浅谈ips在宁波轨交1号线结构基坑工程中的应用

浅谈ips在宁波轨交1号线结构基坑工程中的应用

建筑是中国的主要能源消耗行业。世界建筑的能源消耗约占世界能源消耗总量的30%，中国建筑的能源消耗占能源消耗总量的45%，远远超过世界标准，其比例仍在继续上升。所以加强对新型绿色节能建筑工程技术的发展与研究,对我国建筑行业的可持续发展是非常有必要的。轨交地下车站的基坑工程大部分采用临时支撑体系,同时由于其功能原因,不少地下车站位于建(构)筑物密集、地下管线众多的城市中心区域,从而使深基坑工程对周边建(构)筑物的保护显得尤其重要。采用安全可靠的绿色基坑支护技术是建设资源节约型、环境友好型的轨交工程的需要。本文以宁波轨交1号线鼓楼站三角区基坑工程为例,对预应力鱼腹梁装配式钢结构支撑系统进行针对性的分析、探讨和总结,对该支撑系统在轨交工程中的适用性提出了建设性的建议。1色深基坑支护技术预应力鱼腹梁支撑系统(InnovativePrestressedsupportSystem,简称IPS工法)是从国外引进并发展的一项用于地下空间开发的绿色深基坑支护技术,也是住建部《建筑业10项新技术(2012)》推荐的“工具式组合内支撑技术”。考虑到围檩断面的经济合理性,常规工具式组合内支撑标准组合件的跨度一般为8.0m、9.0m、12.0m。IPS基于预应力原理,在工具式组合内支撑体系的基础上,通过专用节点将钢绞线和钢桁架组成的预应力鱼腹梁与工具式组合内支撑连接在一起,从而将常规工具式组合内支撑的跨度大幅度增加(最大跨度达到60.0m以上),可以形成较大的挖土施工操作空间,大大改善了地下工程的施工作业条件。2宁波轨道1号线鼓楼站3号线的底部设计2.1基坑围护方案宁波轨交1号线一期工程鼓楼站位于宁波市中山东路与解放南路的交叉路口,为1、2号线“L”形换乘车站,1号线沿中山东路下设置,呈东西走向,为地下三层岛式车站;2号线沿解放路下设置,呈南北走向,为地下二层岛式车站。车站东北侧市政绿地下设置1、2号线联络线,联络线基坑深度从与1号线相接处的23.3m渐变至与2号线相接处的17.1m。三角区为1、2号线车站与联络线之间的围合区域,为地下二层结构,基坑深度约为16.8m;联络线北侧为附属外挂风井,基坑深度为15.3m。三角区基坑待1、2号线车站完成后施工,采用明挖顺作法,围护结构根据基坑深度分别采用1.0m、0.8m厚地下连续墙,联络线深基坑围护采用0.8m厚地下连续墙或Φ800@1000钻孔灌注桩+旋喷止水帷幕,沿基坑深度方向设置4道钢筋混凝土支撑,联络线深坑增设1～2道钢支撑。为确保1号线开通节点要求,根据三角区设备用房布置要求,拟在基坑中部设置1道封堵墙,将三角区分成A、B两个基坑,东侧A区基坑先期施工,基坑面积约为4401m2;西侧B区基坑,面积约为4000m2(见图1)。2.2基坑坑底部位基坑开挖影响范围内均为饱和含水的流塑或软塑黏土层,具有含水量高、强度低、压缩性高、流变性大,灵敏度高等特性,三角区基坑坑底主要位于③2层粉质黏土,联络线落低段基坑坑底位于④1-2层粉质黏土及③2层粉质黏土中。2.3支撑方案不能满足总体工况要求受前期道路改造和管线搬迁等工程的滞后影响,A基坑按原设计的4道混凝土支撑方案无法满足总体工期要求。为加快施工进度,经研究,结合A基坑既有立柱桩及车道板位置,将原有第2、4道混凝土支撑调整为预应力鱼腹梁型钢支撑,缩短支撑安装及拆除周期(见图2、图3)。2.4鱼腹梁支撑设计施工工况A基坑第2道鱼腹梁支撑自2012年8月27日开始安装,至9月12日安装完成,9月14日开始施加预应力,9月16日完成预应力施加,总有效工期18d;从2013年4月29日开始拆除第2道支撑至5月26日拆撑完成,总工期为12d;第4道鱼腹梁支撑的施工工期与第2道相近。与第3道混凝土支撑的浇筑及拆除工期相比,2道鱼腹梁支撑的安装和拆撑工期共缩短约44d,确保了工程按期完成(见图4、图5)。3社会主义基础钢结构和基本保障拆与混凝土支撑相比,IPS采用了标准化、可重复利用的装配式钢构件,缩短了支护结构安装和拆除的工期,工程完成后钢构件材料可以全部回收、循环使用,具有节省施工工期、绿色环保等优点;与传统钢支撑和常规工具式组合内支撑系统相比,由于IPS采用型钢组合对撑,加大了支撑的间距,减少了对撑的数量,降低了支护体系的钢结构用量,且对撑之间没有立柱,改善了基坑施工的作业条件,具有造价低、施工便捷等优点,在一些工程中已得到成功的运用。