南高北东低，在勘探深度范围内，如图1所示。地层可划分为①-0层素填土、⑤层砂质粉土、⑥层卵石、⑩-2层强风化粉砂岩、⑩-3层中风化粉砂岩等组成。场地地下水主要为松散岩类孔隙潜水和红层孔隙裂隙水。孔隙潜水分布于①-0层素填土至⑥层卵石中，其中⑤层砂质粉土渗透性及富水性较好，为场地相对含水层，⑥层卵石渗透性及富水性好，为场区主要含水层；红层孔隙裂隙水主要分布于⑩层强-中风化粉砂岩中。勘察期间水位埋深1.3～6.0 m，水位高程43.02～48.56 m。地下水位年变幅为1～2 m，局部水位埋深较大的部位随季节变化较大。工程区西侧约120 m处有一条水流自北向南流的瓯江（南明湖），正常水位48 m。瓯江与场地具有水力联系。

图1 工程场地地层剖面图

场地存在⑤层砂质粉土，流动性强，属分散性土，易发生管涌、流砂等不良地质现象，抽排水易引起⑤层砂质粉土的塌陷和发生流砂，从而导致周边道路及相邻工程建筑物有可能发生地面裂缝和地面沉降，对场地周围影响很大。同时场地距瓯江较近，地下水活动强烈，地下水位较浅，对地下室开挖和排水会产生较大影响，不利于工程施工。

2 围护支护方案

2.1 围护方案比选

围护支护的选型不仅与水文地质条件和环境条件有关，还与施工工期、工程造价和承包商的设备条件等有关。本项目结合工程水文地质、环境及项目工程特点，选择了地下连续墙、钻孔咬合桩、钻孔灌注桩及型钢水泥土搅拌（桩）墙（Soil Mixing Wall，SMW）工法桩等围护支护型式进行技术和经济比较，基坑范围内存在⑤层砂质粉土、⑥层卵石地层，SMW工法桩适应性较差，基坑临近瓯江，因地下水与瓯江具有水力联系，对基坑隔墙防水要求较高。综合考虑基坑围护的经济性及周边管线和环境的安全性，对基坑围护采用钻孔咬合桩方案。

2.2 支撑体系比选

明挖顺作或盖挖顺作的基坑，一般需设置支撑体系，其支撑体系的选择不仅与围护型式有关，还与基坑周边条件等[1]有关，针对本工程自身特点及周边环境，选择了钢筋混凝土支撑、装配式型钢桁架支撑进行比较（见表1）。

表1 2种支撑体系布置比较

本基坑周边建筑物较密集，地下管线复杂。综合考虑基坑安全性，为了有效减少基坑造价，缩短施工工期，鉴于本基坑深度较浅，支撑体系采用装配或型钢桁架支撑。

2.3 支护方案

本基坑支护结构的安全等级确定为一级，变形控制保护等级为二级，基坑围护结构选型根据地质条件、基坑深度及周边环境等因素采用钻孔咬合桩型式。基坑内支撑采用一道装配式型钢桁架支撑，支撑撑在围檩上。围护结构钻孔咬合桩参数φ1 000 mm×750 mm，荤桩桩长A类15 m、C类（基坑东侧外突转角处）16.5 m，素桩桩长13.5 m或进入中风化≥1 m。坑内电梯井局部下沉约2 m，采用1∶1放坡开挖，坡面喷射C20素混凝土厚5 cm。

经计算，地面最大沉降量为39 mm≤0.4%H=42.4 mm。H为基坑深度，取最大值10.6 m；围护结构最大水平位移25.85 mm≤0.3%H=31.8 mm且≤30 mm；支撑位移最大值27.8 mm，弯矩最大值2 494 kN·m，整体稳定安全系数Ks=3.357＞1.35，坑底抗隆起Ks=3.692≥2.200。各项指标均符合要求。

