为达到快速拆装，提供开阔施工空间的要求，一种新的基坑支护系统技术IPS（预应力鱼腹梁钢结构组合支撑技术系统)应运而生。IPS系统实现了支撑构件提前预制，现场快速完成拆装作业，为土方及地下工程提供广阔操作空间，显著改善地下结构施工条件的目标。同时解决了传统混凝土支撑施工周期长，强度上涨慢，拆除困难且造价高的问题，越来越广泛的使用在临近河道的深基坑施工中[1]。
上海某工地深基坑工程项目，基坑临近河道，工程施工采用IPS系统不仅能提高本公司在深基坑施工中的技术水平，为同类项目施工提供参考，也打开了此类工程建设的窗口。
1 工程概况
1.1 项目基本情况
项目位于上海市浦东新区临港南汇新城。本项目主要包括两栋度假酒店及多功能厅，是整体项目二期开发的附属配套功能建筑群。酒店地上21层，多功能厅地上1层，两者地下室共计1层，整体开发利用。项目总建筑面积48 161m2。
1.2 基坑围护情况
本项目基坑围护所采用的形式为沿基坑边线布置一道由三轴搅拌桩和布置间隔为“插二跳一”的内插型钢所组成的SMW工法桩；基坑内侧布置由对撑、角撑和鱼腹梁及其附属构件共同组成的IPS钢支撑确保基坑安全。SMW工法桩两大组成部分三轴搅拌桩和内插型钢规格间距分别为A 850@600和H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm。内插型钢在普遍区域采用插二跳一的形式，南侧降板深坑区域采用密插形式。IPS钢支撑由5个对撑，7个角撑，2个42 m鱼腹梁，2个40 m鱼腹梁，1个24 m鱼腹梁，1个39 m鱼腹梁共同构成。基坑边线与地下室墙距离普遍为800 mm。除基坑外围围护设防外，对于基坑内部的局部深坑采用规格间距为A 800@600的高压旋喷桩进行封底加固。
待基坑外围设置的SMW工法桩的水泥土硬化固结形成封闭的止水帷幕后在基坑内部进行降水，基坑降水形式为疏干自流井降水，降水至少应在基坑开挖前三周进行。
基坑加固与围护布置示意见图1。
图1 本项目基坑加固与围护布置示意图
2 深基坑施工
2.1 准备作业
为使测量精度满足施工要求，保证施工顺利进行，本工程平面控制网应先从整体考虑，遵循“先整体后局部，低精度受控于高精度”的原则，依照拟建建筑物在总平面图中的定位，从国土规划部门获得测量控制点，对建筑物主轴线控制网络进行引测，从而建立统一的轴线控制网。并以此为依据，由高到低设置三级控制网，相互衔接，从而构成以一个完整的测量控制体系。
除平面控制网外还需进行垂直控制网的布设。本工程垂直轴线的测设运用经纬仪和全站仪相互配合，采取天顶法、坐标法根据不同施工阶段的特性进行针对性测量。以规划部门获得的水准点高程为依据，在施工现场建立高程控制网。在酒店塔楼上用全站仪引测标高，从而控制楼层标高。此外，为减少施工过程中建筑物风振及结构自振对测量结果造成不利影响，还准备在酒店塔楼中间层设置垂直控制网传递层，确保测量精度符合要求。
2.2 SMW工法桩施工
本工程采用一台JB 160型钻孔机进行施工，施工时套接一孔。由于地层土砂性较重，正式施工之前进行成桩工艺性试验，试验桩≥2根，根据试验数据确定成桩效果，以下钻、提升速度、水灰比等技术参数为依据，优化水泥浆配置，适当配置膨润土。除三轴搅拌桩外，还需在桩体内按照“插二跳一”的形式插入H型钢，由于H型钢较长，采用两根H型钢焊接，两根相邻的H型钢结构错开1 m以上，接头避开支撑与开挖面部位。
2.3 高压旋喷桩以及降水施工
本工程采用6台XY-100型地质钻机进行坑中坑加固作业，根据施工图纸及设计要求，采用双重管法高压喷射注浆工艺。首先采用机械钻头钻孔，成孔后将泥浆管插入至设计桩底标高稍低的位置开始喷浆。待喷浆压力达到设计要求值再开始旋喷并逐步提升，由上而下地完成整根桩体的喷浆施工。在喷浆过程中应当注意防止出现喷嘴被杂物堵住的情况出现，其工作时的喷出流量和喷射压力必须满足设计要求。如出现不满足设计要求或喷嘴被堵时，应提前将钻头取出钻孔，将其清理干净后再进行施工。施工过程中，对于注浆起止时间、注浆流量和喷射压力等施工参数应做好相应记录，喷嘴的旋转速率和提升速度也应满足设计图纸要求。
