深基坑支护张弦梁钢支撑系统应用

【摘要】张弦梁钢支撑是一项用于地下空间开挖的新型绿色深基坑支护技术，本文以南昌市第十二中学基坑工程为例，通过建立有限元分析模型，从对周围环境的影响、施工造价对比、系统受力、质量可靠性、噪声控制、环境污染、市场应用及技术成熟性等方面对比分析张弦梁钢支撑系统和混凝土支撑系统差异性。

【关键词】张弦梁钢支撑；基坑工程；差异性

1系统介绍

随着我国经济和城市建设的快速发展，土地资源日趋紧张，为了能够使土地资源得到更高的利用，地下空间的开发逐渐被人们所重视。在这一时期，深基坑工程得到快速发展，规模越来越大，对其安全要求也更加苛刻。张弦梁结构（图1）是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势。

2项目概况

本基坑位于南昌市第十二中学校园内，距赣江约800m，设计水位高于地下室底板标高6.35m；设计地坪标高为20.25m，基坑开挖深度10.65m，基坑周长617m，面积约13410m2。地下室四周外墙距离红线5.0~8.5m，最大设计土压力323kN/m。东南面地下室外墙距离地铁4号线外边线为21.97m，北面距地下室外墙6.81m处为朝阳水厂。南侧和西侧南段有多处管线，其中最近的线路距离地下室外墙1.67m。本次基坑支护设计的关键控制点有以下几点：①场地地处学校对施工期间噪声和工期要求较高；②场地周围变形控制较高，周围管线、地铁4号线、学校原有建筑物、东侧民房和北侧水池的位移不得超过10mm；③场地位于市区，对环境保护等级要求高。综上所述，该基坑的周围环境较为复杂，环保等级和施工要求高。

3有限元计算

采用Midas进行有限元数值分析，分析基坑开挖过程中对基坑及地铁4号线的变形控制及其影响问题，有限元模型如图2所示。土体材料采用弹塑性模型模拟，计算单位为三角形15节点单位，围护结构、隧道及支护形式采用线弹性单元模拟，分析模型X方向和Y方向位移情况。工况设置如下：工况1：初始土体地应力形成，位移清零；工况2：地铁隧道结构施工完成；工况3：施工围护桩、立柱桩及型钢立柱。位移清零，开挖土体至第一道支撑底，架设钢支撑；工况4：开挖土体至第二道支撑底，架设钢支撑；工况5：开挖至基坑底。通过计算分析显示，基坑X方向最大变形7.05mm；Y方向最大变形12.85mm；地铁4号线X方向最大变形为2.55mm，Y方向最大变形为7.35mm，均满足规范设计要求。在基坑施工开挖过程中地铁位移较小，张弦梁支撑系统对于基坑周围建构筑物影响较小。

4工程效果对比

4.1施工造价对比

表2从材料用量、立柱数量、安装拆除时间以及无支撑开挖面积的角度给出了张弦梁与混凝土支撑系统对比。混凝土支撑系统需要现场安设模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土，待混凝土养护强度达到设计要求后方可进行土方开挖。张弦梁钢支撑系统构件由工厂加工第三方检测单位检测合格后进行标准化和模块化装配，全螺栓连接，安装方便，无须养护，安装完成后方可立即进行取土开挖作业节省工期。混凝土支撑系统拆除须爆破，张弦梁钢支撑系统可直接拆卸，拆除工期相对混凝土支撑可节省70%以上，明显缩短工期。对比混凝土支撑系统，采用张弦梁系统后，减少混凝土使用量4337m2，减少建筑垃圾7800t；支撑立柱的数量优化61%；开挖面积是原方案的1.24倍；钢支撑的安装和拆除工期相比原方案分别减少69%和66%。由于混凝土支撑拆除后产生大量混凝土碎块，且内部钢筋无利用价值，外运或掩埋会产生费用；而张弦梁钢支撑系统拆除后钢材可以回收，可循环使用，大大降低施工成本。直接工程造价相比混凝土支撑降低20%左右，其制造、运输、施工简捷、缩短工期带来的经济效益更加显著。

4.2受力分析

混凝土支撑系统支撑梁轴力为压力，支撑梁在正常工作的情况下，根据计算所得支撑梁的轴力、弯矩、剪力图确定某一段支撑梁的受力特征，结合混凝土结构设计原理及混凝土承受压应力，根据受力大小确定钢筋数量。张弦梁钢支撑系统钢支架用于承托支撑系统，张弦梁将其跨度内所受土压力传递到对称式桁架上，对称式桁架将土压力向基坑两边相互抵消，受力明确、结构形式多样，充分发挥了刚柔两种材料的优势。张弦梁支护系统刚度大、形变小，安全性大、可靠度高，受力均匀、明确，预应力施加方便，易于监控，基坑变形可调节，正常使用后还可以二次施加预应力，有效增加基坑安全可靠性。

4.3质量可靠性

混凝土支撑系统无法施加预应力，因此，相对而言，对基坑变形控制能力较差，稍有疏忽，会对基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路的正常使用产生重大影响。张弦梁钢支撑系统可通过一次或多次施加预应力使得受力均匀分布到整个系统中，能有效控制基坑变形，只要在基坑开挖过程中对基坑轴力和支护位移进行全程跟踪监测，可完全控制基坑变形量，减少对周围周边建（构）筑物、地下管线、道路的影响。

4.4噪声控制

项目现场位于南昌十二中校园内，紧邻教学楼，由于学校环境的特殊性，对现场噪声控制要求较高。混凝土内支撑梁施工时木工电锯、钢筋切割、混凝土振捣、垫层破除、内支撑梁切割破碎产生的噪声均严重超过学校对于噪声控制要求的限值，严重影响医院工作人员和病人的正常生活和工作。比较而言，张弦梁拼装和拆除过程中产生的噪声要小得多。

4.5环境污染

混凝土内支撑梁拆除时产生大量粉尘和建筑垃圾。由于项目场地位于校园内，需要严格控制项目整个施工阶段的粉尘量。对于产生的建筑垃圾，我国主要的处理方式为掩埋。其危害在于：①占用大量土地；②造成严重的环境污染，直接危害到周边居民的生活；③破坏土壤结构、造成地表沉降。因此与绿色环保的张弦梁拆除时无排放、零污染、无废物产生的优越性相比，更是无法相提并论。

4.6市场应用及技术成熟性

混凝土支撑系统目前国内应用普遍，加之多年的技术改进及实践的积累，因而目前技术较成熟可靠。张弦梁钢支撑系统作为一种新型的钢支撑系统，目前均存在成功案例，技术成熟可靠，其相比传统混凝土支撑系统有较大优势，因此在市场上有较大应用前景。

5结论

张弦梁钢支撑是一项用于地下空间开挖的新型绿色深基坑支护技术。与传统基坑支护系统相比，不仅可以有效控制对周围构建筑物的影响，大幅减少了支护结构安装、拆除的工期及成本，而且大大增加了施工空间，加快了基坑工程的施工速度。系统具有节省造价、压缩工期、基坑变形小、施工噪声低、节能环保等特点，有积极推广应用的意义。

参考文献

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作者：曹进 危斯敏 单位：江西省勘察设计研究院