根据DB33/T 1142—2017《基坑工程装配式型钢组合支撑应用技术规程》相关条文[2]，其型钢参数表仅适用支撑长度≤150 m的基坑。本基坑支撑长度166 m，规程中的相关构件不能满足设计需要。因此，设计采用8肢Q345b，H350 mm×350 mm×12 mm×19 mm型钢，加强型筋板间距500 mm。经验算，根据剖面计算，每延米轴力443 kN，轴力设计值11 197 kN；对主轴y最大弯矩My=5 443 kN·m；对主轴x最大弯矩Mx=555 kN·m，则构件强度为218.9 MPa＜295 MPa，弯矩作用平面内(绕y轴)稳定性为251.5 MPa＜295 MPa，弯矩作用平面外(绕x轴)稳定为273.7 MPa＜295 MPa。支撑强度和稳定性均满足安全要求。装配式型钢桁架支撑方案布置如图2所示，三维计算位移如图3所示。

图2 装配式型钢桁架支撑方案布置图

图3 三维计算位移图

2.4 地下水控制

基坑开挖范围内地表水、地下水丰富，围护结构采用钻孔咬合桩，咬合桩素桩进入了中风化粉砂岩层1 m以下，以有效隔断地下水的坑内外侧联系。基坑内侧按纵横向17.2 m×15 m梅花形设置1口疏干井，共布置78口降水井，单口井控制面积约550 m2，在基坑开挖前将坑内地下水降至坑底1 m。坑外每40 m设置1口备用降水井兼水位观测孔。

3 施工效果分析

施工期间严格遵循“先撑后挖原则”，并满足以下施工工序：（1）施工工程桩、立柱、坑内降水井分层分块挖土至支撑底50 cm；（2）施工型钢围檩及预应力型钢组合支撑；（3）型钢组合支撑施加预应力后，分层分块挖土至底板垫层底；（4）人工修土边，设底板垫层，并设好坑底集水井；（5）挖地槽至承台及地梁底标高，并立即设好垫层及砖胎模；（6）设好2次围护措施，挖坑中坑土体至设计标高，并立即设好垫层；（7）地下室基础和底板传力带施工；（8）向上施工完成-2层顶板、传力带；（9）拆除预应力型钢组合支撑；（10）向上施工作业，逐步浇筑侧墙、顶部；（11）回填土方至设计标高。基坑施工约210 d。

预应力型钢组合式支撑安装要严格控制允许偏差：两端中心线的偏心误差＜20 mm，两端安装完成后的标高差取20 mm和单个支撑长度6%中的较小值，整体挠曲度＜0.1%跨度，轴线偏差≤30 mm。在钢支撑安装后，土方开挖前必须施加预应力，预应力应分级施加，依次为总量的30%、50%和20%[3]。

施工期间对基坑、支护结构及周边环境进行严密监测，实现信息化施工，并根据施工现场监控量测信息反馈修正设计。本项目监控量测主要包含围护结构桩顶的水平位移、竖向位移；围护桩的水平位移；立柱结构的竖向位移和水平位移；支撑轴力和地表沉降。监测频率为1次/3 d。

经现场监测，围护结构的最大水平位移量为29.5 mm，最大变形量位于支撑下方，变形量较计算值25.85 mm；支撑最大轴力值为889 kN，地表最大沉降量为33.2 mm，支撑轴力及地表沉降均小于计算值，实测变化趋势与计算分析基本一致；围护结构变形、地表沉降均满足规范要求。经分析，支撑轴力值受预加力影响，当预加力相对计算值较大时，支撑轴力监测值较大，围护结构水平位移较小；当预加力相对计算值较小时，支撑轴力监测值较小，围护结构水平位移较大；且围护结构变形受支撑连接接头施工质量影响，当接头加工较精密、安装较为精细时，围护变形较小。

4 结语

以某市客运交通枢纽项目基坑工程为背景，结合水文地质条件、周边环境、基坑自身特点，对围护体系和支撑体系进行比较分析，确定采用咬合桩与装配式型钢桁架支撑的组合围护支护体系，通过计算分析及现场实测，结构稳定性及变形均满足要求，基坑安全、效果良好，并得出以下结论：

1）咬合桩围护结构适用于卵石地层，且具有较好的止水效果，施工便利。

2）装配式型钢桁架支撑具有安装及拆除便捷的特点，不仅适用长条形窄形基坑，在保证构件强度、稳定性及支撑体系稳定性的前提下，也适用于支撑长度＞150 m的大跨度基坑。

3）装配式型钢组合支撑的支撑轴力及围护结构变形量受构件加工精密程度、安装精度影响，工程应用中应严格控制接头数量。