轨交工程地下车站以长条形的窄条基坑为主,大多处于中心城区,周围建构筑物、地下管线众多,对环境保护要求高。由于IPS支撑间距大、要求整体受力施加预应力、节点施工等特点,所以在轨交基坑工程应用时受到一定的限制。3.1预应力鱼腹梁支撑刚度计算基坑工程中内支撑系统的平面布置形式众多,当围护结构采用竖向弹性地基梁法计算时,支撑结构以弹性支座模拟,其刚度为平面框架法分析计算所得的平均压缩弹簧系数,体现为支撑的压缩变形和围檩的弯曲变形共同形成的等效刚度。其中支撑的压缩变形取决于对撑和角撑的刚度,是影响围护结构受力和变形的控制因素(见图6、图7)。以对撑、角撑等支撑形式为主的轨交长条形基坑工程,支撑间距较小,忽略围檩弯曲变形量的影响,支撑刚度可以采用下式计算:式中:KB——内支撑点弹性支座的轴向弹簧刚度(kN/m/m);α——与支撑松弛有关的折减系数,一般取0.5～1.0;E——支撑结构材料的弹性模量(kN/m2);l——支撑构件的计算长度(m);S——支撑构件的水平间距(m)。对于IPS,虽然支撑的间距增加了不少,但通过对钢绞线施加预应力,从而大大减少了围檩的弯曲变形量,因此当预应力鱼腹梁刚度足够大时,平面对称基坑的预应力鱼腹梁支撑整体刚度可近似地认为完全由支撑受压缩引起。此时可采用式(1)计算支撑刚度。如不考虑支撑预应力对钢支撑整体表观刚度的贡献值,与常规钢支撑或工具式组合钢支撑相比,若在加大鱼腹梁支撑间距的同时,相应地减少支撑梁的用钢量,实际上是削弱了支撑体系的整体刚度,也就是加大了基坑的变形,增加了围护结构的内力。因此,对于环境保护要求高、变形控制严的轨交地下车站,当采用IPS时,其支撑梁的用钢量必须满足变形控制对支撑整体刚度的要求,此时IPS的总用钢量并不能减少,与常规钢支撑相比,其经济优势大大降低。3.2支护结构的特性IPS在现场安装完毕后,对撑、角撑等主要受力构件上都可以施加预应力并可补偿,从而有效地控制基坑位移,减小基坑的变形。根据鼓楼站三角区基坑第二道鱼腹梁支撑预应力施加前后的测斜数据对比,整体预应力施加后,基坑围护结构的水平变形整体减少3mm左右,约占总变形量的15%(见图8)。因此与混凝土支撑相比,鱼腹梁钢支撑的表观刚度明显提高,在变形控制方面具有较大优势。与可及时施加预应力的传统钢管支撑相比,由于IPS整体受力的特点,其预应力必须在支撑体系封闭后整体施加,否则鱼腹梁体系受力不平衡,将影响到整个支撑体系的安全。软土地区土体的流变性对深基坑变形的影响是非常显著的,在同一工况下的变形随基坑围护墙体在开挖后暴露时间的延长而增加。根据工程实测数据显示,钢支撑架设、施加预应力完成后即使不开挖,由于软土的流变性,围护结构的位移速率也在0.5mm/d左右,如不施加预应力则其位移速率更大。因此,对于软土地区轨交长条形基坑,利用“时空效应”原理指导基坑施工是确保工程安全的重要前提。当工程场地土层条件差,变形控制要求较高时,与IPS需受力体系封闭、整体施加预应力的要求相比,一墙两撑、可采用轴力自动补偿系统的传统钢支撑在控制变形方面具有较明显的优势。3.3鱼腹梁传力板和钢绞线预应力的施工和监测是基础IPS是由各组件工厂标准化型钢构件通过螺栓连接,部分节点焊接形成,因此现场螺栓连接和焊接节点的可靠性是IPS安全的重要保障。与组合式工具内支撑体系相比,IPS施工的关键技术如下:1)鱼腹梁与支撑的连接是关键。由于支撑的间距加大,鱼腹梁与支撑连接节点的受力大大增加,因此其重要性更为突出,现场拼装时应加强控制,确保鱼腹梁的荷载能可靠地传递到支撑上。2)鱼腹梁围檩与围护结构之间可靠的传力。围护结构墙面不可避免地存在不平整,对于围檩与围护结构之间的空隙,现场一般是在鱼腹梁围檩与围护结构之间设置“T”、“I”传力钢板。传力钢板为现场实测放样焊接施工,与工厂化加工、现场螺栓连接的支撑、节点等构件相比为薄弱环节,施工质量的可控性相对较差,必须通过精细化施工确保传力板的可靠传力;同时,在施工过程中,必须避免施工机械对构件的碰撞。3)鱼腹梁钢绞线预应力的施工和监测尤为重要。鱼腹梁是通过对钢绞线施加预应力,增大鱼腹梁抗弯刚度的,因此钢绞线的预应力能否维持设计规定应力值是鱼腹梁成功实施的关键。施工中必须严格控制钢绞线预应力张拉和锁定的施工质量,加强施工中钢绞线的预应力监测,确保鱼腹梁受力安全。4内支撑体系的选择IPS具有绿色环保、施工速度快、节省施工工期、降低造价等优点,在大型地下空间开发、采用混凝土支撑体系的基坑工程中,具有较明显的优势,是一种值得