本工程降水用3台MY-100钻机采用正循环自然泥浆造浆钻孔成井。经现场勘探实测基坑总面积约为18 600 m2，结合以往工程经验，一口疏干井有限面积约为200 m2。根据基坑所处地层性质、占地面积和地下水水头分布等多种因素综合考虑，在基坑内共设置93口疏干井。坑外观测井按照50 m间距布置，共布置12口。为确保坑外水位观测的灵敏度，采用与坑内相统一的井结构，深度14.5 m。在紧急状况时可以作为应急抽水井使用。
基坑开挖深度为7.5～11 m，井深14.5 m。
2.4 IPS鱼腹梁钢支撑施工
2.4.1 钢支撑布设
本工程IPS组合式钢支撑主要有对撑5个，角撑7个，42 m和40 m鱼腹梁2个，24 m和39 m鱼腹梁1个。支撑安装后需等到混凝土圈梁达到图纸要求强度的85%后方可进行钢绞线张拉，钢绞线张拉至设计要求强度后方可开始进行挖土作业。
2.4.2 施工流程
现场准备→相关构件设备进场→立柱桩施工→混凝土冠梁及钢围檩施工→IPS钢支撑拼装→张拉钢绞线施加预应力→分区域分层分段开挖→浇筑底板垫层→大底板及外墙翻口施工→支护斜抛撑安装施工→地下室结构施工→等待强度上涨至设计强度→钢支撑构件拆除回收→支护工程结束[2]。
2.4.3 施工准备
施工前应按照围护图纸中IPS鱼腹梁钢支撑布设位置及形式合理安排作业顺序、现场平面布置、吊机型号和作业路线，做好放样测量以及技术交底工作。
在施工前参照图纸给定的位置坐标以及国土部门提供的控制点坐标确定诸如SMW工法桩起止桩桩位、立柱桩桩位、钢围檩和钢支撑等构件坐标值。依据推算出的坐标点位进行现场放线，确定具体位置，并在相应点位做好保护措施。
在确定构件位置后，即可开挖首层土方。首层土方开挖底标高应控制在支撑底标高位置，开挖宽度至少应满足围檩宽度与放坡宽度之和或构件尺寸与放坡宽度之和。
2.4.4 支撑构件预拼装
相应准备工作完成后即可安排钢支撑构件进场，并按照不同类别堆放在平面布置图中制定的堆场位置。此外，构件到场后还应按照构件图纸与发货单详细核对构件的规格、型号、尺寸、材质、数量等信息，并留存好相关质保书和检验报告，做好入库登记。
钢支撑正式吊装前可将局部构件提前拼装成一个整体，如钢对撑在吊装重量内的型钢杆件、角撑构件中的槽钢联系杆以及在履带吊等吊装机械吊装重量以内的小型鱼腹梁构件等。拼装完成后应详细核查使用构件型号、位置与拼装顺序以及安装偏差是否在图纸及规范允许范围之内。复核完毕后将拼装完成的成品构件用吊机按照正式组装顺序放置在安装位置附近。摆放时应注意将主要构件与次要构件分开，堆放层数最多不能超过三层，重型构件在下，次要构件在上。此外，构件堆放前应在相应位置放置枕木，且每层构件重心应在同一直线上进而防止构件倾覆。
2.4.5 冠梁等交叉作业施工
在IPS构件进场预拼装的同时可交叉进行冠梁、钢围檩、路基箱制作及相应位置土方开挖等工序施工。根据设计图纸要求，混凝土圈梁外侧不再设置模板，直接以钢围檩作为模板。且由于钢围檩分段安装，拼接位置需埋设地脚螺栓，故在冠梁混凝土浇筑前应确保地脚螺栓埋设数量及定位符合设计要求。由于上述原因，冠梁施工应与钢围檩施工同步穿插进行。同时，在未架设路基箱台的情况下，严禁挖土设备跨支撑。
2.4.6 支撑构件安装
首先进行立柱施工，现场放样在经相关校对人复核后采用600机械手设备施打的方法；按照设计桩顶标高推算送桩深度，在送桩杆相应位置做好标记，打桩时采用S 3级水准仪控制桩顶标高误差，立柱桩顶标高误差允许范围为-50～0mm。检查时按总数抽查10%，且应≥3根立柱桩[3]。
立柱桩施工完毕后进行三角托架施工，基坑周圈安装的三角托架应保证钢围檩处在同一标高上。三角托架施焊前应凿除连接部位的三轴搅拌桩桩体，将残存碎渣、泥浆、铁锈及油污等杂物清理干净，确保焊缝饱满。焊接托架时应带线抄平，保证托架处在同一标高之上，不得出现歪扭或上下错位。托架水平伸出长度应满足钢围檩使用要求，施焊过程中应对其标高、水平及垂直度等数据进行全程监测。
托架施工完毕后方可进行钢围檩及混凝土冠梁施工。钢围檩与混凝土圈梁应交错施工，钢围檩安装前应复核三角托架安装位置、间隔与水平标高，确认无误后方可绘图整平。之后安装钢围檩，混凝土冠梁直接以钢围檩为外侧模板，内侧钢筋绑扎完成后浇筑混凝土。此外，在浇筑混凝土前钢围檩与混凝土冠梁之间采用预埋螺栓进行连接，螺栓规格、型号、埋设位置均应满足设计图纸要求。支撑型钢与钢围檩连接节点见图2。
图2 支撑型钢与钢围檩连接节点
混凝土冠梁与钢围檩施工完毕后即可进行托座与支撑梁安装。安装前应根据图纸中支撑梁的标高反推其标高，计算方法为托座上部标高=支撑结构中心标高-（H型钢规格的1/2+支撑梁规格）。安装时误差应<5 mm。相邻托座施工时也应带线抄平，确保两相邻托座架体之间标高差<L/1500(L为间距），且≤10 mm。与三家托架相同，托座在安装时也应有测量人员在现场实时控制垂直度偏差。如立柱标高有误差则应通过加垫钢板的形式使托座垂直度满足要求。托座与立柱，托座与托座之间连接焊缝应饱满，焊脚高度≥8 mm[3]。
在上述工序全部完成后即可开始主体工序施工即钢支撑构件的吊装。钢支撑主要可分为3种构件形式：角撑、对撑和鱼腹梁。安装前应先在地面上按照拼装顺序进行预拼装，完成后检查其顺直度，合格后整体吊装。此外，由于角撑安装时与围檩之间有一定倾角，不宜一次性安装到位，故在拼接过程中构件之间连接所用的高强螺栓前后应各留有三丝空隙方便后期整体紧固时进行调节。局部角撑安装过程中，如出现加压端空档过宽的情况时，应采用相应厚度的钢板垫紧贴密，防止支撑在后期受力过程中发生偏心扭转。
钢支撑构件之间拼装完成后即可进行螺栓紧固作业，高强螺栓紧固必须分两次进行，即初拧与终柠，螺栓紧固程度务必达到设计及规范要求。
2.4.7 钢绞线张拉
支撑构件安装完毕后方可开始钢绞线张拉作业。张拉时，千斤顶中心线与钢绞线应处在同一直线上。设计有要求时，钢绞线实际伸长率与计算所得的理论伸长率应相符合；设计无要求时，实际伸长率与理论伸长率之间的偏差应在±6%以内。否则，应立即停止施工排查原因，解决问题后方可继续张拉。
钢绞线张拉应逐根按顺序进行，由于钢绞线之间摩阻力的存在，钢绞线无法一次张拉到位，应当分三次张拉。第一次张拉至设计值的50%，第二次升高至70%，第三次加大至100%，进而保证钢绞线张拉后强度满足设计要求[3]。
2.5 土方开挖
本工程平均开挖深度6.90 m,IPS围护水平支撑相对标高-3.050，现场场地标高-1.200，因此考虑分2层开挖（首层开挖提供IPS水平支撑工作面，第二层开挖至底板施工面），分层开挖相关信息见表1。
表1 分层开挖相关信息统计表
由于基坑面积较大，划分为A、B、C、D 4个区开挖，每个分区按分块依次开挖，先开挖A区、B区，后开挖C区、D区；每块土方开挖分两级放坡，坡度1∶2，坡与坡间距5 m。土方开挖过程中加强对支撑的保护，避免车辆或挖机挤压或碰撞支撑，塔吊基础、方钢管立柱周围土方应对称开挖，临近立柱周围采用人工开挖。土方开挖由南向北进行，地二层土方开挖至设计标高后立即浇筑垫层，挖土过程中不间断进行降水作业。土方开挖顺序见图3。
图3 土方开挖顺序图
3 基坑变形监测
本工程紧邻河道且基坑面达到近2万m2，施工过程中的基坑检测与预警尤为重要。实时了解基坑变形情况，根据反馈数据及时调整施工部署，及时纠偏，保证施工安全。根据本工程开挖做法和施工的特点，开挖时基坑各项数据监测频率为每天两次，主要监测内容包含土斜位移、水位变化、支撑轴力以及周边管线沉降与河堤沉降等内容[4]。
本项目IPS钢支撑自2018年12月20日开始安装，至2019年1月10日完成最后一次应力加载，共计21 d[5]。
2019年2月22日开始土方开挖，基坑呈东西两侧，由南向北镜像开挖，至26日，此时的西侧部分底层已经浇筑完成，东南侧土方已人工清理至坑底标高。TX 4的测斜累计最大值为38.4 mm,TX 16的测斜累计最大值为41.2 mm，均未超过累计报警值，且从日变化量来看，基本已趋于稳定。基坑开挖期间各项监测数据正常，基坑、河道、管线变形在可控范围[5]。
4 结语
深基坑施工对周边环境影响较大，且本项目基坑邻近河道，变形控制与安全施工是个难题。通过采用IPS钢支撑不仅能够提前预预制支撑构件，现场快速完成拆装作业，为土方及地下工程提供广阔操作空间，显著改善地下结构施工条件。还能够解决传统混凝土支撑施工周期长，强度上涨慢，拆除困难且造价高的问题。
通过IPS系统技术的应用，对技术成果总结完善加强。通过IPS系统技术，增强临近河道与市政道路基坑的安全系数，降低深基坑施工中发生安全事故的风险，从而减少安全事故带来的工期损失和经济损失。
摘自《建筑科技》